Newsletter subscribe

A Brief History of Time, Universe

ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#37 บทที่ 5 อนุภาคมูลฐานและแรงแห่งธรรมชาติ : ทฤษฎีเอกภาพที่ยิ่งใหญ่

Posted: 03/11/2021 at 10:35   /   by   /   comments (0)

รูปที่ 5.2 แสดงภาพถ่ายของการชนกันระหว่างโปรตอนพลังงานสูงกับแอนติโปรตอน ความสำเร็จของการรวมตัวของแรงแม่เหล็กไฟฟ้าและแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน ทำให้เกิดความพยายามที่จะรวมแรงทั้งสองนี้เข้ากับแรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม จนกลายเป็นสิ่งที่เรียกว่า ทฤษฎีเอกภาพที่ยิ่งใหญ่ (หรือ GUTs) ชื่อนี้ค่อนข้างเกินจริง: ทฤษฎีนี้ไม่ได้ยิ่งใหญ่ขนาดนั้น และไม่ได้รวมเป็นหนึ่งเดียวอย่างสมบูรณ์ เนื่องจากไม่ได้รวมแรงโน้มถ่วงเข้าไปด้วย และไม่ใช่ทฤษฎีที่สมบูรณ์จริงๆ เพราะมีค่าพารามิเตอร์จำนวนหนึ่งซึ่งไม่สามารถทำนายจากทฤษฎีนี้ได้ แต่ต้องเลือกให้เหมาะสมกับการทดลอง

อย่างไรก็ตาม สิ่งเหล่านี้อาจเป็นขั้นตอนหนึ่งสู่ทฤษฎีที่สมบูรณ์และเป็นหนึ่งเดียวอย่างสมบูรณ์ แนวคิดพื้นฐานของ GUTs มีดังนี้: ดังที่ได้กล่าวไว้ข้างต้น แรงนิวเคลียร์อย่างเข้มจะอ่อนลงเมื่อมีพลังงานสูง ในทางกลับกัน แรงแม่เหล็กไฟฟ้าและแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อนจะแข็งแกร่งขึ้นด้วยพลังงานสูง ที่พลังงานที่สูงมากซึ่งเรียกว่าพลังงานการรวมตัวครั้งใหญ่ แรงทั้งสามนี้จะมีความแข็งแกร่งเท่ากัน และอาจเป็นเพียงแง่มุมที่แตกต่างกันของแรงเดียวกัน GUTs ยังทำนายว่าด้วยพลังงานนี้ อนุภาคสปิน-½ ที่แตกต่างกัน เช่น ควาร์กและอิเล็กตรอน ทั้งหมดจะเหมือนกัน และทำให้เกิดการรวมตัวกัน

 

ค่าของพลังงานการรวมตัวครั้งใหญ่นั้นไม่เป็นที่ทราบกันดีนัก แต่อาจต้องมีอย่างน้อยหนึ่งพันล้านล้าน GeV เครื่องเร่งอนุภาครุ่นปัจจุบันสามารถชนอนุภาคด้วยพลังงานประมาณหนึ่งร้อย GeV และมีการวางแผนเครื่องจักรที่จะเพิ่มพลังงานเป็นสองสามพัน GeV แต่เครื่องจักรที่มีพลังมากพอที่จะเร่งอนุภาคให้กลายเป็นพลังงานการรวมตัวครั้งใหญ่จะต้องมีขนาดใหญ่เท่ากับระบบสุริยะ—และไม่น่าจะได้รับการสนับสนุนในภาวะเศรษฐกิจปัจจุบัน ดังนั้นจึงเป็นไปไม่ได้ที่จะทดสอบทฤษฎีเอกภาพที่ยิ่งใหญ่ (GUTs) โดยตรงในห้องปฏิบัติการ อย่างไรก็ตาม เช่นเดียวกับในกรณีของทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าและทฤษฎีเอกภาพอย่างอ่อน ที่พลังงานต่ำอาจสามารถทดสอบทฤษฎีนี้ได้

 

ทฤษฎีเอกภาพที่ยิ่งใหญ่ (GUTs)

