เรื่องของเสี้ยววินาที

คุณเคยคิดถึงระยะเวลาเสี้ยววินาทีบ้างไหมครับ

เสี้ยววินาทีที่นักวิ่งคนนั้นยื่นหน้าอกไปแตะเส้นชัยก่อนนักวิ่งอีกคนหนึ่ง เสี้ยววินาทีเล็กๆที่ม้าแข่งพุ่งทะยานเข้าเส้นชัย เสี้ยววินาทีที่น้ำหยดกระทบพื้น เสี้ยววินาทีที่ไม้เบสบอลตีกระทบไม้ เสี้ยววินาทีที่โรเจอร์ เฟดเดอร์เรอร์ วิ่งไปรับลูกหยอด

เสี้ยววินาทีสำคัญอย่างไร

ถ้าคุณเคยถ่ายภาพ คุณจะรู้ว่าเสี้ยววินาทีนั้นสำคัญแค่ไหน

เพราะถ้าจะจับภาพนักเทนนิสกำลังหวดไม้กระทบลูก ภาพสัตว์ป่ากำลังวิ่งตะบึงไปในทุ่งกว้าง ภาพนักวิ่งสองคนกำลังวิ่งแข่งกันเข้าเส้นชัย คุณจะต้องจับภาพของชั่วเสี้ยววินาทีนั้นให้ได้

ตัวอย่างเช่น ถ้าคุณจะจับภาพของนักเทนนิสขณะหวดไม้กระทบกับลูก คุณก็ต้องกดชัตเตอร์ให้ตรงกับเสี้ยววินาทีนั้น และต้องตั้งสปีดชัตเตอร์เอาไว้ที่ขณะเวลานั้น ซึ่งมันอาจสั้นแสนสั้น สั้นเพียงหนึ่งในพันของวินาทีเท่านั้น

ถ้านักเทนนิสไม่ได้ตีเทนนิสเร็วเกินเหตุเหมือนแอนดี้ ร็อดดิก ความเร็วของชัตเตอร์ที่ราวหนึ่งในพันวินาทีนั้นเพียงพอแล้วที่จะจับภาพ ณ ขณะไม้กระทบลูกกลางอากาศเอาไว้ได้

แต่ถ้านักเทนนิสตีลูกเร็วกว่านั้นล่ะครับ

จะทำอย่างไร

ถ้าคำถามนี้เกิดขึ้นในใจคุณ ก็แปลว่าคุณกำลังตั้งคำถามเดียวกับนักวิทยาศาสตร์สาขาหนึ่ง สาขาที่เพิ่งจะถือกำเนิดขึ้นเมื่อไม่กี่ปีมานี้เอง เป็นสาขาที่ “เล่น” กับเรื่องของเสี้ยววินาทีโดยเฉพาะ วิทยาศาสตร์สาขานี้มีชื่อแปลกๆว่า เฟมโตเคมี (Femtochemistry)

อย่าเพิ่งแปลกใจไปครับว่าทำไมต้องชื่อเฟมโต และเฟมโตคืออะไร

เอาอย่างนี้ก่อนก็แล้วกันนะครับ ถ้าเราเริ่มต้นกันที่หน่วยวัดระยะทางเป็นเมตรเสียก่อน ถ้าใหญ่กว่าเมตรขึ้นไป เช่นว่าหนึ่งพันเมตร นักวิทยาศาสตร์ก็จะเติมพรีฟิกซ์เข้าไปข้างหน้า กลายเป็นกิโลเมตร ใช่ไหมครับ

ทีนี้ถ้าหน่วยเล็กลงมาเรื่อยๆล่ะ เช่นว่า หนึ่งในสิบของเมตร หนึ่งในร้อยของเมตร หนึ่งในพันของเมตร หรือหนึ่งในหมื่นของเมตร พวกนี้ต่างก็จะมีพรีฟิกซ์ส่วนตัวทั้งสิ้น เช่นว่า หนึ่งในสิบเมตรก็คือเดคาเมตร หนึ่งในร้อยก็คือเซนติเมตร เป็นต้น ซึ่งไอ้เจ้าคำพวกนี้ ก็ถูกประยุกต์มาใช้กับเวลาเหมือนกันครับ เช่นว่า เซนติวินาที (ที่จริงฝรั่งใช้คำว่าเซนติเซกันด์น่ะนะครับ) หรือที่คุ้นเคยกันหน่อยก็คือมิลลิวินาที เป็นต้น

