การบอกเวลาจวนจะก้าวกระโดดครั้งใหญ่ในเรื่องความแม่นยำ นี่คือเหตุผล

เวลามีความสำคัญต่อการทำงานในชีวิตประจำวันของเรา ตั้งแต่นาฬิกาบนข้อมือไปจนถึงระบบ GPS ในโทรศัพท์ของเรา

ระบบสื่อสาร โครงข่ายไฟฟ้า และธุรกรรมทางการเงินทั้งหมดพึ่งพาในเรื่องจังหวะเวลาที่แม่นยำ วินาทีเป็นหน่วยวัดที่สำคัญในการจับเวลา

น่าแปลกที่ยังคงมีการถกเถียงกันเกี่ยวกับคำจำกัดความของข้อที่สองแต่ความก้าวหน้าล่าสุดในรูปแบบการบอกเวลาที่แม่นยำที่สุดในโลกอาจเปลี่ยนเกมไปแล้ว

การบอกเวลาที่แม่นยำเป็นส่วนหนึ่งของวิวัฒนาการทางสังคมของมนุษยชาติมาโดยตลอด ณ อนุสาวรีย์ยุคหินใหม่นิวเกรนจ์ในไอร์แลนด์ช่องพิเศษเหนือทางเข้าช่วยให้แสงแดดส่องทางเดินและห้องในวันที่สั้นที่สุดของปี ประมาณวันที่ 21 ธันวาคม ซึ่งเป็นครีษมายัน

เมื่อประมาณ 2,300 ปีที่แล้วอริสโตเติลกล่าวว่าว่า “การโคจรรอบขอบฟ้าชั้นนอกสุด” น่าจะเป็นเครื่องอ้างอิงในการบอกเวลา นักปรัชญาชาวกรีกเชื่อว่าจักรวาลถูกจัดเรียงเป็นทรงกลมมีศูนย์กลางโดยมีโลกเป็นศูนย์กลาง

นาฬิกาน้ำซึ่งปรากฏราวๆ 2,000 ปีก่อนคริสตศักราช เป็นหนึ่งในเครื่องมือวัดเวลาที่เก่าแก่ที่สุด พวกเขาทำเช่นนี้โดยควบคุมการไหลของน้ำเข้าหรือออกจากเรือ นาฬิกาจักรกลก่อตั้งขึ้นในปลายศตวรรษที่ 13

จนถึงปี 1967 หนึ่งวินาทีถูกกำหนดให้เป็น 1/86,400 ของวัน โดยแบ่งเป็น 24 ชั่วโมงในหนึ่งวัน หกสิบนาทีในหนึ่งชั่วโมง และ 60 วินาทีในหนึ่งนาที (24 x 60 x 60 = 86,400)

ที่ระบบหน่วยสากลแล้วเปลี่ยนสิ่งต่าง ๆ ตกลงไปคำจำกัดความนี้-

ส่วนที่สอง... ถูกกำหนดโดยการใช้... ความถี่การเปลี่ยนแปลงของอะตอมซีเซียม-133 เป็น 9,192,631,770 เมื่อแสดงในหน่วย Hz ซึ่งเท่ากับ s⁻¹

หากคุณสับสนให้ฉันอธิบายอย่างละเอียด แก่นแท้ของคำจำกัดความนี้คือสิ่งที่เรียกว่าความถี่ในการเปลี่ยนแปลง การเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนในอะตอมดูดซับพลังงานและเคลื่อนไปสู่ระดับพลังงานที่สูงขึ้น และกลับสู่สภาวะผ่อนคลายเมื่อเวลาผ่านไป

มันก็เหมือนกับการดื่มถ้วยหนึ่ง: จู่ๆ คุณก็มีพลังมากขึ้นจนได้เสื่อมสภาพ ความถี่คือจำนวนครั้งที่คาดว่าจะเกิดการเปลี่ยนแปลงในช่วงเวลาหนึ่งๆ

ในทุก ๆ วินาที การเปลี่ยนแปลงเฉพาะของอิเล็กตรอนของซีเซียม-133 เกิดขึ้น 9,192,631,770 ครั้ง สิ่งนี้ได้กลายเป็นมาตรฐานในการวัดเวลา จนถึงปัจจุบัน ซีเซียมให้คำจำกัดความของวินาทีที่แม่นยำที่สุด แต่สามารถปรับปรุงได้โดยใช้ความถี่ที่สูงกว่า

