นาฬิกาอะตอมเชิงแสงสำหรับมาตรฐานความถี่ของประเทศไทย

1 กันยายน 2563

 

       ตั้งแต่อดีตกาล มนุษย์ใช้วิธีสังเกตปรากฏการณ์ทางธรรมชาติในการบอกเวลา อย่างเช่นการใช้การขึ้นลงของดวงอาทิตย์เป็นตัวบอกเวลาในแต่ละวัน หรือการใช้ตำแหน่งดวงดาวเป็นการบอกเดือนหรือฤดูกาลในแต่ละปี ไม่ช้า มนุษย์ก็ตระหนักว่า การสังเกตสิ่งรอบข้างนั้น ไม่สามารถที่จะบอกเวลาที่แม่นยำเท่าไรนัก ด้วยการเป็นอยู่ของมนุษย์ที่มีความซับซ้อนมากขึ้น มนุษย์ต้องการเครื่องมือที่จะบอกเวลาได้อย่างแม่นยำ ซึ่งความต้องการเหล่านี้เป็นแรงผลักดันให้มนุษย์ประดิษฐ์นาฬิกาแบบต่าง ๆ ตั้งแต่การใช้กลไกการแกว่งของลูกตุ้ม ไปยังการสั่นของผลึก ซึ่งนำไปสู่การสร้างนาฬิกาขนาดเล็ก อย่างเช่นนาฬิกาข้อมือที่พวกเราคุ้นเคยกันในปัจจุบัน

 

       อย่างไรก็ดี ในกิจกรรมบางประเภท เราต้องการความแม่นยำของนาฬิกาที่มากกว่านาฬิกาข้อมือหรือนาฬิกาแบบลูกตุ้มทั่ว ๆ ไป อย่างเช่นในการระบุตำแหน่งของรถด้วยระบบ Global Positioning System หรือ GPS ที่ใช้หลักการจับเวลาการเดินทางของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ที่เราสามารถที่จะคำนวณต่อไปจนบอกตำแหน่งของเราได้ ความคลาดเคลื่อนของเวลาเพียง 1 ใน 1,000 ของวินาที ทำให้ตำแหน่งที่บอกนั้นผิดไปถึงหลายร้อยกิโลเมตรเลยทีเดียว

 

       ด้วยความต้องการความแม่นยำอย่างสูงของนาฬิกา ทำให้นักฟิสิกส์มีแนวคิดที่จะสร้างนาฬิกาที่ใช้โครงสร้างของอะตอมเป็นสิ่งอ้างอิง นาฬิกาแบบนี้เราเรียกว่า นาฬิกาอะตอม ในเบื้องต้นเราจะอธิบายถึงหลักการทำงานของนาฬิกาอะตอมในรุ่นที่ 1 (1st generation) ที่เราใช้งานถึงปัจจุบันเป็นระยะเวลากว่า 60 ปีแล้ว

 

       อะตอมแต่ละประเภทนั้นมีระดับพลังงานที่แตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับจำนวนของอิเล็กตรอนในอะตอมชนิดนั้น ๆ เราสามารถเลือกคู่ระดับพลังงานมาคู่หนึ่งในอะตอม แล้ววัดผลต่างพลังงานของทั้งสองระดับออกมาได้ ถ้าเราวัดด้วยความระมัดระวังอย่างมากพอ เราจะพบว่า ผลต่างของพลังงานที่วัดได้นั้น จะมีค่าเท่าเดิมเสมอ ไม่ว่าเราจะทำการวัดที่ประเทศไหน และอะตอมตัวไหน ตราบใดที่เป็นอะตอมชนิดเดียวกัน

 

