ถ้าคุณอ่านคำต่อไปนี้ “ดิ์สวัสาวทิ” ออก คุณไม่จำเป็นต้องอ่านบทความวันนี้ต่อ เพราะสมองคุณกำลังทำงานย้อนเวลาได้ว่ามาจากคำ “ทิวาสวัสดิ์” และคุณเชื่อว่า เราไม่สามารถจะเข้าป่าล่าไดโนเสาร์ได้ โดยการนั่งยานย้อนเวลา พูดง่ายๆ คือ คุณเข้าใจธรรมชาติของกาละเวลาได้ดีกว่าคนทั่วไป
มนุษย์เราสนใจเรื่องเวลามาตั้งแต่สมัยโบราณนักบุญ St. Augustine (354-430) ได้เคยปรารภว่า คนเราเข้าใจความหมายของเวลาดี แต่ถ้าให้อธิบาย มักจะอธิบายไม่ได้ และถ้าจะมีการถามต่อไปว่า เวลาที่ผ่านไปนั้น ไปที่ไหน ใครบ้างจะรู้ หรือบางคนอาจจะสงสัยถามว่า ถ้าเวลามีต้นกำเนิด ณ เสี้ยววินาทีแรกที่เกิด Big Bang และสรรพสิ่งทุกอย่างที่เกิดได้จะต้องมีจุดสิ้นสุด แล้วเวลาจะมีจุดยุติหรือไม่ และสภาพของเอกภพ ณ เวลานั้นจะเป็นอย่างไร ฤๅเวลา จะมีอายุนานยิ่งกว่ากัลปาวสาร คือ หาที่สิ้นสุดไม่ได้
คำถามเหล่านี้ เป็นคำถามวิทยาศาสตร์เชิงปรัชญาที่นักวิชาการกำลังศึกษา และถกเถียงกันอยู่ จึงยังไม่มีข้อยุติ แต่สำหรับคนทั่วไปแล้ว เวลา คือ ค่าที่กำหนดโดยตำแหน่งของปลายเข็มนาฬิกาบนหน้าปัดที่มีหน่วยวัดเป็นวินาที โดยที่ 60 วินาที นับเป็น 1 นาที 60 นาที เป็น 1 ชั่วโมง 24 ชั่วโมง เป็น 1 วัน และ 1 วัน คือ เวลาที่โลกใช้ในการหมุนรอบตัวเองครบ 1 รอบ
ด้วยหน่วยวัดเวลาเช่นนี้ เราก็จะพบว่า หัวใจคนปกติเต้นนาทีละ 75 ครั้ง และโลกใช้เวลา 86,400 วินาที ในการหมุนรอบตัวเองครบ 1 รอบ นักวิชาการบางคนอาจจะให้คำจำกัดความของเวลาว่า เป็นสิ่งที่ใช้ในการบอกสภาพของการเปลี่ยนแปลง เช่น มีการเปลี่ยนตำแหน่งของอนุภาค ณ เวลาต่าง ๆ นั่นแสดงว่าอนุภาคมีการเคลื่อนที่และมีความเร็ว
ข้อสังเกตอีกประการหนึ่งเกี่ยวกับธรรมชาติของเวลา คือ เวลามีการเปลี่ยนแปลงในทางเพิ่มเสมอ ดุจดังเป็นลูกศร ซึ่งลูกศรของกาลเวลา (time’s arrow) นี้ เป็นคำที่ Arthur Eddington (1882–1944) เป็นคนบัญญัติคำนี้ เป็นคนแรกตั้งแต่ปี 1927
เช่น จากแผ่นกระจกที่เป็นระเบียบ เวลาตกพื้นจะแตกเป็นเศษแก้วกระจัดกระจายอย่างไม่เป็นระเบียบ แต่เราจะไม่มีวันพบเห็นเศษแก้วที่เรี่ยราดกระจายบนพื้นมารวมตัวกลับเป็นแผ่นแก้วที่ราบเรียบเลย (นอกจากในภาพยนตร์) หรือจากสัจธรรมของชีวิตที่ร่างกายจะเสื่อมสลายไปตามอายุขัย
ประวัติศาสตร์ได้มีการบันทึกว่า ชาวอียิปต์ตั้งแต่สมัยเมื่อ 4,000 ปีก่อน รู้จักแบ่งวันออกเป็นกลางวันและกลางคืนที่นานเท่ากัน และเมื่อ 2,300 ปีก่อน ชาวบาบิโลนก็ได้แบ่งเวลาให้ละเอียดยิ่งขึ้น โดยใช้เลขฐาน 60 เช่น ให้ 1 นาที มี 60 วินาที และ 60 นาที เป็น 1 ชั่วโมง จากนั้นก็แบ่ง 1 วันออกเป็น 24 ชั่วโมง เป็นต้น
