นาฬิกาปรมาณู

อะตอมของแก๊สในธรรมชาติเคลื่อนที่ตลอดเวลา เช่นเดียวกับเด็กเล็กที่วิ่งเล่นในสนาม โรงเรียน อะตอมเหล่านี้เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงมากเป็นพัน ๆ เมตรต่อวินาที มีการชนกัน ปะทะกันเป็นล้าน ๆ ครั้งในหนึ่งวินาที และหลังจากการชนกันแล้ว อะตอม จะเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่

ดังนั้น การที่นักวิทยาศาสตร์จะเฝ้าจับตาดูอะตอมของแก๊สแต่ละตัว จึงเป็นเรื่องที่ยากยิ่ง และแทบจะทำไม่ได้เลย

ปัจจุบัน นักวิทยาศาสตร์ได้คิดค้นวิธีทำให้อะตอมของแก๊สวิ่งช้าลง โดยทำให้อุณหภูมิของแก๊ส นั้นลดต่ำลง เมื่อแก๊สยิ่งเย็น พลังงานของแก๊สยิ่งลดผลที่ตามมาก็คือ อะตอมของแก๊สจะยิ่งวิ่งช้าลง แล้วนักวิทยาศาสตร์ฉายแสงเลเซอร์ สวนทิศการเคลื่อนที่ของอะตอมนั้น แสงเลเซอร์จะพุ่งเข้าชนอะตอม แรงปะทะจากแสง จะทำให้อะตอมของแก๊สวิ่งช้าลงไปอีก

วิธีการนี้เปรียบเสมือนการชะลอความเร็วของลูกโบว์ลิ่ง โดยการระดมยิงด้วยลูกปิงปอง นักวิทยาศาสตร์จึงมีโอกาสศึกษาคุณสมบัติต่าง ๆ ของ อะตอมเดี่ยว ๆ ได้นานขึ้น และมากขึ้น การค้นพบเทคโนโลยีด้านนี้ จะทำให้เรามีนาฬิกาปรมาณูที่มีประสิทธิภาพสูงยิ่ง เอาไว้ใช้ในอนาคต

เพราะเมื่ออยู่ในสภาวะที่เหมาะสมอะตอมของธาตุ แต่ละธาตุเปล่งแสง คลื่นแสงที่เปล่งออกมามีความยาวคลื่น หรือความถี่ที่เป็นเอกลักษณ์เฉพาะของอะตอมนั้น ๆ อาทิเช่น อะตอมของเหล็กและของตะกั่ว เปล่งแสงออกมาไม่เหมือนกัน ความยาวคลื่นหรือความถี่ของแสง จะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ทราบทันทีทันใดว่า ธาตุที่ปล่อยแสงนั้นเป็นธาตุชนิดอะไร

ในภาษาธรรมดาทั่ว ๆ ไป ความถี่ของแสงคือจำนวนลูกคลื่นที่เคลื่อนที่ ผ่านจุด ๆ หนึ่ง ในเวลา 1 วินาที ในอดีตมาตรฐานของเวลา กำหนดไว้ว่าเวลา 1 วินาทีเป็น ของเวลาที่โลกใช้ในการหมุนรอบตัวเอง แต่เวลาที่โลกหมุนรอบตัวเองก็ไม่คงที่ มีการแปรปรวนอยู่เสมอ

ดังนั้นเวลา 1 วินาที ตามคำจำกัดความนี้จึงไม่เหมาะสม มาตรฐานของเวลาปัจจุบันกำหนดว่า เวลา 1 วินาที คือเวลาที่คลื่นแสงจากธาตุซีเซียม(Caesium) ซึ่งอยู่ในสภาวะที่เหมาะสม จำนวน 9,192,631,770 ลูก เคลื่อนที่ผ่านจุด ๆ หนึ่ง ว่ากันตามหลักการแล้วการวัดความถี่ของแสง ที่ปลดปล่อยจากอะตอมจะทำให้ถูกต้องที่สุด เมื่ออะตอมนั้นหยุดนิ่ง ไม่เคลื่อนไหว หากอะตอมเคลื่อนไหวมาก ความถี่ที่วัดได้จะผิดพลาดมาก

เมื่อเร็ว ๆ นี้ นักวิทยาศาสตร์ที่ National Bureau of Standard แห่งรัฐ Maryland สหรัฐอเมริกา ได้ทดลองทำให้อะตอมของโซเดียม มีอุณหภูมิต่ำถึง – 273oC คือใกล้อุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์มาก แล้วยิงแสงเลเซอร์มีความถี่ต่ำกว่าความถี่ธรรมชาติของโซเดียมเพียงเล็กน้อย (ความถี่ธรรมชาติของโซเดียมคือความถี่แสงที่อะตอมของโซเดียมจะดูดกลืน)

ดังนั้นเมื่อแสงเลเซอร์พุ่งเข้าชนอะตอมของโซเดียม ปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ (Doppler Effect) จะทำให้อะตอมของโซเดียมรับแสง ที่มีความถี่สูงกว่าความถี่จริงของแสงนั้น ซึ่งจะไปเท่ากับความถี่ธรรมชาติพอดี ทันทีที่ความถี่ของแสงเลเซอร์เท่ากับความถี่ธรรมชาติ อะตอมของโซเดียมจะดูดกลืนแสงนั้นและจะวิ่งช้าลง

ต่อมาอีกไม่นานอะตอมก็จะปล่อยแสงออกมา ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถวัดความถี่ได้

ความละเอียดถูกต้องของการวัดความถี่แสงหรืออีกนัยหนึ่ง การวัดเวลา มีบทบาทสำคัญในการทำนาฬิกาปรมาณู นักวิทยาศาสตร์หวังที่จะพัฒนาเทคโนโลยีที่พบใหม่นี้ เพื่อทำให้ประสิทธิภาพของนาฬิกาปรมาณูในอนาคตเที่ยงตรง คือขนาดวัดได้ถูกต้องถึง 1 ส่วนใน 10 ล้าน ล้าน ล้านส่วน

พูดง่าย ๆ ก็คือ นาฬิกาปรมาณู ในอนาคตจะมีศักยภาพวัดเวลาได้คลาดเคลื่อนไม่เกิน 1 วินาที ในเวลาทั้งหมด 3 หมื่นล้านปี

---

ที่มา : ดร.สุทัศน์ ยกส้าน สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (สสวท.)