คนหลายคนเชื่อว่า ทุกสิ่งทุกอย่างในโลกเปลี่ยนแปลง สัจจะนี้จะเห็นได้ชัดจากกรณีสังขารที่ร่วงโรย ความรู้สึกที่แปรปรวน และความรักที่ไม่นิรันดร์ ฯลฯ ถึงวันนี้นักฟิสิกส์บางคนเชื่อว่า ค่าคงตัว (constant) ต่างๆ ในวิทยาศาสตร์ เช่น ความเร็วแสง มวลของอิเล็กตรอน หรือแม้แต่ค่าคงตัวของแรงโน้มถ่วงก็อาจเปลี่ยนแปลงตามเวลาด้วย แต่นักฟิสิกส์ส่วนใหญ่กลับคิดว่า ค่าคงตัว ไม่แปรเปลี่ยน คือไม่ว่าใครจะอยู่ที่ใดในเอกภพ ณ เวลาใด ก็จะวัดความเร็วของแสงได้ 299,792,458 เมตร/วินาที และวัดมวลของอิเล็กตรอนได้ 9.10938188 x 10-31 กิโลกรัมเสมอ และการที่ค่าลงตัวไม่เปลี่ยนแปลงค่าแม้แต่น้อยนี้ ทำให้นักฟิสิกส์สามารถสร้างทฤษฎีได้ เพราะถ้าค่าคงตัวเปลี่ยนแปลงคือขึ้นกับเวลา สูตรฟิสิกส์ก็จะยุ่งเหยิงและความโกลาหลก็จะเกิดขึ้นทันที
Paul Dirac เป็นนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษผู้พิชิตรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี ค.ศ.1933 ที่คิดว่า “ค่าคงตัว” เปลี่ยนค่าได้ ตั้งแต่ในอดีตและจะเปลี่ยนอีกในอนาคต หลังจากที่ได้ไปดื่มน้ำผึ้งพระจันทร์กับภรรยา การคิดเช่นนี้ทำให้นักฟิสิกส์หลายคนมีความเห็นว่า การสมรสทำให้ Dirac เพี้ยน เพราะถ้าค่าคงตัวเปลี่ยนค่าแม้แต่น้อยนิด มนุษย์ สิ่งมีชีวิต สิ่งไม่มีชีวิต และเอกภพจะไม่มีรูปร่างอย่างที่เป็นอยู่
อัลฟา (α) คือ ค่าคงตัวค่าหนึ่งที่นักฟิสิกส์รู้จักในนามว่า ค่าคงตัวของโครงสร้างละเอียด (fine structure constant) ซึ่งมีค่าประมาณ 1/137 และตัวเลขนี้ได้จากการคำนวณค่าของ 2π e2/hc เมื่อ π คือ 3.1415926...e คือประจุของอิเล็กตรอน ซึ่งมีค่า 1.6x10-19 คูลอมป์ และ c คือความเร็วแสง ผลคำนวณอย่างละเอียดทำให้รู้ว่า α มีค่า = 1/137.03599976
ในปี 1915 Arnold Sommerfeld คือ นักฟิสิกส์คนแรกที่ได้แนะนำให้นักฟิสิกส์รู้จักค่าคงตัวนี้ และเลข 137 นี้ได้ทำให้นักฟิสิกส์งุนงงมากว่า เหตุใดอัลฟาจึงมีค่าเท่ากับ 1/137 แม้แต่ Wolfgang Pauli นักฟิสิกส์รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 1945 ก็ได้ครุ่นคิดและฝังใจกับเลข 137 มากจนถึงกับได้เอ่ยปากขอให้ได้สิ้นใจตายในห้องเลขที่ 137 ของโรงพยาบาลในเมือง Zurich ประเทศสวิตเซอร์แลนด์