       นี่เป็นข้อได้เปรียบที่สำคัญมากของนาฬิกาอะตอม เพราะตัวอะตอมที่เราใช้เป็นมาตรฐานนั้น เราสามารถมั่นใจได้อย่างแน่นอนว่า ไม่ว่าจะสร้างนาฬิกาที่ไหน หรือสร้างโดยใคร ถ้าใช้อะตอมชนิดเดียวกันเป็นตัวมาตรฐาน นาฬิกาที่สร้างขึ้นมา จะมีความแม่นยำที่ใกล้เคียงกัน (กล่าวโดยง่ายคือนาฬิกาเดินตรงกันนั่นเอง) สมมุติว่า เราใช้อะตอมของ ซีเซียม (cesium) เป็นมาตรฐาน นาฬิกาซีเซียมที่เราทำการวัดที่ประเทศสหรัฐอเมริกา ก็จะให้ผลเหมือนกับนาฬิกาซีเซียมที่เราทำการวัดที่ประเทศไทย หรือประเทศอื่น ๆ หรือแม้แต่ในดวงดวงอื่น หรือส่วนอื่น ๆ ของจักรวาล

 

       ในส่วนของวิธีการวัดผลต่างของพลังงานนั้น เราอาศัยอันตรกิริยาระหว่างคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ากับอิเล็กตรอนในอะตอมเป็นกลไกหลัก ในจุดนี้จะขอให้ผู้อ่านทำความเข้าใจก่อนว่า คำว่านาฬิกานั้น ในแท้จริงแล้ว จะต้องประกอบด้วยสองส่วนหลัก คือ 1) ส่วนที่เป็นตัวให้ความถี่ หรือ oscillator และ 2) ส่วนที่เป็นมาตรฐานของความถี่ซึ่งเป็นตัวบ่งบอกว่าความถี่ของ oscillator นั้นตรงกับมาตรฐานหรือไม่

 

       สำหรับนาฬิกาอะตอมรุ่นที่ 1 นั้น ส่วนที่ให้ความถี่ คือวงจรไฟฟ้าที่ให้กำเนิดความถี่คลื่นวิทยุ ที่มีความถี่ประมาณ 9 GHz (หรือการสั่น 9 พันล้านครั้งต่อหนึ่งวินาที ความถี่นี้อยู่ในย่านไมโครเวฟ) ปัญหาคือวงจรไฟฟ้าที่ให้กำเนิดความถี่นี้ อาจจะไม่ได้มีเสถียรภาพมากนัก ความถี่อาจจะแกว่งขึ้น ๆ ลง ๆ ขึ้นกับสิ่งรบกวนภายนอก ซ้ำร้าย เรายังไม่รู้อีกด้วยว่า ความถี่ของวงจรนั้น อยู่ที่ 9.00000 GHz แบบเป๊ะ ๆ หรือว่า 9.000001 GHz หรือค่าความถี่อื่น ๆ กันแน่ เราจึงต้องมีสิ่งที่เราใช้เป็นมาตรฐาน เพื่อที่จะเทียบวัดความถี่ของวงจรของเราว่ากำลังสั่นอยู่ที่ความถี่เท่าใด นี่คือหน้าที่ของส่วนที่สอง ซึ่งก็คือมาตรฐานความถี่ ที่เราจะใช้อะตอมของซีเซียมเป็นตัวมาตรฐาน

 

       นักฟิสิกส์ตกลงกันว่า ถ้าเกิดเรามีวงจรกำเนิดความถี่วงจรหนึ่ง ซึ่งให้กำเนิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา แล้วความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านั้น มีค่าตรงกับผลต่างของระดับพลังงานต่ำสุดของอะตอมซีเซียมแล้ว เราจะนิยามให้ความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านี้ มีค่าเท่ากับ 9,192,631,770 Hz พอดี (เราสามารถแปลงความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าไปยังพลังงานได้โดยการคูณด้วยค่าคงที่ของพลังค์)

 

       นักฟิสิกส์มีเทคนิคที่เป็นมาตรฐานในการวัดว่าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ออกมาจากวงจรกำเนิดความถี่นั้น ตรงกับความถี่ของอะตอมหรือไม่ แถมยังบอกได้อีกว่า ถ้าไม่ตรง ความถี่ของวงจรของเรานั้นสูงไปหรือต่ำไปเท่าใด เราใช้ข้อมูลนี้ มาปรับแต่งความถี่ของวงจรของเราให้มีค่าตรงกับของซีเซียมตลอดเวลาได้ เช่นถ้าวัดแล้วมีค่าสูงเกินไป ก็อาจจะปรับลดอุณหภูมิของวงจรกำเนิดความถี่ลงเสียหน่อย ก็จะทำให้ความถี่นั้นตรงกับมาตรฐานของเรา ซึ่งก็คืออะตอมของซีเซียม

