วิวัฒนาการเทคโนโลยีการวัดเวลา : จากนาฬิกาแดดถึงนาฬิกาอะตอม

ใคร ๆ ก็รู้ความหมายของ “เวลา” แต่ถ้าจะขอให้บอกคำจำกัดความ ผู้คนในสังคมที่หลากหลายก็จะให้คำจำกัดความที่ไม่เหมือนกัน บางคนอาจจะบอกว่า เวลาเป็นเงินเป็นทอง หรือเวลาเป็นสิ่งที่ไม่เคยคอยใคร บางคนอาจอ้างถึงคำพังเพยว่า ระยะทางพิสูจน์ม้า กาลเวลาพิสูจน์คน ซึ่งมีนัยยะว่า บุคลิกภาพที่แท้จริงของทุกคน เมื่อเวลาผ่านไปนาน ๆ ในที่สุดทุกคนก็จะประจักษ์ความจริง จะอย่างไรก็ตามเป็นที่น่าสังเกตว่า ทุกวัฒนธรรม และสังคมมักอ้างถึงคุณและค่าของเวลา เช่น สุภาษิตละตินกล่าวว่า เวลาสามารถทำลายทุกสิ่งทุกอย่างได้ คัมภีร์ไบเบิล กล่าวว่า เวลาเดินเร็วยิ่งกว่าความเร็วของกระสวยคนทอผ้า สำนวนของคนเยอรมัน กล่าวว่า คนเรามีค่าเพียงใด เวลาของเขาก็ยิ่งมีค่ามากเพียงนั้น

เมื่อ 1,600 ปีก่อน นักบุญ Augustine แห่งเมือง Hippo ในประเทศกรีซ ได้ยกประเด็นเรื่องเวลาให้ทุกคนคิดในหนังสือ Confessions ว่า เวลาถือกำเนิดเมื่อใด และเมื่อเวลาผ่านเราไปแล้ว ได้เดินทางไปที่ใด นักวิทยาศาสตร์เองก็มีคำจำกัดความของเวลาหลายรูปแบบ เช่น นักชีววิทยาคิดว่า เวลา คือ สิ่งที่กำหนดพฤติกรรมของสิ่งมีชีวิตทุกชนิด เพื่อให้พืชและสัตว์สามารถดำเนินชีวิตไปได้อย่างสมดุลกับสิ่งแวดล้อม นักฟิสิกส์คิดว่า เวลา คือมิติหนึ่งในสี่ของเอกภพ แต่สำหรับคนทั่วไป เวลา คือ ตัวเลขที่ปรากฏอยู่บนหน้าปัดนาฬิกาของทุกคน เพราะใคร ๆ ในสมัยนี้ก็มีนาฬิกาพกพา ดังนั้นประเด็นที่น่าคิด คือ ถ้านาฬิกาทุกเรือนในโลกหยุดเดินพร้อมกัน สังคมมนุษย์จะประสบความโกลาหลอลหม่านเพียงใด หรืออาจจะต้องล่มสลายไปภายในเวลาไม่นาน

ไม่เพียงแต่คนปัจจุบันร่วมสมัยเท่านั้นที่ครุ่นคิดถึงเรื่องความสำคัญของเวลา เรายังสนใจการตอบคำถามที่ว่า เวลาถือกำเนิดได้อย่างไร และจุดสิ้นสุดของเวลาจะมีหรือไม่ นักวิทยาศาสตร์จะวัดเวลาได้ละเอียดที่สุดเพียงใด และมนุษย์เริ่มวัดเวลาเป็นตั้งแต่เมื่อใด

ในการตอบคำถามเหล่านี้ นักโบราณคดีและนักประวัติศาสตร์ได้พบหลักฐานมากมายที่แสดงว่า ชาวบาบิโลนและชาวอียิปต์ ซึ่งเคยอาศัยอยู่ในดินแดน Mesopotamia ในเอเชียตะวันตก และแถบลุ่มแม่น้ำ Nile ในแอฟริกา ตามลำดับ เมื่อ 5,000 ปีก่อน ได้คิดสร้างนาฬิกาเพื่อวัดเวลา เพื่อให้ฝูงชนในสังคมเดียวกันได้มาทำพิธีกรรมทางศาสนา พบปะและร่วมทำกิจกรรมในประเพณีต่าง ๆ โดยกำหนดเวลา 1 วัน เป็นช่วงเวลาที่ดวงอาทิตย์โคจรมาอยู่เหนือศีรษะในครั้งต่อไป ซึ่งเหตุการณ์นี้จะเกิดเป็นคาบ จากการที่โลกหมุนรอบตัวเองไปได้ครบ 1 รอบ และเวลา 1 เดือน คือเวลาที่ดวงจันทร์โคจรไปรอบโลกได้ครบ 1 รอบ ส่วน 1 ปี คือเวลาที่โลกใช้ในการโคจรรอบดวงอาทิตย์ได้ครบหนึ่งรอบ