ครั้นถึงปี 1583 Galileo Galilei (1564-1642) นักฟิสิกส์ชาวอิตาเลียน ได้พบว่า ลูกตุ้ม pendulum ที่มีความยาวของเชือกคงตัว ถ้าให้แกว่งกว้างหรือแคบก็ใช้เวลาเท่ากันโดยตลอด นั่นคือ ถ้าความยาวของเชือกแขวนลูกตุ้มมีค่าคงตัว คาบก็จะมีค่าคงตัวด้วย ดังนั้นลูกตุ้มจึงสามารถใช้เป็นนาฬิกาในการบอกเวลาได้ และ Galileo ก็ได้ให้ลูกชายชื่อ Vincenzo Galilei สร้างนาฬิกาตามแนวความคิดนี้ แต่ Galileo ซึ่งในเวลานั้นตาบอด เพราะเป็นต้อหิน ก็ไม่ได้เห็นนาฬิกาที่ลูกชายสร้าง
ถึงปี 1656 Christiaan Huygens (1629–1695) ฉายานิวตันของฮอลแลนด์ก็ได้พัฒนานาฬิกาตามแนวความคิดของ Galileo ทำให้นาฬิกาสามารถเดินได้เที่ยงตรง คือ ผิดพลาดไม่เกินวันละ 10 วินาที และในปีนี้ก็เป็นปีที่วงการวิชาการได้กำหนดให้เวลา 1 วินาที มีค่าเท่ากับ 1/86,400 ของเวลาหนึ่งวัน ซึ่งในเวลานั้น คนทั้งโลกคิดว่า โลกหมุนรอบตัวเองด้วยความเร็วเชิงมุมที่สม่ำเสมอ คือ คงตัว แต่ในความเป็นจริงโลกของเราหมุนช้าลงตลอดเวลา เพราะอิทธิพลของแรงโน้มถ่วงที่ดวงอาทิตย์และดวงจันทร์กระทำต่อโลก ทำให้เกิดคลื่นในมหาสมุทรและลมพายุพัด ตลอดจนเปลือกโลกมีการเคลื่อนที่ด้วย ดังนั้นเวลา 1 วินาที จึงไม่ใช่ 1/86,400 ของเวลาหนึ่งวันอีกต่อไป การหมุนรอบตัวเองช้าลง ๆ ทำให้เรารู้ว่าในยุคไดโนเสาร์ เวลา 1 วัน นานเพียง 23 ชั่วโมงเท่านั้นเอง
หลังจากเกิดการปฏิวัติครั้งยิ่งใหญ่ในปี 1789 ที่ฝรั่งเศส ในวันที่ 24 ตุลาคม ปี 1793 คณะปฏิวัติได้กำหนดให้นำระบบเมตริก (metric) มาใช้ในการแบ่งเวลา โดยให้วันหนึ่งมี 10 ชั่วโมง 1 ชั่วโมงมี 100 นาที และ 1 นาที มี 100 วินาที ดังนั้นเวลา 1 วันในระบบนี้จึงมี 100,000 วินาที เพราะคนส่วนใหญ่ชินกับระบบ 24 ชั่วโมง และนาฬิกาทุกเรือนจะถูกเลิกใช้ ซึ่งเป็นเรื่องสิ้นเปลืองมาก จึงเป็นว่าระบบเมตริกของน้ำหนักและเมตริกระยะทางยังคงใช้อยู่ แต่ระบบเมตริกของเวลาไม่เป็นที่ยอมรับและไม่เป็นที่นิยมใช้ จึงถูกล้มเลิกไปภายในเวลาเพียง 17 เดือน
ในปี 1927 W. A. Marrison และ J. W. Horton ที่ Bell Telephone Laboratories ได้มีการทำนาฬิกาจากผลึก quartz ซึ่งเป็นสารประกอบ SiO2 ที่ทำงานโดยใช้หลักการว่า เวลามีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน ผลึกจะสั่นด้วยความถี่คงตัว เพราะมีสมบัติของปรากฏการณ์ piezoelectric effect ที่เกิดจากความต่างศักย์ ได้ทำให้ผลึกเปลี่ยนรูปทรง และสั่นด้วยความถี่คงตัว 32,768 Hz (2^15) ที่สามารถวัดได้ การรู้ความถี่จึงให้ความรู้เรื่องเวลาที่เกิดขึ้นด้วย เพราะความถี่เป็นปฏิภาคผกผันกับเวลา นาฬิกาควอทซ์เดินผิดพลาดประมาณเดือนละ 15 วินาที และเป็นที่นิยมใช้ในศตวรรษที่ 20 จนกระทั่งถูกแทนที่ด้วยนาฬิกาอะตอม
