ตอนที่ 1 การค้นพบสสาร

ย้อนอดีตไปเมื่อ 2500 ปีก่อนนี้ นักปรัชญากรีกสนใจศึกษาธรรมชาติมาก จึงได้ตั้งคำถามว่า โลกที่มนุษย์อาศัยอยู่นี้ประกอบด้วยอะไร ใครเลยจะรู้บ้างว่า คำถามนี้ได้ผลักดันให้วิทยาศาสตร์ถือกำเนิดในเวลาต่อมา เมื่อ Leucippus และ Democritus ผู้เป็นศิษย์ได้ จินตนาการว่า หากเขาเริ่มผ่าครึ่งผลแอปเปิลแล้วแบ่งจาก 2 ส่วนเป็น 4 เป็น 8 เป็น 16… ไปเรื่อยๆ ในที่สุดเขาจะบรรลุถึงขั้นหนึ่งที่จะไม่ สามารถแบ่งแอปเปิลได้อีกต่อไป Leucippus และ Democritus จึงเรียกส่วนที่เล็กที่สุดของแอปเปิลและของสสารอื่นๆ ทุกชนิดว่า อะตอม (atom) ซึ่งมาจากคำในภาษากรีก atomos ที่แปลว่าแบ่งแยกไม่ได้

ณ วันนี้ นักวิทยาศาสตร์ได้พบแล้วว่า อะตอมมีขนาดเล็กมากเพราะถ้าหากน้ำหนึ่งหยดมีขนาดเท่าโลก อะตอมจะมีเส้นผ่าศูนย์กลางยาว ประมาณ 2 เมตรเท่านั้นเอง การมีขนาดเล็กยิ่งกว่าความยาวคลื่นของแสง ทำให้ตาเราหรือกล้องจุลทรรศน์ธรรมดาไม่สามารถเห็นอะตอม ได้ ถึงกระนั้นความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีในระยะเลา 100 ปีที่ผ่านมา ได้ทำให้เราเห็นและรู้ว่าอะตอมมีแกนกลาง ที่เรียกว่านิวเคลียส (nucleus) และนิวเคลียสยังประกอบด้วยอนุภาคที่มีขนาดเล็กกว่าอะตอมอีก อันได้แก่ โปรตอน (proton) ที่มีประจุ บวกและนิวตรอน (neutron) ที่ไม่มีประจุ ส่วนอิเล็กตรอน (electron) ที่มีประจุลบนั้น โคจรอยู่รอบนิวเคลียส และการเคลื่อนที่ของ อิเล็กตรอนในลวดไฟฟ้าที่ทำให้เรามีกระแสไฟฟ้าใช้

สุริยจักรวาลมีดาวเคราะห์โคจรรอบดวงอาทิตย์ฉันใด อะตอมก็มีอิเล็กตรอนโคจรรอบนิวเคลียสฉันนั้น แต่วิถีโคจรของอิเล็กตรอนรอบ นิวเคลียสมิได้ซ้ำรอยเดิมดังเช่นที่ดาวเคราะห์โคจรรอบดวงอาทิตย์ เพราะมันสามารถอยู่ในบริเวณทุกหนแห่งรอบนิวเคลียสได้ วิชากล ศาสตร์ควอนตัม (quantum mechanics) ที่นักฟิสิกส์ได้พัฒนาขึ้นมาเมื่อ 75 ปีก่อนสามารถคำนวณ ทำนาย และล่วงรู้อย่างละเอียด ว่าโอกาสที่มันจะอยู่ตรงตำแหน่งใดหรือเมื่อใด มีค่าเท่าไร

 

