UN HEADER 23
UN HEADER 23
HomeArticlesMean Time'นาฬิกาอะตอม' หรือ 'นาฬิกาปรมาณู' คืออะไร?

‘นาฬิกาอะตอม’ หรือ ‘นาฬิกาปรมาณู’ คืออะไร?

Q : เคยได้ยินคำว่า ‘นาฬิกาอะตอม’ หรือ ‘นาฬิกาปรมาณู’ ที่ใช้อ้างอิงเวลาต่างๆ ทั่วโลก จึงอยากทราบว่ามีการทำงานอย่างไร และตัวนาฬิกามีอันตรายไหม เห็นใช้คำว่า ‘ปรมาณู’ ด้วย ?

 

A : อันดับแรกอยากให้เข้าใจก่อนนะครับว่านาฬิกาอะตอมหรือที่เรียกกันคุ้นหูว่า ‘นาฬิกาปรมาณู’ นั้นไม่มีอันตรายใดๆ จากการใช้งาน นาฬิกามีความปลอดภัยมาก ไม่มีความเสี่ยงต่อการระเบิดไม่ว่ารูปแบบใด โดยจะขอเรียกว่า ‘นาฬิกาอะตอม’ หรือ ‘Atomic Clock’ (อะตอมิก คล็อก) เพื่อให้เกิดความเข้าใจที่ชัดเจนที่สุด

 

ในอดีตเราต้องพึ่งพากลไกชนิดต่างๆ มากมายเพื่อให้นาฬิกาทำงานอย่างเที่ยงตรง เช่น กลไก ‘Chronometer’ (โครโนมิเตอร์) หรือแม้แต่กลไกราคาแพงอย่างทูร์บิญองที่ผลิตขึ้นมาเพื่อขจัดปัญหาด้านแรงโน้มถ่วงของโลกที่มีผลต่อกลไก หรือกลไกที่ออกแบบให้ทนกระแสแม่เหล็ก ฯลฯ กลไกเหล่านี้แม้จะมีการออกแบบและควบคุมคุณภาพเช่นใด ก็ยังมีอัตราส่วนความคลาดเคลื่อนในระดับวินาทีอยู่ อยู่ที่ว่าใครจะสามารถออกแบบและผลิตกลไกที่มีความคลาดเคลื่อนในระยะ +/- กี่วินาทีในแต่ละวัน และการปล่อยพลังงานลาน รวมถึงกลไกที่ทำงานราบรื่นมากกว่ากัน

นาฬิกาอะตอมรุ่นแรกของโลกที่ใช้ซีเซียม 133 อยู่ที่ประเทศอังกฤษ ประสมความสำเร็จในปี 1955

 

เมื่อโลกเรารุดหน้าขึ้น การหาค่าอ้างอิงในการใช้งานต่างๆ ก็ละเอียด มากขึ้นตามกัน จากที่สามารถยอมรับความผิดพลาดในระดับวินาทีได้ ก็กลายเป็นว่ายอมรับไม่ได้เสียแล้ว เพราะงานที่ต้องใช้ต้องการค่าความแม่นยำมากกว่านั้นเสียอีก ยิ่งกว่าเสี้ยววินาทีก็ว่าได้ และการที่ไม่มีนาฬิกาอ้างอิงค่าเวลามาตรฐาน ก็ทำให้เป็นตัวฉุดการพัฒนาด้านต่างๆ ลงด้วย

นาฬิกาอะตอมที่ใช้สตรอนเทียมในการสร้างความถี่ เรือนนี้ติดตั้งอยู่ใน ‘Paris Observatory’

 

นักวิทยาศาสตร์มีความต้องการนาฬิกาความแม่นยำสูงมานาน   แล้ว แต่ติดว่าวิทยาการยังไม่ก้าวไกลพอที่จะทำได้ จนมาถึง ค.ศ. 1955 นักวิทยาศาสตร์สหราชอาณาจักรของสถาบัน ‘National Physical Laboratory’ (เนชันแนล ฟิสิคัล แลบอราทอรี) ก็ประสบความสำเร็จในการคิดค้นนาฬิกาอะตอม ถือเป็นนาฬิกาทางวิทยาศาสตร์ที่ซับซ้อนมาก ทำงานด้วยซีเซียม 133 (Cesium-133) ธาตุเคมีที่มีหมายเลขอะตอม 55 เป็นธาตุโลหะอัลคาไล มีลักษณะอ่อนนุ่ม มีสถานะเป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้อง โดยซีเซียมจะถูกเร่งอุณหภูมิในเตา และทำให้อะตอมวิ่งด้วยความเร็วสูงผ่านแม่เหล็กอะตอมที่ดูดซับพลังงาน พร้อมกับผ่านคลื่นไมโครเวฟ (Microwave) จนเกิดเป็นพลังงานที่สร้างแรงสั่นพ้อง โดยสามารถสร้างการสั่นพ้องได้สูงถึง 9,192,631,770 ครั้ง/วินาที ถึงตรงนี้เริ่มเห็นแล้วใช่ไหมครับว่ามีความถี่เหมือนในนาฬิกากลไก แต่ความถี่ที่กำเนิดโดยซีเซียม 133 นั้นมีความสูงกว่ามากมายนับพันล้านเท่า อันเป็นการเพิ่มความแม่นยำในการหาค่าอ้างอิงเวลามากขึ้นนั่นเอง ซึ่งหากจะถามว่าแม่นยำขนาดไหนนั้นก็ต้องตอบว่า   แม่นยำสุดๆ ด้วยค่าความคลาดเคลื่อน 1 นาโนวินาทีต่อ 100 วินาที หรือพูดง่ายๆ ว่า ในรอบ 300 ปีนาฬิกาจะคลาดเคลื่อนแค่ +/-1 วินาทีเท่านั้น !