ปี 1955 Isidor Isaac Rabi (1898–1988) แห่งมหาวิทยาลัย Columbia ในสหรัฐอเมริกา ได้ศึกษาสมบัติแม่เหล็กของนิวเคลียส และพบเทคโนโลยี MRI (Magnetic Resonance Imaging) ที่ใช้ในการถ่ายภาพอวัยวะภายในร่างกาย และได้ใช้องค์ความรู้นี้ในการสร้างนาฬิกาอะตอม โดยได้ร่วมมือกับ Louis Essen (1908–1997) สร้างนาฬิกาอะตอม cesium (Cs-133) ซึ่งสั่นด้วยความถี่ 9,192,831,770 Hz แสดงการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนระหว่างระดับพลังงาน hyperfine ของอะตอม cesium ซึ่งเป็นระดับพลังงานที่เสถียรมาก ดังนั้นความถี่ในการสั่นจึงไม่ขึ้นกับอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลง นอกจากนี้อะตอม cesium ทุกอะตอมในโลกที่มีคุณสมบัติเหมือนกันหมด นาฬิกาอะตอม cesium จึงเดินเที่ยงมาก อนึ่งในการสร้างนาฬิกา cesium เพื่อวัดเวลาที่โลกใช้ในการหมุนรอบตัวเอง เขาจะเอาอะตอม cesium (Cs-133) ไปเผาในเตาให้ร้อนให้พุ่งออกเป็นลำ แล้วให้อะตอมนี้เคลื่อนที่ผ่านสนามแม่เหล็ก เพื่อจัดสถานภาพทาง spin ขึ้น-ลงของอิเล็กตรอนในสถานะพื้นฐาน จากนั้นปล่อยอะตอมกลุ่มนี้ที่จัดสถานะแล้ว ให้ผ่านโพรงไมโครเวฟ (microwave cavity) ซึ่งจะปล่อยคลื่นไมโครเวฟที่มีความถี่ 9,192,631,770 Hz ออกมา จากนั้นก็จะนับจำนวนอะตอมที่ได้เปลี่ยนสถานะ นำข้อมูลเข้าสู่ระบบ feedback เพื่อทำความถี่ที่เหมาะที่สุด เพื่อได้ความถี่ก็สามารถคำนวณค่าของวินาทีได้ เพราะความถี่ = 1/เวลา
ในปี 1989 Steven Chu (1948-ปัจจุบัน) ได้ออกแบบนาฬิกาน้ำพุอะตอม cesium (cesium fountain clock) โดยให้กลุ่มอะตอม cesium-133 ประมาณ 500,000 อะตอมที่เย็นจัดระดับไมโครเคลวินลอยขึ้น โดยการใช้แสงเลเซอร์ 2 ลำขับขึ้นจนถึงจุดสูงสุดประมาณ 1 เมตร และปล่อยให้ตกโดยอิทธิพลแรงโน้มถ่วงเหมือนน้ำพุ ในขณะที่ทำการทดลอง ระบบนี้อยู่ในสุญญากาศ ที่อุณหภูมิ microkelvin (10^(-6)) และพบว่า ในการผ่านโพรง microwave สองครั้ง (ขึ้น-ลง) มาก เพราะในการพุ่งผ่านโพรงไมโครเวฟครั้งแรก คลื่นไมโครเวฟในโพรงจะถูกปรับให้มีความถี่เท่ากับความถี่ในการเปลี่ยนระดับพลังงาน แล้วอะตอมก็จะเคลื่อนที่ขึ้นต่อไป อะตอมจะมีการเปลี่ยนแปลงสถานะควอนตัม จนกระทั่งถึงจุดสูงสุด แล้วตกลงภายใต้แรงโน้มถ่วงของโลก ขณะตกผ่านโพรงไมโครเวฟเป็นครั้งที่ 2 สถานะที่แตกต่างกัน จะแทรกสอดกัน ทำให้เกิดริ้ว (เรียก Ramsey fringes) เครื่องวัดจะสามารถบอกได้ว่า อะตอมกี่อะตอมเปลี่ยนสถานะ จากนั้นนักทดลองจะปรับความถี่ของไมโครเวฟ จนได้โอกาสการเปลี่ยนสถานะมีค่ามากที่สุด