เพื่อให้เราเข้าใจและเห็นภาพของอะตอมในสสารชัดขึ้น เราจะสมมุติว่าเราสารรถย่อตัวลงจนมีขนาดเล็กเท่าอะตอมของก๊าซได้ การมี ขนาดไล่เลี่ยกับอะตอมทำให้เราสามารถเห็นอะตอมได้โดยไร้ปัญหาใดๆ และเราก็จะเห็นว่าในปริมาตร 1 ลูกบาศก์เซนติเมตร จะมีอะตอม ประมาณ 1 ล้านล้านล้านอะตอม ตัวเลขที่มหาศาลนี้ทำให้นักฟิสิกส์รู้ว่า อะตอมบางตัวของก๊าซที่เราหายใจเข้าไปครั้งหนึ่งเคยอยู่ในลม หายใจออกห้วงสุดท้ายของจูเลียส ซีซาร์ พระพุทธเจ้า หรือพระนเรศวร และอะตอมเหล่านี้ทุกอะตอมเคลื่อนที่ด้วยความเร็วต่างๆ กัน นอกจากนี้เราก็จะเห็นว่าอะตอมของก๊าซมีลักษณะกลมเหมือนลูกแก้วที่มีผิวคมชัด นี่คือภาพของก๊าซอุดมคติที่เราเรียนในชั้นมัธยม

แต่เมื่อก๊าซเย็นลง เราก็จะเห็นอะตอมมีความเร็วลดลง ทำให้ความถี่ในการปะทะกันลดตามไปด้วย และเหล่าอะตอม ( ลูกแก้ว) ก็จะเคลื่อนที่ เข้าใกล้กันมากขึ้น นั่นคือปริมาตรของก๊าซจะลด นี่คือเหตุการณ์ที่เรารู้กันดี แต่ก็มีเหตุการณ์หนึ่งที่คนทั่วไปไม่รู้ และที่จะเกิดขึ้นเมื่อความ เร็วของอะตอมลดลง นั่นคือ ขนาดของอะตอมจะใหญ่ขึ้น ( ตามหลักความไม่แน่นอน ของ Heisenberg ที่แถลงว่า เมื่อความไม่แน่นอน ของความเร็วลดความไม่แน่นอนของขนาดจะเพิ่ม) นั่นคือผิวของลูกแก้วที่เดิมเคยแข็งตัน ก็จะมีลักษณะเลือนราง จากเดิมที่ลูกแก้วไม่ สามารถพุ่งทะลุผ่านกัน กลับเป็นว่าที่อุณหภูมิต่ำมาก ลูกแก้วสามารถพุ่งทะลุผ่านกันได้ง่ายขึ้น และเมื่ออุณหภูมิของก๊าซลดต่ำลงอีก เหล่าอะตอมของก๊าซที่เกือบหยุดนิ่งก็จะหลอมรวมกันเป็นหนึ่งซูเปอร์อะตอม (superatom) ที่มีขนาดมโหฬารและมหาศาลกว่าอะตอม เดี่ยวมากจนเราสามารถมองเห็นด้วยตาเปล่าได้


นักฟิสิกส์เรียกซูเปอร์อะตอมที่เกิดจากกระบวนการรวม อะตอมลักษณะนี้ว่า Bose-Einstein Condensation หรือที่รู้จักกันในนามย่อว่า BEC เพราะ Einstein เป็นคนแรกที่ใช้สถิติแบบ Bose-Einstein ทำนายการ อุบัติของสสารชนิดนี้เมื่อ 70 ปี มาแล้ว

