ในทุกวินาที บริเวณพื้นที่หนึ่งตารางเมตรบนโลกจะได้รับกระแสอนุภาคจำนวนนับล้าน ล้าน ล้านตัว นักวิทยาศาสตร์เรียกพายุอนุภาคจากอวกาศเหล่านี้ว่า รังสีคอสมิก ครั้นเมื่อ Cecil Powell แห่งมหาวิทยาลัย Bristol ในอังกฤษนำแผ่นฟิล์มถ่ายรูปไปรับกระแสอนุภาคนี้ ณ ยอดเขา Ben Nevis แล้วนำแผ่นฟิล์มไปล้าง เขาได้เห็นอนุภาคประหลาดจำนวนมากที่ไม่มีใครเคยเห็นมาก่อน ซึ่งอนุภาคเหล่านี้เกิดจากการชนระหว่างรังสีคอสมิกกับโมเลกุลของไนโตรเจน และออกซิเจนในอากาศ ผลงานนี้ทำให้ Powell ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 1950
ปัจจุบันนักฟิสิกส์ไม่นิยมศึกษาการชนระหว่างอนุภาค โดยใช้แผ่นฟิล์มถ่ายรูปแล้ว แต่ใช้เครื่องเร่งอนุภาคในการศึกษาแทน ถึงกระนั้นการใช้เครื่องเร่งอนุภาคก็ยังเป็นการวิจัยที่เหมาะสำหรับอนุภาคที่มีพลังงานต่ำ เพราะถ้าต้องการศึกษาการชนกันที่พลังงานสูงมากๆ เขาก็จำเป็นต้องใช้อนุภาคจากนอกโลก นั่นคือ รังสีคอสมิกอยู่ดี ซึ่งข้อมูลที่ได้จะชี้บอกธรรมชาติของต้นกำเนิดรังสีคอสมิก รวมถึงการแตกดับของแหล่งให้กำเนิดรังสีด้วย
ปีนี้เป็นปีครบหนึ่งศตวรรษของการพบรังสีคอสมิกโดยนักวิทยาศาสตร์อเมริกันสัญชาติออสเตรีย ชื่อ Victor Hess และตลอดเวลา 100 ปีที่ผ่านมา วิทยาการสาขานี้ได้ก้าวหน้าไปมากจนถ้า Hess ได้หวนกลับมาดูการวิจัยเรื่องนี้อีกครั้งหนึ่ง เขาคงคิดไม่ถึงว่า สิ่งที่เขาพบนั้นได้ถูกนำไปประยุกต์อย่างแพร่หลายในวิชาการต่างๆ มากมาย ตั้งแต่การวัดอายุวัตถุโบราณในโบราณคดี จนกระทั่งถึงการสร้างปฏิสสาร (antimatter) ในฟิสิกส์
เมื่อใกล้จะสิ้นสุดคริสตศตวรรษที่ 19 และเริ่มคริสตศตวรรษที่ 20 โลกฟิสิกส์ได้มีการปฏิรูปครั้งยิ่งใหญ่เมื่อ Henri Becquerel พบปรากฏการณ์กัมมันตรังสี Joseph J. Thomson พบอิเล็กตรอน Wilhelm Röntgen พบรังสีเอ็กซ์ Max Planck พบควอนตัม และ Albert Einstein สร้างทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ
สำหรับอุปกรณ์หลักที่นักฟิสิกส์ในสมัยนั้นใช้ศึกษาธรรมชาติของกัมมันตรังสี คือ electroscope ซึ่งเป็นเครื่องมือที่ค่อนข้างไวในการวัดปริมาณการแตกตัวเป็นไอออน (ionization) ของอะตอมโดยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (แสง) และกัมมันตรังสี ครั้นเมื่อนักวิจัยได้พบว่า แร่และหินบางชนิดก็สามารถเปล่งกัมมันตรังสีที่ทำให้อะตอมแตกตัวเป็นไอออนได้ นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่จึงคิดว่าพื้นดินใต้โลกก็สามารถแผ่กัมมันตรังสีออกมาได้ด้วย รังสีนี้จึงเป็นรังสีภูมิหลังที่จะมีอยู่ตลอดเวลา เพื่อยืนยันการคาดการณ์นี้ นักวิทยาศาสตร์จึงนำ electroscope ใส่ภาชนะแล้วนำไปจุ่มลงในทะเลและมหาสมุทร บางคนก็นำอุปกรณ์นี้ขึ้นที่สูง เช่น ใส่ในบอลลูนหรือวางบนยอดเขา ผลการศึกษาให้ข้อมูลด้านปริมาณการแตกตัวเป็นไอออนที่ขัดแย้งกัน เพราะบางการทดลองแสดงว่า ยิ่งสูงปริมาณการแตกตัวเป็นไอออนยิ่งเพิ่ม แต่บางการทดลองชี้บอกว่า ยิ่งสูงปริมาณการแตกตัวเป็นไอออนจะลด