ยิ่งความถี่ในการเปลี่ยนสูงเท่าไร การอ่านผิดเพียงครั้งเดียวก็จะยิ่งทำให้ความแม่นยำโดยรวมลดลง หากมีห้าสิบครั้งต่อวินาที ต้นทุนในแง่ของความแม่นยำของการนับผิดจะรุนแรงกว่าการนับ 5,000 ครั้งถึงร้อยเท่า

มีข้อจำกัดสองประการในการลดข้อผิดพลาดนี้: ความท้าทายทางเทคโนโลยีในการวัดความถี่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งความถี่ที่สูงกว่า และความจำเป็นที่จะต้องค้นหาระบบ – อะตอมของซีเซียม-133 สำหรับวินาที – ด้วยการเปลี่ยนแปลงความถี่สูงที่วัดได้

ในการวัดความถี่ที่ไม่รู้จัก นักวิทยาศาสตร์จะรับสัญญาณความถี่ที่ทราบซึ่งเป็นข้อมูลอ้างอิง และรวมเข้ากับความถี่ที่ต้องการวัด ความแตกต่างระหว่างสิ่งเหล่านั้นจะเป็นสัญญาณใหม่ที่มีความถี่น้อยซึ่งวัดได้ง่าย นั่นก็คือ ความถี่ในการตี

นาฬิกาอะตอมใช้เทคนิคนี้ในการวัดความถี่การเปลี่ยนแปลงของอะตอมอย่างแม่นยำจนกลายเป็นมาตรฐานในการนิยามวินาที เพื่อให้บรรลุความแม่นยำดังกล่าว นักวิทยาศาสตร์จำเป็นต้องมีสัญญาณอ้างอิงที่เชื่อถือได้ ซึ่งได้รับจากสิ่งที่เรียกว่าหวีความถี่

หวีความถี่ใช้เลเซอร์ซึ่งฉายเป็นพัลส์เป็นระยะๆ ลำแสงเหล่านี้ประกอบด้วยคลื่นแสงที่แตกต่างกันจำนวนมาก ซึ่งมีความถี่ที่เว้นระยะห่างเท่าๆ กัน เหมือนฟันหวี จึงเป็นที่มาของชื่อ

ในนาฬิกาอะตอม หวีความถี่ถูกใช้เพื่อถ่ายโอนพลังงานไปยังอะตอมหลายล้านอะตอมพร้อมกัน โดยหวังว่าฟันซี่หนึ่งของหวีจะตีด้วยความถี่การเปลี่ยนผ่านของอะตอม

หวีความถี่ที่มีฟันจำนวนมาก บาง และอยู่ในช่วงความถี่ที่เหมาะสมจะเพิ่มโอกาสที่ฟันจะเกิดขึ้น สิ่งเหล่านี้จึงเป็นกุญแจสำคัญในการบรรลุการวัดสัญญาณอ้างอิงที่มีความแม่นยำสูง

จากนาฬิกาอะตอมไปจนถึงนาฬิกานิวเคลียร์

ดังที่เราได้เห็นแล้วว่า ค่าที่สองถูกกำหนดโดยการเปลี่ยนผ่านของอิเล็กตรอนในอะตอมของซีเซียม การเปลี่ยนผ่านที่เกิดขึ้นด้วยความถี่ต่ำกว่าจะวัดได้ง่ายกว่า แต่สิ่งที่เกิดขึ้นที่ความถี่สูงกว่าจะช่วยเพิ่มความแม่นยำในการวัด

การเปลี่ยนผ่านของซีเซียมเกิดขึ้นที่ความถี่เดียวกันกับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าบนไมโครเวฟ ความถี่ไมโครเวฟเหล่านี้ต่ำกว่าแสงที่ตามองเห็น

แต่ในเดือนกันยายน 2564นักวิทยาศาสตร์ทำการตรวจวัดโดยใช้ธาตุสตรอนเทียม ซึ่งมีความถี่การเปลี่ยนผ่านสูงกว่าซีเซียมและอยู่ในช่วงแสงที่มองเห็นได้ นี่เป็นการเปิดโอกาสให้กำหนดนิยามที่สองใหม่ภายในปี 2573