ภาพจาก : http://www.colorado.edu/physics/2000/bec/what_it_looks_like.html

Satyendra Nath Bose คือนักฟิสิกส์ที่มีชื่อมากที่สุดคนหนึ่งของอินเดีย เขาถือกำเนิดที่เมืองกัลกัตตา เมื่อปี 2437 บิดาของ Bose มีอาชีพเป็นกรรมกรรับจ้างตามสถานีรถไฟ ในวัยเด็กนอกจากจะเรียนฟิสิกส์ได้ดีเยี่ยมแล้ว Bose ยังมีพรสวรรค์ด้านภาษาด้วย เขาแปร ตำรา General Relativity ฉบับภาษาเยอรมันของ Einstein เป็นภาษาอังกฤษจนสำเร็จ แต่เขาก็พบว่าสำนักพิมพ์แห่งหนึ่งในอังกฤษ ได้จดลิขสิทธิ์การแปลตำราเล่มนั้นเรียบร้อยแล้ว งานแปรของ Bose จึงประสบปัญหาการจัดจำหน่าย Bose ตัดสินใจเขียนจดหมายถึง Einstein ที่กรุงเบอร์ลิน และขอร้องให้ Einstein ช่วย ซึ่ง Einstein ก็อนุเคราะห์โดยขอให้สำนักพิมพ์แห่งนั้นอนุญาตให้ Bose วางจำหน่ายในอินเดียได้

 

การได้รับความเอื้ออาทรจาก Einstein ในครั้งนั้น ทำให้ Bose ซึ่งขณะนั้นทำงานเป็นอาจารย์สอนฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัย Dacca เขียนจดหมายถึง Einstein อีกในปี 2467 เพื่อขอให้ Einstein ช่วยตรวจและให้ความเห็นต่อเทคนิคทางสถิติที่ Bose ใช้ในการ พิสูจน์กฎการแผ่รังสีของ Planck และทันทีที่ Einstein ก็ได้แปล เรียบเรียง และปรับปรุงงานวิจัยของ Bose ให้ถูกต้อง สมเหตุสมผล และกระชับ เป็นภาษาเยอรมัน เพื่อส่งไปลงพิมพ์ในวารสาร Zeitschrift fÜr Physik ผลงานชิ้นนี้ทำให้โลกรู้จักสถิติรูปแบบใหม่ ซึ่งทุกวันนี้ เรียกว่า Bose-Einstein Statistics และนักฟิสิกส์รู้จักอนุภาคชนิดใหม่ซึ่งเรียกว่า boson อีกทั้งทำให้ Einstein หันเห ความสนใจจากงานวิจัยเรื่อง The United Field Theory มาสนใจทฤษฎีควอนตัมของการแผ่รังสีแทน

ถึงแม้ Bose จะไม่ได้รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ แต่โลกก็รู้จักเขาในฐานะนักฟิสิกส์ผู้ยิ่งใหญ่คนหนึ่งที่มีชื่อ ปรากฏคู่ Einstein อันเป็น เกียรติประวัติที่นักวิทยาศาสตร์น้อยคนจะได้รับ

 

โลกต้องคอยนานถึง 70 ปีจึงจะเห็นว่าคำทำนายของ Einstein เป็นจริง เพราะการที่จะเห็น BEC ก๊าซจะต้องมีอุณหภูมิต่ำใกล้ถึงศูนย์ องศาเคลวิน หรือที่เรานิยมเรียกโดยทั่วไปว่าศูนย์องศาสัมบูรณ์ ซึ่งมีค่าเท่ากับ - 273.15 องศาเซลเซียส เพื่อความเข้าใจในความยาก ลำบากของการทำสสารให้มีอุณหภูมิต่ำใกล้ศูนย์องศาสัมบูรณ์ เราจะสมมุติว่าเรามีเทอร์โมมิเตอร์ที่มีขนาดยาวมากถึง 1,149 กิโลเมตร แท่งหนึ่ง ซึ่งมีสเกลศูนย์องศาสัมบูรณ์อยู่ที่สนามหลวง (กรุงเทพฯ) ส่วนอุณหภูมิ 300 องศาสัมบูรณ์ (ซึ่งเท่ากับ 27 องศาเซลเซียส ) อยู่ที่ ปลายอีกข้างหนึ่งของเทอร์โมมิเตอร์ที่นราธิวาส การแบ่งสเกลของเทอร์โมมิเตอร์นี้จะทำให้เรารู้ว่าตำแห่งอุณหภูมิ 273 องศาสัมบูรณ์ ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่น้ำบริสุทธิ์แข็งตัวอยู่ที่จังหวัดปัตตานี ตำแหน่งอุณหภูมิที่ขั้วโลกใต้จะอยู่ที่ตรัง อุณหภูมิ 77 องศาสัมบูรณ์ซึ่งเป็น อุณหภูมิที่ก๊าซไนโตรเจนกลายเป็นของเหลวจะอยู่ประจวบคีรีขันธ์อุณหภูมิ 4 องศาสัมบูรณ์ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่ก๊าซฮีเลียมกลายเป็นของเหลว จะอยู่ที่พุทธมณฑล จังหวัดนครปฐม และอุณหภูมิ 0.0000017 องศาสัมบูรณ์ ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่นักฟิสิกส์สามารถเห็น BEC ได้ ก็จะอยู่ ที่ที่ห่างสนามหลวงเพียง 0.4 มิลลิเมตรเท่านั้น ( ทฤษฎีฟิสิกส์ด้านอุณหพลศาสตร์ได้แถลงว่ามนุษย์ไม่สามารถสร้างสสารให้มีอุณหภูมิ องศาสัมบูรณ์ได้)