ในเวลาต่อมา นักบวชอียิปต์ก็ได้กำหนดให้เวลา 1 ปี มี 12 เดือน และ 1 เดือนมี 30 วัน แต่นักดาราศาสตร์ในยุคต่อมาได้พบว่า ต้องมีการเพิ่มวันอีก 5 วันในหนึ่งปี เพื่อให้โลกได้โคจรกลับมาถึงที่เดิมจริง ๆ เพราะโลกต้องใช้เวลานาน 365.25 วัน ในการโคจรรอบดวงอาทิตย์ และใช้เวลา 23 ชั่วโมง 36 นาที กับ 34.55 วินาที ในการหมุนรอบตัวเองไปได้ครบหนึ่งรอบ

ความสำคัญของเลข 12 ที่คนโบราณใช้ในการแบ่งปีเป็นเดือน เกิดจากการที่โหรในสมัยนั้นกำหนดให้ปีหนึ่งมี 12 จักรราศี เพื่อใช้ในการทำนายโชคชะตาของผู้คน และยังได้แบ่งเวลากลางวันกับกลางคืนออกเป็น 12 ช่วงเท่า ๆ กัน แต่ในบางพื้นที่ของโลก เวลากลางวันในฤดูร้อนจะนาน และเวลากลางคืนในฤดูเดียวกันจะสั้น เหตุการณ์นี้เกิดขึ้นเพราะแกนของโลกเอียงขณะโลกโคจรรอบดวงอาทิตย์ ดังนั้น ถ้าจะแบ่งเวลาเป็นชั่วโมงในลักษณะนี้ เวลาของแต่ละชั่วโมงในพื้นที่ต่าง ๆ จะนานไม่เท่ากัน

ประเด็นต่อมาที่น่าสนใจ คือ มนุษย์ใช้เทคโนโลยีรูปแบบใด ในการวัดเวลา และใครเป็นบุคคลแรกที่คิดและทำเรื่องนี้

Herodotus ซึ่งเป็นนักประวัติศาสตร์ชาติกรีก ได้เคยบันทึกว่า ชาวอียิปต์และชาวบาบิโลนเป็นชนชาติแรกที่คิดสร้างนาฬิกาแดด เมื่อ 4,000 ปีก่อน โดยได้นำเสาตรงมาปักลงในแนวดิ่งในบริเวณกลางแจ้ง การเห็นความยาวของเงาเสาที่เปลี่ยนแปลงไปตามตำแหน่งของดวงอาทิตย์บนท้องฟ้า สามารถใช้เป็นดัชนีบอกเวลาที่ผ่านไปได้ แต่นาฬิกาที่ใช้เงาแดดในการบอกเวลานี้ สามารถวัดเวลาได้เฉพาะในเวลาที่มันได้รับแสงแดดเท่านั้น ดังนั้นในเวลากลางคืน นาฬิกาแดดจะไม่ทำงาน

คนโบราณในสมัยนั้นจึงถือว่าหลังจากที่พระอาทิตย์ตกดินแล้ว โลกจึงไม่มีเวลา เมื่อไม่มีเวลาการกำหนดนัดให้ผู้คนในสังคมมาทำกิจกรรมต่าง ๆ ร่วมกันในเวลากลางคืน จึงทำไม่ได้ ดังนั้นนักเทคโนโลยีในยุคโบราณ จึงได้ออกแบบสร้างนาฬิการูปแบบใหม่ โดยใช้น้ำแทนแสงแดด เพื่อบอกเวลาในยามค่ำคืน นั่นคือ ได้ประดิษฐ์นาฬิกาน้ำขึ้นมา ซึ่งเป็นนาฬิกาที่มีลักษณะเป็นภาชนะบรรจุน้ำอยู่ภายใน ที่ก้นภาชนะมีการเจาะรูขนาดเล็ก ให้น้ำไหลออกทีละน้อย ๆ การเห็นระดับน้ำในภาชนะลดลง ๆ แสดงว่าเวลาที่ได้ผ่านไป ดังนั้นถ้ามีการกำหนดให้ระดับน้ำที่อยู่สูงสุดเป็นเวลาตั้งต้น ระดับน้ำที่อยู่ต่ำสุดก็จะบอกเวลาที่นาฬิกาน้ำเรือนนั้นสามารถวัดได้ ในสมัยนั้นนาฬิกาน้ำจึงเป็นอุปกรณ์วัดเวลาที่ชาว Mediterranean นิยมใช้กันมาก