ความสำคัญของอัลฟาในวิชาฟิสิกส์ คือเป็นดัชนีบอกความรุนแรงของแรงแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งเป็นแรงที่กระทำระหว่างประจุ เช่น แรงผลักระหว่างอิเล็กตรอนกับอิเล็กตรอน และแรงดึงดูดระหว่างอิเล็กตรอนกับโปรตอน เพราะอะตอมสามารถคงรูปได้ด้วยแรงไฟฟ้า ดังนั้น ถ้าอัลฟาเปลี่ยนแปลงค่า อะตอมก็จะเปลี่ยนขนาด เช่น ถ้าอัลฟามีค่าน้อยลง สสารทุกชนิดก็จะมีความหนาแน่นน้อยลง และถ้าเราทำให้สสารเย็นลง และอัลฟามีค่าน้อยลง พันธะเคมีระหว่างอะตอมก็จะแตก ธาตุที่เสถียรก็จะลดจำนวนลง แต่ถ้าอัลฟามีค่าเพิ่ม นิวเคลียสของธาตุที่มีจำนวนอิเล็กตรอนน้อยก็จะแตกสลาย เพราะโปรตอนในนิวเคลียสซึ่งมีประจุบวกเหมือนกันจะผลักกันอย่างรุนแรง จนแรงนิวเคลียร์ในนิวเคลียสไม่สามารถต่อต้านได้ และนั่นก็คือจุดจบของนิวเคลียส ปัจจุบันนี้อัลฟามีค่าเท่ากับ 0.007297 แต่ถ้าอัลฟามีค่าเพิ่มถึง 0.1 ไฮโดรเจนจะไม่สามารถรวมตัวกันเป็นฮีเลียมได้อีกต่อไป และนั่นหมายความว่า ดาวฤกษ์ เช่น ดวงอาทิตย์จะดับ
ในวารสาร Physical Review Letters ฉบับวันที่ 27 สิงหาคม ค.ศ.2001 คณะนักดาราศาสตร์ชาวอเมริกัน อังกฤษ และออสเตรเลียได้รายงานว่า เมื่อ 10,000 ล้านปีก่อน อัลฟาขณะนั้นมีค่าไม่เท่าอัลฟาขณะนี้ รายงานนี้ได้สร้างความตื่นเต้นให้แก่นักฟิสิกส์มาก
คณะนักวิจัยได้ข้อสรุปนี้จากการสังเกตแสงจากดาว quasar จำนวน 72 ดวง ซึ่งแสงได้เคลื่อนที่ผ่านฝุ่นละออง และเมฆอวกาศจนถึงโลก เพราะเมฆอวกาศประกอบด้วยธาตุต่างๆ มากมาย เช่น แมกนีเซียม เหล็ก นิกเกิล และสังกะสี ฯลฯ ที่สามารถดูดแสงบางความยาวคลื่นได้ ดังนั้น เวลานักดาราศาสตร์วิเคราะห์แสงจาก quasar เขาจึงเห็นเส้นสเปกตรัมเป็นเส้นดำทึบหลายเส้น สเปกตรัมเส้นที่ปรากฏจึงบอกให้รู้ว่า ในอวกาศมีธาตุชนิดใดบ้าง เพราะเวลาอิเล็กตรอนในอะตอมดูดกลืนแสง พลังงานของอิเล็กตรอนขึ้นกับค่าอัลฟา ดังนั้น อัลฟาจึงเป็นตัวกำหนดความยาวคลื่นของเส้นสเปกตรัมที่ปรากฏ
ครั้นเมื่อคณะนักวิจัยได้รวบรวมข้อมูลแสงจาก quasar ต่างๆ มาวิเคราะห์ก็พบว่า สเปกตรัมเส้นที่เห็นมีความยาวคลื่นแตกต่างจากที่คาด ในภาพรวมข้อมูลความยาวคลื่นชี้บอกว่า ค่าคงตัวอัลฟาเมื่อหนึ่งหมื่นล้านปีก่อนมีค่าน้อยกว่าค่าอัลฟาปัจจุบันประมาณ 0.001% นั่นคือ ในอดีตอัลฟามีค่า 1/137.037 แต่ปัจจุบันมีค่า 1/137.036
เพราะอัลฟามีความสำคัญ ดังนั้น การตรวจสอบและวัดค่าอย่างละเอียดและรอบคอบจึงเป็นเรื่องจำเป็นสุดๆ และถ้าเป็นไปได้นักฟิสิกส์ก็ควรจะใช้วิธีวัดหลายวิธีเช่น อาจศึกษาจากการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี เป็นต้น