ความสับสนที่เกิดขึ้นนี้ชักนำให้ Hess ก้าวเข้าสู่วงการในปี 1911 โดยได้ขึ้นบอลลูนหลายครั้งด้วยตนเองทั้งกลางวันและกลางคืน เพื่อวัดปริมาณ ionization และในวันที่ 7 สิงหาคม ค.ศ.1912 เมื่อ Hess ได้ขึ้นบอลลูนอีกเป็นครั้งที่ 7 วันนั้นเป็นเวลาที่ผู้คนในหลายประเทศของยุโรปกำลังเห็นสุริยคราสเต็มดวง Hess ได้พบว่า ในระยะแรกของการทดลองปริมาณ ionization ได้ลดลงก่อนแล้วเพิ่มขึ้นๆ จนกระทั่งถึงที่ระยะสูง 5.3 กิโลเมตร จากนั้นเมื่อความสูงเพิ่มอีก ปริมาณ ionization ก็ไม่ลดลงอีกต่อไป คือ จะคงตัว
แต่ขณะเกิดสุริยคลาส Hess ได้พบว่าปริมาณ ionization ไม่เปลี่ยนแปลง นั่นแสดงให้เห็นว่า ดวงอาทิตย์มิได้เป็นตัวการที่ทำให้เกิด ionization ข้อมูลยังแสดงอีกว่า ที่ระยะสูง 4.5 กิโลเมตร ปริมาณ ionization มีค่ามากเป็น 4 เท่าของปริมาณที่ระดับพื้นดิน อีก 6 ชั่วโมงต่อมา บอลลูนได้ลอยไปตกที่ Rome ซึ่งอยู่ห่างจาก Innsbruck ซึ่งเป็นสถานที่ปล่อยบอลลูน ประมาณ 200 กิโลเมตร การวัดข้อมูลอย่างละเอียดทำให้ Hess ได้ชื่อว่าเป็นบิดาของวิทยาการสาขา cosmic rays physics เพราะเขาได้พบรังสีคอสมิกจากนอกโลก
Victor Francis Hess เกิดที่เมือง Schloss Waldstein ในออสเตรียเมื่อวันที่ 24 มิถุนายน ค.ศ.1883 (ตรงกับรัชสมัยสมเด็จพระปิยมหาราช) ได้เข้าศึกษาที่โรงเรียนมัธยมแห่ง Graz และเรียนต่อที่มหาวิทยาลัย Graz จนสำเร็จปริญญาเอกในปี 1906 เมื่อมีอายุเพียง 23 ปี จากนั้น Hess ได้เริ่มชีวิตทำงานที่ Radium Institute of the Austrian Academy of Sciences ที่ Vienna เขาทำงานที่นั่นจนกระทั่งถึงปี 1920 จึงลาไปพักผ่อนที่อเมริกาแล้วกลับไปเป็นอาจารย์ที่มหาวิทยาลัย Graz และที่มหาวิทยาลัย Innsbruck การพบรังสีคอสมิกในปี 1912 ทำให้ Hess ได้รับการยกย่องและเกียรติยศมากมาย เช่น ได้รับแต่งตั้งเป็นศาสตราจารย์แห่งมหาวิทยาลัย Innsbruck ในปี 1925 และรับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ร่วมกับ C.D. Anderson ในปี 1936 อีก 2 ปีต่อมา Hess ถูกไล่ออกจากงานที่มหาวิทยาลัย Innsbruck โดยคำสั่งของกองทัพนาซีที่กำลังยึดครองออสเตรีย เพราะเป็นคนนับถือศาสนาคริสต์นิกายโรมันแคทอลิก และมีภรรยาเป็นยิว Hess จึงต้องอพยพครอบครัวไปอเมริกาเพื่อความปลอดภัย และไปเป็นอาจารย์ที่มหาวิทยาลัย Fordham ใน New York ตั้งแต่ปี 1938 ถึง 1956 Hess เสียชีวิต เมื่อวันที่ 17 ธันวาคม ค.ศ.1964 ที่ New York สิริอายุ 81 ปี