สำหรับชาวกรีกนั้น นิยมเรียกนาฬิกาน้ำว่า clepsydra ซึ่งมาจากคำ clep ที่แปลว่า ขโมย และได้สนธิกับคำ hydra ที่แปลว่า น้ำ นาฬิกาน้ำ จึงมีความหมายตรง ๆ ว่า โจรขโมยน้ำ และเป็นที่นิยมใช้ในการจับเวลาปราศรัยหาเสียงของนักการเมือง รวมถึงควบคุมเวลาเทศนาของนักบวชในโบสถ์ ซึ่งต้องมีการกำหนดเวลาให้พูด แต่ปัญหาก็ยังมีอีก เพราะในฤดูหนาวที่อากาศหนาวจัด น้ำในนาฬิกาน้ำ มักจะกลายเป็นน้ำแข็ง ดังนั้นนาฬิกาน้ำจึงทำงานไม่ได้

ข้อจำกัดเหล่านี้ ทำให้มีคนคิดใช้ทรายแทนน้ำเป็นนาฬิกาทราย หลักฐานการใช้นาฬิกาทรายได้ปรากฎเป็นครั้งแรกในภาพวาดปูนเปียก Allegory of Good Government โดยจิตรกรชาวอิตาเลียน นามว่า Ambrogio Lorenzetti ซึ่งตามปกติตัวนาฬิกาทรายจะทำด้วยแก้ว ที่แบ่งออกเป็น 2 ส่วน คือ ส่วนบนและส่วนล่าง โดยมีลักษณะเป็นกระเปาะ ที่เชื่อมโยงกันด้วยคอคอด ในกระเปาะบนบรรจุทรายอยู่ และในกระเปาะล่างมีแต่ความว่างเปล่า การจับเวลาจะเริ่มต้นโดยให้เม็ดทรายในกระเปาะบนทยอยเคลื่อนตัวผ่านคอคอดลงสู่กระเปาะล่าง จนถึงเวลาที่กระเปาะบนมีแต่ความว่างเปล่า และให้ช่วงเวลาดังกล่าว เป็นเวลา 1 หน่วย

นาฬิกาทรายมีข้อดี คือ สามารถทำงานได้ทั้งในเวลากลางวันและกลางคืน ทั้งในฤดูร้อนและฤดูหนาว แต่ก็มีข้อเสีย คือ การไร้ความสม่ำเสมอของช่วงเวลา เพราะความเร็วของเม็ดทรายในการไหลลงคอคอด ขึ้นกับปัจจัยหลายประการ เช่น ปริมาตรของทรายที่มีในกระเปาะบน รูปทรงของกระเปาะ (ซึ่งอาจจะเป็นทรงกระบอก กรวย หรือครึ่งทรงกลม) ความกว้างของคอคอด ขนาดและรูปทรงของเม็ดทราย

เมื่อครั้งที่ Ferdinand Magellan นักเดินเรือชาวโปรตุเกสเดินทางรอบโลกในปี 1518 Magellan ได้กำหนดให้เรือทุกลำในขบวนเรือของเขา นำนาฬิกาทรายไปด้วย 18 เรือน เพื่อให้ลูกเรือได้กิน นอน และพักผ่อนอย่างเป็นเวล่ำเวลา

