เหตุใดคนเราจึงต้องประดิษฐ์นาฬิกาขึ้นใช้ ทั้งๆ ที่เราก็มีดวงอาทิตย์เป็นนาฬิกาที่ใช้บอกเวลาได้ดีพอประมาณ เช่น ให้แสงสว่างในเวลากลางวัน เพื่อบอกเวลาทำงาน กินอาหาร ออกกำลังกาย และดวงอาทิตย์เดียวกันนี้ก็งดให้แสงในเวลากลางคืน เพื่อบอกเวลานอน พักผ่อน?
การขึ้นและตกของดวงอาทิตย์ที่เป็นวัฏจักรในลักษณะนี้ สามารถบ่งบอกเวลาได้อย่าง “สม่ำเสมอ” และดีพอประมาณ ดวงอาทิตย์จึงทำหน้าที่เสมือนเป็นนาฬิกาธรรมชาติได้ดีในระดับหนึ่ง อันมีผลทำให้สิ่งมีชีวิตหลายชนิดรวมทั้งคนด้วย ต้องปรับพฤติกรรมในการดำรงชีวิตตามช่วงเวลาในแต่ละวัน นั่นคือ สิ่งมีชีวิตมีนาฬิกาชีวภาพ (biological clock) เช่น ให้ดอกไม้บาน และทุเรียนออกผลเมื่อถึงฤดูกาล หรือในช่วงฤดูหนาวที่กลางวันค่อนข้างสั้น และกลางคืนค่อนข้างยาวนาน อากาศหนาวสัตว์หลายชนิด เช่น นกจะบินอพยพย้ายถิ่นอาศัย แต่เมื่อถึงฤดูใบไม้ผลิ ที่กลางวันยาว และกลางคืนสั้น ฝูงนกนั้นก็จะบินคืนถิ่น คือ กลับรังเดิม ส่วนสัตว์ที่จำศีลจะตื่นจากการอยู่นิ่งๆ เพื่อใช้ชีวิตอย่างเป็นปกติต่อไป
เหตุการณ์เหล่านี้ ทำให้ William Paley (1743–1805) ซึ่งเป็นนักบวชชาวอังกฤษ ในคริสต์ศตวรรษที่ 18 คิดว่า พระผู้เป็นเจ้าคงเป็นช่างทำนาฬิกา เพราะพระองค์ได้ทรงประทานนาฬิกาให้สมองของสิ่งมีชีวิตทั้งหลายทำงานเป็นวัฏจักร และตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา การศึกษานาฬิกาชีวภาพก็ได้ก้าวหน้าไปมาก
จนกระทั่งปี 1959 Franz Halberg (1919–2013) แห่งมหาวิทยาลัย Minnesota ในสหรัฐอเมริกา ก็ได้เรียกการทำงานเป็นวัฏจักรนี้ว่า การทำงานแบบ circadian (ซึ่งคำนี้แปลว่า ประมาณ 1 วัน และเป็นคำที่แปลงมาจากคำ circa ซึ่งแปลว่า ประมาณ กับ dies ที่แปลว่า วัน) ในเวลาต่อมา นักวิทยาศาสตร์ก็ได้พบว่า กลุ่มเซลล์ในสมองส่วนที่เรียกว่า suprachiasmatic nucleus ซึ่งฝังลึกอยู่ที่ฐานสมองของมนุษย์ และมีขนาดใหญ่เท่าหัวเข็มหมุด คือ ตำแหน่งที่อยู่ของนาฬิกาชีวภาพในร่างกายคน
ในปี 1962 ได้มีนักธรณีวิทยาชาวฝรั่งเศสคนหนึ่งชื่อ Michel Siffre (1939-2024) ซึ่งได้พิสูจน์การทำงานของนาฬิกาชีวภาพในร่างกายคน โดยได้ถอดนาฬิกาข้อมือทิ้ง แล้วลงไปหลบซ่อนตัวอยู่ในถ้ำที่ลึก 130 เมตร บนเทือกเขา Alps เป็นเวลานาน 63 วัน เพื่อดูผลว่า การไม่รับรู้เวลาเลย จะมีผลกระทบต่อร่างกายและจิตใจของคนอย่างไร โดยเขาได้แรงดลใจในการศึกษาเรื่องนี้จากความอยากรู้ว่า มนุษย์อวกาศ Yuri Gagarin (1934–1968) ซึ่งเป็นมนุษย์อวกาศชาวรัสเซีย ที่ได้โคจรรอบโลกเป็นคนแรกเป็นนาน 108 นาที อย่างโดดเดี่ยวคนเดียว ในปี 1961 ว่ารู้สึกเช่นไร
ก่อน Siffre จะเริ่มการทดลอง นักทฤษฎีทางชีววิทยาคิดว่า มนุษย์มีนาฬิกา circadian ในสมอง แต่ก็ไม่เคยมีใครทดสอบเรื่องนี้ในคน
Siffre ได้ลงไปอยู่ในถ้ำลึกใต้ดินที่มีอุณหภูมิ 3 องศาเซลเซียส พร้อมเสบียงอาหาร และมีแต่ไฟฉายส่องทาง กับมีวิทยุสื่อสารกับเพื่อนที่อยู่บนพื้นดินเหนือถ้ำ และเขาได้ห้ามเพื่อนบอกข่าวใด ๆ ที่ทำให้เขารับรู้เกี่ยวกับเวลาที่ผ่านไป การเลือกเวลาอยู่ในถ้ำนาน 63 วัน เป็นเวลาที่เขากำหนดขึ้นเอง ในยามว่างเขาจะอ่านหนังสือบันทึกความทรงจำของอดีตประธานาธิบดี Charles de Gaulle (1890–1970)
