ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#35 บทที่ 5 อนุภาคมูลฐานและแรงแห่งธรรมชาติ : แรงพื้นฐานทั้งสี่ – Weak Nuclear Force

แรงประเภทที่สามเรียกว่าแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน ซึ่งมีหน้าที่ในการสลายตัวของธาตุกัมมันตภาพรังสีและกระทำกับอนุภาคที่มีการหมุนหรือสปิน ½ ทั้งหมด แต่ไม่ส่งผลต่ออนุภาคที่มีสปิน 0, 1 หรือ 2 อย่างเช่น โฟตอนและกราวิตอน แรงนิวเคลียร์อย่างอ่อนยังไม่เป็นที่เข้าใจกันจนถึงปี 1967 เมื่อ อับดัส ซาลาม (Abdus Salam) ทำงานที่ Imperial College ณ กรุงลอนดอน และ สตีเวน ไวน์เบิร์ก (Steven Weinberg) ทำงานที่ Harvard university ต่างก็เสนอทฤษฎีที่รวมแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อนกับแรงแม่เหล็กไฟฟ้าเข้าด้วยกัน เช่นเดียวกับที่เจมส์ เคลิร์ก แมกซ์เวลล์ (James Clerk Maxwell) ได้รวมไฟฟ้าและแม่เหล็กเป็นอันหนึ่งอันเดียวกันเมื่อประมาณหนึ่งร้อยปีก่อน 

พวกเขาระบุว่านอกจากโฟตอนแล้ว ยังมีอนุภาคที่มีสปิน-1 อีกสามอนุภาค ที่เรียกว่า โบซอน (Bosons) ซึ่งเป็นตัวกลางในการส่งผ่านแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน โบซอนทั้งสามได้แก่ W+ , W– และ Z แต่ละตัวมีมวลประมาณ 100 GeV (GeV ย่อมาจาก gigaelectron-volt หรือหนึ่งพันล้านอิเล็กตรอนโวลต์)

ทฤษฎี Weinberg-Salam แสดงคุณสมบัติที่เรียกว่า “การเสียสมมาตรที่เกิดขึ้นเอง (spontaneous symmetry breaking)” ซึ่งหมายความว่า อนุภาคเหล่านี้ดูแตกต่างกันที่พลังงานต่ำเท่านั้น แต่ที่พลังงานสูงพวกมันทั้งหมดทำหน้าที่เหมือนกัน เหมือนกับพฤติกรรมของลูกบอลรูเล็ตบนวงล้อรูเล็ตที่มี 37 ช่อง เมื่อวงล้อหมุนเร็ว (ที่พลังงานสูง) ลูกบอลจะทำงานในลักษณะเดียวเท่านั้น นั่นคือจะหมุนเป็นวงกลมไปรอบๆ แต่เมื่อวงล้อหมุนช้าลง พลังงานของลูกบอลจะลดลง และในที่สุดลูกบอลก็ตกลงไปในช่องหนึ่งในสามสิบเจ็ดในวงล้อ

Sam Smith – Money On My Mind

ในทฤษฎีของ Weinberg-Salam ที่พลังงานสูงกว่า 100 GeV อนุภาคใหม่สามตัวและโฟตอนทั้งหมดจะมีพฤติกรรมในลักษณะเดียวกัน แต่ที่พลังงานต่ำที่เกิดขึ้นในสถานการณ์ปกติส่วนใหญ่ ความสมมาตรระหว่างอนุภาคนี้จะถูกทำลาย

W+, W– และ Z° มีมวลมาก ทำให้แรงที่พวกมันนำพามีช่วงสั้นมาก ในขณะที่ Salam และ Weinberg เสนอทฤษฎีของพวกเขา มีเพียงไม่กี่คนที่เชื่อในทฤษฎีนี้ และเครื่องเร่งอนุภาคไม่มีพลังเพียงพอที่จะเข้าถึงพลังงาน 100 GeV ที่จำเป็นในการผลิตอนุภาค W+, W– หรือ Z° 

