ACES ก้าวสำคัญแห่งวิทยาศาสตร์การจับเวลาในอวกาศ สำรวจความลับของจักรวาลด้วยนาฬิกาอะตอมที่แม่นยำที่สุด

เมื่อวันที่ 23 เมษายน 2568 องค์การอวกาศยุโรป (European Space Agency: ESA) ได้ส่ง Atomic Clock Ensemble in Space (ACES) หรือ ชุดนาฬิกาอะตอมในอวกาศ สู่บ้านใหม่ในอวกาศ เพื่อเตรียมพร้อมสำหรับการสำรวจปัญหาพื้นฐานที่สุดของฟิสิกส์ ไม่ว่าจะเป็นธรรมชาติของแรงโน้มถ่วงไปจนถึงคำจำกัดความของเวลา

หัวใจสำคัญของ ACES คือนาฬิกาที่ทำงานเสริมกันสองระบบ ได้แก่ PHARAO ซึ่งเป็นนาฬิกาซีเซียม และ Space Hydrogen Maser หรือ เมเซอร์ไฮโดรเจนอวกาศ เมื่อทำงานร่วมกับระบบถ่ายโอนเวลาที่ซับซ้อน นาฬิกาทั้งสองจะทำให้ ACES สามารถเปรียบเทียบการรักษาเวลาบนยานของตัวเองกับนาฬิกาที่แม่นยำที่สุดบนโลก การสร้าง “เครือข่ายนาฬิกา” ระดับโลกนี้จะช่วยให้สามารถทำการเปรียบเทียบข้ามทวีปด้วยความแม่นยำที่ไม่เคยมีมาก่อน ซึ่งจะนำไปสู่ข้อมูลทางวิทยาศาสตร์มากมาย

หนึ่งในเป้าหมายทางวิทยาศาสตร์หลักของ ACES คือการทดสอบทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ (Einstein’s theory of general relativity) ซึ่งอธิบายว่าแรงโน้มถ่วงส่งผลต่อการไหลของเวลา หรือปรากฏการณ์ที่เรียกว่า ปรากฏการณ์เลื่อนไปทางแดงเชิงโน้มถ่วง (gravitational redshift) หรือ การขยายเวลา (time dilation) การทดลองก่อนหน้านี้ได้แสดงให้เห็นแล้วว่านาฬิกาเดินเร็วขึ้นเมื่ออยู่ที่ระดับความสูงที่มากขึ้น เช่น บนยอดเขาเอเวอเรสต์ ACES จะนำการทดลองนี้ไปสู่อีกระดับขั้น โดยการวัดเวลาจากระดับความสูง 400 กิโลเมตรเหนือโลก ด้วยความแม่นยำที่ภารกิจก่อนหน้าไม่เคยทำได้ ข้อมูลที่ได้คาดว่าจะปรับปรุงการวัดปรากฏการณ์เลื่อนไปทางแดงเชิงโน้มถ่วงในปัจจุบันได้ถึงสิบเท่า

นิยามใหม่ของวินาที

นอกจากนี้ ACES อาจช่วยในการกำหนดนิยามใหม่ของวินาที มาตรฐานเวลาในปัจจุบันอิงตามนาฬิกาซีเซียม (caesium clock) ซึ่งคล้ายกับ PHARAO แต่นาฬิกาเชิงแสง (optical clock) กำลังก้าวขึ้นมาเป็นอนาคตของการรักษาเวลา จนถึงขณะนี้ การเปรียบเทียบนาฬิกาเหล่านี้ข้ามทวีปยังไม่สามารถทำได้ด้วยความแม่นยำที่เพียงพอ ACES จะเปลี่ยนแปลงสิ่งนั้น โดยทำให้สามารถเปรียบเทียบนาฬิกาทั่วโลกด้วยความแม่นยำระดับ  10 ควินทิลเลียนวินาที ซึ่งดีกว่าวิธีที่ใช้ GPS ในปัจจุบันถึงร้อยเท่า

รูปร่างของโลก

ACES จะเป็นประโยชน์ต่อด้านไกโอดีซี (geodesy) ซึ่งเป็นวิทยาศาสตร์การวัดรูปร่างและสนามแรงโน้มถ่วงของโลก และการเปลี่ยนแปลงของสิ่งเหล่านี้เมื่อเวลาผ่านไปด้วย ด้วยการเปรียบเทียบการขยายเวลาระหว่างนาฬิกาที่ระดับความสูงต่างกันบนโลก ACES จะให้ข้อมูลที่มีความแม่นยำสูง ซึ่งจะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใจความแตกต่างเฉพาะที่ในแรงโน้มถ่วงของโลกได้ดีขึ้น อันเนื่องมาจากความแตกต่างของความหนาแน่นของภูมิประเทศ เช่น ทวีปหรือมหาสมุทร การวัดเฉพาะที่ของ ACES สามารถนำไปสู่แผนที่สนามแรงโน้มถ่วงของโลกที่แม่นยำยิ่งขึ้น และช่วยรวมระบบความสูงทั่วประเทศและทวีปต่างๆ

ฟิสิกส์ใหม่

ACES ยังมอบโอกาสอันหายากในการสำรวจกฎพื้นฐานของจักรวาล ด้วยการเปรียบเทียบนาฬิกาภาคพื้นดินที่อิงตามการเปลี่ยนสถานะของอะตอมที่แตกต่างกัน ACES สามารถตรวจสอบได้ว่าค่าคงที่ทางฟิสิกส์ที่สำคัญ เช่น ค่าคงที่โครงสร้างละเอียด (fine-structure constant) ซึ่งควบคุมความแรงของอันตรกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้า ยังคงไม่เปลี่ยนแปลงไปตามเวลาหรือไม่ การเปลี่ยนแปลงใดๆ แม้เพียงเล็กน้อย อาจเป็นสัญญาณบ่งบอกถึงฟิสิกส์ใหม่ในสาขาต่างๆ เช่น สสารมืด (dark matter) ส่วนขยายของแบบจำลองมาตรฐาน (standard model extensions) และอื่นๆ

การทดลองที่น่าทึ่งเหล่านี้ทำให้ ACES ไม่เพียงแต่เป็นผู้รักษาเวลาที่มีความแม่นยำสูงในอวกาศ แต่ยังเป็นห้องปฏิบัติการสำหรับการสำรวจการทำงานพื้นฐานของจักรวาล ทีละวินาที

ข้อมูลข่าว: ESA

• ACES: time for science