นาฬิกาอะตอม
นาฬิกาอะตอมเป็นเครื่องรักษาเวลาความแม่นยำสูงที่ใช้ความถี่เสถียรของการเปลี่ยนสถานะในอะตอมเพื่อกำหนดและรักษามาตรฐานเวลาสมัยใหม่
นาฬิกาอะตอมคืออะไร
นาฬิกาอะตอมคือนาฬิกาที่ความแม่นยำระยะยาวมาจากอะตอม ไม่ใช่จากลูกตุ้ม ล้อบาลานซ์ หรือผลึกควอตซ์เพียงอย่างเดียว ตัวนาฬิกายังใช้วงจรอิเล็กทรอนิกส์ เลเซอร์ โพรงไมโครเวฟ ตัวนับ และระบบควบคุม แต่แหล่งอ้างอิงคือการเปลี่ยนสถานะของอะตอม ซึ่งเป็นความถี่ธรรมชาติที่เกี่ยวข้องกับอะตอมเปลี่ยนจากสถานะพลังงานหนึ่งไปยังอีกสถานะหนึ่ง
ทำไมอะตอมจึงเหมาะเป็นนาฬิกา
อะตอมของไอโซโทปเดียวกันมีโครงสร้างพลังงานภายในเหมือนกันไม่ว่าจะวัดที่ใด สิ่งนี้ทำให้การเปลี่ยนสถานะของอะตอมเป็นแหล่งอ้างอิงที่ทำซ้ำได้ นาฬิกาจะเปรียบเทียบออสซิลเลเตอร์ที่ปรับได้กับการเปลี่ยนสถานะของอะตอม และคอยปรับออสซิลเลเตอร์ให้คงอยู่ที่ความถี่ถูกต้อง อะตอมไม่ได้เป็นหน้าปัดนาฬิกาจิ๋ว แต่เป็นมาตรฐานฟิสิกส์ที่เสถียรซึ่งบอกอิเล็กทรอนิกส์ว่าจังหวะของมันเร็วหรือช้าเกินไป
ซีเซียมและวินาที
วินาที SI สมัยใหม่ผูกกับซีเซียม-133 ในนาฬิกาซีเซียม อะตอมถูกให้สัมผัสกับรังสีไมโครเวฟใกล้ความถี่ที่ขับการเปลี่ยนสถานะเฉพาะระหว่างระดับพลังงานไฮเปอร์ไฟน์สองระดับ เมื่อระบบปรับตรงพอดี นาฬิกาจะนับ 9,192,631,770 รอบเป็นหนึ่งวินาที นิยามนี้แทนที่นิยามทางดาราศาสตร์แบบเก่า เพราะเวลาอะตอมสร้างได้ด้วยความแม่นยำและความทำซ้ำได้สูงกว่ามาก
นาฬิกาแบบฟาวน์เทนทำงานอย่างไร
นาฬิกาซีเซียมฟาวน์เทนทำให้อะตอมเย็นลงด้วยเลเซอร์ ยิงอะตอมขึ้นด้านบน แล้วปล่อยให้ผ่านบริเวณปฏิสัมพันธ์ไมโครเวฟทั้งขาขึ้นและขาลง อะตอมเคลื่อนที่ช้า จึงทำให้นาฬิกาเปรียบเทียบความถี่ไมโครเวฟกับการเปลี่ยนสถานะของอะตอมได้อย่างละเอียดมาก NIST-F1 และนาฬิกาฟาวน์เทนรุ่นต่อมาของ NIST เป็นตัวอย่างของมาตรฐานความถี่ปฐมภูมิที่ช่วยสร้างเวลาอย่างเป็นทางการ
ไกลกว่าซีเซียม
นาฬิกาซีเซียมยังคงเป็นศูนย์กลางของวินาที SI แต่นาฬิกาวิจัยปัจจุบันใช้ธาตุและไอออนอื่นด้วย โดยมักวัดด้วยความถี่แสงแทนไมโครเวฟ นาฬิกาออปติคัลแลตทิซและนาฬิกาไอออนสามารถเปรียบเทียบเวลาได้ด้วยความละเอียดสูงเป็นพิเศษ จึงมีประโยชน์ต่อการทดสอบฟิสิกส์และต่อการเปลี่ยนแปลงในอนาคตว่าวินาทีควรถูกสร้างขึ้นอย่างไร
เวลาอะตอมถูกใช้ที่ไหน
นาฬิกาอะตอมซ่อนอยู่ในระบบธรรมดาหลายอย่าง GPS และระบบนำทางด้วยดาวเทียมอื่นต้องใช้เวลาที่แม่นยำมากเพื่อแปลงเวลาเดินทางของสัญญาณเป็นระยะทาง เครือข่ายโทรคมนาคมใช้ซิงโครไนซ์การไหลของข้อมูล ตลาดการเงินประทับเวลาธุรกรรม เครื่องมือวิทยาศาสตร์ ดาราศาสตร์วิทยุ โครงข่ายไฟฟ้า และบริการเวลาอินเทอร์เน็ตต่างพึ่งพาแหล่งอ้างอิงเวลาและความถี่ที่เสถียร
ทำไมมันถึงสำคัญ
นาฬิกาอะตอมเปลี่ยนเวลา จากการวัดที่อิงท้องฟ้าให้กลายเป็นการวัดควอนตัม มันทำให้ระบบทั่วโลกเห็นตรงกันว่าเหตุการณ์เกิดขึ้นเมื่อใด ทำให้สัญญาณนำทางกลายเป็นแผนที่ และให้เครื่องมือแก่นักฟิสิกส์ในการทดสอบแรงโน้มถ่วง ทฤษฎีสัมพัทธภาพ และค่าคงที่พื้นฐาน โลกสมัยใหม่ไม่ได้ขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าและข้อมูลเท่านั้น แต่ยังขับเคลื่อนด้วยเวลาที่ซิงโครไนซ์กัน