อย่างไรก็ตาม ในอีก 10 ปีต่อมา มีการทดลองที่สอดคล้องกับการคาดการณ์ของทฤษฎีนี้ ทำให้ในปี 1979 Salam และ Weinberg ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ ร่วมกับ Sheldon Glashow ผู้ซึ่งเสนอทฤษฎีที่คล้ายคลึงกันในการรวมแรงแม่เหล็กไฟฟ้าและแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อนเข้าด้วยกัน ต่อมาในปี 1983 ที่ CERN (ศูนย์วิจัยนิวเคลียร์แห่งยุโรป) มีการค้นพบ W boson และ Z boson ที่ทฤษฎีนี้คาดการณ์การมีอยู่  ส่งผลให้ คาร์โล รุบเบีย (Carlo Rubbia) ผู้นำทีมนักฟิสิกส์ที่ค้นพบ ได้รับรางวัลโนเบลในปี 1984 พร้อมด้วย ไซมอน ฟาน เดอร์ เมียร์ (Simon van der Meer) วิศวกร CERN ผู้พัฒนาระบบจัดเก็บปฏิสสารที่ใช้ (ปัจจุบันเป็นเรื่องยากมากที่จะทำเครื่องหมายในฟิสิกส์ทดลองเว้นแต่คุณจะอยู่ในอันดับต้นๆ!)

Imagine Dragons – Radioactive

Weak Nuclear Force

แรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน (weak nuclear force หรือ weak force) เป็นหนึ่งในสี่แรงพื้นฐานที่ควบคุมสสารทั้งหมดในจักรวาล อีกสามแรงคือ แรงโน้มถ่วง (gravitational force) แรงแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic force) และแรงนิวเคลียส์อย่างเข้ม (strong nuclear force) ในขณะที่แรงอื่นๆ ยึดสิ่งต่างๆ ไว้ด้วยกัน แรงนิวเคลียร์อย่างอ่อนมีบทบาทในการสลายตัวของสสาร

ตามชื่อที่สื่อถึง แรงนิวเคลียร์อย่างอ่อนนั้นจะอ่อนกว่าแรงนิวเคลียส์อย่างเข้มและแรงแม่เหล็กไฟฟ้ามาก แต่ก็แข็งแกร่งกว่าแรงโน้มถ่วง แต่จะมีผลเฉพาะในระยะทางที่สั้นมากเท่านั้น มันกระทำโดยตรงกับอนุภาคย่อยของอะตอม ได้แก่ โปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอนที่ประกอบเป็นอะตอม และมีบทบาทสำคัญในการให้พลังงานแก่ดวงดาวและการสร้างองค์ประกอบใหม่ นอกจากนี้ยังรับผิดชอบต่อการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสีบางชนิด

กระบวนการที่เกิดจากแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อนมีดังต่อไปนี้

1. Beta Decay

แรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน (weak nuclear force ) เป็นแรงที่อ่อนที่สุดเป็นอันดับสองรองจากแรงโน้มถ่วงและเป็นแรงที่มีพิสัยสั้นที่สุด มันถูกค้นพบครั้งแรกเพื่ออธิบายการสลายตัวของเบต้า (Beta decay) ซึ่งถูกค้นพบโดยเออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด (Ernest Rutherford) นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษในปี 1899 รัทเทอร์ฟอร์ดรู้ว่าการสลายตัวของบีตาเกี่ยวข้องกับอะตอมที่ปล่อยอนุภาคบางชนิดออกมา และในปีต่อมา อองตวน อองรี เบคเคอเรล (Antoine Henri Becquerel) นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส แสดงให้เห็นว่าอนุภาคเหล่านี้เป็นอิเล็กตรอน

ในปี 1911 นักฟิสิกส์ค้นพบว่าอะตอมสูญเสียพลังงานระหว่างการสลายตัวของเบต้ามากกว่าพลังงานของอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมา โดยที่มวลและพลังงานมีความสัมพันธ์กันตามสมการ E = mc² ในทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ นี่แสดงให้เห็นว่ามีแหล่งพลังงานอื่นในการสลายตัวของเบต้า ซึ่งทำให้ โวล์ฟกัง เปาลี (Wolfgang Pauli) นักฟิสิกส์ชาวออสเตรียทำนายการมีอยู่ของอนุภาคใหม่ที่มีประจุเป็นกลางในปี 1930

