xs
xsm
sm
md
lg

รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2547

เผยแพร่:   โดย: สุทัศน์ ยกส้าน


เมื่อวันที่ 5 ตุลาคม ที่ผ่านมานี้ นักฟิสิกส์ทฤษฎีชาวอเมริกัน 3 คน คือ David J. Gross แห่งมหาวิทยาลัย California ที่ Santa Barbara, H. David Politzer แห่ง California Institute of Technology และ Frank Wilczek แห่ง Massachusetts Institute of Technology ได้รับการประกาศให้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ ประจำปี 2547 ด้วยผลงานด้านทฤษฎีที่ใช้อธิบายคุณสมบัติของอนุภาค Quark (ควาร์ก) ซึ่งเป็นอนุภาคมูลฐานที่เล็กที่สุดที่มนุษย์ไม่สามารถแบ่งแยกได้อีกแล้ว

ปราชญ์กรีกในสมัยพุทธกาล เคยเชื่อว่าสรรพสิ่งต่างๆ ในจักรวาลประกอบด้วย ดิน น้ำ ลม และไฟ ส่วนปราชญ์จีนโบราณเชื่อว่า สสารประกอบด้วยโลหะ ไม้ น้ำ ไฟ และดิน ในอัตราส่วนต่างๆ กัน แต่ปราชญ์ Democritus คิดว่า สสารทุกชนิดไม่ว่าจะเป็นอะไรก็ตาม จะต้องมีองค์ประกอบที่เล็กที่สุด ที่มนุษย์ไม่สามารถแบ่งแยกอีกต่อไปได้ และ Democritus เรียกสิ่งที่เล็กที่สุดนี้ว่า atom ซึ่งแปลว่าแบ่งแยกไม่ได้ ดังนั้นในมุมมองของ Democritus กล้วยจะมีอะตอมของกล้วย ดินสอก็จะมีอะตอมของดินสอ ฯลฯ ถึงกระนั้น ผู้คนและนักวิทยาศาสตร์ในอีก 2,000 ปีต่อมา ก็ไม่เชื่อในความคิดนี้ เพราะไม่มีใครเคยเห็นอะตอมที่ Democritus กล่าวถึงเลย ในฝรั่งเศสเมื่อ 500 ปีก่อนนี้ หากใครเชื่อว่า อะตอมมีจริง ก็จะถูกประหารชีวิต แม้แต่เมื่อ 120 ปีก่อนนี้ นักปราชญ์ราชบัณฑิตต่างๆ ก็ไม่มีใครเชื่อว่า อะตอมมีจริง และบุคคลสำคัญที่เป็นหัวโจกในการต่อต้านเรื่องนี้คือ Ernst Mach (หน่วยความเร็วที่แสดงว่า วัตถุมีความเร็วเป็นกี่เท่าของเสียงเรียก มัค ตามชื่อนักฟิสิกส์ท่านนี้) ส่วนฝ่ายที่เชื่ออย่างสนิทติดใจว่าอะตอมมีจริงคือ Ludwig Boltzmann (นักฟิสิกส์ทฤษฎีผู้ยิ่งใหญ่ ผู้บุกเบิกวิชา Statistical Physics) และในปี 2449 นั่นเอง Boltzmann ซึ่งขณะนั้นสุขภาพทรุดโทรมมาก เพราะเครียดจัดที่ถูกฝ่าย Mach โจมตี ได้ลาพักร้อนที่เมืองเล็กๆ ชื่อ Duino ซึ่งอยู่ใกล้เมือง Trieste ในประเทศอิตาลี และขณะที่ภรรยากับบุตรสาวกำลังเล่นน้ำ Boltzmann ผู้ยิ่งใหญ่ก็ได้ผูกคอตาย

98 ปีต่อมา ณ วันนี้มนุษย์ทุกคนยอมรับแล้วว่า สสารทุกชนิดประกอบด้วยอะตอม เช่น เหล็กก็มีอะตอมของเหล็ก ออกซิเจนก็มีอะตอมของออกซิเจนที่ไม่เหมือนกัน คือมีขนาด รูปร่าง และคุณสมบัติที่แตกต่างกัน แต่นักฟิสิกส์ก็ใคร่รู้ระดับลึกลงไปอีกว่า อะตอมต่างๆ ประกอบด้วยอะไรบ้าง และมนุษย์จะแบ่งแยกอะตอมให้เล็กลงได้อีกหรือไม่

