ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#31 บทที่ 5 อนุภาคมูลฐานและแรงแห่งธรรมชาติ : การมองดูอะตอมและการหมุนของอนุภาค

ตอนนี้เรารู้แล้วว่าอะตอมหรือโปรตอนและนิวตรอนภายในอะตอมยังสามารถแบ่งแยกได้อีก ดังนั้นคำถามคือ อะไรคืออนุภาคมูลฐานที่แท้จริง ซึ่งเป็นหน่วยการสร้างพื้นฐานที่ใช้สร้างทุกสิ่งทุกอย่าง เนื่องจากความยาวคลื่นของแสงนั้นใหญ่กว่าขนาดของอะตอมมาก เราจึงไม่สามารถ “มอง” ส่วนต่างๆ ของอะตอมในลักษณะปกติได้ เราจำเป็นต้องใช้สิ่งที่มีความยาวคลื่นน้อยกว่ามาก ดังที่เราเห็นในบทที่แล้ว กลศาสตร์ควอนตัมบอกเราว่าจริงๆ แล้วอนุภาคทั้งหมดเป็นคลื่น และยิ่งพลังงานของอนุภาคสูงเท่าใด ความยาวคลื่นที่สอดคล้องกันก็จะยิ่งเล็กลงเท่านั้น

ดังนั้นคำตอบที่ดีที่สุดที่เราสามารถให้สำหรับคำถามของเรานั้น ขึ้นอยู่กับว่าเรามีพลังงานของอนุภาคสูงแค่ไหน เพราะสิ่งนี้เป็นตัวกำหนดว่าเราจะสามารถมองเห็นสิ่งเล็กๆได้ขนาดไหน พลังงานของอนุภาคเหล่านี้มักจะวัดเป็นหน่วยที่เรียกว่า อิเล็กตรอนโวลต์ (ในการทดลองของทอมสันกับอิเล็กตรอน เราเห็นว่าเขาใช้สนามไฟฟ้าเร่งอิเล็กตรอน พลังงานที่อิเล็กตรอนได้รับจากสนามไฟฟ้า 1 โวลต์ เรียกว่า อิเล็กตรอนโวลต์) ในศตวรรษที่ 19 มีเพียงพลังงานของอนุภาคที่ผู้คนรู้วิธีใช้เท่านั้นคือ พลังงานต่ำ 2-3 อิเล็กตรอนโวลต์ที่เกิดจากปฏิกิริยาเคมี เช่น การเผาไหม้

แต่ก่อนเชื่อกันว่าอะตอมเป็นหน่วยที่เล็กที่สุด ในการทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ด อนุภาคแอลฟามีพลังงานเป็นล้านอิเล็กตรอนโวลต์ ไม่นานมานี้เราได้เรียนรู้วิธีใช้สนามแม่เหล็กไฟฟ้าเพื่อให้พลังงานแก่อนุภาคตั้งแต่แรกเริ่มนับล้านอิเล็กตรอนโวลต์ และจากนั้นก็เพิ่มเป็นพันๆ ล้านอิเล็กตรอนโวลต์ ทำให้เรารู้ว่าอนุภาคที่เชื่อว่าเป็น “อนุภาคมูลฐาน” เมื่อสามสิบปีก่อนนั้น อันที่จริงประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กกว่า

นักวิทยาศาสตร์ตั้งเป้าที่จะควบคุมพลังงานที่สูงกว่าที่เคย เพื่อดูอนุภาคที่มีขนาดเล็กกว่าที่เคย สิ่งนี้เป็นไปได้อย่างแน่นอน แต่เรามีเหตุผลทางทฤษฎีบางประการที่เชื่อว่าเรามีความรู้เกี่ยวกับองค์ประกอบพื้นฐานของธรรมชาติและได้พบอนุภาคที่เล็กที่สุดแล้ว

