วิทยาศาสตร์เบื้องหลังการวัดเวลา

คุณเช็คโทรศัพท์ของคุณ และมันบอกเวลา 15:42 น. เวลานั้นรู้สึกแม่นยำแน่นอน แข็งแรง แต่เราจะรู้ได้อย่างไรว่ามันคือ 15:42 น. จริงๆ แล้วอะไรทำให้ตัวเลขนั้นถูกต้อง การวัดเวลาดูเหมือนง่ายจนกว่าคุณจะมองลึกเข้าไป แล้วมันก็กลายเป็นการผสมผสานแปลกประหลาดของดาวเคราะห์ที่หมุน อะตอมที่สั่นสะเทือน และระบบที่มนุษย์สร้างขึ้นพยายามเข้าใจมันทั้งหมด

จุดเริ่มต้นของการวัดเวลา

ก่อนที่ฟิสิกส์หรือคณิตศาสตร์จะเข้ามามีส่วนร่วม เวลาถูกติดตามโดยการมองขึ้นไป คนดูเงามืดเคลื่อนไหวและดาวเปลี่ยนตำแหน่ง วันถูกนับจากพระอาทิตย์ขึ้นถึงพระอาทิตย์ขึ้นอีกวันหนึ่ง ซึ่งก็ใช้ได้ดีพอสำหรับการเกษตรและพิธีกรรมในยุคแรก

จากนั้นก็มีนาฬิกาแดด ต่อด้วยนาฬิกาน้ำ ผู้คนต้องการสิ่งที่แม่นยำมากขึ้น เมื่อสังคมเติบโตซับซ้อน ความกดดันในการวัดเวลาที่ดีขึ้นก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน

ความหมายของวินาทีจริงๆ

วันนี้ วินาทีไม่ใช่แค่หนึ่งในหกสิบของนาทีอีกต่อไป มันมีคำจำกัดความที่ลึกซึ้งกว่านั้น นักวิทยาศาสตร์กำหนดมันโดยใช้อะตอม วินาทีอย่างเป็นทางการอิงจากการสั่นสะเทือนของอะตอมซีเซียม-133

หนึ่งวินาทีเท่ากับเวลาที่อะตอมนี้สั่นสะเทือน 9,192,631,770 ครั้ง ตัวเลขนี้ไม่ได้เป็นเรื่องสุ่ม มันสามารถทำซ้ำได้ คงที่ และวัดได้ ซีเซียมกลายเป็นมาตรฐานทองคำสำหรับความแม่นยำเพราะมันไม่เปลี่ยนแปลงมากนักเมื่อเวลาผ่านไป

นาฬิกาอะตอมเปลี่ยนทุกอย่าง

เมื่อมีนาฬิกาอะตอมในช่วงทศวรรษ 1950 การบันทึกเวลาได้ก้าวไปสู่ระดับใหม่ นาฬิกาเหล่านี้มีความแม่นยำจนแทบจะไม่สูญเสียวินาทีในล้านปี ซึ่งสำคัญกว่าที่คิดไว้มาก ระบบ GPS ดาวเทียม การซิงค์อินเทอร์เน็ต และโครงข่ายไฟฟ้าทั้งหมดขึ้นอยู่กับเวลาที่แม่นยำของอะตอม

โดยไม่มีเวลาของอะตอม ไม่มีอะไรจะตรงกัน โทรศัพท์ของคุณจะลอยไป GPS จะพลาดเป้า โลกตอนนี้ดำเนินการบนอะตอม ไม่ใช่เฟืองและสปริงอีกต่อไป

วิธีต่างๆ ที่เราวัดเวลา

เวลาไม่ได้วัดด้วยวิธีเดียว นักวิทยาศาสตร์ใช้หลายระบบ ขึ้นอยู่กับสิ่งที่ต้องการติดตาม

