ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#51 บทที่ 8 กำเนิดและชะตากรรมของจักรวาล : การสร้างและการทำลายล้างอนุภาค (Pair Production and Annihilation)

เพื่ออธิบายความคิดที่ผมและคนอื่นๆ มีเกี่ยวกับวิธีที่กลศาสตร์ควอนตัมอาจส่งผลต่อต้นกำเนิดและชะตากรรมของจักรวาล ก่อนอื่น จำเป็นที่จะต้องเข้าใจประวัติศาสตร์ของจักรวาลที่เป็นที่ยอมรับโดยทั่วไป ซึ่งรู้จักกันในชื่อ “Hot Big Bang Model” ซึ่งจักรวาลถูกอธิบายโดยแบบจำลองของฟรีดมันน์ (Friedmann model) ที่ย้อนกลับไปที่บิกแบง (Big Bang) ในแบบจำลองดังกล่าว เราพบว่าเมื่อจักรวาลขยายตัว อุณหภูมิของสสารและการแผ่รังสีในจักรวาลจะลดลง (เมื่อจักรวาลมีขนาดใหญ่ขึ้นเป็นสองเท่า อุณหภูมิของจักรวาลจะลดลงครึ่งหนึ่ง) เนื่องจากอุณหภูมิเป็นการวัดพลังงานเฉลี่ย—หรือความเร็ว—ของอนุภาค การเย็นลงของจักรวาลนี้จะมีผลอย่างมากต่อสสารในนั้น

ที่อุณหภูมิสูงมาก อนุภาคจะเคลื่อนที่ไปรอบๆ อย่างรวดเร็ว จนสามารถหลีกเลี่ยงการดึงดูดซึ่งกันและกันอันเนื่องจากแรงนิวเคลียร์หรือแรงแม่เหล็กไฟฟ้า แต่เมื่อเย็นตัวลง อนุภาคที่ดึงดูดซึ่งกันและกันจะเริ่มรวมตัวกันเป็นก้อน ยิ่งกว่านั้น อุณหภูมิมีผลต่อประเภทของอนุภาคที่มีอยู่ในจักรวาล

ที่อุณหภูมิสูงพอ คู่ของอนุภาค/ปฏิอนุภาค (particle/antiparticle pairs) ที่แตกต่างกันจำนวนมากจะถูกสร้างขึ้น—และแม้ว่าอนุภาคเหล่านี้บางส่วนจะถูกทำลายล้างเมื่อชนกัน แต่คู่ของอนุภาค/ปฏิอนุภาคจะถูกสร้างขึ้นเร็วกว่าที่พวกมันจะทำลายล้างกัน อย่างไรก็ตาม เมื่ออุณหภูมิลดต่ำลง คู่ของอนุภาค/ปฏิอนุภาคจะถูกสร้างได้ช้าลง และการทำลายล้างจะเร็วกว่าการสร้าง

Ed Sheeran – Put It All On Me (feat. Ella Mai)

Law of Energy Conservation

กฎแรกของเทอร์โมไดนามิกส์คือ กฎการอนุรักษ์พลังงาน (Law of energy conservation) คือ พลังงานในระบบอิสระ (isolated system) จะมีค่าคงที่ นั่นหมายถึงพลังงานเป็นสิ่งที่ไม่สามารถสร้างขึ้นใหม่หรือทำให้สูญหายหรือทำลายมันได้ แต่จะเกิดการเปลี่ยนรูปพลังงานจากรูปแบบหนึ่งไปสู่อีกรูปแบบหนึ่ง

Albert Einstein’s Famous Formula

“สสารสามารถเปลี่ยนไปเป็นพลังงาน และพลังงานสามารถเปลี่ยนเป็นสสาร”

เมื่อปี 1905 อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ได้เสนอสมการอันโด่งดัง E = mc² ซึ่งเป็นสมการแสดงความสัมพันธ์ระหว่างมวลและพลังงาน เมื่อมวล (m) สลายไปทั้งหมด จะเกิดพลังงาน (E) มีค่าเท่ากับ มวลที่สลายไปคูณด้วยความเร็วแสงยกกำลังสอง