แต่ถ้าเล็กลงไปกว่านั้นอีกล่ะครับ

ปัญหาของสิ่งที่เล็กลงไปอีกก็คือ ถ้ายิ่งเล็ก เราก็ยิ่งต้องเขียนเลขศูนย์เยอะ เช่น 0.1, 0.01, 0.001, 0.0001 อะไรอย่างนี้ ซึ่งคงไม่สะดวกแน่ครับ ถ้าหากว่ามันกลายเป็น 0.000000000000001 เพราะแค่มองดูก็งงแล้วว่ามันเล็กแค่ไหนกัน มีศูนย์อยู่กี่ตัว มีกี่หลักกันแน่ นักวิทยาศาสตร์ก็เลยหันไป ‘แปรรูป’ แทน โดยถ้าหากว่าเป็น 0.1 ก็จะเขียนว่าหนึ่งส่วนสิบ หรือ 1/10 ซึ่งก็มีค่าเท่ากับ 0.1 แล้วก็ถ้าเป็น 0.01 ก็จะเขียนว่าหนึ่งส่วนร้อย หรือ  1/100 เป็นต้น

ทีนี้พอเป็นหนึ่งส่วนพัน หนึ่งส่วนหมื่น หนึ่งส่วนแสน หนึ่งส่วนล้าน หนึ่งส่วนสิบล้าน หนึ่งส่วนร้อยล้าน หนึ่งส่วนพันล้าน หนึ่งส่วนแสนล้าน หนึ่งส่วนล้านล้าน หรือเลยกว่านั้นไปอีกล่ะ จะทำยังไงดี คงจะมานั่งนับตัวเลขศูนย์ไม่ไหวหรอกนะ

นักวิทยาศาสตร์ก็เลยเปลี่ยนใหม่ เพราะความที่ถ้าเอาสิบมาคูณกับสิบซึ่งแปลว่าเอาสิบมายกกำลังสอง ก็จะได้หนึ่งร้อย เพราะฉะนั้น แทนที่จะเขียนว่า 1/100 ก็เลขเขียนเป็น 1/102 และถ้ามากกว่านั้น เช่น 1/1015 ก็จะเท่ากับ 1/10000000000000 เป็นต้น

ทีนี้ถ้าจะต้องมาเขียน 1/1015 อยู่ตลอดเวลาก็ไม่ไหว นักวิทยาศาสตร์จอมขี้เกียจของเราก็เลยขอเปลี่ยนมาเขียนเป็น 1×10-15 แทน ดังนั้น ตัวเลข –10 หรือลบอะไรทั้งหลายแหล่ที่อยู่ข้างบน ย่อมแปลว่ามันคือตัวเลขหาร ยิ่งลบมากเท่าไหร่ ก็ยิ่งเล็กลงมากเท่านั้น

การ ‘จับ’ เวลาที่สั้นแสนสั้นเป็นเรื่องที่มีประโยชน์มาก เพราะสิ่งที่สำคัญๆทั้งหลาย มักจะเกิดขึ้นในชั่วเสี้ยววินาทีทั้งสิ้น

คุณอาจจะสงสัยว่าอะไรกันบ้างหรือที่เกิดขึ้นในชั่วเสี้ยววินาที

คำตอบง่ายๆอย่างหนึ่งก็คือ แสงเลเซอร์

เลเซอร์เกิดขึ้นในยุคซิกซ์ตี้ส์ครับ เจ้านี่เป็นแสงที่แผ่ออกมาเมื่ออะตอมถูกเร่งเร้าจนตื่นตัว (อะแฮ่ม! อย่าเพิ่งคิดลึกครับ) พูดง่ายๆก็คือ เมื่ออะตอมเกิดมีพลังงานมากขึ้นจากการเร่งเร้าที่ว่า พอมันคลายตัวลงมา มันก็จะปล่อยพลังงานออกมาด้วย เจ้าพลังงานที่ว่านี้ ถ้าหากถูกบังคับให้เดินทางไปในทิศเดียวกันพร้อมเพรียงกัน ก็จะกลายเป็นลำแสงที่เข้มข้น ซึ่งก็คือแสงเลเซอร์

แต่ทีนี้แสงเลเซอร์อันเข้มข้นนั้น ด้วยความที่มันมีอำนาจทะลุทะลวงสูงเหลือเกิน ถ้าใครจะปล่อยมันออกมานานๆสักหนึ่งหรือสองวินาที เรียกว่าต้องบรรลัยวายวอดกันไปหมดแน่ ดังนั้น นักวิทยาศาสตร์จึงคิดนำแสงเลเซอร์มาใช้ ด้วยการปล่อยมันออกมาทีละนิดๆ พูดให้เห็นภาพก็ต้องบอกว่า ปล่อย-ขมิบ อะไรทำนองนั้น ก็จะได้มาเป็นช่วงสั้นๆของแสงเลเซอร์ ที่เรียกว่า เลเซอร์พัลส์ (laser pulse) ซึ่งคำว่าพัลส์ ก็แปลว่าชีพจร หรือหนึ่งช่วงอะไรทำนองนั้น