• เวลาพสุธา: อิงจากการหมุนของโลกเมื่อเทียบกับดวงอาทิตย์
• เวลาสิเดอริล: อิงจากการหมุนของโลกเมื่อเทียบกับดาวที่อยู่ไกลออกไป
• เวลาของอะตอม: อิงจากการสั่นสะเทือนของอะตอมซีเซียม
• เวลาสากล (UT1): ติดตามการหมุนของโลกจริง รวมถึงการแกว่งเล็กน้อย
• เวลาสากลประสาน (UTC): ผสมผสานเวลาของอะตอมและดวงอาทิตย์ พร้อมการเพิ่มวินาทีอธิกสุรทินตามความจำเป็น

UTC คือสิ่งที่โทรศัพท์ของคุณแสดง มันรักษาความแม่นยำของอะตอม แต่ปรับเล็กน้อยเพื่อให้สอดคล้องกับโลก

ทำไมเราถึงเพิ่มวินาทีอธิกสุรทิน

โลกไม่ได้หมุนด้วยอัตราคงที่ มันชะลอลงเล็กน้อยตามเวลา ซึ่งหมายความว่าเวลาของอะตอมและเวลาของดวงอาทิตย์ค่อยๆ เคลื่อนออกจากกัน เพื่อแก้ไขปัญหานี้ เราจึงเพิ่มวินาทีอธิกสุรทินทุกๆ ไม่กี่ปี

สิ่งนี้ช่วยให้ UTC ไม่หลุดออกจากตำแหน่งของดวงอาทิตย์ มันเหมือนกับการให้เวลาสั้นๆ กระแทกเพื่อให้ตรงกัน แต่ก็สร้างปัญหาให้กับระบบเทคโนโลยีที่ไม่พร้อมสำหรับวินาทีเพิ่มเติมนี้

เครื่องมือที่ทำให้โลกเป็นหนึ่งเดียวกัน

การบันทึกเวลาสมัยใหม่เป็นความพยายามระดับโลก เครือข่ายนาฬิกาอะตอมทั่วโลกทำงานร่วมกัน ซึ่งดำเนินการโดยห้องปฏิบัติการในสหรัฐ ฝรั่งเศส ญี่ปุ่น และประเทศอื่นๆ ร่วมกันสร้างเวลาสากลของโลก (TAI)

จากนั้น UTC คำนวณและออกอากาศผ่านสัญญาณวิทยุ ดาวเทียม และอินเทอร์เน็ต นั่นคือวิธีที่โทรศัพท์ของคุณรู้เวลาที่ถูกต้องเสมอ แม้คุณจะอยู่นอกสัญญาณ

ความแม่นยำสำคัญกว่าที่คุณคิด

หลายสิ่งขึ้นอยู่กับการจับเวลาที่สมบูรณ์แบบ:

• ดาวเทียม GPS ใช้เวลาของอะตอมในการคำนวณตำแหน่ง
• ระบบการเงินบันทึกเวลาทำธุรกรรมเป็นไมโครวินาที
• เซิร์ฟเวอร์อินเทอร์เน็ตซิงค์กับ UTC เพื่อประสานข้อมูลทั่วโลก
• โครงข่ายไฟฟ้าอาศัยวงจรที่สอดคล้องกันเพื่อหลีกเลี่ยงไฟดับ
• เสาสัญญาณโทรศัพท์มือถือใช้รหัสเวลาเพื่อจัดการการเปลี่ยนเครือข่าย

ความผิดพลาดเล็กน้อยในเวลาอาจทำให้เกิดปัญหาใหญ่ในระบบเหล่านี้ได้

สิ่งที่สิ่งนี้บอกเราเกี่ยวกับเวลา

เวลารู้สึกเรียบง่ายจนกว่าคุณจะพยายามวัดมันอย่างแม่นยำ จากนั้นมันก็กลายเป็นการเต้นรำระหว่างโลกที่หมุน อะตอมที่สั่นสะเทือน และการประสานงานของมนุษย์ เราต้องการให้มันเชื่อถือได้ แม้จักรวาลจะวุ่นวายก็ตาม

ดังนั้น ครั้งต่อไปที่นาฬิกาของคุณก้าวเข้าสู่ช่วงนาทีใหม่ จำไว้ว่ามีโลกของวิทยาศาสตร์อยู่เบื้องหลังตัวเลขเล็กๆ นั้นที่ทำให้ทุกอย่างเป็นระเบียบเรียบร้อย