 

       เราต้องทำการวัดความถี่ของวงจรกำเนิดความถี่ของเราเทียบกับอะตอมซีเซียมตลอดเวลาโดยไม่มีหยุด ซึ่งหากเราทำสำเร็จ เราจะบอกว่าวงจรกำเนิดความถี่ของเราถูกล็อคเข้ากับความถี่ของซีเซียมแล้ว เราก็สามารถที่จะนำความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ออกมาจากวงจรนี้ไปใช้งานอื่น ๆ ต่อไป อย่างเช่นใช้เป็นมาตรฐานในการเทียบวัดวงจรความถี่อื่น ๆ

 

       ในส่วนของนาฬิกานั้น เนื่องจากโดยนิยามแล้ว ความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ออกมาจากวงจรที่ล็อคเข้ากับอะตอมของซีเซียมนั้น จะมีค่าอยู่ที่ 9,192,631,770 Hz สำหรับช่วงเวลา 1 วินาทีนั้น เราก็เพียงแค่ต้องนับการสั่นให้ครบ 9,192,631,770 รอบ ซึ่งก็จะใช้เวลาเท่ากับ 1 วินาทีพอดี

 

       นาฬิกาอะตอมรุ่นที่ 1 ที่ใช้อะตอมซีเซียมเป็นมาตรฐานนั้น มีความเสถียรอยู่ที่ประมาณ 1 ใน 1015 ส่วน [1] ซึ่งก็ทำให้นักฟิสิกส์มองหาเทคนิคการสร้างนาฬิกาอะตอมแบบอื่น ๆ ที่อาจจะมีเสถียรภาพที่ดีกว่านี้ ซึ่งถ้าเรามีนาฬิกาที่ดีกว่าที่มีอยู่ก็อาจจะทำให้เราสามารถประยุกต์ใช้งานนาฬิกาอะตอมในวงกว้างขึ้นได้

 

       ด้วยเหตุนี้ นาฬิกาอะตอมรุ่นที่ 2 จึงได้ถือกำเนิดขึ้น โดยหลักการทำงานยังคงคล้ายกับนาฬิกาอะตอมในรุ่นที่ 1 แต่เปลี่ยนจากการใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในย่านไมโครเวฟเป็นตัวให้ความถี่ มาเป็นแสงเลเซอร์แทน

 

       แสงเลเซอร์นั้น แท้จริงแล้วก็คือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเหมือนกับคลื่นไมโครเวฟ แต่ว่ามีความถี่ที่สูงกว่าประมาณล้านเท่า โดยปกติแสงที่เรามองเห็นนั้น จะมีความถี่อยู่ที่ประมาณ 1015 Hz สำหรับนักฟิสิกส์แล้ว ถ้าความถี่ของตัวให้ความถี่ยิ่งสูง จะสามารถทำให้มีความเสถียรที่มากขึ้นได้ นักฟิสิกส์คิดค้นแสงเลเซอร์มาถึงปัจจุบันเป็นระยะเวลากว่า 50 ปีแล้ว จึงมีความเข้าใจในการใช้งานค่อนข้างดี แนวคิดในการเลือกที่จะใช้แสงเลเซอร์นี้เป็นนาฬิกา จึงเป็นแนวคิดที่นักฟิสิกส์หลายคนเห็นด้วย

 