การทดลองของ Ernest Rutherford ในปี พ.ศ. 2454 ได้ทำให้นักฟิสิกส์รู้ว่ามนุษย์สามารถแบ่งแยกอะตอมได้ และอะตอมประกอบด้วยอนุภาคอิเล็กตรอนที่โคจรรอบแกนกลาง ซึ่ง Rutherford เรียกนิวเคลียส (nucleus) โดยอิเล็กตรอนมีประจุลบ และนิวเคลียสมีประจุบวกที่ Rutherford เรียกว่า อนุภาคโปรตอน (proton) การพบอนุภาคนิวตรอน (neutron) ที่ไม่มีประจุโดย James Chadwick ในปี พ.ศ. 2475 ทำให้ภาพของอะตอมสมบูรณ์ขึ้นคือ ทำให้เรารู้ว่าอะตอมมีโครงสร้างเหมือนสุริยจักรวาลที่มีอนุภาค proton และ neutron อยู่กลาง และมีอนุภาคอิเล็กตรอนที่ J. J. Thomson พบในปี พ.ศ. 2440 โคจรอยู่รอบๆ

การศึกษาคุณสมบัติต่างๆ ของอิเล็กตรอน ไม่ว่าจะอยู่ในกระแสไฟฟ้า หรือในหลอดรังสีแคโทด (cathode) ทำให้นักฟิสิกส์ ณ วันนี้รู้ว่ารัศมีของอิเล็กตรอนมีความยาวน้อยกว่า 0.000000000000000000001 เมตร และเมื่อยิ่งวัดมันก็ยิ่งมีขนาดเล็กลงๆ ข้อมูลเช่นนี้ทำให้นักฟิสิกส์รู้ว่า อิเล็กตรอนเป็นอนุภาคมูลฐาน (elementary particle) ที่ไม่มีขนาด และไม่สามารถแบ่งแยกเป็นอนุภาคที่เล็กกว่าได้อีก

แต่สำหรับอนุภาคโปรตอน และนิวตรอน เมื่อนักฟิสิกส์ทดลองยิงอนุภาคอิเล็กตรอนให้พุ่งชนโปรตอน เขาได้สังเกตเห็นอนุภาคต่างๆ เกิดขึ้นมากมายเช่น pion, kaon, lambda, sigma, xi-minus, xi-plus ฯลฯ นั่นแสดงว่า อนุภาคโปรตอน และนิวตรอนที่อยู่ในนิวเคลียส มิได้เป็นอนุภาคที่เล็กที่สุดอีกต่อไป แต่ยังประกอบด้วยอนุภาคที่เล็กกว่าลงไปอีก ซึ่ง Murray Gell-Mann เรียกว่า quark (ควาร์ก) และความคิดของ Gell-Mann ก็ได้รับการสนับสนุนโดยการทดลองของ Jerome Friedmann, Henry Kendall และ Richard Taylor ในอีก 2 ปีต่อมา ซึ่งได้แสดงให้เห็นว่า ในโปรตอนมีอนุภาคควาร์ก 3 ตัว

การศึกษาในเวลาต่อมาทำให้นักฟิสิกส์รู้ว่า ในระดับที่ลึกที่สุด และเล็กที่สุด ควาร์กทั้งหมดมี 6 ชนิด คือชนิด up (u) down (d), strange (s), charm (c), top (t) และ bottom (b) โดยควาร์กชนิด u มีประจุ +2e/3 ชนิด d มีประจุ -e/3 เมื่อ e คือประจุของอิเล็กตรอน ดังนั้นในกรณีของโปรตอนซึ่งประกอบด้่วยควาร์ก 3 ตัวคือ u u d จึงมีประจุเป็น +2e/3+2e/3-e/3 = +e และกรณีของนิวตรอน ซึ่งประกอบด้วยควาร์ก u d d จึงมีประจุเป็น +2e/3-e/3-e/3 = 0 ดังนั้น นอกจากควาร์กทั้ง 6 ชนิดแล้ว ธรรมชาติก็ยังมีอนุภาค lepton อันเป็นอนุภาคมูลฐานอีก 6 ชนิดคือ electron, muon, tau electron neutrino, muon neutrino และ tau neutrino ด้วย ถึงแม้จะมีอนุภาคมูลฐานมากมาย แต่เราก็อาจกล่าวได้ว่า อนุภาคมูลฐานที่สำคัญจริงๆ มีเพียง 4 ชนิดคือ u d electron และ electron neutrino เพราะถึงแม้คน สุนัข ต้นไม้ ถ่านหิน ปากกา ฯลฯ จะมีรูปร่างหรือ DNA ที่มีคุณสมบัติต่างกันอย่างชนิดสวรรค์กับนรก เราก็สามารถกล่าวได้ว่า คน สุนัข ต้นไม้ ถ่านหิน ปากกา มีควาร์กชนิด u, d, electron และ electron neutrino ที่เหมือนกันทุกประการ