จากสมการของเขา E = mc² แสดงให้เห็นว่า ถ้าสสารถูกทำลาย พลังงานจะถูกสร้างขึ้น ในทางกลับกัน ถ้าพลังงานถูกทำลาย สสารก็จะถูกสร้างขึ้น นั่นคือสสารและพลังงานสามารถเปลี่ยนรูปกลับไปกลับมาได้ ซึ่งความเท่าเทียมกันระหว่างมวลและพลังงาน (mass-energy equivalence: E = mc²) ได้รับการยืนยันจากการทดลองทางวิทยาศาสตร์ของนักฟิสิกส์ต่างๆมากมาย

จากสมการแสดงความเท่าเทียมกันระหว่างมวลและพลังงาน (mass-energy equivalence: E = mc²) ของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ และกฎการอนุรักษ์พลังงาน (law of energy conservation) ทฤษฎีบิกแบง (Big Bang Theory) จึงให้สสารและพลังงานมีปริมาณคงที่ในจักรวาล

Annihilation – Pair Production

จักรวาลยุคแรกประกอบด้วยคู่ของสสาร-ปฏิสสาร (matter-antimatter) หรือ อนุภาค-ปฏิอนุภาค (particle-antiparticle) ได้แก่ โปรตอน-แอนติโปรตอน (proton-antiproton) นิวตรอน-แอนตินิวตรอน (neutron-antineutron) อิเล็กตรอน-โพซิตรอน (electron-positron) 

ปฏิอนุภาคมีมวลเท่ากันกับอนุภาค แต่คุณสมบัติเช่นประจุไฟฟ้ากลับตรงกันข้าม ตัวอย่างเช่น ปฏิอนุภาค-โพซิตรอนมีประจุบวก ในขณะที่อนุภาค-อิเล็กตรอนมีประจุลบ อนุภาคและปฏิอนุภาคถูกผลิตขึ้นเป็นคู่เสมอ กระบวนการสร้างอนุภาค-ปฏิอนุภาค “pair production” เกิดขึ้นในช่วงเวลาเพียงเศษเสี้ยววินาทีตั้งแต่ 10^-32 ถึง 10^-6 วินาที หลังการเกิดบิกแบง แต่เมื่อพวกมันมาปะทะกันหรือชนกัน จะเกิดการทำลายล้างกันและกัน ที่เรียก “annihilation” ซึ่งจะปลดปล่อยพลังงานบริสุทธิ์ออกมา แต่ในขณะเดียวกันพลังงานบริสุทธิ์ก็สร้างอนุภาค-ปฏิอนุภาคใหม่อย่างต่อเนื่อง ในช่วงจักรวาลยุคแรกมีความร้อนสูงและมีความหนาแน่นสูงด้วยคู่ของอนุภาค-ปฏิอนุภาคที่โผล่เข้ามาและออกจากการดำรงอยู่ จักรวาลในช่วงเวลานี้ กระบวนการทำลายล้าง (annihilation) และกระบวนการสร้าง (pair production) อยู่ในสมดุล หมายความว่าอัตราที่อนุภาค-ปฏิอนุภาคถูกทำลายนั้นเท่ากับอัตราที่พวกมันถูกสร้างขึ้น ดังนั้นปริมาณของอนุภาค-ปฏิอนุภาคจึงคงที่

Annihilation (สสารเปลี่ยนเป็นพลังงาน)

ตัวอย่าง เช่น เมื่อ อิเล็กตรอน-โพซิตรอน (electron-positron) มาปะทะกันหรือชนกัน จะเกิดการทำลายล้างอย่างสมบูรณ์ที่เรียกว่า “annihilation” มวลของอนุภาคทั้งสองจะถูกแปลงเป็นพลังงานทั้งหมดในรูปของรังสีแกมม่าหรือโฟตอน (gamma ray หรือ photon : γ) ออกมาสองตัว เป็นไปตามกฎการอนุรักษ์พลังงาน (law of energy conservation) และ ความเท่าเทียมกันระหว่างมวลและพลังงานของไอน์สไตน์ (mass-energy equivalence: E = mc²)

Pair Production (พลังงานเปลี่ยนเป็นสสาร)