เมื่อสิ้นสุดการทดลอง เขาได้โผล่ขึ้นจากถ้ำ แสงสว่างที่จ้าทำให้ต้องสวมแว่นตานิรภัย (goggles) และได้พบว่าความรู้เกี่ยวกับเวลาของเขาได้ผิดเพี้ยนไปอย่างสิ้นเชิง จากเดิมที่คิดว่า เวลาได้ผ่านไป 63 วัน กลับเป็นเวลานาน 88 วัน วัฏจักรการนอนหลับและตื่น จาก 24 ชั่วโมง เป็น 24 ชั่วโมงกับ 30 นาที และเขาก็มีภาวะซึมเศร้าด้วย และรู้สึกเสียใจกับเวลาที่ “เสียไป” โดยเปล่าประโยชน์ เพราะไม่ได้ทำอะไรเป็นชิ้นเป็นอันเลย ในช่วงปลายการทดลองเขารู้สึกว่า จะต้องตัดสินใจสู้ต่อหรือตาย (marche ou creve (มาร์ช อู แครฟ)) และรู้สึกสำนึกในหน้าที่ ๆ มีต่อตนเองว่า จะต้องทำงานให้ลุล่วง จึงเดินหน้าต่อไปจนจบ
ใครเลยจะรู้บ้างว่า การบุกเบิกวิทยาการสาขา chronobiology (ชีววิทยาของเวลา) ของ M. Siffre เมื่อปี 1962 ได้ทำให้ Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash และ Michael W. Young ได้รับ รางวัลโนเบลสาขา Physiology และ Medicine ประจำปี 2017 จากการได้พบกลไกที่โมเลกุลใช้ในการควบคุมการทำงานของนาฬิกา circadian ในร่างกายคน และองค์ความรู้นี้ได้ถูกนำไปใช้บำบัดอาการซึมเศร้า โดยใช้แสง (light therapy) ความผิดปกติของอารมณ์ ความผิดปกติของการหลั่งฮอร์โมนในร่างกาย อาการ jet lag ฯลฯ
เมื่อใกล้จะจบชีวิต Siffre เขาบอกว่า จากเดิมที่เคยคิดว่า เขาได้เสียเวลาชีวิตไปเปล่า ๆ โดยการลงไปอยู่ในถ้ำลึกเพียงคนเดียว แต่ในที่สุดเขาได้กล่าวว่า “Je ne regrette rien” (ผมไม่รู้สึกเสียใจอะไรเลย ประโยคนี้มาจากบทเพลงของนักร้อง Edith Piaf ที่เขียนว่า Non, je ne regrette rien (ซึ่งแปลว่า เปล่า, ฉันไม่รู้สึกเสียใจอะไรทั้งสิ้น)
เพราะผลงานของเขาได้พลิกโลก จากการถูกหัวเราะเยาะว่า “บ้า” โดยไม่มีทุนวิจัยสนับสนุนจากกระทรวงหรือองค์กรใด ๆ และไม่มีใครรับผิดชอบในอาการป่วยเป็นโรคซึมเศร้าของเขาเลย แต่การเอาชีวิตเป็นเดิมพันในครั้งนั้น ได้ทำให้โลกจารึกชื่อของเขา ตราบจนวันนี้
ไม่มีนักประวัติศาสตร์คนใดรู้แน่ชัดว่า มนุษย์เริ่มรู้จักประดิษฐ์นาฬิกาตั้งแต่เมื่อใด Herodotus (484–425 ปีก่อนคริสตกาล) ซึ่งเป็นนักประวัติศาสตร์กรีกได้เคยบันทึกว่า ชาวบาบิโลน เมื่อ 4,500 ปีก่อน รู้จักสร้างนาฬิกาแดด โดยใช้วิธีวัดความยาวของเงาเสาที่ปักดิ่งอยู่กลางแดด ในการบอกเวลา
แต่นาฬิกาแดดก็ใช้บอกเวลาตลอดทั้งวันไม่ได้ เพราะเวลาท้องฟ้ามีเมฆหนาทึบ หรือเวลาฝนตกหนัก นาฬิกาแดดก็ทำงานไม่ได้ นอกจากนี้ในเวลากลางคืนที่ไม่มีดวงอาทิตย์ นาฬิกาแดดก็ใช้ไม่ได้เช่นกัน ดังนั้นชาวอียิปต์โบราณจึงเชื่อว่า เวลาเป็นสิ่งที่มีให้มนุษย์เฉพาะในเวลากลางวันเท่านั้น แต่ในยามค่ำคืน ธรรมชาติไม่มีเวลา