สำหรับเหตุผลที่ทำให้นาฬิกานี้เดินได้เที่ยงตรง คือ อะตอมเคลื่อนที่ช้า จึงลดการเปลี่ยนแปลง เนื่องจากปรากฏการณ์ Doppler อันตรกิริยาระหว่างคลื่นไมโครเวฟกับอะตอมใช้เวลานานขึ้น
นาฬิกานี้เดินได้ผิดพลาดไม่เกิน 1 วินาที ใน 100 ล้านปี
การทดลองของ Chu ในการทำให้อะตอมมีอุณหภูมิต่ำมากนี้ เป็นผลงานที่ทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ปี 1997 จากคลื่นไมโครเวฟที่ใช้ในการทดลอง พัฒนาการขั้นต่อไปของนาฬิกาอะตอม คือ การใช้คลื่นแสงเลเซอร์ ทำให้ได้นาฬิการูปแบบใหม่ เรียก optical atomic clock ที่สามารถเดินได้เที่ยง คือ ผิดพลาดไม่เกิน 1 วินาที ในการเดิน 300 ล้านปี และการมีนาฬิกาที่เดินได้เที่ยงขนาดนี้ ทำให้ต้องมีการกำหนดเวลาสากล โดยการนำเวลาที่นาฬิกาอะตอมทุกหนแห่งบนโลกมาเฉลี่ย และกำหนดเป็นเวลาสากล (universal time) ที่มีความเป็นมาตรฐานยิ่งกว่าเวลา Greenwich ในอดีต
ในปี 1999 Theodor W. Hänsch (1941-ปัจจุบัน) แห่ง Max Planck Institute for Quantum Optics ที่ Munich ในเยอรมนี กับ John L. Hall (1934-ปัจจุบัน) แห่ง National Institute of Standards and Technology (NIST) ได้พัฒนาเทคโนโลยี optical frequency comb ที่สามารถวัดเวลาได้ละเอียดถึง 10^(-18) วินาที ผลงานนี้ทำให้คนทั้งสองได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ประจำปี 2005 และนาฬิกาของเขาสามารถวัดผิดพลาดเพียง 1 วินาทีใน 1,400 ล้านปี
จากนั้นวิวัฒนาการของการวัดเวลาก็ได้มีการใช้ ion แทน atom เช่น ใช้ ion ของปรอท (mercury; Hg) หรือ strontium (Sr) หรือ ytterbium (Yt) ทำให้สามารถวัดเวลาได้ผิดพลาดไม่เกิน 1 วินาทีใน 4,500 ล้านปี
คำถามที่น่าสนใจ คือ นักฟิสิกส์พยายามวัดเวลาที่มีความละเอียดมากถึงปานนี้ เพื่อจุดประสงค์ใด คำตอบ คือ เพื่อทดสอบความถูกต้องสมบูรณ์แบบของกฎต่าง ๆ ที่ใช้ในฟิสิกส์ เพื่อวัดค่าคงตัวต่าง ๆ เช่น ความเร็วแสง ค่าของประจุของอิเล็กตรอน ค่าคงตัว Boltzmann ฯลฯ ว่า จะเปลี่ยนแปลงหรือไม่ นับตั้งแต่วินาทีแรกที่เอกภพถือกำเนิด จนกระทั่งถึงปัจจุบัน และถ้านักฟิสิกส์เข้าใจความหมายและพฤติกรรมของเวลาในมิติต่าง ๆ ได้อย่างถ่องแท้ เขาก็มีโอกาสจะสร้างทฤษฎีของสรรพสิ่ง (Theory of Everything) ได้ เพราะปัจจุบันเรายังไม่มีทฤษฎีนี้ สืบเนื่องจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปและพิเศษของ Einstein เกี่ยวข้องโดยตรงกับเวลาว่า ขึ้นกับมวลและปริภูมิ (space) แต่ทฤษฎีควอนตัม มิได้พิจารณาความหมายและความสำคัญของเวลาในระบบอะตอมที่มีขนาดเล็กมากว่าจะต้องมีการเปลี่ยนแปลงอย่างไรหรือไม่