       ในส่วนของอะตอมที่ใช้เป็นมาตรฐานนั้น ปรากฏว่าอะตอมซีเซียมไม่ค่อยเหมาะที่จะใช้เป็นมาตรฐานสำหรับตัวให้ความถี่แบบแสงเลเซอร์ เราพบว่าอะตอมอื่น ๆ อย่างเช่น อิทเทอร์เบียม (ytterbium) หรือสตรอนเทียม (strontium) นั้นมีความเหมาะสมมากกว่า แต่ไม่ว่าเราจะใช้อะตอมตัวไหนเป็นมาตรฐาน หลักการทำงานของนาฬิกาอะตอมรุ่นที่ 2 ก็ไม่ต่างจากรุ่นที่ 1 เท่าใดนัก กล่าวคือ เราใช้อะตอมเป็นตัวตรวจวัดความความถี่ของแสงเลเซอร์ว่ามีค่าสูงกว่า หรือต่ำกว่าระดับพลังงานของอะตอมของเรา หลังจากนั้นเราก็ปรับความถี่ของแสงเลเซอร์ให้ตรงกับความถี่ของอะตอม แสงเลเซอร์ของเรานั้นก็จะถูกล็อคเข้ากับอะตอม เหมือนกับในกรณีของนาฬิกาอะตอมที่ใช้คลื่นไมโครเวฟและอะตอมของซีเซียมไม่มีผิด ดังที่แสดงในรูปข้างล่างนี้

 

 

       อย่างไรก็ตาม ปัญหาสำคัญของนาฬิกาอะตอมรุ่นที่ 2 นั้น ไม่ได้อยู่ที่การสร้างนาฬิกาให้สำเร็จ (ซึ่งในปัจจุบัน นาฬิกาอะตอมรุ่นที่ 2 นั้น เรามีใช้งานมาสิบกว่าปีแล้ว เพียงแต่ยังไม่มีให้ใช้งานในประเทศไทย) แต่เป็นการนำแสงเลเซอร์ที่มีความถี่ที่เสถียรแล้ว ไปใช้งานในการเทียบวัดความถี่อื่น ๆ ที่เราต้องการ

 

       แสงเลเซอร์นั้นมีความถี่ที่สูงมาก แต่ว่าการใช้งานของนาฬิกาหลัก ๆ ของเรานั้นจะอยู่ที่ความถี่ที่ต่ำกว่ามาก เช่นความถี่ย่านไมโครเวฟ หรือย่านวิทยุ วิธีที่จะเชื่อมโยงความถี่สูงของเลเซอร์กับความถี่ที่ต่ำอย่างเช่นความถี่คลื่นวิทยุนั้น ต้องอาศัยเครื่องมือพิเศษ ที่เรียกว่า frequency comb (แปลตรงตัวคือหวีความถี่) ซึ่งกว่าเราจะนำนาฬิกาอะตอมในรุ่นที่ 2 มาใช้งานได้จริง ก็ต้องมี frequency comb ที่ใช้งานได้ก่อน ซึ่งก็จะเป็นช่วงปี 2000 ที่เรามี frequency comb ที่ใช้งานอย่างแพร่หลาย

 

       ในปัจจุบัน เทคโนโลยีเกี่ยวกับนาฬิกาอะตอมนั้นรุดหน้าไปมาก อย่างเช่นนาฬิกาอะตอมที่ใช้ สตรอนเทียมนั้น มีความแม่นยำอยู่ที่ประมาณ 1 ใน 1018 ส่วน ซึ่งพูดง่าย ๆ ว่าดีกว่านาฬิกาอะตอมรุ่นที่ 1 เป็นพันเท่า นอกจากนี้ก็ยังมีนาฬิกาอะตอมจากอะตอมชนิดอื่น ๆ ด้วย เช่น ปรอท [2,3]

 

