ที่ผ่านมานาฬิกาอะตอมของเราทำหน้าที่ได้อย่างยอดเยี่ยม มันเป็นเครื่องมือบอกเวลาที่แม่นยำและมีความสม่ำเสมอเที่ยงตรงที่่สุดในโลก ณ ปัจจุบัน โดยนาฬิกาที่ทำจากซีเซียม-133 จะสามารถสั่นสะเทือนได้ 9,192,631,770 หรือประมาณ 9 พันล้านกว่าครั้งต่อวินาที
ค่าดังกล่าวจะถูกซิงค์กันผ่านเครือข่ายนาฬิกาอะตอมทำให้ทุกแห่งทั่วโลก(ที่มีเครือข่ายนี้อยู่)มีความเที่ยงตรงเท่ากับ ซึ่งส่งผลต่อระบบนำทาง การปล่อยยานอวกาศ หรือแม้แต่ตลาดหุ้นและอินเตอร์เน็ตความเร็วสูงที่ต้องการการบอกเวลาที่แม่นยำที่สุด
แต่ดูเหมือนว่า 9 พันล้านกว่าครั้งต่อวินาทีจะยังไม่เพียงพอโดยเฉพาะอย่างยิ่งในโลกควอนตัม ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์จึงคิดค้นนาฬิกาประเภทใหม่ที่มีความแม่นยำมากกว่าเดิม นั่นคือนาฬิกานิวเคลียร์ หรือพูดให้ตรงกว่านี้ก็คือ นาฬิกาที่ใช้นิวเคลียสของทอเรียม-229 ในการผลิต
สิ่งที่จะเปิดประตูต่อเทคโนโลยีใหม่ ๆ ที่ก้าวขอบเขตจำกัดด้านเวลาเดิม ๆ รวมถึงมีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงในแรงของธรรมชาติ การวัดแรงเหล่านั้นผ่านนาฬิกา ‘เรือน’ นี้จะช่วยชี้ให้เห็นถึงความแปรปรวนใด ๆ ในค่าคงที่พื้นฐานของฟิสิกส์ได้
“ฉันมองว่าเป็นจุดเริ่มต้นของการเดินทางที่สวยงาม” อาชิมีนา อาร์วานนิตากิ (Asimina Arvanitaki) นักฟิสิกส์จากสถาบันทฤษฎีฟิสิกส์ในแคนาดา ซึ่งไม่ได้มีส่วนเกี่ยวข้องกับงานวิจัย กล่าว “ตอนนี้เราได้วัดความประหลาดของธรรมชาตินี้แล้ว แต่เพื่อใช้ประโยชน์จากความประหลาดนี้เราจำเป็นต้องมีการทำงานอีกมาก”
ในปี 1976 ซึ่งเป็นช่วงเวลาที่มีการศึกษาผลพลอยได้จากการวิจัยอาวุธนิวเคลียร์ในช่วงสงครามเย็นเป็นครั้งแรก นักวิทยาศาสตร์พบว่าไอโซโทปทอเรียม-229 มีความพิเศษบางอย่างซ่อนอยู่
โดยปกติแล้ว อะตอมจะอยู่ในสถานะพื้นฐานซึ่งอิเล็กตรอนทั้งหมดจะ ‘โคจร’ รอบนิวเคลียสในลักษณะที่มีความเสถียรสูง กระนั้นมันก็ยังสามารถดูดซับพลังานจากโลกภายนอกในรูปแบบของโฟตอน แล้วถูกกระตุ้นให้มีพลังงานเพิ่มเติมพร้อมกับปล่อยโฟตอนออกมาจากนั้นก็กลับสู่สถานะพื้นฐาน
แนวคิดเรื่องเวลาในปัจจุบันถูกกำหนดโดยกระบวนการเหล่านี้ ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ได้ใช้เลเซอร์เพื่ออาบโฟตอนลงในอะตอมของซีเซียมที่เป็นนาฬิกาอะตอม ด้วยการเปลี่ยนความยางคลื่นของเลเซอร์ ทำให้พวกเขาสามารถหาพลังงานที่เหมาะสมในการกระตุ้นอิเล็กตรอนได้