การติดต่อค้าขาย และการสื่อสารระหว่างคนในสังคมโบราณได้ทำให้มนุษย์มีความจำเป็นต้องสร้างนาฬิกาขึ้น เพื่อให้การพบปะเจรจาธุรกิจเกิดขึ้นตรงตามกำหนดเวลาที่นัดหมาย ซึ่งเหตุการณ์นี้จะเกิดขึ้นได้ ถ้าทุกคนมีเวลาที่ตรงกัน ดังนั้นชาวกรีกโบราณจึงประดิษฐ์นาฬิกาน้ำเรียก clepsydra (คำนี้มาจากคำในภาษากรีก clep ที่แปลว่า ขโมย และ hydra ที่แปลว่า น้ำ) เพราะนาฬิกาน้ำทำงานโดยใช้ภาชนะดินเผาที่มีน้ำบรรจุอยู่เต็ม และเมื่อมีการเจาะรูที่ก้นภาชนะ ให้น้ำไหลออกทีละน้อย ๆ เหตุการณ์นี้ จึงเปรียบเสมือนการขโมยน้ำ ผลที่เกิดตามมา คือ สังคมกรีกในสมัยนั้น นิยมใช้นาฬิกาน้ำในการจับเวลาที่บาทหลวงเทศน์ในโบสถ์ และจับเวลาที่สมาชิกรัฐสภาอภิปราย ดังนั้นนาฬิกาน้ำจึงมีใช้ในโบสถ์ และในสถานที่ราชการ แม้เวลาที่ฝนจะตกหรือไม่มีแดด นาฬิกาน้ำก็ยังทำงานได้ ดังนั้นมันจึงเป็นที่นิยมใช้ยิ่งกว่านาฬิกาแดด แต่นาฬิกาน้ำก็มีข้อเสียตรงที่เวลาน้ำไหลออกจนหมดภาชนะแล้ว ถ้าเจ้าหน้าที่ควบคุมเวลา นอนหลับหรือใจลอย เวลาส่วนหนึ่งของนาฬิกาเรือนนั้นก็จะหายไปด้วย ยิ่งไปกว่านั้นเวลาอากาศหนาวจัด น้ำในนาฬิกาจะกลายเป็นน้ำแข็ง นาฬิกาน้ำก็ทำงานไม่ได้อีก
วิวัฒนาการของเทคโนโลยีการสร้างนาฬิกาจึงเกิดขึ้น โดยมีคนคิดสร้างนาฬิกาทราย ด้วยการใช้ทรายแทนน้ำ แต่การไหลของเม็ดทรายที่มีขนาดไม่สม่ำเสมอ ซึ่งไหลผ่านคอคอดของนาฬิกาก็เป็นไปอย่างไม่สม่ำเสมอตาม และนั่นก็หมายความว่าในบางเวลา เหล่าเม็ดทรายจะเคลื่อนที่เร็ว และบางเวลาก็เคลื่อนที่ช้า เวลาของนาฬิกาทรายในแต่ละเครื่อง จึงสม่ำเสมอไม่เท่ากัน ดังนั้นนาฬิกาทรายจึงมิใช่เป็นนาฬิกามาตรฐาน
ในปี 1364 Giovanni Dondi dell'Orologio (1330–1388) ชาวอิตาลี ซึ่งดำรงตำแหน่งศาสตราจารย์แห่งมหาวิทยาลัย Padua ได้ประดิษฐ์นาฬิกาเครื่องจักรกลชื่อ Astrarium ที่มีขนาดใหญ่มาก โดยเขาต้องใช้เวลาในการสร้างนาฬิกาเรือนนี้นานถึง 16 ปี เพื่อให้สามารถใช้บอกเวลาและบอกตำแหน่งของดาวเคราะห์ทั้ง 5 ดวง (พุธ ศุกร์ อังคาร พฤหัสบดี และเสาร์) ด้วย ดังนั้นจะมีก็แต่มหาเศรษฐีเท่านั้น ที่จะมีโอกาสได้ครอบครองนาฬิกาแบบนี้ ส่วนคนจนก็ต้องอาศัยการฟังเสียงระฆังตีในโบสถ์ ที่มีนาฬิกาน้ำและนาฬิกาทรายเป็นอุปกรณ์บอกเวลาชนิดหลัก ทั้งนี้เพราะบาทหลวงที่จะสอนศาสนาคริสต์ในสมัยนั้นมีความเชื่อว่า เวลา เป็นของขวัญที่พระผู้เป็นเจ้าทรงประทานให้ฟรีแก่มนุษย์ทุกคนใช้อย่างเท่าเทียมกัน
แต่อุปกรณ์ Astrarium ของ Giovanni Dondi dell'Orologio ก็ยังทำงานได้ไม่เที่ยงตรงทีเดียวนัก เพราะนาฬิกาเครื่องจักรกล ต้องต่อสู้กับแรงเสียดทานที่เกิดจากการหมุนอุปกรณ์กล ดังนั้นการสร้างนาฬิกาที่เดินเที่ยง จึงได้รับการพัฒนาให้สามารถเดินได้เที่ยงยิ่งขึ้น โดยคาบการแกว่งไม่ขึ้นกับสภาพแวดล้อม และถ้าเป็นไปได้ แม้แผ่นดินจะไหว และภูเขาไฟจะระเบิด หรือสึนามิจะมา นาฬิกาที่ดีก็จะต้องไม่ได้รับแรงกระทบกระเทือนใดๆ ยุโรปในเวลานั้นจึงนิยมใช้นาฬิกากันอย่างแพร่หลาย แต่ในดินแดนอื่น ๆ ของโลก ผู้คนทั่วไปก็ยังไม่มีนาฬิกาใช้เลย