ในปี 1996 A.A. Mills ในสังกัดมหาวิทยาลัย Leicester ในประเทศอังกฤษ ได้ศึกษาการไหลของเม็ดทรายในนาฬิกาทราย และตีพิมพ์เผยแพร่ผลงานของเขากับคณะ ในวารสาร European Journal of Physics ฉบับที่ 17 โดยใช้ลูกแก้วกลมที่มีขนาดเล็กแทนทราย เพราะรูปทรงของลูกแก้วมีความสม่ำเสมอยิ่งกว่าเม็ดทราย ผลการศึกษาได้แสดงให้เห็นว่า ถ้าความกว้างของคอคอดระหว่างกระเปาะ มีขนาดใหญ่เกิน 5 เท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางของลูกแก้วกลม เวลาที่ลูกแก้วเคลื่อนที่ผ่านคอคอด สามารถหาได้จากสูตร 


วิวัฒนาการของนาฬิกาในเวลาต่อมา คือ ในกลางคริสต์ศตวรรษที่ 9 กษัตริย์อังกฤษพระองค์หนึ่งผู้ทรงพระนามว่า สมเด็จพระเจ้า Alfred มหาราช ได้ทรงประกาศปฏิรูปประเทศในด้านการศึกษา ด้วยการแปลตำราภาษาละตินทุกเล่มที่มีในอาณาจักรเป็นภาษาอังกฤษให้ชาวบ้านอ่าน และทรงประกาศปฏิรูประบบการวัดเวลาของคนอังกฤษด้วย โดยให้ใช้เวลาในการเผาเทียนที่พระองค์ทรงกำหนดขนาด จนหมดเล่ม เป็นเวลามาตรฐานและนาฬิกามาตรฐานที่ใช้บอกเวลานี้ เป็นเทียนไขที่ยาว 12 นิ้ว และมีขนาดใหญ่พอให้สามารถลุกไหม้ได้นาน 4 ชั่วโมง

ดังนั้นทุกบ้านจึงจำเป็นต้องใช้เทียนไข 6 เล่ม ในการให้แสงสว่างตลอดทั้งวัน แต่เวลา 4 ชั่วโมงที่องค์กษัตริย์ทรงประสงค์นั้น มิได้เป็นช่วงเวลาที่สม่ำเสมอ เพราะในบางครั้งเทียนไขจะลุกไหม้เร็ว เพราะถูกลมพัดแรง แต่ในเวลาที่ลมสงบ การลุกไหม้ของเทียนไขก็จะช้า นอกจากเหตุผลนี้แล้ว วัสดุที่ใช้ทำเทียนไข ก็มีส่วนผสมที่ไม่คงที่และแน่นอนด้วย ปัจจัยเสียเหล่านี้ ล้วนมีบทบาทในการทำให้เวลาที่กำหนดโดยเทียน “มาตรฐาน” มีค่าไม่คงตัวไปด้วย เทียนไขจึงไม่สามารถนำมาใช้เป็นนาฬิกาที่ดีได้

สำหรับประเด็นการเริ่มนับเวลาในวันหนึ่ง ๆ ก็มีความแตกต่างกันระหว่างชนชาติ เช่น ชาวอิตาเลียนในอดีต เริ่มนับเวลาเมื่อพระอาทิตย์ขึ้น คนเยอรมันเริ่มนับเวลาเมื่อเที่ยงคืน ในที่สุดสังคมยุโรปก็ได้ยึดถือประเพณีของคนฝรั่งเศส ที่เริ่มนับเวลาจากเที่ยงคืน และแบ่งวันหนึ่ง ๆ ออกเป็น 2 ช่วง โดยให้ช่วงหนึ่งมี 12 ชั่วโมง

ส่วนการแบ่งเวลาหนึ่งชั่วโมงออกเป็น 60 นาที และ 1 นาที มี 60 วินาทีนั้น ก็เป็นเรื่องที่ได้ปฏิบัติกันมาตามนักคณิตศาสตร์ชาว Babylon ซึ่งนิยมใช้ระบบเลขฐาน 60 เป็นหลัก และให้ 1 ชั่วโมง มี 60 นาที และคำ minute ในภาษาอังกฤษ ที่แปลว่า นาที นั้น มาจากคำละตินว่า prima minuta ซึ่งแปลว่า การแบ่งเล็กในขั้นแรก ส่วนคำ second ที่แปลว่า วินาที ก็มาจากคำ secunda minuta ซึ่งแปลว่า การแบ่งเล็กในขั้นสอง สำหรับการแบ่งเวลากลางวันกับกลางคืนรวมหนึ่งวัน เป็น 24 ชั่วโมง นั้นก็เป็นประเพณีปฏิบัติมาตั้งแต่สมัยโบราณ แม้แต่ในทศวรรษของปี 1790 ที่มีการปฏิวัติครั้งยิ่งใหญ่ในประเทศฝรั่งเศส และคณะปฏิวัติได้เสนอให้แบ่งเวลาหนึ่งวัน ออกเป็น 10 ชั่วโมง โดยให้ 1 ชั่วโมง มี 100 นาที และ 1 นาที มี 100 วินาที ตามระบบเมตริก แต่ไม่มีใครนิยมใช้ ด้วยเหตุนี้ระบบเวลาที่อ้างอิงเลขฐาน 10 จึงใช้ได้นานเพียง 16 เดือน เท่านั้นเอง