ในปี 1912 ที่ Hess พบว่าในเอกภพมีรังสีคอสมิกนั้น ผลงานนี้เกิดจากความพยายามของนักฟิสิกส์ที่จะอธิบายว่า เหตุใดแผ่นทองคำเปลวที่เป็นองค์ประกอบสำคัญของ electroscope เวลาถูกปล่อยทิ้งไว้นานๆ จึงสูญเสียประจุ แม้อุปกรณ์ electroscope นั้นจะถูกห่อหุ้มและปกป้องโดยฉนวนดีเพียงใดก็ตาม หรือในกรณีที่ Auguste Coulomb ได้พบว่า ทรงกลมที่มีประจุก็จะสูญเสียประจุไปทีละน้อยเมื่อถูกทิ้งในอากาศ และ William Crookes ก็ได้พบว่า ถ้าความดันอากาศภายใน electroscope ลดน้อยลง อัตราการสูญเสียประจุจะช้าลง
ก่อนที่ Hess จะลงมือศึกษาเรื่องนี้ นักทดลองหลายคน เช่น T. Wulff ในปี 1910 ได้เคยนำ electroscope ไปวางที่ยอดหอ Eiffel ในปารีสเพื่อทดสอบว่า ถ้ารังสีมาจากพื้นดินจริง เมื่ออุปกรณ์อยู่ที่สูงอัตราการสูญเสียประจุจะต้องน้อยลง และในปี 1912 A. Gockel ได้ขน electroscope ขึ้นบอลลูน แต่ไม่พบว่าอัตราการสูญเสียประจุจะลดลงไม่ว่าบอลลูนจะลอยสูงเพียงใด
แต่เมื่อ Hess ทดลองโดยนำ electroscope ไปใส่ในบอลลูนบ้าง เขาได้พบว่าในเบื้องต้น อัตราการสูญเสียประจุจะลด จนถึงระยะสูง 610 เมตร อัตราการสูญเสียประจุจะเพิ่มมากจนมีค่าประมาณ 4 เท่าของที่ระดับน้ำทะเล แล้วอัตราการสูญเสียประจุก็ลดอีก สำหรับการทดลองในวันที่เกิดสุริยคราสเต็มดวงนั้น Hess ได้พบว่าเมื่อดวงจันทร์บดบังดวงอาทิตย์สนิท อัตราการสูญเสียประจุไม่เปลี่ยนแปลง ดังนั้นเขาจึงคิดว่าดวงอาทิตย์มิได้เป็นต้นกำเนิดของรังสีลึกลับ และรังสีลึกลับนี้เดินทางสู่โลกตลอดเวลาทั้งกลางวันและกลางคืนอย่างสม่ำเสมอ
ในการอธิบายสิ่งที่ Hess สังเกตเห็น Hess อ้างว่า ถ้าโลกให้กำเนิดรังสีที่ทำให้แก๊สแตกตัว เวลา electroscope อยู่ที่สูง รังสีจากโลกจะต้องน้อยลง แต่กลับเป็นว่ายิ่งไกลปริมาณรังสียิ่งมาก เพราะอุปกรณ์ electroscope ที่ Hess ออกแบบนั้นสามารถวัดรังสีได้ดีและละเอียดมาก การทดลองของ Hess จึงให้ข้อสรุปว่าในเบื้องต้น ปริมาณรังสีลดลงๆ จนถึงที่ระยะสูงประมาณ 1 กิโลเมตร จากนั้นปริมาณรังสีจะเพิ่มมากขึ้นๆ จนถึงที่ระยะสูง 5 กิโลเมตร ปริมาณจะมากประมาณ 4 เท่าของระดับที่น้ำทะเล Hess จึงคิดว่า อวกาศนอกโลก คือต้นกำเนิดของรังสี
ส่วนชื่อของรังสีที่เรียกกันว่า รังสีคอสมิกนั้น Robert Millikan เป็นคนตั้งให้ในปี 1925 และ Arthur Compton คือคนที่พบว่ารังสีคอสมิกประกอบด้วยอนุภาค เพราะมันถูกเบี่ยงเบนในสนามแม่เหล็ก การวิจัยในเวลาต่อมาแสดงให้เห็นว่า รังสีคอสมิกประกอบด้วยอนุภาคหลายชนิด เช่น โปรตอน และอิเล็กตรอนที่มีพลังงานต่างๆ กัน ซึ่งพุ่งเข้าสู่บรรยากาศโลกตลอดเวลา ประมาณ 90% ของรังสีนี้เป็นโปรตอน ส่วนที่เหลือเป็นอิเล็กตรอน และอนุภาคแอลฟา ฯลฯ เพราะอุปกรณ์ของ Hess ไม่ละเอียดมาก ดังนั้นเขาจึงคิดว่า ดวงอาทิตย์มิได้ให้กำเนิดรังสีคอสมิก แต่ในความเป็นจริง ดวงอาทิตย์ให้กำเนิดรังสีคอสมิกได้เช่นกัน แต่เป็นรังสีที่มีพลังงานต่ำ ส่วนรังสีคอสมิกที่มีพลังงานสูงมากนั้นมาจาก supernova และ pulsar
