เวลาเป็นสิ่งสำคัญสำหรับมนุษย์ ในแต่ละวันตารางเวลาบอกเราว่าต้องทำอะไรเมื่อไหร่ ในแต่ละช่วงชีวิตเราค่อยๆเติบโตจากเด็กจนเป็นผู้ใหญ่ เราทุกคนเคลื่อนที่ผ่านเวลา เราเกิด แก่ และตาย พูดได้เลยว่ามนุษย์ทุกคนรู้จักและใกล้ชิดกับแนวคิดเรื่องเวลามากๆ แต่เวลาในสายตาของนักฟิสิกส์ล่ะ เวลาคืออะไรแล้วมันไปเกี่ยวข้องกับควอนตัมฟิสิกส์ได้อย่างไร?
เวลามีหน่วยพื้นฐานที่เรียกว่า “วินาที” ซึ่งในมุมมองของนักฟิสิกส์นั้นถือเป็นปริมาณพื้นฐานทางฟิสิกส์ที่สำคัญมากกก(ก ล้านตัว) ถือเป็นหนึ่งในเจ็ดปริมาณพื้นฐาน(หรือที่เราคุ้นหูว่า SI UNIT)ที่ใช้อธิบายทุกสิ่งทุกอย่างในจักรวาลนี้ก็ว่าได้
ถ้าเราลองเปิดเข้าเว็บไซต์ Wikipedia.org ในหัวข้อ International System of Units (https://en.wikipedia .org/wiki/International_System_of_Units) ในหมวดของ second เราจะเห็นเขานิยามเวลาหนึ่งวินาทีว่า “The duration of 9192631770 periods of the radiation corresponding to the transition between the two hyperfine levels of the ground state of the caesium-133 atom.” แปลว่า ช่วงเวลาที่รังสี (ที่สัมพันธ์กับการเปลี่ยนระดับพลังงานไฮเปอร์ไฟน์ 2 ชั้นของสถานะพลังงานพื้นของอะตอมซีเซียม 133) สั่นไปมาได้ 9,192,631,770 รอบ
จากนิยามเราก็พอจะเห็นแล้วว่ากลศาสตร์ควอนตัมมาเกี่ยวผ่านระดับชั้นพลังงานของอะตอมซีเซียมที่เป็นขั้นๆนั่นเอง คำถามคือทำไมเราต้องนิยามค่า 1 วินาทีให้ซับซ้อนซ่อนเงื่อนขนาดนี้ด้วย? คำตอบก็คือเพราะมันเป็นปริมาณที่แม่นยำที่สุดเท่าที่มนุษย์จะสามารถวัดได้น่ะสิ
จริงๆถ้าเราลองถามตัวเองดูว่าเราจะนิยามช่วงเวลายังไง? ไม่ต้องเอาให้แม่นถึง 1 วินาทีก็ได้ เอาเป็น 1 ชั่วโมงแทน คำตอบก็คงจะออกมาหลากหลายมาก เช่น บางคนใช้ลูกตุ้มเหล็กมาแกว่งไปมาเป็นตัวบอกเวลา บางคนเอาการสั่นไปมาของมวลติดสปริงเป็นตัวบอก หรือแม้แต่เอาตำแหน่งของดวงอาทิตย์เป็นตัวบอกก็มี แต่ถึงแม้วิธิจะหลากหลายแต่ถ้าสังเกตดีๆจะเห็นว่า วิธิทั้งหมดมีจุดร่วมกันคือ “เราใช้สิ่งที่มีลักษณะการเคลื่อนที่กลับไปกลับมาเป็นคาบเป็นตัวเทียบ” ยิ่งคาบการสั่นนี้แม่นยำเท่าไรเราก็ยิ่งวัดเวลาได้แม่นยำขึ้นเท่านั้น และรังสีที่เข้าไปกระตุ้นอะตอมซีเซียม 133 เองก็มีลักษณะเป็นคาบเหมือนกัน และคาบการสั่นนี้ก็แม่นยำมากถึงขนาด 1/9,192,631,770 = 0.00000000010878278 วินาทีเลยทีเดียว นาฬิกาอะตอมซีเซียมนี้จึงเป็นนาฬิกาที่แม่นยำที่สุดที่มนุษยชาติเคยทีมีเลยก็ว่าได้
แล้วนาฬิกาอะตอมนี้มันมีหลักการทำงานอย่างไรล่ะ? ก่อนจะตอบคำถามนี้ขอเกริ่นสักเล็กน้อยเกี่ยวกับฟิสิกส์ของอะตอมก่อน ควอนตัมฟิสิกส์บอกเราว่าอะตอมมีระดับชั้นพลังงานเป็นขั้นๆไม่ต่อเนื่องและเราสามารถทำให้อะตอมเปลี่ยนระดับชั้นพลังงานจากระดับต่ำไปสู่ระดับสูงได้โดยการให้พลังงานแก่อะตอม แต่พลังงานนั้นต้องมีค่าเท่ากับผลต่างของระดับชั้นพลังงานทั้งสองนั้นพอดี