เมื่อนาฬิกาแดด นาฬิกาน้ำ นาฬิกาทราย ต่างก็มีข้อจำกัดไม่มากก็น้อยในการทำงาน นาฬิกาเหล่านี้จึง “เดิน” ได้ไม่สม่ำเสมอ คือ เร็วไปบ้างหรือช้าไปบ้าง สถาบันศาสนาจึงได้เข้ามามีบทบาทในการพัฒนาเทคโนโลยีการสร้างนาฬิกา เพราะนักบวชต้องการให้ประชาชนมาสวดมนต์ในโบสถ์อย่างพร้อมเพรียงกัน และโรงเรียนก็ต้องการให้นักเรียนมาเรียนตรงเวลา ดังนั้นนักบวชจึงได้ว่าจ้างช่างให้สร้างนาฬิกา เพื่อนำไปติดตั้งในโบสถ์ ทั่วประเทศฝรั่งเศสและอิตาลี และช่างได้ออกแบบอุปกรณ์บอกเวลาเป็นระฆัง ซึ่งมีเสียงจากการตี และใช้คำ clocca ในภาษาละติน ที่ตรงกับคำว่านาฬิกา clock ในภาษาอังกฤษ
ในปี 1364 Giovanni de Dondi วิศวกรชาวอิตาเลียน แห่งเมือง Padova ในประเทศอิตาลี ได้ออกแบบนาฬิกาที่มีลูกตุ้ม ล้อ ฟันเฟือง และเกียร์ ที่ทุกชิ้นส่วนทำงานอย่างสอดคล้องกัน แต่นาฬิกานี้ มีเข็มที่ใช้บอกเวลาเป็นชั่วโมงเท่านั้น 

นอกจากนี้นาฬิกาของ Dondi ก็มีขนาดใหญ่มาก เพราะมีหน้าปัดที่บอกตำแหน่งของดาวเคราะห์ ทั้ง 5 ดวง รวมถึงดวงจันทร์ และดวงอาทิตย์ด้วย จึงมีประโยชน์สำหรับบรรดาโหร ที่ต้องการใช้ตำแหน่งดาวเคราะห์ในการพยากรณ์โชคชะตาของคนทั่วไป นาฬิกานี้จึงไม่เหมาะสำหรับคนทั่วไป เพราะนอกจากจะมีขนาดใหญ่มากแล้ว ยังมีราคาแพงมากด้วย Dondi จึงยกนาฬิกาที่เขาสร้างให้แก่นักบวชในโบสถ์ โดยให้เป็นผู้รับผิดชอบในการควบคุมเวลา ตามที่คริสตศาสนาได้สอนไว้ว่า เวลาเป็นสิ่งที่พระเจ้าทรงประทานให้แก่มนุษย์ทุกคน โดยไม่คิดราคา ดังนั้นการตักตวงผลประโยชน์ใด ๆ จากเวลา เช่น การให้คนอื่นยืมเงิน แล้วคิดดอกเบี้ย จึงเป็นการกระทำที่เป็นบาป


ด้าน Henri de Vick ซึ่งเป็นวิศวกรฝรั่งเศส ในช่วงเวลาเดียวกับ Dondi ก็ได้สร้างนาฬิกาที่มีขนาดใหญ่และหนักมากถึง 250 กิโลกรัม เพื่อนำไปติดตั้งที่พระราชวัง ในสมเด็จพระเจ้า Charles ที่ 5 นาฬิกาที่มีขนาดใหญ่มากนี้ จะมีก็แต่กษัตริย์เท่านั้น ที่สามารถจะมีในครอบครองได้