ในปี 1934 เอนรีโก แฟร์มี (Enrico Fermi) นักฟิสิกส์ชาวอิตาลีตั้งชื่ออนุภาคสมมุติฐานที่เสนอโดยโวล์ฟกัง เพาลี นี้ว่า “นิวตริโน (neutrino)” และรวมนิวตริโนไว้ในทฤษฎีการสลายตัวของเบต้า ในขณะนั้น นิวเคลียสของอะตอมเป็นที่รู้กันว่าประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน แฟร์มีแสดงให้เห็นว่าอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาในการสลายตัวของเบต้า ดูเหมือนจะไม่ได้มาจากกลุ่มเมฆของอิเล็กตรอนที่โคจรรอบนิวเคลียส อิเล็กตรอนดูเหมือนจะปรากฏเป็นอิเล็กตรอนใหม่ที่เล็ดลอดออกมาจากนิวเคลียส

ในทฤษฎีการสลายตัวของเบต้า แฟร์มีแสดงให้เห็นว่าในระหว่างการสลายตัวของเบต้า นิวตรอนจะสลายตัวเป็นโปรตอนและปล่อยอิเล็กตรอนออกมาเอง โดยที่อิเล็กตรอนมีประจุลบและโปรตอนมีประจุบวก เขาทำนายว่ายังมีอนุภาคพิเศษที่ปล่อยออกมาพร้อมกับอิเล็กตรอนในการสลายตัวของเบต้า นั่นคือ “แอนตินิวตริโน (antineutrino)” ที่มีประจุเป็นกลาง

ในปี 1956 นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน ไคลด์ โคแวน (Clyde Cowan) และ เฟรเดอริก เรเนส (Frederick Reines) ได้พิสูจน์ว่าทั้งอิเล็กตรอนและแอนตินิวตริโนถูกปล่อยออกมาระหว่างการสลายตัวของเบต้า

แรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน (weak nuclear force) มีหน้าที่ในการสลายตัวของธาตุกัมมันตภาพรังสี โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกระบวนการที่เรียกว่า “การสลายตัวของเบต้า (beta decay)” ซึ่งเกิดขึ้นภายในนิวเคลียสของอะตอม ในกระบวนนี้ แรงนิวเคลียร์อย่างอ่อนจะเปลี่ยนนิวตรอนที่มีประจุเป็นกลางเป็นโปรตอนที่มีประจุบวก หรือ เปลี่ยนโปรตอนให้เป็นนิวตรอน โดยเปลี่ยนควาร์ก (quark) จากชนิดหนึ่งไปเป็นอีกชนิดหนึ่งผ่านการแลกเปลี่ยนอนุภาคนำพาแรงที่เรียกว่า W และ Z boson (ตัวอย่างเช่น down quark สามารถคาย W-boson และเปลี่ยนเป็น up quark) การสลายตัวของเบต้าจะเกิดขึ้นเมื่ออะตอมมีโปรตอนมากเกินไปหรือมีนิวตรอนมากเกินไปในนิวเคลียส กระบวนการนี้ช่วยรักษาสมดุลระหว่างโปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียสให้มีอัตราส่วนที่เหมาะสม และเนื่องจากนิวเคลียสได้เปลี่ยนจำนวนโปรตอนหรือนิวตรอน จึงมีการแปรธาตุเป็นธาตุใหม่

หมายเหตุ : นิวเคลียสของอะตอมประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน ซึ่งแต่ละตัวประกอบด้วยควาร์ก 3 ตัว-โปรตอนประกอบด้วย up quark 2 ตัว และ down quark 1 ตัว สำหรับนิวตรอนประกอบด้วย up quark 1 ตัว และ down quark 2 ตัว

เมื่อแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อนเปลี่ยนนิวตรอนเป็นโปรตอน หรือ เปลี่ยนโปรตอนให้เป็นนิวตรอน อนุภาคเบต้าที่เดินทางด้วยความเร็วใกล้ความเร็วแสงจะถูกปล่อยออกมาจากนิวเคลียสของอะตอม 

การสลายตัวของเบต้ามี 2 ประเภท

การสลายเบต้าเชิงบวก (ฺBeta-plus decay ): เกิดขึ้นเมื่อนิวเคลียสมีโปรตอนมากเกินไป โปรตอนในนิวเคลียสของพ่อแม่ (parent nucleus) จะสลายตัวเป็นนิวตรอนในนิวเคลียสของลูกสาว (daughter nucleus) ซึ่งจะปล่อยอนุภาคเบต้าที่มีประจุบวกคือ โพซิตรอน (positron) ซึ่งเป็นปฏิอนุภาค (antiparticle) ของอิเล็กตรอนที่มีประจุไฟฟ้าบวก และนิวตริโน (neutrino; ν) ที่เป็นกลางทางไฟฟ้า 