 

เมื่อได้ผลการทดสอบและยืนยันจากสถาบันต่างๆ แล้ว ในปี 1967 จึงมีการประกาศมาตรหน่วยวัดค่าเวลาให้มีค่าอ้างอิงมาตรฐาน โดย  ใช้พื้นฐานจากนาฬิกาอะตอมด้วยรูปแบบค่าเดียวกัน คืออิงด้วยค่ามาตรฐานจากซีเซียม 133 และค่าความถี่ 9,192,631,770 ครั้ง/วินาที และประกาศใช้เป็นค่ามาตรฐานเวลาในระบบ SI (เอสไอ) ที่ใช้กัน ทั่วโลก

 

สำหรับคำถามตัวโตๆ ว่าเราต้องการนาฬิกาที่มีความถี่และแม่นยำขนาดนี้ไปทำไม ? ก็ต้องตอบว่าในหลายๆ เทคโนโลยีต้อง  พึ่งพาสัญญาณเวลาอ้างอิงเป็นอย่างมาก เช่น ระบบนำทางดาวเทียมหรือ GPS (จีพีเอส) ก็ต้องมีนาฬิกาอะตอมไว้อ้างอิงเวลาระหว่างตัวดาวเทียมและสถานีบนพื้นโลก เพราะดาวเทียมจะต้องตรวจสอบค่าตำแหน่งของตัวเองอยู่เสมอๆ โดยอิงด้วยหน่วยเวลาร่วมกับสถานีฐานด้านล่างเพื่อหาค่าความคลาดเคลื่อนของพิกัด ในดาวเทียม GPS จะมีชุดนาฬิกาอะตอมบรรจุอยู่ตั้งแต่ 2 ชุดขึ้นไปเพื่อเทียบเวลา และเพื่อเทียบเคียงการอ้างอิงตำแหน่งที่สัมพันธ์กับระยะเวลาสำหรับการ  นำร่องครับ

นาฬิกาอะตอมที่ใช้ในดาวเทียม

 

ในแง่การใช้งานทางอินเตอร์เนต การติดต่อสื่อสารด้วยข้อมูลต่างๆ ทางการเงิน ก็ต้องใช้งานความแม่นยำของนาฬิกาอะตอมเช่นกัน สิ่งที่ใกล้ตัวเราที่สุดก็คือคอมพิวเตอร์และโทรศัพท์มือถือต่างๆ ที่ล้วนอ้างอิงเวลาจากนาฬิกาอะตอมเพื่อกำหนดค่าในคอมพิวเตอร์ รวมถึงปรับตั้งค่าเวลาในการติดต่อสื่อสารระหว่างกันทั่วโลก โดยใช้ระบบ ‘Time Server’ (ไทม์ เซิร์ฟเวอร์) เพื่อให้ทุกๆ อุปกรณ์ที่อ้างอิงเวลาเรียกใช้เวลามาตรฐานเป็นระบบเดียวกันทั้งหมดตามแต่ละโซนเวลา เช่น การจัดเก็บข้อมูลย้อนหลัง การจัดเก็บข้อมูลไฟล์ การส่งข้อมูล ต้องอ้างอิงระบบเวลาทั้งสิ้นครับ ถ้าหากไม่มีเวลาจากนาฬิกาอะตอมไว้อ้างอิงแล้ว จะทำให้โลกของเราปั่นป่วนอย่างแน่นอน เพราะเป็นสิ่งสำคัญมากจริงๆ

การทดสอบนาฬิกาอะตอมในห้องทดลอง

 

แม้ในปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์ก็ยังไม่หยุดค่าความแม่นยำแค่เพียงนี้ แต่ยังคงค้นหาและพัฒนาเพื่อสร้างนาฬิกาอะตอมให้แม่นยำขึ้นไปเรื่อยๆ โดยนักวิทยาศาสตร์จาก ‘National Physical Laboratory’ ได้พัฒนานาฬิกาอะตอมรุ่นใหม่ที่แม่นยำกว่าเดิม โดยเปลี่ยนธาตุจากซีเซียม 133 เป็นสตรอนเทียม (Strontium) เพื่อสร้างความถี่แบบใหม่ซึ่งสามารถสร้างรูปแบบการสั่นพ้องได้ถึง 9.2 ล้านล้านครั้ง/วินาที และมีค่าความผิดพลาดเพียง +/-1 วินาทีในทุกๆ 30 ล้านปีเท่านั้น !

 

แต่การทดลองนี้ยังไม่สิ้นสุด เพราะความต้องการของนักวิทยาศาสตร์นั้นมองไปถึงความแม่นยำระดับล้านล้านปี นับว่าเป็นเรื่องที่ท้าทายมาก แต่ตอนนี้เราก็ได้ทราบกันแล้วว่านาฬิกาและเวลามีความสำคัญต่อมนุษย์แค่ไหนครับ

 

SEIKO JUNE 23 CONTENT RGT
Luxe Time Pop Up