ถ้าพลังงานที่เราให้เข้าไปนั้นไม่เท่ากับผลต่างของระดับชั้นพลังงานสัดส่วนของจำนวนอะตอมที่จะรับพลังงานจะค่อยๆลดลงตามความห่างของพลังงานที่ให้กับผลต่างระดับชั้นพลังงานนั้น กล่าวคือถ้าเรามีอะตอมที่อยู่ในสถานะพลังงานต่ำ 100 ตัวแล้วเราให้พลังงานกับอะตอมกลุ่มนี้เท่ากับผลต่างของระดับชั้นพลังงานแล้วอะตอมทั้ง 100 ตัวนี้จะรับพลังงานก้อนนี้และเปลี่ยนไปอยู่ในสถานะพลังงานสูงทั้งหมด แต่ถ้าพลังงานที่ให้ไปไม่เท่ากับผลต่างระดับชั้นพลังงานแล้วละก็ อาจมีอะตอมแค่ 60 ตัวที่รับพลังงานแล้วเปลี่ยนไปอยู่ในสถานะพลังงานสูง ส่วนอีก 40 ตัวยังอยู่สถานะพลังงานต่ำเหมือนเดิม
นาฬิกาอะตอมใช้หลักการอันนี้ในการสร้างนาฬิกาโดยลำอะตอมจะถูกให้ความร้อนก่อน แต่ละอะตอมอาจจะอยู่ในสถานะพลังงานสูงหรือต่ำก็ได้ ในที่นี้เราขอเรียกว่า สถานะ A (พลังงานต่ำ) และสถานะ B (พลังงานสูง) หลังงจากนั้นเราจะใช้สนามแม่เหล็กในการเลือกเอาสถานะ B ออกไปให้เหลือแต่สถานะ A ไว้ ลำอะตอมที่มีแต่สถานะ A นี้จะถูกส่งเข้าไปในอุโมงค์รับพลังงานเพื่อรับพลังงานจากรังสีไมโครเวฟ พลังงานจากรังสีนี้แหละจะเป็นตัวกระตุ้นให้อะตอมที่อยู่ในสถานะ A เปลี่ยนเป็นสถานะ B หลังจากออกจากอุโมงค์แล้ว ลำอะตอมก็จะผ่านสนามแม่เหล็กอีกครั้งนึง แต่ในครั้งนี้สนามแม่เหล็กจะเลือกเอาอะตอมที่มีสถานะ A ออกเหลือแต่สถานะ B แล้วอะตอมเหล่านี้ก็จะถูกวัดโดยหัววัด จึงพูดได้ว่าเราสามารถวัดจำนวนอะตอมที่เปลี่ยนจากสถานะ A (พลังงานต่ำ) ไปเป็นสถานะ B (พลังงานสูง) ได้จากกระบวนการวัดแบบนี้นั่นเอง
แต่เรารู้ว่าพลังงานของรังสีไมโครเวฟ (ซึ่งเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า) ขึ้นกับความถี่ของมัน เราจึงสามารถจูนพลังงานผ่านการจูนความถี่ของคลื่นได้ ทีนี้เราก็ค่อยๆจูนความถี่ของรังสีไมโครเวฟจนกระทั้งเราได้จำนวนอะตอมที่วัดได้จากหัววัดมากที่สุด เราก็จะรู้ทันทีว่าพลังงานของคลื่นไมโครเวฟความถี่นี้ตรงกับผลต่างของระดับชั้นพลังงานของอะตอมที่เราใส่เข้าไปนั่นเอง “ความถี่ของคลื่นไมโครเวฟอันนี้แหละคือสัญญาณที่เราจะใช้ทำนาฬิกา” สำหรับอะตอมซีเซียม 133 นั้นความถี่ของคลื่นไมโครเวฟที่ทำให้อะตอมมีการเปลี่ยนระดับพลังงานมากสุดเท่ากับ 9,192,631,770 เฮิร์ต เราจึงนิยามเวลาผ่านค่าความถี่นี้นั่นเอง
https://www.youtube.com/watch?v=_5sTxL-vvGU
เรียบเรียงโดย เอกรัฐ พงษ์โอภาส
เอกสารอ้างอิง
– https://en.wikipedia.org/wiki/International_System_of_Units
– https://www.timeanddate.com/time/how-do-atomic-clocks-work.html
– Laurence, William L. “NIST primary frequency standards and the realization of the SI second” NCSLI Measure. 2 (4): 74–89.
– D.B. Sullivan (2001). “Time and frequency measurement at NIST: The first 100 years” 2001 IEEE International Frequency Control Symposium. NIST. pp. 4–17.
– “60 years of the Atomic Clock”. National Physical Laboratory. Retrieved 2017-10-17.