นักฟิสิกส์กำลังไล่ตามแนวคิดที่ว่าแรงพื้นฐานทั้งสี่อาจมีความเกี่ยวข้องกันและเกิดขึ้นจากแรงเดียวในจักรวาล นักฟิสิกส์เชื่อว่าในตอนต้น (0 – 10–43 วินาทีหลังบิกแบง) จักรวาลนั้นร้อนและมีพลังมาก จนแรงทั้งสี่รวมกันเป็นหนึ่งเดียว จากนั้นเมื่ออุณหภูมิลดลง แรงโน้มถ่วง (gravitational force) ก็แยกจากกันก่อน จากนั้นแรงอีกสามแรงก็แยกจากกัน โดยแรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม (strong nuclear force หรือ strong force)) แยกออกจากกันก่อน และจากนั้นที่อุณหภูมิลดต่ำลง แรงแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic force) และแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน (weak nuclear force หรือ weak force) จะแยกออกจากกัน ส่งผลให้มีแรงที่แตกต่างกันสี่แรงที่เราเห็นในจักรวาลปัจจุบันของเรา กระบวนการของแรงที่แยกออกจากกันเรียกว่า “การเสียสมมาตรที่เกิดขึ้นเอง (spontaneous symmetry breaking)”

 

การทดลองในเครื่องเร่งอนุภาคได้ยืนยันว่า ที่พลังงานสูง 100 กิกะอิเล็กตรอนโวลต์ (100 GeV) แรงแม่เหล็กไฟฟ้าและแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อนสามารถรวมกันเป็นหนึ่งเดียว เรียกว่า แรงไฟฟ้าอย่างอ่อน (electroweak force)

ความสำเร็จในการรวมกันของแรงแม่เหล็กไฟฟ้าและแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน ทำให้เกิดความพยายามที่จะรวมแรงไฟฟ้าอย่างอ่อนเข้ากับแรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม เพื่อสร้าง “ทฤษฎีเอกภาพที่ยิ่งใหญ่ (Grand unified theories; GUTs)” แนวคิดพื้นฐานของ GUTs มีดังนี้: แรงนิวเคลียร์อย่างเข้มจะอ่อนลงเมื่อมีพลังงานสูง ในทางกลับกัน แรงแม่เหล็กไฟฟ้าและแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อนจะแข็งแกร่งขึ้นเมื่อมีพลังงานสูง ที่พลังงานสูงมาก แรงทั้งสามนี้จะมีความแข็งแกร่งเท่ากัน ทำให้เกิดการรวมตัวกันของแรงทั้งสาม GUTs ยังทำนายว่าอนุภาคที่มีสปิน-½ เช่น ควาร์กและอิเล็กตรอน ที่พลังงานสูงมากนี้ ทั้งหมดจะเหมือนกันและเกิดการรวมตัวกัน อย่างไรก็ตาม GUTs ยังไม่ได้รับการพิสูจน์ในการทดลอง เนื่องจากพลังงานที่จำเป็นในการตรวจสอบพวกมันนั้น เกินความสามารถของเครื่องเร่งอนุภาคที่ทรงพลังที่สุดในปัจจุบัน

GUTs ทำนายว่าแรงนิวเคลียร์อย่างเข้มจะรวมตัวกับแรงไฟฟ้าอย่างอ่อนที่พลังงานที่สูงกว่า 1014 GeV และแรงทั้งหมดอาจรวมกันเป็นพลังงานที่สูงกว่า 1019 GeV พลังงานเหล่านี้เข้าใกล้อุณหภูมิแรกสุดของบิกแบง เป็นการยากที่จะรวมแรงทั้งหมดเข้าด้วยกันเมื่อคุณไม่สามารถทำให้แรงทั้งหมดทำงานในระดับเดียวกันได้ นักฟิสิกส์พยายามสร้างเครื่องเร่งอนุภาคที่อาจถึงพลังงานเหล่านี้ อย่างไรก็ตาม เครื่องเร่งอนุภาคที่ใหญ่ที่สุดคือ Large Hadron Collider ที่ CERN ในเจนีวา ประเทศสวิตเซอร์แลนด์ เมื่อมันออนไลน์ มันจะสามารถเร่งความเร็วโปรตอนได้ถึง 99.99 เปอร์เซ็นต์ของความเร็วแสง และเข้าถึงพลังงานการชนที่ 14 เทรา-อิเล็กตรอนโวลต์ (14 tera-electron volts or 14 TeV) ซึ่งเท่ากับ 14,000 GeV หรือ 1.4 x 104 GeV

