เวลา: เราควบคุม
และใช้มาตราส่วนเวลาจักรวาลวิทยามากแค่ไหน?
เครดิต: J. MAGEE
คำพูดเว็บสล็อตแท้ที่มักมาจากนักแสดงชาวอเมริกัน พี.ที. บาร์นัมคือ “มีคนดูดเกิดทุกนาที” สิ่งนี้ทำให้การนับหน่อที่เกิดใหม่เป็นวิธีที่ดีในการวัดเวลาหรือไม่? วินาที แทนที่จะเป็นนาที อาจอยู่ใกล้หัวใจของเรามากขึ้น เนื่องจากการเต้นของหัวใจเกือบหนึ่งวินาที แต่ถึงแม้มาตราส่วนนี้อาจยังยาวเกินไปหรือสั้นเกินไป ขึ้นอยู่กับว่าจะต้องวัดอะไร จักรวาลของเราตามทฤษฎีบิ๊กแบง มีอายุประมาณ 14 พันล้านปี หรือ 5 × 1017 วินาที มาตราส่วนเวลาขั้นสูงสุด (‘เวลาพลังค์’) ของจักรวาลวิทยาควอนตัม — ประมาณ 10−43 วินาที ซึ่งเป็นวาบเกิดของบิกแบง — เป็นเกรนพื้นฐานหรือพิกเซลของเวลา ซึ่งฟิสิกส์ปกติของเราของอวกาศและเวลาสี่มิติแบ่งออกเป็น จำนวนมิติที่มากขึ้นตามสมมติฐานโดยทฤษฎี ‘superstring’
ในแง่ลอการิทึม เรามีอายุประมาณ 70 ปี (ประมาณ 2 × 109 วินาที) อยู่ในมาตราส่วนที่มีความเหมือนกันกับอายุของจักรวาลมากกว่าเวลาพลังค์ เราได้เรียนรู้วิธีติดตามเวลาแล้ว เราอาจมองว่าตัวเองเป็น ‘Homo temporal’ ด้วยซ้ำ แต่เราควบคุมและใช้เวลามากแค่ไหน? แม้ว่าจุดสิ้นสุด “ยาว” ของมาตราส่วนนี้ยังเป็นเพียงความสนใจทางวิชาการ แต่จุดสิ้นสุด “ระยะสั้น” กำลังกลายเป็นพรมแดนด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีที่ร้อนแรงและคึกคัก ตัวอย่างที่คุ้นเคยที่สุดคือการสื่อสารและคอมพิวเตอร์ ในการแสวงหาประสิทธิภาพของคอมพิวเตอร์ที่สูงขึ้น หนึ่งในพารามิเตอร์หลักคือความถี่สัญญาณนาฬิกาหรือในทางกลับกันคือรอบสัญญาณนาฬิกา ที่ไหนสักแห่งในมุมมืดของห้องแล็บของฉัน มีเศษของคอมพิวเตอร์ 1989 UNIX เครื่องเก่าของฉันซึ่งมีความถี่สัญญาณนาฬิกาประมาณ 17 MHz คอมพิวเตอร์ที่ไม่ได้ใช้งานในปัจจุบันมีวงจรนาฬิกาเกือบ 3 GHz หรือ 0.3 นาโนวินาที (ns, 10−9 s)
เลเซอร์เคลื่อนตัวเร็วขึ้นในโดเมนเวลาที่สั้นลง ไม่นานหลังจากการประดิษฐ์เลเซอร์ในปี 1959 ความยาว (ระยะเวลา) ของพัลส์ของแสงผ่านเกณฑ์ ns และพิโควินาที (ps, 10-12 วินาที) และการแข่งขันก็ดำเนินต่อไปเพื่อให้ได้พัลส์ที่สั้นกว่านั้นอีก โดเมนย่อย ps และ femtosecond (fs, 10–15 s) กลายเป็นสาขาของการวิจัยที่หลากหลาย โดยมีหัวข้อต่างๆ เช่น การลงทะเบียนของกระบวนการที่เร็วมาก สเปกโทรสโกปีที่แก้ไขเวลา การกำหนดลักษณะของเซมิคอนดักเตอร์ที่มีเวลาการคลายตัวของ sub-ps และ การควบคุมปฏิกิริยาเคมีและความละเอียดของเวลาโดยพัลส์เลเซอร์อันทรงพลัง โดเมนนี้ยังโฮสต์เทคโนโลยีที่เรียกว่า Terahertz ซึ่งใช้พัลส์เหล่านี้เป็นเครื่องมือในการวินิจฉัยเพื่อ ‘มองเห็น’ วัสดุและโครงสร้างที่ทึบแสง
บันทึกสำหรับพัลส์