ในปี 1583 Matteo Ricci (1552-1610) ซึ่งเป็นบาทหลวง นักดาราศาสตร์ และนักคณิตศาสตร์ชาวอิตาลี ได้เดินทางไปเมืองจีน แต่ไม่สามารถเข้าประเทศได้ เพราะอาณาจักรจีนในสมัยนั้น มีกฎหมายห้ามคนต่างชาติเข้าเมือง Ricci จึงถูกกักตัวอยู่ที่เมือง Macaw เพื่อเรียนภาษาจีน สำหรับใช้ในการเผยแพร่คริสต์ศาสนา เพราะ จักรพรรดิ Wan Li (ว่าน ลี่) (1563-1620) ทรงระแวงว่า Ricci จะเข้ามาเปลี่ยนแปลงระบบการปกครอง และมาสืบความลับทางทหารของจีน แต่เมื่อ Ricci นำนาฬิกาอัตโนมัติที่เดินได้และมีเสียงตีระฆังบอกเวลา มาแสดงและมอบให้พระองค์เป็นของขวัญ ทันทีที่เห็นนาฬิกา พระองค์ทรงโปรดปรานนาฬิกามาก จึงได้ทรงอนุญาตให้ Ricci นำเทคโนโลยีต่างๆ ที่ทันสมัยจากยุโรปเข้าประเทศจีนได้เป็นครั้งแรก
ในปี 1641 Galileo Galilei (1564-1642) ได้พบว่า ตะเกียงที่แขวนห้อยจากเพดานสูงในมหาวิหารแห่งเมือง Pisa เวลาถูกลมพัดมันจะแกว่งไป-มาเป็นมุมที่กว้างไม่เกิน 5 องศา และทุกครั้งที่แกว่ง คาบการแกว่งจะเท่าเดิมเสมอ ไม่ว่าช่วงกว้างของการแกว่งจะมากหรือน้อยเพียงใด ทั้งนี้เพราะคาบการแกว่งของตะเกียงขึ้นอยู่กับความยาวของเชือกที่แขวนตะเกียงเพียงอย่างเดียวเท่านั้น โดยไม่ขึ้นกับมวลของตะเกียงเลย ดังนั้นการแกว่งของตะเกียงจึงเป็นคาบอย่างสม่ำเสมอ ทำให้สามารถนำตะเกียงที่แกว่งไป-มามาทำเป็นนาฬิกาได้ กระนั้น Galileo ก็ไม่ได้ประดิษฐ์นาฬิกาดังที่ตนคิด แต่กลับมอบให้ลูกศิษย์ชื่อ Vincenzo Viviani (1622-1703) สร้างนาฬิกาลูกตุ้ม (pendulum) จนเป็นผลสำเร็จ
ต่อมาในปี 1657 Christiaan Huygens (1629-1695) นักฟิสิกส์ชาวเนเธอร์แลนด์ ได้ประดิษฐ์นาฬิกาเครื่องกล (mechanical clock) ที่มีเกียร์ ฟันเฟือง และล้อ ซึ่งทำงานโดยใช้หลักการแกว่งของ pendulum และสามารถเดินได้เที่ยงตรงดีกว่านาฬิการูปแบบอื่น แต่ก็ยังไม่สามารถจะเดินได้เที่ยงตรงมาก เพราะอุปกรณ์กลในนาฬิกามีการขยายตัว (หดตัว) ตามอุณหภูมิและแรงเสียดทานของอากาศ ตลอดจนขึ้นกับแรงเสียดทานที่เกิดจากการเสียดสีระหว่างชิ้นส่วนต่างๆ ที่เป็นองค์ประกอบของนาฬิกา
ตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา เมื่อสังคมเริ่มมีนาฬิกาใช้อย่างแพร่หลาย นาฬิกาก็ได้เข้ามาเปลี่ยนวิถีชีวิตของผู้คนในสังคม โดยการกำหนดเวลาให้มนุษย์มีการทำกิจกรรมร่วมกันในเวลาเดียวกัน แทนที่จะให้ทุกคนกำหนดเวลาตามความรู้สึกของตน ด้วยการดูตำแหน่งของดวงอาทิตย์ หรือฟังเสียงระฆังจากโบสถ์ บรรดาพ่อค้า ข้าราชการ กรรมกร และนักเรียนก็มีการทำกิจกรรมตรงตามเวลาที่ปรากฏบนนาฬิกา ผู้คนมีการจัดประชุมเพื่อพบปะ ทำกิจกรรมร่วมกัน มีตารางเวลาในการเดินทางโดยรถไฟ เรือ รถยนต์ และเครื่องบิน เราจึงอาจกล่าวได้ว่า ความเจริญก้าวหน้าทางวิชาการและการเปลี่ยนแปลงอารยธรรมของมนุษย์ ได้ถือกำเนิดจากการรู้จักใช้นาฬิกา
การเปลี่ยนแปลงของวัฒนธรรมที่เกิดขึ้นในยุโรปตลอดเวลา 500 ปีที่ผ่านมา ได้ทำให้อารยธรรมต่าง ๆ เปลี่ยนแปลงมาก โดยเฉพาะในด้านการมีความรู้วิทยาศาสตร์ เพราะเมื่อนาฬิกาได้รับการพัฒนาให้สามารถเดินได้เที่ยงตรงมากยิ่งขึ้น หรือเวลานาฬิกาวัดเวลาได้ละเอียดขึ้น ความเข้าใจในปรากฏการณ์ต่างๆ ทางธรรมชาติก็ดีขึ้นเป็นลำดับ เช่น จากเดิมที่เคยรู้ว่า โลกหมุนรอบตัวเองในเวลา 1 วัน โดยใช้เวลา 86,400 วินาที และการรู้เช่นนี้ ได้ทำให้เรากำหนดเวลา 1 วินาที คือ 1/86,400 ของเวลา 1 วัน ในเวลาต่อมานักวิทยาศาสตร์ก็ได้พบว่า โลกของเราหมุนช้าลง ๆ ตลอดเวลา เพราะถูกอิทธิพลแรงโน้มถ่วงที่ดวงอาทิตย์และดวงจันทร์กระทำต่อน้ำในมหาสมุทร ทำให้เกิดแรงต้านการหมุน โลกจึงหมุนรอบตัวเองช้าลง ๆ 10^(-7) วินาที/วัน ดังนั้นในทุก ๆ สามปี ดังนั้นในยุคไดโนเสาร์ เวลา 1 วัน ก็จะนานประมาณ 23 ชั่วโมง