       อย่างไรก็ดีในปัจจุบัน เรายังใช้อะตอมของซีเซียมเป็นนิยามของความถี่อยู่ (แต่คิดว่าในไม่ช้าจะเปลี่ยนไปเป็นอะตอมที่ใช้ในนาฬิกาอะตอมรุ่นที่ 2 ซึ่ง ณ เวลาที่เขียนบทความนี้ เรายังไม่ทราบว่าเราจะใช้อะตอมตัวไหนเป็นมาตรฐาน) คำถามหนึ่งที่เรามักจะได้ยินคือ ถ้านาฬิการุ่นที่ 2 นั้นดีกว่ารุ่นที่ 1 มาก ทำไมเราไม่เปลี่ยนมาตรฐานของความถี่ให้เป็นแบบใหม่เลยล่ะ คำตอบก็คือ นาฬิการุ่นที่ 2 นั้นดีกว่าก็จริง แต่สร้างยากกว่าหลายเท่า ปัจจัยที่สำคัญที่เราจะกำหนดให้สิ่งใดสิ่งหนึ่งเป็นมาตรฐาน นอกจากความแม่นยำของตัวมาตรฐานแล้ว ก็คือความยากง่ายในการเข้าถึงมาตรฐานนั้นด้วย ปัจจุบันเรารู้วิธีที่จะสร้างนาฬิกาอะตอมรุ่นที่ 1 ได้โดยง่ายและใช้งบประมาณที่น้อย แต่การสร้างนาฬิการรุ่นที่ 2 นั้นทำได้ยากและใช้งบประมาณที่มากกว่าเยอะ นี่เป็นสาเหตุหลักที่นักฟิสิกส์ยังลังเลที่จะเปลี่ยนมาตรฐานของเวลาจากอะตอมของซีเซียมเป็นตัวอื่น แนวคิดหนึ่งอาจจะเป็นการนิยามมาตรฐานร่วม อย่างเช่นใช้ทั้งอะตอมซีเซียม (นาฬิกาแบบที่ 1) และอะตอมในนาฬิกาแบบที่ 2 นิยามคู่กัน แต่ทั้งนี้ทั้งนั้น เราคงต้องติดตามข่าวกันต่อไปถึงอนาคต (ซึ่งคิดว่าอีกไม่กี่ปี) ว่ามาตรฐานของเวลาจะเปลี่ยนจากอะตอมของซีเซียมไปเป็นอะตอมชนิดใด

 

       สำหรับประเทศไทยนั้น โครงการที่สนับสนุนโดยศูนย์ความเป็นเลิศด้านฟิสิกส์ ที่เป็นความร่วมกันระหว่างมหาวิทยาลัยมหิดล และสถาบันมาตรวิทยาแห่งชาติ เป็นโครงการในการสร้างนาฬิกาอะตอมแบบที่ 2 โดยใช้อะตอมของอิทเทอร์เบียม (ytterbium) เป็นมาตรฐาน เพื่อรองรับการเปลี่ยนนิยามของเวลาและความถี่อย่างที่กล่าวไว้ข้างต้น ซึ่งสำหรับความคืบหน้าของโครงการนั้น ในขณะนี้อยู่ในระหว่างการออกแบบและทดสอบระบบกักกันอะตอมของอิทเทอร์เบียมโดยใช้สนามไฟฟ้าด้วยหลักการ Paul trap โดยเราหวังว่าจะมีเครื่องต้นแบบของนาฬิกาอะตอมรุ่นที่ 2 ติดตั้งอยู่ที่สถาบันมาตรวิทยาแห่งชาติในเวลาอันใกล้นี้

 

เอกสารอ้างอิง

 

[1] Jefferts S R et al 2015 Proc. 2015 Symp. Freq. Stds. Metrology 723, 2778.

[2] Rosenband T et al 2007 Phys. Rev. Lett. 98, 220801.

[3] Nicholson T et al 2015 Nature Communication 6, 6896.

 

คณาจารย์ผู้วิจัย

 

ผศ. ดร. ธเนศ พฤทธิวรสิน                    ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล

ดร. ธารา เฉลิมทรงศักดิ์                        วิทยาลัยนานาชาติ มหาวิทยาลัยมหิดล

 

นักวิจัย

 

ดร. ปิยพัฒน์ พูลทอง                            สถาบันมาตรวิทยาแห่งชาติ

ผศ. ดร. จิรกานต์ นันแก้ว                       ศูนย์ความเป็นเลิศด้านฟิสิกส์

 

นักศึกษา

 

นายนครินทร์ จายโจง                            ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล

 

รายงานโดย

 

ผศ. ดร. ธเนศ พฤทธิวรสิน                     ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล กรุงเทพฯ 10400

Email: Thaned.pru@mahidol.ac.th