ในปี 1504 Peter Henlein ช่างทำนาฬิกาชาวเยอรมัน ได้ออกแบบนาฬิกาที่มีขนาดเล็กลงไปอีกมาก เพื่อให้คนธรรมดา ๆ สามารถนำติดตัวไปไหนมาไหนได้ โดยเปลี่ยนการแกว่งลูกตุ้มนาฬิกามาใช้การไขลานและคลายตัวของสปริง ในการควบคุมการหมุนของเกียร์และล้อที่ทำงานประสานกันในการบอกเวลา

เพราะนาฬิกาเรือนที่เดินเที่ยงตรงที่สุด จะต้องเป็นเรือนที่มีการเคลื่อนที่ของตัวแกว่งเป็นคาบ กลับไปกลับมาอย่างสม่ำเสมอ โดยใช้เวลาเท่ากันทุกครั้งไป ไม่ว่าสภาพแวดล้อมภายนอกจะเปลี่ยนแปลงไปมากหรือน้อยเพียงใด ระบบก็ยังทำงานได้เหมือนเดิมทุกประการ

ดังนั้น พัฒนาการสร้างนาฬิกาจึงได้ยึดหลักการนี้มาตั้งแต่ปี 1600 คือ นับตั้งแต่สมัยของ Christiaan Huygens ที่ใช้ลูกตุ้มเพนดูลัมแกว่งไป-มา ตามทางโค้งรูป cycloid นาฬิกานี้ของ Huygens นี้ มีความแม่นยำสูง คือ เดินผิดพลาดไม่เกิน 1 วินาที ในหนึ่งวัน

ลุถึงปี 1750 John Harrison ได้พัฒนานาฬิกาจักรกลที่สามารถบอกตำแหน่งเส้นแวงของเรือขณะอยู่กลางมหาสมุทรได้ โดยใช้ตาชั่งรูป dumbbell 2 ตาชั่งเชื่อมโยงกัน แทนที่จะใช้ลูกตุ้มเพนดูลัมลูกเดียว นาฬิกาของ Harrison สามารถเดินได้เที่ยงตรงยิ่งขึ้นไปอีก คือ ผิดพลาดได้ไม่เกิน 0.1 วินาที ในการเดินหนึ่งวัน

ต่อมาในปลายทศวรรษของปี 1920 ช่างทำนาฬิกาได้เริ่มใช้ผลึกควอทซ์ ซึ่งเป็นสาร piezoelectric ที่อะตอมในผลึกจะสั่นไหว เวลามีความต่างศักย์ไฟฟ้ามากระทำที่ผลึก สัญญาณที่แผ่ออกมาจากผลึก เมื่อถูกเปลี่ยนเป็นห้วง (pulse) สามารถแสดงได้เป็นตัวเลข digital นาฬิกาควอทซ์นี้ สามารถเดินได้ผิดพลาดไม่เกิน 0.0001 วินาที ในเวลาหนึ่งวัน

ในช่วงเวลาเดียวกัน นักวิทยาศาสตร์ก็ได้พบว่า โลกเราหมุนรอบตัวเอง โดยใช้เวลาไม่เท่ากันในแต่ละวัน และมักหมุนช้าลง ๆ เพราะถูกแรงโน้มถ่วงจากดวงจันทร์ และกระแสน้ำในมหาสมุทรกระทำ ดังนั้นในปี 1936 ในการ General Conference on Weights and Measures จึงกำหนดให้เวลา 1 ปี มี 31,596,925.9747 วินาที และ 1 วินาที คือ เวลา 1 / 31,596,925.9747 ของปีที่โลกใช้ในการโคจรรอบดวงอาทิตย์ ซึ่งเป็นค่าที่ไม่แน่นอน

ดังนั้น นักวิทยาศาสตร์จึงได้หันมาสนใจการสร้างนาฬิกาอะตอม ซึ่งอิเล็กตรอนที่มีอยู่ในอะตอม จะมีระดับพลังงานที่แน่นอน คือ ไม่เปลี่ยนแปลงและไม่แปรปรวน และเวลาอิเล็กตรอนเปลี่ยนระดับพลังงาน จากสถานะพื้น E1 ไปสู่สถานะกระตุ้น E2 การดูดกลืนพลังงานจะเกิดขึ้น โดยอะตอมจะรับคลื่นความถี่ f เข้าไป ซึ่ง E2 - E1 = hf โดยที่ h คือ ค่าคงตัวของ Planck และถ้าอิเล็กตรอนกระโจนจากระดับพลังงาน E2 ลงสู่ E1 ก็จะปล่อยคลื่นความถี่ f ออกมาเช่นกัน