เช่นเดียวกันนิวเคลียสของอะตอมที่สามารถถูก กระตุ้นได้คล้าย ๆ กันแต่ต้องใช้พลังงานจำนวนมากกว่ามาก (เช่นรังสีแกมมา) เพื่อให้นิวเคลียสมีการผลิตโฟตอนออกมา แต่อย่างไรก็ตาม นิวเคลียสของทอเรียม-229 นั้นแตกต่างออกไป
“มันเป็นเรื่องบังเอิญ” วิกเตอร์ แฟลมบอม (Victor Flambaum) นักฟิสิกส์ทฤษฎีจากมหาวิทยาลัยนิวเซาท์เวลส์ในซิดนีย์ กล่าว “โดยทั่วไปแล้วไม่มีเหตุผลพิเศษใด ๆ สำหรับทอเรียม มันเป็นเพียงข้อเท็จจริงเชิงทดลองเท่านั้น”
นักวิจัยจากไอดาโฮได้สังเกตว่านิวตรอนชั้นนอกสุดของทอเรียม-229 ดูเหมือนจะใช้พลังงานน้อยกว่าในการกระตุ้นปกติถึง 10,000 เท่า ทำให้โมเมนตัมเชิงมุมหรือ “สปิน’ เปลี่ยนแปลงไปเล็กน้อย ทว่าก็มันก็มีการหักล้างกันเองเกือบแบบจะพอดี
กล่าวอย่างง่ายที่สุดคือ สถานะทอเรียม-229 ที่ถูกกระตุ้นแล้ว แทบไม่แตกต่างไปจากสถานะพื้นฐานปกติ แม้นิวเคลียสของธาตุอื่น ๆ จะมีสปินที่เปลี่ยนไปในแบบคล้าย ๆ กัน แต่มีเพียงทอเรียม-229 เท่านั้นที่เกิดการหักล้างแทบจะสมบูรณ์แบบ ความแปลกประหลาดของธรรมชาติจะส่งผลต่อมาอย่างใหญ่หลวง
ต้องใช้เวลานานหลายทศวรรษนักวิทยาศาสตร์จึงจะเข้าใจว่าทอเรียม-229 มีความพิเศษเพียงใดและต้องทำอย่างไรกับมัน โดยทั่วไปแล้วนิวเคลียสในอะตอมต่าง ๆ มักต้องใช้พลังงานกระตุ้น ‘หลายล้านโวลต์’ เพื่อให้ปล่อยโฟตอนออกมา
แต่ทอเรียม-229 ใช้น้อยกว่า 10 โวลต์ ซึ่งหมายความว่า หากใครบางคนสามารถแยกนิวเคลียสเหล่านี้ออกมาและยิงเลเซอร์เข้าไปเพื่อกระตุ้น พวกเขาก็สามารถกระตุ้นมันได้ตามต้องการเช่นเดียวกับอิเล็กตรอน แต่ยังคงมีความแข็งแกร่งต่อการรบกวนจากสัญญาณพื้นหลังอื่น ๆ ได้ดีกว่าอิเล็กตรอนหลายเท่า ซึ่งเป็นปัญหาหลักกับนาฬิกาอะตอม (อิเล็กตรอนถูกกระตุ้นง่ายเกินไป)
ด้วยเหตุนี้นักวิทยาศาสตร์จึงเสนอว่า นี่อาจใช้เป็นนาฬิการูปแบบใหม่ได้ นั่นคือนาฬิกานิวเคลียร์ ซึ่งถูกเสนอเป็นครั้งแรกในปี 2003 โดย เอ็คเคฮาร์ด ไพค์ (Ekkehard Peik) และ คริสเตียน แทมม์ (Christian Tamm) นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน ขณะที่ แฟลมบอม ก็ชี้ให้เห็นว่านาฬิกาชนิดใหม่นี้อาจช่วยทดสอบค่าคงที่พื้นฐานของธรรมชาติได้
ค่าเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่ง มันเป็นส่วนหนึ่งในสมการที่อธิบายแรงที่ยึดสิ่งต่าง ๆ ในจักรวาลเข้าด้วยกัน ซึ่งประกอบไปด้วยตัวเลขประมาณ 26 ตัวที่เรียกอย่างเป็นทางการว่า ‘ค่าคงที่พื้นฐาน’ เช่น ค่าความเร็วของแสง ค่าคงที่ของแรงโน้มถ่วง และอื่น ๆ โดยทั่วไปแล้วมันอยู่นิ่ง ๆ แต่นักวิทยาศาสตร์บางคนเชื่อว่ามันอาจไม่คงที่ในบางครั้งบางคราว