ทฤษฎีเอกภาพที่ยิ่งใหญ่ (GUTs) ยังไม่ได้รวมแรงโน้มถ่วงเข้าไป มีการคาดการณ์ว่าอาจเป็นไปได้ที่จะรวมเอาแรงโน้มถ่วงเข้ากับแรงทั้งสาม เพื่อให้กลายเป็น “ทฤษฎีแห่งสรรพสิ่ง (Theory of everything)” ซึ่งเป็นทฤษฎีหนึ่งเดียวที่รวมแรงทั้งสี่เข้าด้วยกัน เพื่อที่จะอธิบายจักรวาลด้วยกฎทางคณิตศาสตร์เพียงไม่กี่ข้อ ซึ่งเป็นงานที่ยากเป็นพิเศษ เนื่องจากนักวิทยาศาสตร์กำลังพยายามที่จะเชื่อมโยงทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์เข้ากับทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัม ซึ่งเป็นภารกิจที่อาจต้องใช้เวลาหลายสิบปี

วิทยาศาสตร์ไม่เคยหยุดนิ่ง การค้นหาทฤษฎีแห่งสรรพสิ่ง เพื่อแสดงให้เห็นว่าแรงทั้งสี่เป็นการแสดงออกในรูปแบบที่แตกต่างกันของแรงที่รวมกันเป็นหนึ่งเดียว ยังคงดำเนินต่อไปใน อย่างไรก็ตาม นักฟิสิกส์พบว่ามันค่อนข้างยากที่จะรวมโลกในกล้องจุลทรรศน์กับโลกมหภาค ที่ตาชั่งขนาดใหญ่และโดยเฉพาะอย่างยิ่งทางดาราศาสตร์ ถูกครอบงำด้วยแรงโน้มถ่วงซึ่งมีลักษณะพิเศษที่ส่งผลต่ออวกาศและเวลาที่มีแรงอื่นอยู่ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์อธิบายในส่วนนี้ได้ดีที่สุด แต่ในระดับโมเลกุล อะตอม หรือเล็กกว่าอะตอม กลศาสตร์ควอนตัมอธิบายโลกธรรมชาติในส่วนนี้ได้ดีที่สุด และจนถึงขณะนี้ ยังไม่มีใครคิดวิธีที่ดีในการรวมสองโลกนี้เข้าด้วยกัน

 

 

CARYS – When A Girl

 

 

สิ่งที่น่าสนใจที่สุดคือทฤษฎีเอกภาพที่ยิ่งใหญ่ (GUTs) คาดการณ์ว่าโปรตอนซึ่งประกอบขึ้นเป็นมวลสารธรรมดาส่วนใหญ่ สามารถสลายตัวเป็นอนุภาคที่เบากว่า เช่น แอนติอิเล็กตรอน เหตุผลที่เป็นไปได้ก็คือ ที่การรวมตัวครั้งใหญ่ของแรง ควาร์กและแอนติอิเล็กตรอนไม่มีความแตกต่างกัน โดยปกติควาร์กสามตัวในโปรตอนจะมีพลังงานไม่เพียงพอที่จะเปลี่ยนเป็นแอนติอิเล็กตรอน แต่บางครั้งหนึ่งในนั้นอาจได้รับพลังงานเพียงพอที่จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเนื่องจากหลักการความไม่แน่นอน (uncertainty principle) ส่งผลให้โปรตอนสลายตัว