เลเซอร์ที่สั้นที่สุดตอนนี้อยู่ที่ 4-5 fs ซึ่งใกล้เคียงกับความยาว (∼3 fs) ของรอบของเลเซอร์ใกล้อินฟราเรด ความท้าทายคือการสร้างพัลส์ที่ควบคุมได้ซึ่งสั้นกว่า 1 fs ทำไมสั้นลง? ความถี่สเปกตรัมสูงสุดของพัลส์ย่อยเป็นสัดส่วนผกผันกับความยาว τ พลังงานโฟตอนคือความถี่คูณค่าคงที่พลังค์ ℏ ดังนั้นเราจึงมีพลังงานโฟตอนสูงสุดของพัลส์เท่ากับ Emax≈ℏ/τ แม้ว่าโดเมนย่อย ps และ fs จะสอดคล้องกับ E∼0.1–0.01 eV (ซึ่งเป็นเรื่องปกติสำหรับปฏิกิริยาโมเลกุล) โดเมนที่ต่ำกว่า 0.15 fs (150 attoseconds, 150 × 10−18 s) อยู่ในอาณาเขตฟิสิกส์ของอะตอม — นี่คือเวลา มันใช้อิเล็กตรอนที่สถานะพื้นของอะตอมไฮโดรเจนเพื่อหมุนรอบโปรตอน มีการเสนอวิธีการสองสามวิธีในการสร้างพัลส์ดังกล่าว เมื่อเร็วๆ นี้ มีการสังเกตพัลส์ย่อย fs ในการทดลองโดยใช้ฮาร์โมนิกที่มีลำดับสูง แม้ว่าพัลส์ย่อยหรือพัลส์แบบรอบเดียวเหล่านี้จะมีสเปกตรัมฟูริเยร์ที่กว้างมาก (ตั้งแต่คลื่นวิทยุไปจนถึงโดเมนอัลตราไวโอเลตสุดขั้ว) พวกมันแตกต่างอย่างมากจากที่สร้างขึ้นโดยแหล่งซุปเปอร์บรอดแบนด์ทั่วไป (เช่น รังสีวัตถุดำ) เนื่องจากในอุดมคติแล้ว องค์ประกอบสเปกตรัมมีเฟสเดียวกัน ความเชื่อมโยงกันของทรานส์สเปกตรัมขนาดใหญ่เช่นนี้ไม่เคยพบมาก่อนในเลนส์ทั่วไป แท้จริงแล้ว แม้ว่าคลื่นแสงที่สั้นมากจะมีอยู่มากมายในรังสีของวัตถุสีดำ (เช่น แสงแดด) แต่พวกมันก็มาถึงและทำงานแบบสุ่มโดยสมบูรณ์ ความสอดคล้องและการควบคุมสร้างความแตกต่างในโลกของพัลส์
นอกเหนือจากขอบฟ้าระดับอะตอมแล้ว ยังมีอิออนของธาตุหนัก ใน ‘ไอออนิกสุดขั้ว’ เราสามารถนึกถึงอะตอมยูเรเนียมที่หนักที่สุดที่เสถียรที่สุดโดยอิเล็กตรอนทั้งหมดถูกดึงออกไป จำเป็นต้องมีมากกว่า 110 KeV (ใกล้กับการเปลี่ยนแปลงของ K-shell ของยูเรเนียม) เพื่อกำจัดอิเล็กตรอนตัวสุดท้ายนั้น ซึ่งทำให้ช่วงเวลาแต่สั้นลง ∼10-20 วินาที ยิ่งไปกว่านั้น ฟิสิกส์ของอะตอม/อิออนยังอยู่ใน ‘ทะเลทรายควอนตัม’ ยังคงสั้นลง เราไปถึงโดเมนถัดไปของความสนใจพื้นฐาน: ควอนตัมอิเล็กโทรไดนามิก (QED) เช่นการผลิตคู่อิเล็กตรอน – โพซิตรอนที่ต้องการพลังงานที่เหลือเป็นสองเท่าของอิเล็กตรอน (∼1 MeV) และปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่รุนแรง เช่น ดิวเทอเรียมอิเล็กโทร – การสลายตัวทำให้เกิดโปรตอนและนิวตรอนใกล้ 1.2 MeV สิ่งเหล่านี้ชวนให้นึกถึงโฟโตอิออไนเซชันในอะตอม แต่ในระดับพลังงานจะสูงกว่าห้าเท่า มาตราส่วนเวลาลดลงตามลำดับเป็นซีปโต-วินาที (zs, 10-21 s) ความเป็นไปได้ในการสร้างและควบคุมพัลส์ย่อยของ zs ที่อาจให้แสงสว่าง แก้ไขเวลา และแม้กระทั่งควบคุมปฏิกิริยานิวเคลียร์ในท้ายที่สุด ได้มีการหารือกันเมื่อเร็วๆ นี้ แนวคิดคือการขับอิเล็กตรอนอิสระในวงแคบด้วยเลเซอร์ที่มีความเข้มสูงถึง 1021 W/cm2 ในรูปแบบที่เรียกว่า ‘Lasetron’ อิเล็กตรอนเหล่านี้ซึ่งจะถูกปล่อยออกมาเกือบจะในทันทีและเร่งให้เป็นพลังงาน E∼50 MeV ในการแตกตัวเป็นไอออนขนาดใหญ่ของอนุภาคนาโนของสสาร ควรจะสามารถสร้างโฟตอนในโดเมน QED และนิวเคลียร์ได้เว็บสล็อตแท้