ในฟิสิกส์ยุคเก่านั้น ผู้สังเกตทุกคนไม่ว่าจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วมากหรือน้อยเพียงใด ก็จะวัดค่าของเวลาในเหตุการณ์ต่าง ๆ ได้ตรงกันเสมอ แต่ในทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ เวลาสำหรับผู้สังเกตที่มีความเร็วต่างกัน จะมีค่าต่างกัน คือ จะมากกว่าหรือจะน้อยกว่าก็ได้ ฤาอีกนัยหนึ่ง เวลาเป็นปริมาณที่ยืดหยุ่น คือ สามารถยืดได้และหดได้ โดยขึ้นกับความเร็วของผู้สังเกต และในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป เวลายังขึ้นอยู่กับความเข้มของสนามโน้มถ่วงด้วย เช่น เมื่อค่าความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วง (g) เปลี่ยน เวลาก็จะเปลี่ยน เช่น เมื่อเวลาเราขึ้นที่สูงจากระดับพื้นดิน 1 ซม. เวลาก็จะเร็วขึ้น 10^(-18) วินาที ดังนั้น สำหรับคน ๆ หนึ่งที่สูง 180 ซม. อายุศีรษะของเขาก็จะมากกว่าอายุเท้าของคน ๆ เดียวกัน ประมาณเท่ากับ 10^(-9) วินาทีในหนึ่งปี
หรือที่ทะเลสาบ Dead Sea ในอิสราเอล ซึ่งอยู่ต่ำกว่าระดับน้ำทะเล 430 เมตร นาฬิกาที่นั่นก็จะเดินช้ากว่านาฬิกาที่เมือง La Rinconada ในเปรู ซึ่งอยู่สูงกว่าระดับน้ำทะเล 3,100 เมตร ประมาณ 740x10^(-6) วินาที และนั่นก็หมายความด้วยว่านาฬิกาอะตอมที่แขวนอยู่ที่กำแพงบ้านเดียวกัน ถ้าแขวนที่ระดับต่างกัน ก็จะบอกเวลาต่างกันด้วย
ในภาพรวม เวลาจึงขึ้นอยู่กับสนาม geoid ซึ่งเป็นรูปทรงของโลกที่ใช้บอกความเข้มสนามโน้มถ่วงของโลกเวลาไม่มีคลื่น พายุ หรือเหตุการณ์แผ่นดินไหว ด้วยเหตุนี้ถ้าจะให้นาฬิกาเดินเที่ยงตรง บริเวณที่นาฬิกาเดินจะต้องปราศจากการเคลื่อนตัวของเปลือกทวีปโลก ปราศจากการเปลี่ยนแปลงของระดับน้ำทะเล และความดันบรรยากาศไม่เปลี่ยนแปลง เพื่อให้การวัดเวลาเป็นไปอย่างถูกต้องและสมบูรณ์ที่สุด
Daniel Kleppner (1932–2025) แห่งสถาบัน Massachusetts Institute of Technology (MIT) เป็นนักฟิสิกส์ที่สนใจเรื่องอะตอมที่เย็นจัด (ultracold atom) เพื่อนำมาใช้ในการทำ optical atomic clock ในการวัดเวลา และสนใจอะตอม Rydberg ซึ่งเป็นอะตอมที่มีขนาดใหญ่มาก เพราะอิเล็กตรอนโคจรอยู่ห่างจากโปรตอนมาก คือ อยู่ในสถานะกระตุ้นพลังงานสูงมาก และได้พิจารณาใช้นาฬิกา optical atomic clock ศึกษาความถูกต้องของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ในกรณีที่ความเข้มสนามโน้มถ่วงมีค่าสูงมากด้วย เพื่อจะได้ข้อมูลทางการทดลองที่จำเป็นต้องใช้ในการสร้างทฤษฎีของสรรพสิ่ง