ความน่าจะเป็นที่ควาร์กจะได้รับพลังงานเพียงพอนั้นมีเปอร์เซ็นต์ต่ำมาก จนอาจต้องรออย่างน้อยหนึ่งล้านล้านล้านล้านล้านปี (1 ตามด้วยศูนย์ 30 ตัว) ซึ่งยาวนานกว่าเวลาการเกิดบิกแบงที่มีอายุเพียงหนึ่งหมื่นล้านปี (1 ตามด้วยศูนย์ 10 ตัว) ดังนั้นอาจคิดว่าความเป็นไปได้ของการสลายตัวของโปรตอนที่เกิดขึ้นเองนั้นไม่สามารถทดสอบได้ในการทดลอง อย่างไรก็ตาม เราสามารถเพิ่มโอกาสในการตรวจจับการสลายตัวได้โดยการสังเกตสสารปริมาณมากที่มีโปรตอนจำนวนมาก (ตัวอย่างเช่น ถ้าสังเกตโปรตอนจำนวน 1031 ตัวในช่วงเวลาหนึ่งปี ตามที่ GUT คาดการณ์ จะสังเกตเห็นการสลายตัวของโปรตอนมากกว่าหนึ่งตัว)

 

ธาตุในชีวิตประจำวันประกอบด้วยอะตอม และอะตอมทั้งหมดประกอบด้วยอนุภาคสามอนุภาค ได้แก่ อิเล็กตรอน โปรตอนและนิวตรอน โปรตอนและนิวตรอนเป็นอนุภาคที่คล้ายกันมาก พวกมันสร้างจากควาร์กสามตัว ทว่านิวตรอนจะแตกต่างจากโปรตอน: พวกมันไม่เสถียร นิวตรอนที่อยู่นอกนิวเคลียสของอะตอมสลายตัวเป็นอนุภาคอื่นในเวลาไม่กี่นาที

สำหรับโปรตอนเป็นหนึ่งในอนุภาคที่เสถียรที่สุด โปรตอนอิสระเป็นสิ่งที่พบเห็นได้ทั่วไปในจักรวาล สสารธรรมดาส่วนใหญ่ในกาแล็กซี่และที่อื่นๆ อยู่ในรูปของพลาสมาไฮโดรเจน ซึ่งเป็นก๊าซร้อนที่ทำจากโปรตอนและอิเล็กตรอน ถ้าโปรตอนไม่เสถียรเหมือนอย่างนิวตรอน พลาสมานั้นก็จะหายไปในที่สุด อย่างไรก็ตาม แม้แต่จักรวาลยังต้องเสื่อมสลายหรือหมดพลังงาน ทุกสิ่งย่อมไม่หลุดพ้นจากความตาย ความเสื่อม และอวสานของสิ่งใดก็ตามที่ประกอบด้วยสสาร

แต่จนถึงขณะนี้ ยังไม่เคยสังเกตเห็นหรือมีหลักฐานจากการทดลองใดๆ ว่าโปรตอนมีการสลายตัว ความเสถียรของโปรตอนเป็นหนึ่งในความท้าทายทางทฤษฎีและการทดลองที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในฟิสิกส์อนุภาคในปัจจุบัน ทฤษฎีเอกภาพที่ยิ่งใหญ่ (Grand Unified Theories; GUTs) ได้ทำนายการสลายตัวของโปรตอน โปรตอนประกอบด้วยอัพควาร์กสองตัวและดาว์นคาร์กหนึ่งตัว ควาร์กสามารถเปลี่ยนเป็นควาร์กอื่นได้ และเลปตอนสามารถเปลี่ยนเป็นเลปตอนอื่นได้ แต่ควาร์กไม่สามารถเปลี่ยนเป็นเลปตอนหรือในทางกลับกันได้ มีขอบเขตระหว่างอนุภาคมูลฐานสองประเภทนี้ อย่างไรก็ตาม ใน GUTs ยังมีที่ว่างสำหรับทั้งสองที่จะข้ามไป GUTs อธิบายปฏิสัมพันธ์ของควาร์กและเลปตอนภายในโครงสร้างทางทฤษฎีเดียวกัน เนื่องจากความไม่แน่นอนของควอนตัม ทำให้เกิดความเป็นไปได้ที่ควาร์กสามารถสลายตัวเป็นเลปตอน และโดยเฉพาะอย่างยิ่งที่โปรตอนจะสามารถสลายตัวเป็นแอนติอิเล็กตรอนหรือโพซิตรอน (positron; e+ (เลปตอน)) และไพออน (pion; π0 (มีซอน)) 