อนุภาค (particles) และปฏิอนุภาค (antiparticles) มีมวลเท่ากัน ต่างตรงที่มีประจุไฟฟ้าที่ตรงข้ามกัน และจะถูกสร้างมาเป็นคู่เสมอ การสร้างคู่ของอนุภาค-ปฏิอนุภาคนี้เรียกว่า “pair production” ซึ่งเป็นกระบวนการที่ตรงกันข้ามกับ annihilation ที่เป็นการทำลายล้าง

ในทางทฤษฎี เมื่ออนุภาคของแสง คือ โพตอน (photon or gamma ray: γ) 2 ตัวมาปะทะกัน โฟตอนซึ่งเป็นพลังงานจะถูกแปลงไปเป็นสสารหรืออนุภาค คือ อิเล็กตรอน และปฎิสสารหรือปฎิอนุภาค คือ โพซิตรอน 

แต่ในการทดลองจริงๆทั่วไป จะพบโฟตอนตัวเดียว เมื่อมาชนกับนิวเคลียสของอะตอม โฟตอนซึ่งเป็นพลังงานจะถูกแปลงไปเป็นอิเล็กตรอนและโพซิตรอนที่มีมวลเท่ากัน

สมดุลถูกทำลาย

อย่างไรก็ตาม ทุกสิ่งทุกอย่างในจักรวาลยุคแรกๆ ล้วนได้รับผลกระทบจากการขยายตัวและการเย็นตัวลง เมื่ออุณหภูมิลดลง การแผ่รังสีก็รุนแรงน้อยลง และการสร้างคู่ของอนุภาค-ปฏิอนุภาคก็มีโอกาสน้อยลง ความสมดุลถูกทำลาย และกระบวนการทำลายล้างเริ่มแซงหน้ากระบวนการสร้าง อิเล็กตรอนและโพซิตรอนส่วนใหญ่จะทำลายล้างซึ่งกันและกันเพื่อผลิตโฟตอนเพิ่มขึ้น เหลือเพียงไม่กี่อิเล็กตรอนในจักรวาล

ความไม่สมมาตรระหว่างสสาร-ปฏิสสาร

นักฟิสิกส์เรียนรู้จากผลการทดลองในเครื่องเร่งอนุภาคที่จำลองสภาวะของจักรวาลยุคแรกหลังการเกิดบิกแบงว่า ในจักรวาลยุคแรกมีการสร้างสสาร-ปฏิสสารหรืออนุภาค-ปฏิอนุภาคในปริมาณที่เท่ากัน กระบวนการทำลายล้าง (annihilation) ด้วยการชนกันของสสาร-ปฏิสสารหรืออนุภาค-ปฏิอนุภาค จึงควรจะทำลายล้างพวกมันไปจนหมดสิ้น ทำให้จักรวาลมีแต่พลังงาน แต่ทุกวันนี้ ทุกๆ สิ่งที่เราเห็นไม่ว่าจะเป็นรูปแบบสิ่งมีชีวิตที่เล็กที่สุดไปจนถึงวัตถุขนาดใหญ่ที่สุด ล้วนสร้างมาจากสสารแทบทั้งสิ้น มีปริมาณของปฏิสสารไม่มากนัก นั่นแสดงว่าจักรวาลยุคแรกมีปริมาณของสสารมากกว่าปฏิสสาร

การที่จักรวาลยุคแรก มีปริมาณของสสารมากกว่าปฏิสสาร ทำให้มีสสารบางจำนวนรอดพ้นจากขบวนการ annihilation หลงเหลืออยู่ สร้างเป็นดวงดาว กาแลกซี่ สิ่งต่างๆ รวมทั้งตัวเรา แล้วปฏิสสารบางจำนวนของมันหายไปได้อย่างไร ต้องมีอะไรบางอย่างเกิดขึ้น “ความไม่สมมาตรระหว่างสสารและปฏิสสาร (matter-antimatter asymmetry)” ในจักรวาลเป็นหนึ่งในปัญหาที่ยิ่งใหญ่ที่สุดทางฟิสิกส์ที่ยังไม่มีใครสามารถเฉลยถึงสาเหตุการหายไปของปฏิสสารได้

Cheat Codes & Jimmie Allen – Lose You

• Facebook
• Twitter
• Line