ตัวอย่างของการสลายตัวของเบต้าเชิงบวกคือ การสลายตัวของคาร์บอน-10 ไปเป็นโบรอน-10

การสลายตัวของเบตาเชิงลบ (Beta-minus decay) เกิดขึ้นเมื่อนิวเคลียสมีนิวตรอนมากเกินไป จึงเกิดการสลายตัวของนิวตรอนใน parent nucleus ไปเป็นโปรตอนใน daughter nucleus ซึ่งจะปล่อยอนุภาคเบต้าที่มีประจุลบคือ อิเล็กตรอนที่มีประจุไฟฟ้าลบ และแอนตินิวตริโน (antineutrino; ν¯ ) ซึ่งเป็นปฏิอนุภาคของนิวตริโน มันเป็นกลางทางไฟฟ้าเช่นเดียวกับนิวตริโน การสลายตัวของเบต้าเชิงลบนั้นพบได้บ่อยกว่าการสลายตัวของเบต้าเชิงบวก

ตัวอย่างของการสลายเบต้าเชิงลบ ได้แก่ การสลายตัวของไอโซโทปคาร์บอน-14 ไปเป็นไนโตรเจน-14 ซึ่งเป็นพื้นฐานสำหรับการหาอายุของซากโบราณอินทรีย์ด้วยวิธีคาร์บอน-14 (Carbon-14 Dating หรือ Radiocarbon dating)

2. Electron Capture

การสลายกัมมันตรังสีที่น่าสนใจอีกแบบหนึ่งเรียกว่า “การจับยึดอิเล็กตรอน (Electron capture)” ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อนิวเคลียสของอะตอมมีโปรตอนอย่างมาก กรณีเช่นนี้แรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน (weak nuclear force) ทำหน้าที่ในการจับอิเล็กตรอนที่กำลังโคจรอยู่รอบนิวเคลียส 1 ตัวเข้ามาไว้ในนิวเคลียส และรวมกับโปรตอนเพื่อสร้างนิวตรอน และปล่อยนิวตริโน (neutrino) ออกมาเท่านั้น พร้อมกับเกิดการแปรธาตุ เช่น คาร์บอน-11 จะสลายตัวเป็นโบรอน-11

อิเล็กตรอนที่ถูกจับยึดนี้โดยปกติจะเป็นอิเล็กตรอนจากวงโคจรระดับชั้นในสุด คือ เปลือกชั้น K (K-shell) หรือ เปลือกชั้น L (L-shell) ดังนั้นกระบวนการแบบนี้จึงมีชื่อเรียกอีกอย่างว่า “K-capture หรือ L-capture”

การจับยึดอิเล็กตรอนทำได้ยากและหาได้ยาก เนื่องจากอิเล็กตรอนส่วนใหญ่โคจรรอบนิวเคลียสในระยะทางไกลมากเมื่อเทียบกับนิวเคลียส แม้แต่อิเล็กตรอนชั้น K ที่อยู่ด้านในสุดก็ยังห่างไกลจากนิวเคลียสที่มีปริมาตรน้อยมาก

การสลายกัมมันตรังสีแบบการจับยึดอิเล็กตรอน (Electron capture) มีความคล้ายคลึงกับการสลายตัวของเบต้า (ฺBeta decay) โดยเฉพาะการสลายตัวของเบต้าบวก (Beta-plus decay) ทั้งสองกระบวนการเป็นวิธีการของธรรมชาติในการปรับสมดุล ทำให้ไม่มีนิวเคลียสใดมีโปรตอนมากเกินไป 

3. Nuclear Fusion

แรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน (weak nuclear force) มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อสิ่งมีชีวิต เพราะมันมีบทบาทสำคัญในการหลอมนิวเคลียส (nuclear fusion) ซึ่งเป็นปฏิกิริยาที่ให้พลังงานแก่ดวงอาทิตย์และดาวฤกษ์อื่นๆ 

ปฎิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันจะเกิดที่แกนกลางของดวงอาทิตย์ซึ่งมีอุณหภูมิ 15 ล้านองศาเซลเซียส ต้องใช้ไฮโดรเจนสี่อะตอม (มีโปรตอนสี่ตัว) ในการหลอมรวมเป็นฮีเลียมหนึ่งอะตอมที่มีโปรตอนสองตัวและนิวตรอนสองตัวในนิวเคลียส โดยแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อนทำให้โปรตอนสองตัวกลายเป็นนิวตรอนสองตัว การเผาไหม้บนดวงอาทิตย์อย่างต่อเนื่อง ส่งผลให้สิ่งมีชีวิตบนโลกดำรงอยู่ได้

ปฎิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันก็ถูกสร้างขึ้นในห้องปฏิบัติการเช่นกัน และกระบวนการนี้ก็ต้องการแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อนในการทำงานเช่นกัน

ILLENIUM and Dabin Feat. Lights- Hearts on Fire

W and Z Bosons

แรงแต่ละชนิดจะมีตัวกลางในการส่งผ่านแรง แรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน (weak nuclear force) จะถูกนำพาโดย W โบซอน (W boson) และ Z โบซอน (Z boson) ที่มีการหมุนหรือสปินเท่ากับ 1 การมีอยู่อนุภาคเหล่านี้ถูกทำนายในปี 1979 โดยนักฟิสิกส์ผู้ได้รับรางวัลโนเบล สตีเวน ไวน์เบิร์ก (Steven Weinberg), อับดัส ซาลาม (Abdus Salam) และ เชลดอน กลาโชว์ (Sheldon Glashow) 

W boson และ Z boson ถูกค้นพบในปี 1983 ที่ CERN ส่งผลให้ คาร์โล รุบเบีย (Carlo Rubbia) และ ไซมอน ฟาน เดอร์ เมียร์ (Simon van der Meer) ผู้ค้นพบได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1984 

W โบซอน มีประจุไฟฟ้าและมีสองประเภทคือ W+ (ประจุบวก) boson และ W− (ประจุลบ) boson ส่วน Z boson มีประจุเป็นกลาง W bosonและ Z boson แต่ละตัวมีมวลเกือบ 100 GeV/c² (W boson มีมวล 80 GeV/c², Z boson มีมวล 91 GeV/c²) ซึ่งมากกว่ามวลของโปรตอนเกือบ 80 เท่า – หนักกว่าอะตอมของธาตุเหล็ก ส่งผลให้แรงนิวเคลียร์อย่างอ่อนเป็นแรงพิสัยสั้นมากประมาณ 0.1% ของเส้นผ่านศูนย์กลางของโปรตอน

เมื่ออนุภาคย่อยของอะตอม เช่น โปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอน เข้ามาภายในระยะ 10^-18 เมตร หรือ 0.1% ของเส้นผ่านศูนย์กลางของโปรตอน พวกมันสามารถแลกเปลี่ยนโบซอนเหล่านี้ได้ ส่งผลให้อนุภาคย่อยสลายตัวเป็นอนุภาคใหม่

เพื่อค้นหา W และ Z boson ทำให้เกิดทฤษฎีที่รวมแรงแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic force) และแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน (weak nuclear force ) ได้เป็นแรงไฟฟ้าอย่างอ่อน “electroweak force” 

Electroweak Theory

แรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน (weak nuclear force) และแรงแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic force) ดูแตกต่างกันอย่างมากในจักรวาลที่มีอุณหภูมิค่อนข้างต่ำในปัจจุบัน

แรงแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นโลกในชีวิตประจำวันของเรา โดยยึดอะตอมไว้ด้วยกันและให้กำเนิดแสง ในขณะที่แรงนิวเคลียร์อย่างอ่อนมีหน้าที่ในการเติมพลังให้กับดวงดาวและสร้างองค์ประกอบใหม่ และเป็นแรงที่รับผิดชอบต่อการสลายตัวของธาตุกัมมันตภาพรังสี