การจะรู้แหล่งกำเนิดของรังสีคอสมิกก็มิใช่เรื่องง่าย เพราะในอวกาศมีสนามแม่เหล็กที่ปั่นป่วนซึ่งสามารถเบี่ยงเบนวิถีของรังสีคอสมิกได้ตลอดการเดินทางของมัน ดังนั้น แม้นักวิทยาศาสตร์จะรู้เส้นทางช่วงสุดท้าย แต่การย้อนเส้นทาง มิได้ช่วยบอกที่มาของรังสีเลย ส่วนกรณีที่อนุภาคมีพลังงานสูงมาก จนมีความเร็วเกือบเท่าความเร็วแสงนั้น นักฟิสิกส์ยังไม่รู้สาเหตุที่ทำให้มันมีพลังงานมากถึง 100 ล้านเท่าของอนุภาคโปรตอนในเครื่องเร่งอนุภาค LHC ที่ Geneva เพราะได้พบว่า อนุภาคคอสมิก 1 ตัวมีพลังงานเท่าลูกเทนนิสที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 300 กิโลเมตรต่อวินาที
ด้วยพลังงานที่สูงมากเช่นนี้ เมื่อรังสีพุ่งชนบรรยากาศโลกซึ่งประกอบด้วยโมเลกุลของออกซิเจน และไนโตรเจน การแตกตัวจะเกิดขึ้นอย่างมโหฬาร นอกจากจะทำให้เกิดอนุภาคมูลฐานหลากหลายชนิดแล้ว จะมีรังสีแกมมาเกิดขึ้นด้วย
ดังในปี 1911 ที่ C.T.R. Wilson ได้สร้างห้องเมฆ (cloud chamber) ขึ้นเพื่อศึกษารังสีคอสมิก เขาได้นำห้องเมฆขึ้นทดลองบนยอดเขา Ben Nevis ในสก็อตแลนด์ ส่วน C.D. Anderson ได้พบว่า เมื่อรังสีคอสมิกพุ่งเข้าไปในห้องหมอก พลังงานส่วนหนึ่งของรังสีได้เปลี่ยนไปเป็นมวล ทำให้เกิดอนุภาคชนิดใหม่ที่มีมวลเท่าอิเล็กตรอน แต่มีประจุบวก อนุภาคนี้คือ positron ซึ่งถ้าปะทะกับอิเล็กตรอนจะให้รังสีแกมมา อนุภาคนี้จึงเป็นอนุภาคปฏิสสารตัวแรกที่พบและสอดคล้องกับคำทำนายในทฤษฎี Quantum Electrodynamics (QED) ของ Paul Dirac ซึ่งในเวลานั้น ไม่มีใครเคยคิดว่า เราสามารถพบ antimatter ได้บนโลก การพบ anti-electron หรือ positron ทำให้ Dirac คิดไปว่า เอกภพคงมี anti-atom และ anti-star ด้วย
การพบ positron ทำให้ Anderson ได้รับรางวัลโนเบลประจำปี 1936 ร่วมกับ Hess ที่ได้รับในฐานะที่พบรังสีคอสมิก
เมื่อสิ้นสุดสงครามโลกครั้งที่สองงานวิจัยด้าน cosmic ray ได้หวนกลับมาเป็นที่นิยมอีกครั้งหนึ่ง และทำให้นักฟิสิกส์ได้พบอนุภาคแปลกๆ อีกมากมาย เมื่อให้รังสีคอสมิกพุ่งผ่าน cloud chamber และ bubble chamber เพราะพบอนุภาค hyperon, pion และ kaon ฯลฯ การพบเหล่าอนุภาคที่ไม่มีนักทฤษฎีใดคาดคิดมาก่อนได้ทำให้นักทฤษฎีต้องหาวิธีอธิบายโดยการสร้างทฤษฎีของอนุภาคมูลฐานซึ่งได้นำไปสู่การพบ quark ในที่สุด
ในส่วนของการค้นคว้าด้านโบราณคดีที่เกี่ยวกับเทคนิคการวัดอายุของวัตถุโบราณนั้น รังสีคอสมิกก็ได้เข้ามามีบทบาทมาก เพราะรังสีนี้เป็นต้นเหตุที่ทำให้อะตอมคาร์บอน-12 กลายเป็นคาร์บอน-14 ให้สิ่งมีชีวิตดูดกลืนไปให้นักโบราณคดีวัดอายุ เพราะปริมาณ C-14 ขึ้นกับปริมาณรังสีคอสมิกที่มาถึงโลก ดังนั้น จึงขึ้นกับวัฎจักรพายุสุริยะของดวงอาทิตย์ที่เกิดทุก 11 ปีด้วย