ดังนั้นการแถลงข่าวของ Eric A. Cornell แห่ง National Institute of Standards and Technology และ Carl E. Wieman แห่งมหาวิทยาลัยโคโลราโด ที่เมืองโบลเดอร์ในรัฐโคโลราโด สหรัฐอเมริกา เมื่อวันที่ 5 มิถุนายน 2538 จึงทำให้โลกตื่นเต้น เมื่อเขาประกาศว่า เขาประสบความสำเร็จในการทำให้อะตอมของธาตุ rubidium-87 จำนวน 2,000 อะตอม หลอมรวมกันเป็นซูเปอร์ อะตอมที่มีเส้นผ่าศูนย์กลางยาว 0.00008 เซนติเมตร นาน 15 วินาที ซึ่งอะตอมแต่ละตัวได้สลัดทิ้งความแตกต่างที่เคยมีจนกระทั่งมี คุณสมบัติที่เหมือนกันทุกประการ ลักษณะเดียวกับการมีเหล่าทหารที่เดินไปเดินมาอย่างไม่เป็นระเบียบ แต่พอมีเพลงมาร์ชทหารทุกคน ก็เดินเข้าแถวสวนสนามด้วยลีลา ท่าทาง และจังหวะที่พร้อมเพรียงกัน เหล่าอะตอมในซูเปอร์อะตอมก็เช่นกัน อะตอมทุกตัวเคลื่อนที่ด้วย ความเร็วประมาณ 1 เซนติเมตรต่อวินาที และไปในทิศเดียวกัน ตรงตามคำทำนายของ Einstein ทุกประการ

จากนั้นอีกสามเดือนต่อมา Wolfgang Ketterle แห่ง Massachusetts Institute of Technology ในสหรัฐอเมริกา ผู้พยายาม ทดลองสร้าง BEC มาเป็นเวลานานเช่นกัน ก็ได้แถลงว่า เขาสามารถทำให้อะตอมของธาตุ sodium-23 จำนวน 4 แสนอะตอม หลอม รวมกันเป็นซูเปอร์อะตอมได้ การมีอะตอมจำนวนมากเช่นนี้ทำให้นักฟิสิกส์สามารถศึกษาคุณสมบัติทางกายภาพของก๊าซที่เย็นที่สุดใน จักรวาลได้ดีขึ้น

ณ วันนี้นักฟิสิกส์พบแล้วว่าไม่เพียงแต่อะตอมของ sodium หรือ rubidium เท่านั้นที่สามารถหลอมรวมกันเป็นซูเปอร์อะตอมได้ อะตอมของธาตุอื่น เช่น lithium-7, helium-4, potassium-39 ก็สามารถรวมกันเป็นซูเปอร์อะตอมได้เช่นกัน