ในเมื่อโลกของเรามีลักษณะกลม และหมุนรอบตัวเองด้วยความเร็วไม่สม่ำเสมอ ดังนั้นเวลาเที่ยงวันของชนชาติต่าง ๆ ในประเทศต่างๆ จึงไม่ตรงกัน ด้วยเหตุนี้การปรับเวลา โดยมีเวลามาตรฐานในการอ้างอิง จึงเป็นเรื่องจำเป็น และนอกจากเหตุผลนี้แล้ว ตำแหน่งของนาฬิกาที่อยู่ระดับน้ำทะเล กับนาฬิกาที่อยู่บนยอดเขาสูง ณ สถานที่ใกล้กัน ก็เดินเร็ว-ช้าไม่เท่ากันด้วย ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป เช่น เวลาในเครื่องบินที่บินที่ระดับสูง 10 กิโลเมตร จะเดินเร็วกว่านาฬิกาที่อยู่บนพื้นโลก ดังนั้นในการบินแต่ละครั้ง คนที่เดินทางโดยเครื่องบินจะมีอายุมากกว่าคนที่อยู่บนพื้นดินประมาณ 10^(-9) วินาทีทุกครั้งไป
ความสามารถในการวัดเวลาอย่างละเอียดจึงเป็นเรื่องจำเป็นที่สำคัญมาก เพราะนอกจากจะใช้ทดสอบความถูกต้องของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปและทฤษฎีควอนตัมแล้ว ก็ยังใช้วัดค่าคงตัวต่าง ๆ ของธรรมชาติด้วยว่ามีการเปลี่ยนแปลงอย่างไรหรือไม่ เพราะโดยหลักการแล้ว ค่าคงตัวในธรรมชาติจะต้องไม่มีวันเปลี่ยนแปลงเลย ดังนั้นถ้าค่าคงตัวมีการเปลี่ยนแปลงตามกาลเวลา ค่านั้นก็จะไม่เป็นค่าคงตัวอีกต่อไป
ในปี 1979 Joseph H. Taylor Jr. (1941-ปัจจุบัน) แห่งมหาวิทยาลัย Massachusetts Amherst กับ Russell A. Hulse (1950-ปัจจุบัน) แห่งมหาวิทยาลัย Princeton ในสหรัฐอเมริกา ได้ศึกษาคาบการหมุนของดาว pulsar คู่ (สองดวง) ที่โคจรรอบจุดศูนย์กลางมวลของระบบเป็นครั้งแรก และได้พบว่าดาวคู่ทั้งสองหมุนช้าลงๆ พร้อมกันนั้นก็ได้ปล่อยพลังงานโน้มถ่วงออกมา และวงโคจรของดาวคู่นี้ มีแกนที่เหวี่ยงไปเป็นมุม 4 องศา/ปี การหมุนเหวี่ยงของแกนที่เรียกว่า การส่าย (precession) ที่ลากผ่านดาว pulsar คู่นี้ ได้เกิดขึ้นในทำนองเดียวกับการส่ายของแกนวงโคจรของดาวพุธที่เคลื่อนที่รอบดวงอาทิตย์
ตามปกติดาว pulsar ในระบบดาวคู่นั้น หมุนรอบตัวเองหนึ่งรอบ โดยใช้เวลา 0.059 วินาที และคาบการหมุนนี้จะลดลง ๆ เพราะระบบดาวคู่ pulsar1913+16 ได้สูญเสียพลังงาน ซึ่งสามารถตรวจสอบได้ โดยใช้กล้องโทรทรรศน์วิทยุชื่อ Arecibo ที่ประเทศ Puerto Rico ซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางของจานรับคลื่นยาว 300 เมตร การสังเกตที่นานติดต่อกัน 10 ปี ในการวัดคลื่นที่ส่งมาจากดาว pulsar จำนวน 3,300 ครั้ง ได้ผลตรงกับคำทำนายในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ Einstein ทุกประการ คือ ได้คาบการโคจรเท่ากับ 27,907 วินาที ± 20x10^(-6) วินาที และทฤษฎีอื่น ๆ ที่เป็นคู่แข่งของทฤษฎีนี้ เช่น ทฤษฎี Brans-Dicke เป็นทฤษฎีที่ผิดพลาด
การวัดเวลาที่ละเอียดเป็นเรื่องที่จำเป็นต้องใช้นาฬิกาอะตอมที่เดินได้เที่ยงตรงและละเอียด