การมองดูอะตอม

กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง (Optical microscope) มีมานานหลายปีแล้ว คุณสามารถขยายภาพได้มากกว่า 2,000 เท่าด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงที่ทันสมัย ซึ่งก็เพียงพอแล้วที่จะเห็นภายในเซลล์พืชและสัตว์ แต่ไม่ละเอียดมากนัก ขีดจำกัดหลักคือความยาวคลื่นของแสง ถ้าคุณใช้กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงที่ทรงพลังที่สุดในโลกเพื่อดูอะตอม จะเกิดอะไรขึ้น? คำตอบคือ เราไม่สามารถมองเห็นสิ่งใดที่เล็กกว่าความยาวคลื่นของแสงที่ใช้ในการสร้างภาพได้ เนื่องจากความยาวคลื่นของแสงที่มองเห็นได้อยู่ที่ประมาณ 10^-6 เมตร อะตอมทั่วไปมีขนาดประมาณ 10^-10 เมตร ซึ่งเล็กกว่าความยาวคลื่นของแสงถึง 10,000 เท่า เนื่องจากอะตอมมีขนาดเล็กกว่าความยาวคลื่นของแสงที่มองเห็นได้มาก จนแสงที่มุ่งเป้าไปที่พวกมันไม่สะท้อนกลับมา จึงทำให้เรามองไม่เห็นอะตอม เพื่อที่จะมองเห็นอะตอมเราจำเป็นต้องใช้สิ่งที่มีความยาวคลื่นน้อยกว่ามาก

รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic radiation) รูปแบบอื่นมีความยาวคลื่นสั้นกว่าแสงที่มองเห็นได้มาก ตัวอย่างเช่น รังสีเอกซ์ที่ใช้สำหรับถ่ายภาพเพื่อการวินิจฉัยโรค และงานผลึกศาสตร์ (crystallography) มีความยาวคลื่นน้อย 10^-8 ถึง 10^-11 เมตร แต่ปัญหาคือ เป็นเรื่องยากมากที่จะโฟกัสรังสีเอกซ์ โชคดีที่กลศาสตร์ควอนตัมเป็นอีกทางเลือกหนึ่งในการมองโลกของอะตอม กลศาสตร์ควอนตัมบอกเราว่าจริงๆ แล้วอนุภาคทั้งหมดเป็นคลื่น และยิ่งพลังงานของอนุภาคสูงเท่าใด ความยาวคลื่นที่สอดคล้องกันก็จะยิ่งเล็กลงเท่านั้น

เพื่อที่จะมองเห็นอะตอม เราจำเป็นต้องให้พลังงานสูงแก่อนุภาค เพื่อให้อนุภาคมีความยาวคลื่นสั้นลง ในการทดลองของทอมสันที่ค้นพบอิเล็กตรอน เราจะเห็นว่าเขาใช้สนามไฟฟ้าในการเร่งอิเล็กตรอน พลังงานที่อิเล็กตรอนได้รับจากสนามไฟฟ้า 1 โวลต์เรียกว่า อิเล็กตรอนโวลต์ (electron volt; eV)

การค้นพบอิเล็กตรอนชี้ให้เห็นว่ายังมีอีกหลายสิ่งที่ต้องเรียนรู้เกี่ยวกับอะตอม งานของทอมสันเปิดเผยว่าอิเล็กตรอนมีประจุลบ แต่อะตอมเองเป็นกลางทางไฟฟ้า จึงต้องมีอนุภาคที่มีประจุบวกลึกลับเพื่อหักล้างกับอิเล็กตรอนที่มีประจุลบออก ซึ่งในเวลาต่อมา รัทเทอร์ฟอร์ดค้นพบนิวเคลียสของอะตอม จากการยิงลำแสงอนุภาคแอลฟาที่มีพลังงานเป็นล้านอิเล็กตรอนโวลต์ไปที่แผ่นฟอยล์บางๆ และค้นพบว่าอนุภาคแอลฟาไปโดนอะไรบางอย่างที่เป็นของแข็งซึ่งตั้งอยู่ที่ใจกลางอะตอม ซึ่งก็คือ “นิวเคลียส” 

ตอนต้นของศตวรรษที่ 20 มีการค้นพบโครงสร้างของอะตอม และพบว่าอะตอมประกอบด้วยส่วนที่เล็กลงไปอีก เรียกว่า อนุภาคย่อยของอะตอม (subatomic particles) ได้แก่ โปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอน ต่อมาในช่วงทศวรรษที่ 1930 เครื่องเร่งอนุภาค (particle accelerator) ได้ถูกประดิษฐ์ขึ้นเพื่อตรวจสอบโครงสร้างของนิวเคลียสของอะตอม ซึ่งทำให้นักฟิสิกส์ค้นพบ “อนุภาคมูลฐาน (elementary particle)” หลายชนิด เช่น quarks, antiquarks, leptons เป็นต้น