เมื่อเดือนตุลาคม พ.ศ. 2544 สถาบัน The Royal Swedish Academy of Sciences แห่งสวีเดนได้แถลงข่าวผู้พิชิตรางวัล โนเบลสาขาฟิสิกส์ว่า ได้แก่ Eric A. Cornell, Wolfgang Ketterle และ Carl E. Wieman จากผลงานการสร้าง BEC โดยใช้ อะตอมของโลหะอัลคาไล (alkali) ซึ่งมีประโยชน์ต่อความก้าวหน้าทางวิชาการและเทคโนโลยีของมนุษย์มาก ทั้งนี้เพราะนักฟิสิกส์ สามารถใช้ BEC ซึ่งประกอบด้วยอะตอมจำนวนนับแสนหรือล้านที่เหมือนกันทุกประการ ทดสอบทฤษฎีควอนตัมของสสารที่มีขนาด ใหญ่ได้ หรือศึกษาปฏิกิริยาระหว่าง BEC ที่มีคุณสมบัติแตกต่างกัน เช่นมีพลังงานไม่เท่ากัน มีความเร็วไม่เท่ากันและเคลื่อนที่คนละทาง เป็นต้น อนึ่งการที่อะตอมทุกตัวใน BEC มีคุณสมบัติเหมือนกันทุกประการ ได้จุดชนวนความคิดที่จะใช้ BEC ทำอะตอมเลเซอร์ (atom laser) ในอนาคต เลเซอร์ที่เรารู้จักให้แสงที่มีความยาวคลื่นเท่ากันหมด และคลื่นแสงเหล่านี้เคลื่อนที่ไปในทิศเดียวกันทุกคลื่น คุณสมบัติ เช่นนี้ทำให้แสงเลเซอร์มีความเข้มสูง และเราสามารถโฟกัสมันได้ง่าย ฉันใดก็ฉันนั้น เพราะ BEC ประกอบด้วยอะตอมซึ่งมีคุณสมบัติ เหมือนกันทุกประการ ดังนั้นเราก็สามารถใช้อะตอมต่างแสงประดิษฐ์ชิ้นส่วนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ทำไมโครชิปที่มีขนาดเล็กกว่าไมโคร ชิปธรรมดาหลายร้อยเท่าได้ คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ถูกประดิษฐ์โดยวิธีนี้ก็จะมีประสิทธิภาพสูงยิ่งกว่าซูเปอร์คอมพิวเตอร์ปัจจุบันมากขึ้น ไปอีก ส่วนนักเทคโนโลยีก็มุ่งหวังจะใช้ BEC ในการทำนาฬิกาปรมาณู ทำ gyroscope สำหรับการนำทางไกลๆ ในอวกาศ เหล่านี้คือ คุณสมบัติและประโยชน์ที่เราจะได้จากการทำซูเปอร์อะตอม จะอย่างไรก็ตามมันก็เป็นไปได้ว่า ถ้าการทดลองที่ใช้ BEC สามารถพิสูจน์ พบว่าทฤษฎีควอนตัมที่มีในปัจจุบันไม่สมบูรณ์ นักฟิสิกส์ก็จำเป็นต้องปรับปรุงทฤษฎีควอนตัมอีก และนั่นก็หมายความว่า BEC ซึ่งเป็น ผลิตผลที่เกิดจากปรากฏการณ์ควอนตัมของสสารได้ล้มทฤษฎีควอนตัมทำนองเดียวกับกรณีทรพีที่ได้ฆ่าทรพาผู้ให้กำเนิด

ปัจจุบันนี้เราทุกคนประจักษ์แล้วว่า แสงเลเซอร์ได้ปฏิรูปชีวิตและเทคโนโลยีของมนุษย์มากเพียงใด ดังนั้นในอนาคต อะตอมเลเซอร์ในรูป ของซูเปอร์อะตอมก็จะพัฒนาชีวิตและเทคโนโลยีของมนุษย์ในอนาคตได้มากไม่แพ้กัน

ตอนที่ 2 แรงที่มีมวล อนุภาคนำพาแรง >>> อ่านต่อ