นักวิทยาศาสตร์บอกว่า ถ้าลดพัลส์ให้สั้นลงได้มากเท่าไหร่ ก็จะยิ่งนำเลเซอร์ไปใช้ประโยชน์ได้มากเท่านั้น

ย้อนกลับไปที่หน่วย 1×10-15 กันอีกที เจ้าหน่วยยกกำลังลบสิบห้าที่ว่านี้ มีชื่อเรียกอย่างเป็นทางการว่า เฟมโตวินาที (femtosecond) ซึ่งเล็กมากๆ เป็นเสี้ยวของเสี้ยววินาที

ในยุคเอทตี้ส์ เลเซอร์พัลส์นั้นกระจิ๋วหลิวถึงขั้น 6 เฟมโตวินาทีแล้วนะครับ ซึ่งต้องเรียกว่าเป็นช่วงสั้นมากๆ และนำไปใช้ประโยชน์ได้มากพอสมควร ตัวอย่างเช่น การทำพัลส์ให้เล็กลงไปได้ถึงขนาดนั้น ทำให้นักวิทยาศาสตร์อย่าง อาห์เม็ด เซเวล แห่งมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียเทค หรือเรียกย่อๆว่าแคลเทค ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีไปครอง เนื่องจากค้นพบว่าพันธะเคมีแตกออกจากกันและหวนคืนมาเกี่ยวดองกันใหม่ได้ภายในเวลาช่วง 100-200 เฟมโตวินาที

การวัดเสี้ยววินาทีในระดับเฟมโตวินาทีนั้น มีประโยชน์มาก เพราะสามารถใช้จัดการคำนวณเรื่องของอะตอมและโมเลกุลได้ แต่สำหรับนักฟิสิกส์ที่สนใจในระดับอิเล็กตรอน ต้องบอกว่าแค่เฟมโตวินาทียังไม่พอครับ พวกเขาทะเยอทะยานอยากวัดเสี้ยววินาทีให้เล็กลงไปอีกถึงขั้น 10-18 ซึ่งเป็นช่วงที่เรียกว่า อัตโตวินาที (attosecond) ซึ่งถ้าหากว่าวัดไปได้ละเอียดถึงขั้นนั้น หรือสามารถทำเลเซอร์พัลส์ที่เล็กกระจิ๋วหลิวได้ถึงขั้นอัตโตวินาที ก็จะเกิดประโยชน์มหาศาล ทั้งในด้านของการศึกษาอิเล็กตรอน ไล่มาจนกระทั่งถึงการทำเลสิกให้กับคนสายตาสั้นต่างๆ ซึ่งจะได้ผลดีกว่าในปัจจุบันมากมายมหาศาล

นักฟิสิกส์บางคนถึงกับกล่าวว่า ในอนาคตต่อไปข้างหน้า เรื่องสำคัญสำหรับมนุษย์ก็คือเรื่องของอัตโตวินาทีนี่แหละครับ ยุคของอัตโตวินาทีเพิ่งจะเริ่มต้นขึ้น และมันจะเปลี่ยนมุมมองของมนุษย์ในเรื่องของอิเล็กตรอนและโครงสร้างโมเลกุลไปอย่างสิ้นเชิง

และนับแต่นี้ต่อไป เวลาเพียงเสี้ยววินาที ก็อาจทำให้คุณมองโลกในมุมใหม่ได้เช่นกัน

เพราะในโลกที่เร็วเท่าแสง เวลาหนึ่งอัตโตวินาทีอาจทำให้คุณเคลื่อนที่ไปได้ไกล 0.2 นิ้ว, เวลาหนึ่งเฟมโตวินาทีจะทำให้คุณเคลื่อนไปได้ไกล 14.7 ฟุต, เวลาหนึ่งพิโควินาทีจะทำให้คุณเคลื่อนที่ไปได้ไกล 2.79 ไมล์, และเวลาแค่หนึ่งนาโนวินาที จะทำให้คุณเคลื่อนที่ไปได้ไกลถึง 2,787 ไมล์ เท่ากับจากแอลเอไปนิวยอร์ค และถ้าเป็นเวลาหนึ่งวินาที ด้วยความเร็วของแสง คุณจะเคลื่อนที่ไปได้เท่ากับการวนรอบโลกถึง 112 ล้านรอบ

ถ้าคิดอย่างนี้ เสี้ยววินาทีก็สำคัญจริงๆใช่ไหมครับ!

Advertisements