ดังนั้น การปรับความถี่ของตัวแกว่งให้เข้ากับความถี่ f จากคลื่นภายนอก จึงสามารถทำได้

นาฬิกาอะตอมเครื่องแรกของโลก เกิดจากการใช้ความรู้กลศาสตร์ควอนตัม และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ทำงานในช่วงความยาวคลื่นไมโครเวฟ ในช่วงสงครามโลกครั้งที่ 2 โดยได้รับข้อเสนอแนะจาก Isidor Rabi ในปี 1945 ให้ใช้อะตอม cesium-133 เป็นนาฬิกา และนาฬิกาอะตอมได้เริ่มใช้เป็นครั้งแรกที่ห้องปฏิบัติการ Physical Laboratory ณ เมือง Teddington ในประเทศอังกฤษ เพราะนาฬิกาเรือนนี้ สามารถเดินผิดพลาดได้ไม่เกิน 10-8 วินาที ในหนึ่งวัน ดังนั้นคำจำกัดความของ 1 วินาที จึงได้กลายเป็นช่วงเวลาที่อิเล็กตรอนในสถานะพื้นฐานของอะตอม cesium-133 ได้เปล่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา 9,192,631,770 ลูก

นาฬิกาที่โลกรู้จักตั้งแต่สมัยโบราณสามารถทำงานได้ โดยมีองค์ประกอบหลัก 2 ส่วน คือ ส่วนแรกเป็นตัวแกว่ง (oscillator) กับส่วนที่สอง คือ ตัวนับ (counter) แต่นาฬิกาอะตอมมีองค์ประกอบที่สาม คือ ระบบป้อนข้อมูลกลับ (feedback) นาฬิกาอะตอมจึงทำงานได้ละเอียดกว่า และมีเสถียรภาพยิ่งกว่านาฬิกาเครื่องกลทั้งหมด

ในกรณีนาฬิกาอะตอม cesium-133 นั้น อะตอมมีอิเล็กตรอนในวงนอกสุดเพียงอนุภาคเดียว อันตรกิริยาระหว่าง spin ของอิเล็กตรอน (ซึ่งมีทั้งชี้ขึ้นและชี้ลง) กับสปินของนิวเคลียส (ซึ่งมีทั้งชี้ขึ้นและชี้ลง) จะทำให้อิเล็กตรอนมีพลังงานแตกต่างกัน เป็น 2 ระดับ เรียก hyperfine splitting ที่เสถียรมาก

ดังนั้น เวลาอะตอมได้รับแสงเลเซอร์ อิเล็กตรอนจะกระโดดไป-มา ระหว่างระดับพลังงานทั้งสอง ด้วยการรับ-คายแสง จำนวนนับล้าน ๆ ครั้งต่อวินาที

การฉายแสงเลเซอร์อีกชุดหนึ่งที่สามารถปรับความถี่ได้ เข้าไปกระทบอะตอมนี้ แล้วดูแสงที่สะท้อนออกมา สามารถจะบอกความถี่ของการเปลี่ยนแปลงได้ เพราะถ้าความถี่ของแสงนั้น เท่ากับความถี่ของแสงที่อะตอมปล่อยออก อะตอมก็จะดูสว่าง แต่ถ้าไม่เท่ากัน อะตอมก็จะดูมืด

การรู้ความถี่ของแสงเลเซอร์ที่ใช้ จึงสามารถบอกจำนวนครั้งที่อิเล็กตรอนเปลี่ยนแปลงระดับพลังงานในเวลา 1 วินาทีได้
ตามปกติอะตอมของธาตุชนิดเดียวกันจะมีสมบัติเหมือนกันทุกประการ ดังนั้น นาฬิกาอะตอมทุกเรือน ถ้าว่ากันตามหลักการแล้ว จะวัดเวลาได้ไม่แตกต่างกันเลย