หลักการทำงานของเครื่องเร่งอนุภาคคือ ใช้สนามแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic field) ในการเร่งความเร็วและเพิ่มพลังงานของลำแสงอนุภาคที่มีประจุ เช่น อิเล็กตรอนหรือโปรตอน ให้เคลื่อนที่ภายในท่อโลหะสูญญากาศด้วยความเร็วใกล้ความเร็วแสงและมีพลังงานที่สูงมาก เข้าชนอะตอมที่เป็นเป้าหมาย จากนั้นทำการตรวจวัดและวิเคราะห์อนุภาคและรังสีที่เกิดขึ้นจากการชนกัน ข้อมูลเหล่านี้สามารถบอกเราได้ถึงอนุภาคที่ประกอบกันเป็นอะตอม และแรงที่ยึดเหนี่ยวอะตอมไว้ด้วยกัน

เครื่องเร่งอนุภาคจำนวนมากเข้าถึงพลังงานที่สูงมาก ตั้งแต่ล้านอิเล็กตรอนโวลต์ไปจนถึงล้านล้านอิเล็กตรอนโวลต์ ในยุคต้นๆ เครื่องเร่งอนุภาคถูกสร้างขึ้นมาเพื่อที่จะใช้เป็นเครื่องมือในการทดลองทางฟิสิกส์เพื่อใช้ศึกษาคุณสมบัติของนิวเคลียส ในปัจจุบันนี้ได้มีการนำเครื่องเร่งอนุภาคมาใช้ในงานวิจัยประยุกต์ ด้านการแพทย์ อุตสาหกรรม และอื่นๆ ปัจจุบันมีเครื่องเร่งอนุภาคมากกว่า 30,000 เครื่องที่กำลังทำงานอยู่ทั่วโลก

หมายเหตุ: พลังงานของอนุภาควัดเป็น “อิเล็กตรอนโวลต์ (eV)” พลังงาน 1 อิเล็กตรอนโวลต์เป็นพลังงานที่น้อยมาก โดย 1 eV = 1.6 x 10-¹⁹ จูล

พลังงาน 1 eV เท่ากับปริมาณของพลังงานจลน์ที่เกิดขึ้น จากการที่อิเล็กตรอนอิสระเร่งความเร็วผ่านสนามไฟฟ้า 1 โวลต์ในสูญญากาศ

Coldplay – Higher Power

ทวิภาคของคลื่น-อนุภาค (wave-particle duality) ที่กล่าวถึงในบทที่แล้วระบุว่า ทุกสิ่งทุกอย่างในจักรวาลรวมทั้งแสงและแรงโน้มถ่วง สามารถอธิบายว่าเป็นอนุภาคได้ อนุภาคเหล่านี้มีคุณสมบัติที่เรียกว่า สปิน (spin) วิธีหนึ่งในการทำความเข้าใจเกี่ยวกับสปิน คือการจินตนาการว่าอนุภาคเป็นยอดเล็กๆ ที่หมุนรอบแกน อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้อาจทำให้เข้าใจผิดได้ เนื่องจากกลศาสตร์ควอนตัมบอกเราว่าอนุภาคไม่มีแกน

สิ่งที่การหมุนของอนุภาคบอกเราจริงๆ ก็คือลักษณะของอนุภาคจากทิศทางที่ต่างกัน (รูปที่ 5.1-i) อนุภาคที่มีสปิน 0 เป็นเหมือนจุด: มันดูเหมือนทุกทิศทาง (รูปที่ 5.1-ii) อนุภาคที่มีสปิน 1 ก็เหมือนลูกศร: มันดูแตกต่างจากทิศทางที่ต่างกัน ต้องผ่านการหมุนรอบที่สมบูรณ์ (360 องศา) เพื่อให้กลับมามีลักษณะเหมือนเดิมอีกครั้ง (รูปที่ 5.1-iii) อนุภาคที่สปิน 2 เหมือนลูกศรสองหัว: มันดูเหมือนกันถ้าหมุนไปครึ่งรอบ (180 องศา) มีข้อเท็จจริงที่น่าทึ่งก็คือ มีอนุภาคที่ต้องผ่านการหมุนถึงสองรอบเพื่อให้กลับมาเหมือนเดิมอีกครั้ง! อนุภาคดังกล่าวมีสปิน ½

อนุภาคที่รู้จักทั้งหมดในจักรวาลสามารถแบ่งออกเป็นสองกลุ่ม: อนุภาคที่มีสปิน ½ ซึ่งประกอบเป็นสสารในจักรวาล และอนุภาคที่มีสปิน 0, 1 และ 2 ซึ่งทำให้เกิดแรงระหว่างอนุภาคของสสาร

อนุภาคของสสารเป็นไปตาม “หลักการกีดกันของเพาลี (Pauli’s exclusion principle)” ซึ่งถูกค้นพบในปี 1925 โดยนักฟิสิกส์ชาวออสเตรียชื่อ Wolfgang Pauli เขาได้รับรางวัลโนเบลในปี 1945 เขาเป็นนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีตามแบบฉบับ มีคนพูดถึงเขาว่า แม้แต่การปรากฏตัวของเขาในเมืองเดียวกันก็ยังทำให้การทดลองผิดพลาดได้!