ปัญหาเกี่ยวกับการวัดเวลายังมีอีกมาก เช่นว่า นักวิทยาศาสตร์จะวัดเวลาได้ละเอียดที่สุดถึงระดับใด เพราะมีบางทฤษฎีเชื่อว่า ที่ช่วงเวลาที่นาน 10^(-35) วินาที ซึ่งเรียกว่า เวลาพลังค์ (Planck time) จะเป็นปริมาณควอนตัม แต่นาฬิกาปัจจุบันสามารถวัดได้ละเอียดเพียง 10^(-21) วินาที (zeptosecond) เท่านั้นเอง ดังนั้นพัฒนาการของนาฬิกาจึงต้องดำเนินต่อไปอีกมาก
นอกจากนี้ปัญหาการรู้เวลาบนดาวเคราะห์ต่าง ๆ เมื่อเปรียบเทียบกับเวลาบนโลกเรา ก็เป็นเรื่องจำเป็นสำหรับการเดินทางไปต่างดาว และการติดต่อกับมนุษย์อวกาศ ทั้งนี้เพราะเราต้องการจะรู้ว่าเวลาบนดาวพฤหัสบดี ดาวเสาร์ และดาวอังคาร จะมีการเปรียบเทียบกันอย่างไร และเวลาเหล่านั้นมีวิธีเปรียบเทียบเวลาบนโลกอย่างไร เพราะบรรดาดาวเหล่านี้มีขนาด มีวงโคจร และมีความเร็วในการหมุนรอบตัวเองที่แตกต่างกัน นี่จึงเป็นเรื่องที่จะต้องมีการกำหนดเวลาที่เป็นสากลระหว่างดาวต่าง ๆ ในอนาคต การศึกษาว่า แรงโน้มถ่วงที่มีค่าสูงมาก ๆ ของหลุมดำ มีอิทธิพลต่อเวลาเช่นไร ก็เป็นเรื่องอีกเรื่องหนึ่งที่สำคัญ
ถึง ณ วันนี้โลกมีนาฬิกาอะตอมที่มีความละเอียดสูงสุด และเดินได้เที่ยงที่สุดใช้แล้ว
ในปี 1955 Louis Essen (1908-1997) แห่ง National Physical Laboratory (NPL) ที่เมือง Teddington ในอังกฤษ กับ Jack Parry (1923-1995) ได้ประดิษฐ์นาฬิกาอะตอม caesium-133 ขึ้นใช้เป็นครั้งแรก และปัจจุบันนาฬิกาเรือนนี้ได้ถูกนำไปติดตั้งอยู่ที่พิพิธภัณฑ์วิทยาศาสตร์ (Science Museum) ที่กรุงลอนดอน
นาฬิกาอะตอม caesium-133 ทำงานโดยใช้หลักการว่า ระดับพลังงานแบบซูเปอร์ละเอียด (hyperfine) ของอิเล็กตรอนในอะตอมชนิดนี้มีเสถียรภาพมาก คือ จะไม่เปลี่ยนแปลงค่าเลย แม้อุณหภูมิและความดันของสิ่งแวดล้อมจะเปลี่ยนแปลง แต่พลังงาน hyperfine ก็เสถียร ดังนั้นเวลาอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไป-มาระหว่างระดับพลังงานทั้งสองนี้ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เปล่งออกมาจะมีคาบและความถี่คงตัว คือ เปลี่ยนแปลงได้วินาทีละ 9,192,631,770 รอบ
นาฬิกา caesium-133 นี้ สามารถเดินผิดพลาดได้ไม่เกิน 1 วินาทีในการเดิน 30 ล้านปี
ตั้งแต่ปี 1967 เวลา 1 วินาที จึงได้รับการทบทวนใหม่ ล่าสุดในปี 2019 คำจำกัดความของหนึ่งวินาทีก็มีการเปลี่ยนแปลงอีกว่า ในการทำงานของนาฬิกาอะตอม caesium-133 ที่มีการปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่ 9,192,631,770 ครั้ง ความถี่นี้ได้ถูกนำไปใช้เป็นค่ามาตรฐานของเวลา 1 วินาที
นาฬิกา caesium-133 ทำงาน โดยมีขั้นตอน ดังนี้
โดยการนำ caesium-133 เหลวไปเผาให้ร้อน จนอะตอมระเหยกลายเป็นไอ แล้วถูกส่งต่อเข้าห้องสุญญากาศ
ใช้สนามเหล็กกระทำที่ไออะตอม เพื่อแยกอะตอมออกเป็น 2 กลุ่ม คือ พวกที่อิเล็กตรอนในอะตอมอยู่ในสถานะพื้นฐาน กับพวกที่อิเล็กตรอนอยู่ในสถานะกระตุ้น คือ มีพลังงานสูงกว่าพลังงานพื้นฐาน