สำหรับมนุษย์อวกาศที่ถูกส่งไปสำรวจดาวเคราะห์ ตามปกติเวลาอยู่บนโลก มนุษย์ทุกคนมีบรรยากาศโลกปกป้อง แต่เมื่อถูกส่งขึ้นอวกาศที่ไม่มีอากาศเลย ร่างกายของมนุษย์อวกาศจะปลอดภัยน้อยลง แม้จะมีผนังยานอวกาศเป็นเกราะกำบัง แต่รังสีคอสมิกที่มีพลังงานสูงมาก อาจทะลุทะลวงเข้าร่างกายไปทำร้าย DNA ทำให้เซลล์เปลี่ยนแปลง จนอาจกลายพันธุ์เป็นเซลล์มะเร็งได้ ดังนั้น นี่อาจเป็นสาเหตุหนึ่งที่ทำให้การเดินทางไกลในอวกาศของมนุษย์มีขีดจำกัด
ในอดีตเมื่อ 60 ปีก่อน งานวิจัยเรื่อง cosmic ray เป็นการทำงานที่ใช้ทุนน้อยและวิจัยโดยคนเพียงไม่กี่คน เช่น ในการทดลองของ C.F. Powell เขานำฟิล์มถ่ายรูปห้อยแขวนใต้บอลลูน ฟิล์มที่ใช้เป็นฟิล์ม Ilford ซึ่งต้องนำไปล้างและอัดที่มหาวิทยาลัย Bristol คณะวิจัยของเขาประกอบด้วยนักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัย Bristol, Brussels, Copenhagen, Dublin, Geneva, Milan และ Padua รวม 33 คน ซึ่งนับว่ามากที่สุดในยุคนั้น ทำให้พบอนุภาคอายุสั้นชื่อ pion ซึ่งได้ยืนยันทฤษฎีแรงนิวเคลียร์รูปแบบใหม่ของ Hideki Yukawa ว่าถูกต้อง
ณ วันนี้งานวิจัยด้านนี้เป็นงานวิจัยสหวิทยาการที่มีนักวิจัยเป็นร้อยเป็นพัน เช่นที่ CERN ซึ่งมีเครื่องเร่งอนุภาคที่ทรงพลังที่สุดในโลก ก็มีนัก cosmic ray ร่วมอยู่ในทีมวิจัยหลายคน
ตามปกติแม้เหตุการณ์สำคัญที่เกิดโดยรังสีคอสมิกจะไม่อุบัติบ่อย แต่เมื่อเกิดแล้วก็มักมีความสำคัญมาก เช่น การพบอนุภาค positron และ kaon ซึ่งเกิดขึ้นในตอนแรกเพียงครั้งเดียว (event เดียว) แต่ก็มีความสำคัญมาก เพราะทำให้นักวิทยาศาสตร์ทุกคนประหลาดใจ และเข้าใจธรรมชาติยิ่งขึ้น
ในส่วนของงานวิจัยนั้นนักวิจัยยังใช้บอลลูน ดาวเทียม และจรวดเพื่อสำรวจรังสีคอสมิกในอวกาศ ส่วนบนดินก็มี detector สำหรับตรวจจับอนุภาคคอสมิกตลอดเวลา ข้อมูลปัจจุบันระบุว่า อนุภาคคอสมิกที่มีพลังงานมากที่สุดมาจาก supernova แต่นักฟิสิกส์ก็ยังไม่รู้ชัดว่า อนุภาคเหล่านี้ถูกเร่งในลักษณะใด จึงมีพลังงานสูงถึงปานนั้น
งานวิจัยเรื่องนี้ในอนาคตคงจะนำมาซึ่งรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์อีกหลายรางวัลยัง
*****************
เกี่ยวกับผู้เขียน
สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน - ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์
ประวัติการศึกษา - ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ สุทัศน์ ยกส้าน ได้ทุกวันศุกร์
*********
สำหรับผู้สนใจต่อยอดความรู้ หนังสือ "สุดยอดนักผจญภัย" โดย ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน มีวางจำหน่ายแล้วในราคาเล่มละ 250 บาท