แต่ในทางปฏิบัติ รังสีต่าง ๆ ที่มีอยู่ในห้องปฏิบัติการอาจรบกวนการเปลี่ยนพลังงานของอิเล็กตรอนในอะตอมได้ ด้านอันตรกิริยาระหว่างอะตอมที่อยู่ใกล้กัน ก็สามารถรบกวนการเปลี่ยนสถานะของอิเล็กตรอนได้ นอกจากนี้การเคลื่อนที่ของอะตอมก็มีส่วนในการทำให้ความยาวคลื่นของแสงที่เปล่งออกมาเปลี่ยนแปลง ดังนั้น นาฬิกาอะตอมที่ดีจึงต้องทำงานที่อุณหภูมิต่ำมาก ๆ เช่น ใกล้ศูนย์องศาสัมบูรณ์ เพื่อให้ความยาวคลื่นของแสงที่อิเล็กตรอนรับและคายไม่เปลี่ยนแปลง


ในอดีตเมื่อ 30 ปีก่อนนี้ นาฬิกาอะตอมทำงาน โดยอาศัยการเปลี่ยนแปลงพลังงาน โดยการให้และรับคลื่น microwave เพราะวงจรอิเล็กทรอนิกส์ ในเวลานั้นไม่สามารถรับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่สูงกว่านั้นได้

แต่ในปัจจุบันการวัดความถี่ของคลื่นด้วยอุปกรณ์ frequency comb สามารถทำให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์วัดความถี่สูงในระดับคลื่นแสงได้แล้ว และเทคโนโลยีทำความเย็นก็สามารถลดอุณหภูมิของอะตอมตัวเดียวได้จนกระทั่งถึงระดับที่มันเกือบ “หยุด” นิ่งได้ เทคโนโลยีนี้ จึงได้ช่วยให้นาฬิกาอะตอมสามารถวัดเวลาได้ผิดพลาดไม่เกิน 1 หน่วย จาก 1018 หน่วย ได้สบาย ๆ
ในอนาคต นักเทคโนโลยีจะสร้าง optical lattices โดยให้แสงเลเซอร์พุ่งตัดกัน ทำให้เกิดหลุมเป็นแอ่ง ๆ ได้ และให้ ion จำนวนมากอยู่ภายในแอ่งนั้น จนมีสภาพเหมือน lattice ในผลึก การทำงานประสานกันระหว่างนาฬิกาอะตอมเหล่านี้ จะมีประสิทธิภาพมากยิ่งกว่านาฬิกาอะตอมเดียว เพราะสามารถเดินได้ผิดพลาดไม่เกิน 1 วินาที ในเวลา 5,000 ล้านปี (นานยิ่งกว่าอายุโลก)

ในความพยายามที่จะวัดเวลาอย่างละเอียดและถูกต้องอย่างสุด ๆ นี้ นักฟิสิกส์มีความประสงค์จะทดสอบทฤษฎีสัมพัทธภาพทั้งพิเศษและทั่วไป ของ Albert Einstein ที่แถลงว่า เวลาที่นาฬิกาแต่ละเรือนทำการวัด ขึ้นกับความเร็วของนาฬิกาและสนามโน้มถ่วงที่โลกกระทำต่อนาฬิกา นั่นหมายความว่า นาฬิกาอะตอมที่ปารีสกับที่ลอนดอน ซึ่งอยู่ในสนามโน้มถ่วงที่มีความเข้มไม่เท่ากัน และเคลื่อนที่ด้วยความเร็วไม่เท่ากัน (เพราะ ปารีสกับลอนดอน ตั้งอยู่บนเส้นรุ้งและเส้นแวงที่แตกต่างกัน ดังนั้นเวลาโลกหมุนรอบตัวเอง ของสรรพสิ่งทุกอย่างที่ปารีสกับที่ลอนดอนจึงมีความเร็วไม่เท่ากัน) ทฤษฎีสัมพัทธภาพของ Einstein ทำนายว่า เวลาที่นาฬิกาอะตอมซึ่งเดินอยู่ที่ปารีสกับที่ลอนดอน จะบอกเวลาแตกต่างกัน ประมาณ 5 นาโนวินาที

ซึ่งถ้าคำพยากรณ์นี้แตกต่างจากค่าที่วัดได้จากการทดลอง นั่นหมายความว่า ทฤษฎีของ Einstein จะต้องถูกปรับเปลี่ยน

อ่านเพิ่มเติมจาก Now: The Physics of Time โดย Richard A. Muller จัดพิมพ์โดย Norton ปี 2016


สุทัศน์ ยกส้าน

ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย

อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" จาก "ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน" ได้ทุกวันศุกร์