ยิงอะตอมในห้องสุญญากาศด้วยคลื่นไมโครเวฟ ที่มีความถี่ 9,192,631,770 hertz เพื่อทำให้อะตอมที่อยู่ในสถานะพื้นฐานมีพลังงานสูงขึ้น คือ อยู่ในสถานะกระตุ้น
นำสนามแม่เหล็กที่สองเข้ามาคัดแยกอะตอมที่มีสถานะกระตุ้นให้อยู่ในกลุ่มเดียวกัน
จากนั้นปล่อยกลุ่มอะตอมกระตุ้นนี้เข้าสู่เครื่องดักจับ (sensor) ซึ่งปริมาณการตอบสนองของเครื่องดักจับ จะบอกจำนวนอะตอมที่เดินทางถึงเครื่อง โดยให้มีค่ามากที่สุด
แต่ถ้าความถี่ของคลื่นไมโครเวฟเปลี่ยนแปลง ก็ต้องปรับความถี่ของคลื่นไมโครเวฟนั้น เพื่อให้เครื่องดักจับมีปฏิกิริยาตอบสนองสูงสุด และได้พบว่าถ้าความถี่ของคลื่นไมโครเวฟมีค่า 9,192,631,770 hertz เครื่องดักจับจะได้รับกระแสมากที่สุด ซึ่งค่าความถี่นี้จึงเป็นความถี่กำทอน (resonance frequency) ของอะตอม Cs-133 และเป็นความถี่ที่ใช้กำหนดเวลามาตรฐาน 1 วินาที
นาฬิกาอะตอมนี้เดินได้เที่ยงตรงมาก คือ ผิดพลาดไม่เกิน 1 วินาที ในเวลา 100 ล้านปี
และเมื่อ 15 มิถุนายน ปี 2026 ที่เพิ่งผ่านมานี้ ทีมนักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัย Technical University of Vienna ในออสเตรีย ได้เสนอนาฬิกานิวเคลียสที่ทำงานได้โดยใช้การเปลี่ยนแปลงระดับพลังงานของนิวคลีออนในนิวเคลียส แทนการเปลี่ยนแปลงระดับพลังงานของอิเล็กตรอนในอะตอมเป็นครั้งแรก โดยใช้อะตอมของ thorium-229 เป็นอุปกรณ์หลักในการทำงาน
Luca Toscani De Col คือ นักฟิสิกส์แห่งมหาวิทยาลัยเวียนนา ซึ่งเป็นบุคคลหนึ่งที่พยายามสร้างนาฬิกานิวเคลียสเครื่องแรกของโลก
ความจริงนาฬิกานิวเคลียส ได้ถือกำเนิดจากความคิดของนักฟิสิกส์ เมื่อปี 2003 โดยได้พิจารณาการเปลี่ยนแปลงพลังงานของนิวคลีออนในนิวเคลียส ซึ่งเป็นเรื่องที่ทำได้ยากยิ่งกว่าการเปลี่ยนแปลงพลังงานของอิเล็กตรอนในอะตอม เพราะการเปลี่ยนแปลงพลังงานของนิวเคลียส ต้องการพลังงานที่สูงยิ่งกว่าการเปลี่ยนแปลงพลังงานของอิเล็กตรอนมาก และนั่นก็คือเหตุผลที่ทำให้การสร้างนาฬิกานิวเคลียสเป็นเป้าหมายสำคัญของเทคโนโลยีการวัดเวลายุคใหม่ เพราะนาฬิกาอะตอมที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงระดับพลังงานของอิเล็กตรอนนอกนิวเคลียสมักตกอยู่ภายใต้อิทธิพลของสิ่งแวดล้อม เช่น อุณหภูมิและความดันได้ง่าย แต่นิวคลีออนในนิวเคลียสถูกห่อหุ้มอย่างปลอดภัยอยู่ที่ใจกลางของอะตอม จึงไม่ได้รับอิทธิพลจากอุณหภูมิหรือความดันใด ๆ ดังนั้นนาฬิกานิวเคลียสจึงมีเสถียรภาพยิ่งกว่านาฬิกาอะตอมมาก และนั่นก็คือเหตุผลที่ทำให้นาฬิกานิวเคลียสเป็นอุปกรณ์สำคัญที่นักฟิสิกส์คิดจะใช้ศึกษาสสารมืด (dark matter) และวัดการเปลี่ยนแปลงใด ๆ ที่เกิดขึ้นกับค่าคงตัวต่าง ๆ ในธรรมชาติ เช่น ความเร็วแสง หรือค่าคงตัวโน้มถ่วงสากล (G) ที่มีอยู่ในกฎแรงดึงดูดของนิวตัน และค่าโครงสร้างละเอียดแอลฟา