คำถามหรือปริศนาที่เกี่ยวกับเวลายังมีประเด็นที่น่าสนใจอีกมากมาย เช่น negative time, hypertime, เวลาเชิงซ้อน (complex time) คือ เวลามีสองมิติ, material time ซึ่งเป็นเวลาที่อิเล็กตรอนใช้ในการเคลื่อนที่ในสสาร ที่แตกต่างจากเวลาภายนอกสสาร, ผลึกเวลา (time crystal) ซึ่งเป็นระบบที่สามารถใช้วัดเวลาได้ละเอียดยิ่งขึ้นไปอีก สำหรับในการทดสอบทฤษฎีของหลุมดำนั้น ก็มีประเด็นมากมายที่น่าสนใจ คือ ณ ตำแหน่ง singularity (ภาวะเอกฐาน) ที่ทฤษฎีหลุมดำแถลงว่า ณ ตำแหน่งนั้นไม่มีเวลา นักฟิสิกส์จะมีวิธีพิสูจน์ โดยการทดลองได้อย่างไรหรือไม่ ส่วน circadian clock ซึ่งเป็นนาฬิกาชีวภาพในสิ่งมีชีวิตนั้น ก็น่าสนใจ เพราะสิ่งมีชีวิตหลายชนิด มีนาฬิกาที่อยู่ภายในร่างกาย เพื่อให้สามารถกำกับพฤติกรรมของสิ่งมีชีวิต โดยไม่ต้องอาศัยนาฬิกาเรือนจริง เช่น ในกรณีมนุษย์อวกาศ Sergei Krikalev (1958-ปัจจุบัน) ซึ่งเคยถูกส่งขึ้นโคจรรอบโลกเป็นเวลานาน 803 วัน ในการโคจรอยู่ ณ ที่สูง ซึ่งมีความเข้มสนามโน้มถ่วงต่ำ ทำให้นาฬิกาของเขาเดินเร็ว แต่การโคจรด้วยความเร็วสูง ทำให้นาฬิกาของเขาเดินช้า ผลลัพธ์ คือ เมื่อเขากลับลงมาสู่โลก อายุของเขาได้น้อยกว่าอายุของคนบนโลก 21 มิลลิวินาที
ความสนใจของนักวิทยาศาสตร์ ที่ศึกษาเวลาที่นานระดับ 10^(-18) วินาที ซึ่งเรียกว่า attosecond (as) ได้ทำให้ Pierre Agostini, Ferenc Krausz กับ Anne L’Huillier ได้รับ รางวัลโนเบลฟิสิกส์ปี 2003 จากการพัฒนาแสงเลเซอร์ที่เป็นห้วง (laser pulse) ซึ่งมีความยาวของห้วงเท่ากับ 3 นาโนเมตร ได้สำเร็จ เพื่อบุกเบิกวิทยาการสาขา attophysics เพราะได้ช่วยให้เราเข้าใจและ “เห็น” การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในวงโคจรรอบอะตอม เห็นเหตุการณ์ที่อิเล็กตรอนปลดปล่อยอนุภาคแสงโฟตอน (photon) ภายในเวลา 1-3 as เห็นเวลาที่อิเล็กตรอนใช้ในการหลุดพ้นจากอะตอม เห็นการจัดเรียงตัวของอิเล็กตรอนในอะตอม เห็นการเปลี่ยนแปลงความยาวพันธะเคมีของอะตอม ขณะเกิดปฏิกิริยาเคมี ฯลฯ
งานขั้นต่อไปของนาฬิกาอะตอม คือ การสร้างนาฬิกาที่สามรถวัดได้ละเอียดถึง 10^(-43) วินาที ซึ่งเป็นเวลาที่เรียกเวลา Planck (Planck time) อันเป็นช่วงเวลาที่น้อยที่สุด ที่มนุษย์จะสามารถวัดได้
ข่าวล่าที่เกี่ยวกับการวัดค่าคงตัวในธรรมชาติ อันได้แก่ ค่าคงตัวรายละเอียด (fine structure constant) มีดังนี้