หากโปรตอนสลายตัว สสารทั้งหมดในโลกก็จะแตกสลายในอนาคต แต่ไม่ต้องกังวล! อายุของโปรตอนที่ทฤษฎีเอกภาพที่ยิ่งใหญ่ (Grand Unified Theories; GUTs) คาดการณ์ไว้นั้นยาวนานกว่าอายุของจักรวาลมาก ตาม GUTs ควาร์กสามารถเปลี่ยนเป็นเลปตอนได้โดยการแลกเปลี่ยนอนุภาคที่หนักมาก ที่เรียกว่า X และ Y โบซอน เนื่องจากอนุภาคที่ถูกแลกเปลี่ยนนั้นหนักมาก เวลาการสลายตัวของโปรตอนที่ทำนายโดย GUTs นั้นยาวนานมาก โดยโปรตอนสลายตัวด้วยครึ่งชีวิตประมาณ 1031 – 1034 ปีเป็นอย่างน้อย ในขณะที่อายุของจักรวาลอยู่ที่ 13.8 พันล้านปี หรือ 1.38 x 1010 ปี!

 

มีการทดลองหลายครั้ง แต่จนถึงขณะนี้ ยังไม่มีหลักฐานการสลายตัวของโปรตอน การทดลองหนึ่งใช้น้ำแปดพันตันและดำเนินการในเหมืองเกลือมอร์ตันในรัฐโอไฮโอ (เพื่อป้องกันรังสีคอสมิกที่อาจทำให้ผลลัพธ์สับสนกับการสลายตัวของโปรตอน) ไม่มีการสังเกตเห็นการสลายตัวของโปรตอนที่เกิดขึ้นเองในระหว่างการทดลอง อย่างไรก็ตาม การทดลองเหล่านี้สามารถคำนวณได้ว่าอายุขัยของโปรตอนต้องมากกว่าสิบล้านล้านล้านล้านปี (1 กับศูนย์ 31 ตัว) ซึ่งยาวนานกว่าอายุที่ทำนายโดยทฤษฎีเอกภาพที่ยิ่งใหญ่ แต่มีทฤษฎีที่ซับซ้อนกว่านั้นซึ่งคาดการณ์อายุขัยของโปรตอนยาวนานขึ้น จำเป็นต้องมีการทดลองที่มีความละเอียดอ่อนมากขึ้น ซึ่งต้องใช้ปริมาณสสารจำนวนมากขึ้นเพื่อทดสอบ

 

ทฤษฎีเอกภาพที่ยิ่งใหญ่ (Grand Unified Theories; GUTs) ทำนายว่าโปรตอนสลายตัว และการทดลองในช่วง 25 ปีที่ผ่านมา นักวิทยาศาสตร์พยายามตรวจจับการสลายตัวของโปรตอนด้วยการสร้างถังขนาดใหญ่ที่มีน้ำบริสุทธิ์จำนวนมาก โดยมีเครื่องตรวจจับที่มีความละเอียดอ่อนอยู่รอบถัง การทดลองเหล่านี้ทำในเหมืองลึกเพื่อป้องกันรังสีคอสมิกมารบกวน แต่จนถึงขณะนี้ ยังไม่เคยพบหลักฐานการสลายตัวของโปรตอน อย่างไรก็ตาม การทดลองเหล่านี้สามารถคำนวณหาอายุขัยของโปรตอน

แบบจำลอง Georgi–Glashow ซึ่งเป็นทฤษฎีแรกของ GUTs ได้ตั้งสมมติฐานว่าครึ่งชีวิตของโปรตอนจะอยู่ที่ 1031 ปีเป็นอย่างน้อย จากการทดลองและการคำนวณเพิ่มเติมในทศวรรษ 1990 เป็นที่แน่ชัดว่าครึ่งชีวิตของโปรตอนไม่สามารถอยู่ต่ำกว่า 1032 ปีได้ การทดลองที่แม่นยำในปี 2015 ได้กำหนดครึ่งชีวิตของโปรตอนมีค่าอย่างน้อย 1.67×1034 ปี

 

 

Alessia Cara – Seventeen