ด้วยเหตุนี้การเปลี่ยนแปลง ‘กฎ’ ของธรรมชาติเพียงเล็กน้อย (หากค่าคงที่ไม่คงที่จริง ๆ) มันก็อาจรบกวนสมดุลที่ละเอียดอ่อนภายในนิวเคลียสของอะตอมทุกตัวได้เล็กน้อย ซึ่งเชื่อกันว่าการเปลี่ยนแปลงนี้จะสังเกตเห็นได้ชัดเจนเมื่อนำไปใช้กับปริมาณที่เล็กมากของทอเรียม-229
ด้วยความพยายามจากนักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกโดยเฉพาะที่ CERN หรือ องค์การวิจัยนิวเคลียร์ยุโรป (CERN มาจากภาษาฝรั่งเศสที่ว่า Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire หรือภาษาอังกฤษคือ European Council for Nuclear) พวกเขาก็สามารถผลิตทอเรียม-229 ได้หลายอะตอมในระดับค่าพลังงานที่แม่นยำอย่างยิ่
ข้อมูลเหล่านี้ถูกนำมาต่อยอดทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยเวียนนา และพัฒนาเป็นนาฬิกานิวเคลียร์ตัวต้นแบบแรกสุดของโลกโดย สถาบันวิจัยร่วมกันระหว่างมหาวิทยาลัยโคโลราโด โบลเดอร์ (JILA) และสถาบันมาตรวิทยาแห่งชาติสหรัฐอเมริกา (NIST)
“ด้วยต้นแบบเครื่องแรกนี้ เราได้พิสูจน์แล้วว่าทอเรียมสามารถใช้เป็นเครื่องมือบอกเวลาสำหรับการวัดที่แม่นยำอย่างยิ่ง” ทอร์สเทน สตรัมม์ (Thorsten Strumm) นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยเวียนนาน กล่าว “สิ่งที่เหลืออยู่คือการพัฒนาทางเทคนิคเท่านั้น และไม่มีอุปสรรคสำคัญใด ๆ ที่จะตามมาอีก”
พวกเขาสาธิตการทำงานของส่วนประกอบทั้งหมดที่จำเป็นในการสร้างนาฬิกานิวเคลียร์ไว้ในวารสาร NATURE ด้วยการยิงพัลส์เลเซอร์ไปที่ก๊าซนีออน ซึ่งจะผลิตแสงยูวีในรูปแบบที่คาดเดาได้ จากนั้นมันก็จะถูกฉายไปยังนิวเคลียสของทอเรียม-229 ที่แขวนลอยอยู่ในผลึกขนาดเล็ก เพื่อกระตุ้นโปรตรอนและนิวตรอนในนั้น
ตามทฤษฎีแล้วมันจะปล่อยโฟตอนออกมาได้ถี่กว่านาฬิกาอะตอม แต่อย่างไรก็ตามทั้งหมดนี้ยังคงเป็นเพียงตัวต้นแบบเท่านั้น นักวิทยาศาสตร์คิดว่าจะต้องใช้เวลาอีกประมาณ 2-3 ปีจะเสร็จสมบูรณ์ พร้อมกับเชื่อว่า มันจะเป็นนาฬิกาที่พกพาได้ เสถียรกว่า และแม่นยำกว่า รวมถึงสามารถตรงสอบธรรมชาติของเรา
“เราเรียกยิ่งเหล่านี้ว่าค่าคงที่ แต่ทำไมล่ะ?” อีริค ฮัดสัน (Eric Hudson) นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย กล่าว “ไม่มีอะไรง่ายอย่างนั้นเลยเมื่อคุณซูมเข้าไปและมองดูมัน ตอนนี้ความสนุกได้เริ่มขึ้นแล้ว”
สืบค้นและเรียบเรียง วิทิต บรมพิชัยชาติกุล
ภาพประกอบ : Abraham Nowitz, Nat Geo Image Collection
ที่มา
https://www.quantamagazine.org