ในเดือนกันยายน พ.ศ. 2567 นักวิทยาศาสตร์ชาวสหรัฐอเมริกามีความก้าวหน้าครั้งสำคัญสู่การสร้างนาฬิกานิวเคลียร์ – ก้าวที่เหนือกว่านาฬิกาอะตอม ตรงกันข้ามกับนาฬิกาอะตอม การเปลี่ยนแปลงที่วัดโดยอุปกรณ์ใหม่นี้เกิดขึ้นในนิวเคลียสหรือแกนกลางของอะตอม (จึงเป็นที่มาของชื่อ) ซึ่งทำให้มีความถี่ที่สูงกว่าอีก

ทอเรียม-229 ซึ่งเป็นอะตอมที่ใช้ในการศึกษานี้ นำเสนอการเปลี่ยนแปลงทางนิวเคลียร์ที่สามารถกระตุ้นได้ด้วยแสงอัลตราไวโอเลต ทีมงานที่ทำงานเกี่ยวกับนาฬิกานิวเคลียร์เอาชนะความท้าทายทางเทคโนโลยีในการสร้างหวีความถี่ที่ทำงานในช่วงความถี่ที่ค่อนข้างสูงของแสงอัลตราไวโอเลต

นี่เป็นก้าวสำคัญไปข้างหน้าเพราะโดยปกติแล้วการเปลี่ยนผ่านของนิวเคลียร์จะปรากฏให้เห็นที่ความถี่ที่สูงกว่ามากเท่านั้น เช่นเดียวกับรังสีแกมมา แต่เรายังไม่สามารถวัดการเปลี่ยนแปลงในช่วงแกมมาได้อย่างแม่นยำ

การเปลี่ยนอะตอมทอเรียมมีความถี่สูงกว่าอะตอมซีเซียมประมาณหนึ่งล้านเท่า ซึ่งหมายความว่า แม้ว่าจะได้รับการวัดด้วยความแม่นยำต่ำกว่านาฬิกาสตรอนเทียมที่ทันสมัยในปัจจุบัน แต่ก็รับประกันว่านาฬิการุ่นใหม่จะมีคำจำกัดความที่แม่นยำยิ่งขึ้นของวินาที

การวัดเวลาเป็นทศนิยมตำแหน่งที่ 19 เช่นเดียวกับนาฬิกานิวเคลียร์ จะทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถศึกษากระบวนการที่รวดเร็วมากได้ นึกถึงนักวิ่งสองคนที่ถ่ายรูปเสร็จ หากนาฬิกาจับเวลาของผู้ตัดสินมีตัวเลขเกินมาสองสามหลัก พวกเขาจะสามารถระบุผู้ชนะได้

ในทำนองเดียวกันใช้เพื่อศึกษากระบวนการความเร็วสูงที่อาจนำไปสู่การทับซ้อนกับกลศาสตร์ควอนตัม นาฬิกานิวเคลียร์จะให้เทคโนโลยีที่จำเป็นสำหรับการพิสูจน์ทฤษฎีเหล่านี้

ในระดับเทคโนโลยี ระบบระบุตำแหน่งที่แม่นยำ เช่น GPS ขึ้นอยู่กับการคำนวณที่ซับซ้อนซึ่งต้องมีการวัดเวลาอย่างละเอียดที่สัญญาณต้องการเพื่อกระโดดจากอุปกรณ์หนึ่งไปยังดาวเทียมและไปยังอุปกรณ์อื่น

คำจำกัดความที่ดีกว่าของวินาทีจะแปลเป็น GPS ที่แม่นยำยิ่งขึ้น เวลาอาจหมดลงสำหรับซีเซียมวินาที แต่โลกใหม่กำลังรออยู่นอกเหนือจากนั้น

วิตตอริโอ ไอต้า, นักวิจัยภาควิชาฟิสิกส์,คิงส์คอลเลจลอนดอน

บทความนี้เผยแพร่ซ้ำจากการสนทนาภายใต้ใบอนุญาตครีเอทีฟคอมมอนส์ อ่านบทความต้นฉบับ-