แรงนิวเคลียร์อย่างอ่อนจะกระทำในระยะทางที่เล็กกว่านิวเคลียสของอะตอม ในขณะที่แรงแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถขยายออกไปได้ไกลมาก (ดังที่สังเกตได้จากแสงของดาวที่ส่องผ่านกาแล็กซี่ทั้งหมด) ยิ่งไปกว่านั้น แรงนิวเคลียร์อย่างอ่อนนั้นมีกำลังอ่อนกว่าแรงแม่เหล็กไฟฟ้าประมาณ 10 ล้านเท่า แต่อันที่จริงแรงนิวเคลียร์แบบอ่อนและแรงแม่เหล็กไฟฟ้าได้แสดงให้เห็นเป็นแรงเดียวกันที่สำแดงแตกต่างกัน

ย้อนกลับไปก่อนหน้านี้ นักวิทยาศาสตร์คิดว่าไฟฟ้าและแม่เหล็กไม่มีความสัมพันธ์กัน แต่แล้วในปี 1865 เจมส์ เคลิร์ก แมกซ์เวลล์ (James Clerk Maxwell) ผู้ยิ่งใหญ่สามารถแสดงให้เห็นได้ว่าสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กสามารถรวมเป็นหนึ่งเดียวกันได้ ซึ่งทำให้โลกของฟิสิกส์ก้าวกระโดดเข้าใกล้ “ทฤษฎีสนามรวม (Unified Field theory)” อย่างมาก

เกือบหนึ่งร้อยปีต่อมา ในปี 1967 นักฟิสิกส์อนุภาคชาวอเมริกัน เชลดอน กลาโชว์ (Sheldon Glashow) นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีของสหรัฐฯ สตีเวน ไวน์เบิร์ก (Steve Weinberg) และนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีชาวปากีสถาน อับดัส ซาลาม (Abdus Salam) แสดงให้เห็นว่า “ที่พลังงานสูง” แรงแม่เหล็กไฟฟ้าและแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อนสามารถรวมกันเป็นหนึ่งเดียว เรียกว่าปฏิสัมพันธ์ไฟฟ้าอย่างอ่อน (electroweak interaction) หรือ แรงไฟฟ้าอย่างอ่อน (electroweak force) พวกเขาคาดการณ์ว่าสิ่งนี้จะเกิดขึ้นที่พลังงานประมาณ 100 กิกะอิเล็กตรอนโวลต์ (100 GeV) หรืออุณหภูมิ 10¹⁵ K ซึ่งเป็นสภาวะที่เกิดขึ้นไม่นานหลังจากบิกแบง ในปี 1983 นักฟิสิกส์สามารถเข้าถึงพลังงานและอุณหภูมิเหล่านี้ในเครื่องเร่งอนุภาค และแสดงให้เห็นว่าแรงแม่เหล็กไฟฟ้าและแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อนนั้นสัมพันธ์กัน

จากทฤษฎีไฟฟ้าอย่างอ่อน (Electroweak Theory) ส่งผลให้นักฟิสิกส์ทั้งสามได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1979 และนักวิทยาศาสตร์มีความพยายามอย่างต่อเนื่องในการพยายามรวมแรงทั้งสี่ให้เป็นหนึ่งเดียวในทฤษฎีที่เรียกว่า “ทฤษฎีสนามรวม (Unified Field theory)”

Spontaneous Symmetry Breaking

มีการคาดเดากันว่า ในจักรวาลยุคแรกๆ เมื่ออุณหภูมิสูงมาก แรงทั้งสี่รวมกันเป็นหนึ่งแรง จากนั้นเมื่ออุณหภูมิลดต่ำลง ความสมมาตรที่ทำให้พวกมันเหมือนกันได้ถูกทำลายลง โดยแรงโน้มถ่วง (gravitational force) จะแยกจากกันก่อน จากนั้นแรงอีก 3 แรงก็แยกจากกัน โดยแรงนิวเคลียส์อย่างเข้ม (strong nuclear force) แยกออกจากกันก่อน และจากนั้นที่อุณหภูมิที่ต่ำลง แรงแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic force) และแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน (weak nuclear force) จะแยกออกจากกัน ทำให้มีแรงที่แตกต่างกัน 4 แรงที่เราเห็นในจักรวาลปัจจุบันของเรา  กระบวนการของแรงที่แยกออกจากกันเรียกว่า “การเสียสมมาตรที่เกิดขึ้นเอง (spontaneous symmetry breaking)”

• Facebook
• Twitter
• Line