หลักการกีดกันของเพาลี กล่าวว่าอนุภาคที่คล้ายกันสองตัวไม่สามารถอยู่ในสถานะเดียวกันได้ นั่นคือไม่สามารถมีทั้งตำแหน่งเดียวกันและความเร็วเท่ากันได้ภายในขอบเขตที่กำหนดโดยหลักการความไม่แน่นอน หลักการกีดกันมีความสำคัญมาก เพราะอธิบายได้ว่าทำไมอนุภาคของสสารไม่ยุบตัวเป็นสถานะที่มีความหนาแน่นสูงมาก ภายใต้อิทธิพลของแรงที่เกิดจากอนุภาคที่มีสปิน 0, 1 และ 2: ถ้าอนุภาคของสสารมีตำแหน่งใกล้เคียงกันมากจะต้องมีความเร็วต่างกัน ซึ่งหมายความว่าจะไม่อยู่ในตำแหน่งเดียวกันเป็นเวลานาน

หากโลกถูกสร้างขึ้นโดยปราศจากหลักการกีดกันของเพาลี ควาร์กจะไม่ก่อตัวเป็นโปรตอนและนิวตรอนที่แยกจากกัน และเมื่อพวกมันรวมกับอิเล็กตรอน ก็จะไม่ก่อตัวเป็นอะตอมที่แยกจากกัน พวกมันทั้งหมดจะยุบตัวเป็น “ซุป” ที่หนาแน่นและสม่ำเสมอ

การหมุนของอนุภาค

ในกลศาสตร์ควอนตัม อนุภาคมีคุณสมบัติที่เรียกว่า “สปิน (spin) หรือการหมุน” ซึ่งเผยให้เห็นว่าอนุภาคมีลักษณะอย่างไรจากทิศทางต่างๆ อนุภาคที่มีสปิน 0 เป็นเหมือนจุดหรือทรงกลม พวกมันมีลักษณะเหมือนกันจากทุกทิศทาง อนุภาคที่มีสปิน 1 พวกมันมีลักษณะเหมือนลูกศร นั่นคือต้องผ่านการหมุน 360 องศาเพื่อให้กลับมาเหมือนเดิมอีกครั้ง อนุภาคที่มีสปิน 2 มีลักษณะเหมือนลูกศรสองหัว และต้องผ่านการหมุน 180 องศาจึงจะมีลักษณะเหมือนเดิมอีกครั้ง ยังมีอนุภาคที่มีสปิน ½ ซึ่งหมายความว่าอนุภาคต้องหมุนสองรอบ (720 องศา) เพื่อให้กลับมาเหมือนเดิมอีกครั้ง

อนุภาคที่รู้จักทั้งหมดสามารถแบ่งออกเป็นสองกลุ่ม (1) อนุภาคที่มีสปิน ½ คือ อนุภาคซึ่งประกอบขึ้นเป็นสสารทั้งหมดในจักรวาลของเรา ได้แก่ อิเล็กตรอน โปรตอน นิวตรอน และควาร์ก (2) อนุภาคที่มีสปิน 0, 1 และ 2 ซึ่งก่อให้เกิดแรงระหว่างอนุภาคของสสาร

โวล์ฟกัง เพาลี (Wolfgang Pauli) นักฟิสิกส์ชาวออสเตรียผู้ได้รับรางวัลโนเบลในปี 1945 จากการค้นพบว่า ไม่มีอนุภาคชนิดเดียวกันสองอนุภาคที่สามารถครอบครองสถานะควอนตัมเดียวกันได้ในเวลาเดียวกัน นั่นคืออนุภาคชนิดเดียวกันสองอนุภาคไม่สามารถอยู่ในตำแหน่งเดียวกันและมีความเร็วเท่ากันในเวลาเดียวกัน สิ่งนี้เรียกว่า “หลักการกีดกันของเพาลี (Pauli Exclusion Principle) หมายความว่าอนุภาคชนิดเดียวกันที่อยู่ใกล้เคียงจะผลักกันและเคลื่อนตัวกระจายออกไป ทำให้จักรวาลมีโครงสร้างและป้องกันไม่ให้อนุภาคยุบตัวจนกลายเป็น “ซุป” ที่มีความหนาแน่น

Komodo – (I Just) Died In Your Arms

• Facebook
• Twitter
• Line