ในวารสาร Physical Review Letters ฉบับวันที่ 22 ตุลาคม ค.ศ.2001 Ekkehard Peik แห่ง Physical Technical Institute ที่เมือง Braunschweig ในเยอรมนีได้รายงานผลการทดลองที่ใช้นาฬิกาปรมาณูวิเคราะห์ว่า อัลฟาเปลี่ยนค่าตามเวลาหรือไม่
โดยคณะนักวิจัยกลุ่มนี้ได้นำอะตอมของธาตุ ytterbium หนึ่งอะตอมมากระตุ้นด้วยแสงเลเซอร์ ทำให้อิเล็กตรอนในอะตอมนั้นมีพลังงานสูงขึ้น ดังนั้น เวลาอิเล็กตรอนกลับคืนสู่สถานะเดิมก็จะปล่อยแสงออกมา เพราะความถี่ของแสงขึ้นกับพลังงานไฟฟ้าระหว่างนิวเคลียสกับอิเล็กตรอน (หรืออาจกล่าวอีกนัยหนึ่งได้ว่าขึ้นกับค่าอัลฟา) หลักการนี้ช่วยให้นักฟิสิกส์สามารถวัดค่าของอัลฟาได้ละเอียดถึงทศนิยมตำแหน่งที่ 15 และอีก 3 ปีต่อมา คือในปี 2004 นักทดลองคณะนี้ก็วัดค่าอัลฟาอีก และได้ข้อสรุปว่า ในเวลา 3 ปีที่ผ่านมา อัลฟามิได้เปลี่ยนค่าเลยแม้แต่น้อย
เราจึงเห็นได้ว่า ความแตกต่างระหว่างการทดลองทั้งสองนี้ คือ คณะทดลองกลุ่มแรกวัดอัลฟาโดยวิเคราะห์แสงจาก quasar ที่เดินทางถึงโลก แต่ข้อมูลเวลาหมื่นล้านปีที่ได้ไม่ละเอียด ส่วนกลุ่มหลังที่ศึกษาอะตอมโดยใช้เทคโนโลยีที่ละเอียดและแม่นยำกว่า แต่ก็วัดอัลฟาในช่วงเวลาค่อนข้างสั้น คือ 3 ปีเท่านั้นเอง
ในวารสาร Astronomy and Astrophysics 0402177 ที่ตีพิมพ์เมื่อปี 2004 W. Chand กับคณะได้รายงานการใช้ปฏิกิริยานิวเคลียร์ในธาตุ 235 U (ยูเรเนียม) ที่เหมือง Oklo ของประเทศ Gabon ในแอฟริกาใต้ ซึ่งได้สลายตัวมานานประมาณ 1,800 ล้านปีแล้ว การวัดจำนวนนิวตรอนที่เกิดจากปฏิกิริยาฟิชชันของยูเรเนียม ทำให้คณะนักวิจัยชุดนี้รู้ว่า อัลฟาไม่เปลี่ยนค่า และถ้าจะเปลี่ยน ก็ไม่เกิน (-0.06-/+0.06) x 10-3 %
จึงเป็นว่า ณ วันนี้กรณีค่าคงตัวต่างๆ จะเปลี่ยนค่าหรือไม่ ยังไม่มีการสรุปแบบฟันธง ถ้าค่าคงตัวเปลี่ยนค่าจริง นักฟิสิกส์ทฤษฎีก็คงต้องหาเหตุผลต่อว่า อะไรทำให้เปลี่ยน แต่ถ้าค่าคงตัวไม่เปลี่ยนค่าเลย นักฟิสิกส์ก็คงดำรงชีวิตอยู่ในภาวะสงบสุขไปอีกนาน เพราะทฤษฎีสัมพัทธภาพทั้งทั่วไปและพิเศษของ Einstein ก็ยังใช้ได้อีกต่อไป แต่ก็มีคนอีกหลายคนที่อยากเห็น Einstein คิดผิด และตนเป็นคนแรกที่รู้ว่า ค่าคงตัวเปลี่ยนและความเร็วแสงไม่คงตัวครับ
เกี่ยวกับผู้เขียน
สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน-ภาคีสมาชิกราชบัณฑิตยสถาน และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์
ประวัติการศึกษา - ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ สุทัศน์ ยกส้าน ได้ทุกวันศุกร์