คำถามที่ตามมาคือ เมื่อควาร์กแต่ละตัว และแต่ละชนิดมีประจุไฟฟ้าแล้ว เหตุใดควาร์กชนิด u กับ u จึงสามารถอยู่ภายในอนุภาคโปรตอนเดียวกันได้ และนี่ก็คือที่มาของผลงานของ Gross, Wilczek และ Politzer ซึ่งได้สร้างทฤษฎีอธิบายพฤติกรรมของ quark ว่าอนุภาค quark มีแรงกระทำต่อกัน โดยการแลกเปลี่ยนอนุภาคอีกชนิดหนึ่ง ซึ่งมีชื่อว่า gluon และการรับ-คายอนุภาค gluon ซึ่งมีหลายชนิดนี้เองที่ทำให้อนุภาคควาร์ก u, d, s, c, t, b อยู่ด้วยกันได้ และแปรเปลี่ยนอนุภาค u ไปเป็น s หรือ c เป็น t ได้ โดยทฤษฎีแรงที่นักฟิสิกส์ทั้งสามสร้างนี้มีชื่อเรียกรวมๆ ว่า Quantum Chromodynamics (QCD) ที่สามารถอธิบายแรงนิวเคลียร์ชนิดรุนแรง (strong interaction) อันเป็นแรงหนึ่งในสี่ของธรรมชาติได้ (แรงทั้ง 4 ได้แก่ แรงโน้มถ่วง แรงไฟฟ้า แรงนิวเคลียร์ชนิดอ่อน และแรงนิวเคลียร์ชนิดรุนแรง)

ผลพวงหนึ่งที่ได้จากทฤษฎี QCD คือ คนทั้งสามได้พบว่า ในขณะควาร์กอยู่ใกล้กัน ควาร์กจะมีสภาพเป็นอนุภาคอิสระที่ไม่มีแรงใดๆ มากระทำ (asymptotic freedom) แต่พอมันอยู่ห่างกัน ควาร์กจะถูกแรงดึงดูดอย่างมากมหาศาล จนเราไม่สามารถแบ่งแยกควาร์กออกมาเป็นอิสระโดดๆ ได้ ปรากฏการณ์ confinement ที่กักขัง quark นี้ทำให้เรารู้ว่า ในที่สุดมนุษย์ก็ถึงทางตันที่จะแยก quark
จึงเป็นว่า ณ วันนี้นักฟิสิกส์มีทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของ Einstein ทฤษฎี Electroweak ของ Weinberg-Salam-Glashow และทฤษฎี QCD ของ Gross-Politzer-Wilczek ที่ต้องรวมกันให้เป็นหนึ่งเดียวคือ Theory of Everything ครับ

สุทัศน์ ยกส้าน ภาคีสมาชิก ราชบัณฑิตยสถาน

*****************
ชุดวิทยาการแห่งอารยะ
ศาสตร์ปริศนา
โดย ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน
ราคา 140 บาท
มีจำหน่ายแล้วตามร้านหนังสือทั่วไป
หรือสั่งซื้อได้ที่สำนักพิมพ์สารคดี
28-30 ถนนปรินายก แขวงบ้านพานถม
เขตพระนคร กรุงเทพฯ 10200
โทรสาร 0-2282-7003
เช็คหรือธนาณัติสั่งจ่าย
บริษัท วิริยะธุรกิจ จำกัด ปท.วังเทเวสม์ 10205

กำลังโหลดความคิดเห็น