thorium-229 เป็นนิวเคลียสที่ดีและเหมาะสำหรับใช้ในการทำนาฬิกานิวเคลียส เพราะมีระดับพลังงานที่ค่อนข้างต่ำอย่างผิดปกติ จนสามารถใช้เลเซอร์ในการกระตุ้นได้ ในปี 2024 นักวิจัยจากออสเตรียและเยอรมนี ได้ประสบความสำเร็จในการกระตุ้นนิวคลีออนในนิวเคลียสของ thorium-229 และวัดพลังงานที่ปลดปล่อยออกมา เวลานิวคลีออนมันกลับคืนสู่สถานะพื้น งานขั้นต่อไปก็คือการนำพลังงานที่ปลดปล่อยนี้ไปใช้ในการสร้างนาฬิกา ทีมวิจัยทั้งสองทีมได้นำนิวเคลียสของ thorium-229 ไปฝังในผลึกของ calcium fluoride แล้วกระตุ้นด้วยเลเซอร์ที่มีความยาวคลื่นอยู่ในย่าน vacuum-ultraviolet laser (100-200 นาโนเมตร) แต่ผลลัพธ์ที่ทั้งสองทีมได้ไม่สอดคล้องกัน กระนั้นนาฬิกานิวเคลียสของทั้งสองทีม เมื่อนำมาทดสอบกับนาฬิกาอะตอมที่ใช้อะตอมของ ytterbium ion ผลลัพธ์แสดงว่า นาฬิกานิวเคลียสทั้งสองมีเสถียรภาพ และทำงานได้ดีในระยะยาว แต่การวัดยังให้ผลแตกต่างกัน ทีมวิจัยทั้งสองยังใช้นาฬิกานี้ค้นหาสสารมืดที่มีมวลน้อยมากด้วย เพื่อแสดงให้เห็นว่าสสารมืดมีอันตรกิริยาอย่างไรกับ photon
ในเวลาเดียวกัน ทีมวิจัยจากจีน ซึ่งนำโดย Beichen Huang แห่งมหาวิทยาลัย Tsinghua ก็ใช้ผลึกที่มี thorium-229 ฝัง ในการทำนาฬิกานิวเคลียสด้วย และผลการทดลองก็ให้ค่าที่แสดงให้เห็นว่า นาฬิกานิวเคลียสจะเป็นนาฬิกาที่เดินได้เที่ยงตรงที่สุดที่มนุษย์เคยสร้าง การทดลองนี้จึงเป็นการขยายขอบเขตของวิทยาการด้านมาตรวิทยาเชิงควอนตัม ที่ก้าวล้ำจากระดับอิเล็กตรอนไปสู่ระดับนิวเคลียส และเป็นการเปิดเวทีการมีนาฬิกาที่สามารถใช้ทดสอบความรู้พื้นฐานของฟิสิกส์ในอนาคตได้ แม้ว่าอุปกรณ์นี้ ณ วันนี้ยังทำงานได้ไม่ดีเท่านาฬิกาอะตอมที่ได้ถือกำเนิดมาเป็นเวลานานร่วม 70 ปีแล้ว แต่การทดลองก็ได้แสดงให้เห็นว่า นาฬิกานิวเคลียสกำลังจะเป็นนาฬิกาจริง ที่ไม่ใช่นาฬิกาในฝันอีกต่อไป และนาฬิกานิวเคลียสนี้จะทำงานได้เที่ยงตรงและมีความเสถียรยิ่งกว่านาฬิกาอะตอมอีกภายในเวลาไม่เกิน 3 ปี
ปัญหาเกี่ยวกับเวลาที่น่าคิดต่อไปมีอีกมาก เช่น ถ้าเวลามีต้นกำเนิดแล้ว จุดจบของเวลาเป็นเช่นไร...? อะไรคือสาดหตุที่ให้กำเนิดเวลา เวลาเป็นเวกเตอร์ที่มีหลายมิติได้หรือไม่ และเวลาเป็นจำนวนเชิงซ้อนหรือไม่ เวลา hypertime, เวลาลบ (negative time) เป็นอย่างไร แล้วนาฬิกาที่จะวัดเวลาเหล่านี้ จะมีรูปร่างเช่นไร คนที่มี “เวลา” ช่วยคิดต่อเองครับ
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
อ่านเพิ่มเติมจาก Beeks, Kjeld; Kazakov, Georgy A.; Schaden, Fabian; Morawetz, Ira; de Col, Luca Toscani; Riebner, Thomas; Bartokos, Michael; Sikorsky, Tomas; Schumm, Thorsten; Zhang, Chuankun; Ooi, Tian; Higgins, Jacob S.; Doyle, Jack F.; Ye, Jun; Safronova, Marianna S. (24 July 2024). "Fine-structure constant sensitivity of the Th-229 nuclear clock transition". arXiv:2407.17300 [nucl-th]. this allows to quantify the sensitivity of α to K=5900(2300)
ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน : ประวัติการทำงาน - ราชบัณฑิตสำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์
ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ,นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน,ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" ได้ทุกวันศุกร์