ตามธรรมดาเวลาเราเปิดตำราฟิสิกส์ ที่ปกหน้าด้านในมักจะมีตารางแสดงค่าคงตัวต่าง ๆ ของธรรมชาติ เช่น ความเร็วแสง (c) ซึ่งมีค่า 299,792,458 เมตร/วินาที ค่าประจุของอิเล็กตรอน (e) เท่ากับ 1.602876x10^(-19) คูลอมบ์ ค่าคงตัวพลังค์ เท่ากับ 6.26018x10^(-34) จูล.วินาที ฯลฯ ค่าคงตัวเหล่านี้จะต้องไม่เปลี่ยนแปลงเลย ไม่ว่าใครผู้ใดจะวัดค่าเหล่านี้ ณ ที่ใด เมื่อใด ก็จะต้องได้ค่าเท่ากันเสมอ นับตั้งแต่ที่เกิด Big Bang จนกระทั่งถึงปัจจุบัน และในอนาคต
ดังนั้นการวัดค่าคงตัวให้ถูกต้องที่สุด จึงเป็นเรื่องสำคัญมาก เพราะถ้าค่าคงตัวเปลี่ยนแปลง สมการฟิสิกส์ก็จะต้องเปลี่ยนรูปแบบด้วย ในวิชาฟิสิกส์มีค่าคงตัวค่าหนึ่งที่เรียกว่าค่า อัลฟา (alpha) ซึ่งใช้ในฟิสิกส์อะตอม โดย Arnold Sommerfeld (1868-1951) ซึ่งเป็นอาจารย์ของ Werner Heisenberg (1901-1976) เป็นผู้นำค่าคงตัวนี้มาใช้คนแรก
ในการวัดค่าอัลฟานี้ Thorsten Schumm แห่ง Institute of Atomic and Subatomic Physics ที่ Technische Universität ณ เมือง Vienna ในออสเตรีย ได้วัดค่าอัลฟาที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงรูปทรงของนิวเคลียสธาตุ thorium-229 (Th-229) และพบว่า เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงรูปทรงจากทรงกลม เป็นทรงไข่ สนามไฟฟ้าที่เปลี่ยนไป จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของอันตรกิริยา Coulomb ระหว่างอนุภาคโปรตอนในนิวเคลียส ซึ่งค่าที่เปลี่ยนแปลงนี้ขึ้นโดยตรงกับค่าคงตัวรายละเอียด (fine structure constant)
หลังจากที่ได้นำ Th-229 ไปฝังอยู่ใน CaF2 นักวิจัยได้ใช้แสงเลเซอร์ที่เป็นห้วงความยาวห้วงสั้นกระตุ้นผลึก และพบว่านิวเคลียสมีการเปลี่ยนแปลงรูปทรง โดยพลังงานของโปรตอนในนิวเคลียสก็มีการเปลี่ยนแปลงไปสู่สถานะกระตุ้น ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่า แม้รูปทรงของนิวเคลียส Th-229 จะเปลี่ยนแปลง แต่ค่าคงตัวรายละเอียด อัลฟาก็ไม่เปลี่ยน
อ่านเพิ่มเติมจาก “Fine-structure constant sensitivity of the Th-229 nuclear clock transition” ในวารสาร Nature Communications volume 16, Article number: 9147 (2025) Published: 15 October 2025
ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน : ประวัติการทำงาน - ราชบัณฑิตสำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์
ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ,นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน,ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" ได้ทุกวันศุกร์
