xs
xsm
sm
md
lg

Steven Chu นักฟิสิกส์โนเบลปี 1997 กับตำแหน่งรัฐมนตรีกระทรวงพลังงานของอเมริกา

เผยแพร่:   โดย: สุทัศน์ ยกส้าน

Steven Chu (PHOTO CREDIT: REUTERS/LARRING DOWNING)
รัฐมนตรีคนแรกของโลกที่เป็นนักวิทยาศาสตร์ที่ได้รับรางวัลโนเบลมีชื่อว่า Steven Chu แห่งมหาวิทยาลัย Stanford สหรัฐอเมริกา ซึ่งได้รับรางวัลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 1997 ร่วมกับ Claude Cohen-Tannoudji แห่ง College de France และ William D. Phillips แห่ง National Institute of Standards and Technology ในสหรัฐอเมริกา ด้วยผลงานการสร้างเทคนิคกักอะตอมที่เป็นกลางให้ลอยอยู่นิ่ง โดยใช้สนามไฟฟ้า เลเซอร์และสนามแม่เหล็ก

จากนั้นก็ทำอะตอมให้เย็นลงจนมีอุณหภูมิต่ำมากเกือบถึงศูนย์องศาสัมบูรณ์
วิชากลศาสตร์ควอนตัมของฟิสิกส์สามารถอธิบายพฤติกรรมและสมบัติต่างๆ ของอะตอมและอนุภาคมูลฐานได้ ถ้าอะตอมหรืออนุภาคนั้นอยู่โดดเดี่ยวเป็นเอกเทศ ในสภาพนิ่งสนิท โดยไม่มีอันตรกริยาใดๆ จากภายนอกมากระทำ แต่ในธรรมชาติที่แท้จริงอะตอมจะเคลื่อนที่ตลอดเวลา แม้ในห้องซึ่งมีอุณหภูมิประมาณ 30 องศาเซลเซียส อะตอมก็มีความเร็วสูงถึง 1,000 เมตร/วินาที

การมีความเร็วมากเช่นนี้ทำให้สมบัติกายภาพต่างๆ ของอะตอม เช่น คลื่นแสงที่อะตอมปล่อยออกมาเปลี่ยนแปลงไป ดังนั้น ค่าที่วัดได้จะไม่สอดคล้องกับผลที่ได้จากการคำนวณ เพราะทฤษฎีควอนตัมถูกสร้างขึ้นจากการพิจารณาอะตอมที่อยู่นิ่ง และไม่มีอันตรกริยาใดๆ มารบกวน ดังนั้นการตรวจสอบความถูกต้องของทฤษฎีควอนตัมจึงต้องบังคับให้อะตอมอยู่นิ่งที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้

ในที่สุดความฝันและความต้องการนี้ก็เป็นจริงด้วยความสามารถของ Chu, Cohen-Tannoudji และ Phillips

ในปี 1985 Chu ซึ่งกำลังทำวิจัยอยู่ที่ห้องปฏิบัติการ Bell Laboratory ในเมือง Holmdel รัฐ New Jersey สามารถกักกลุ่มอะตอมโซเดียมในกล่องทดลองที่ภายในเป็นสุญญากาศ แล้วยิงกลุ่มอะตอมนั้นด้วยแสงเลเซอร์ใน 6 ทิศทางคือตามแกน +x, -x, +y, -y, +z และ –z เมื่อปรับความถี่ของแสงให้เหมาะสม อะตอมโซเดียมจะดูดกลืนอนุภาค photon ของแสง แล้วเคลื่อนที่ช้าลงๆ จนกระทั่งมีความเร็วโดยเฉลี่ยเท่ากับ 30 เซนติเมตร/วินาที ซึ่งเป็นความเร็วของอะตอมที่มีอุณหภูมิ 240 ไมโครเคลวิน (0.00024 องศาสัมบูรณ์) Chu เรียกกลุ่มอะตอมนี้ว่า optical molass

แต่อะตอมเหล่านี้ไม่สามารถเกาะกันเป็นกลุ่มได้นาน เพราะแต่ละอะตอมมีความเร็วแตกต่างกัน ดังนั้นอะตอมที่มีความเร็วน้อยกว่าค่าเฉลี่ยจะถูกแรงโน้มถ่วงของโลกดึงให้พลัดพรากจากกลุ่ม ดังนั้นภายในเวลาเพียงเศษเสี้ยวของวินาที วุ้นอะตอมก็จะแตกกระจาย

เพื่อแก้ปัญหานี้ ในปี 1988 William D. Phillips จึงใช้สนามแม่เหล็กความเข้มน้อยและไม่สม่ำเสมอ กระทำที่วุ้นอะตอม ในบริเวณเหนือและต่ำกว่าตำแหน่งที่วุ้นอะตอมอยู่เล็กน้อย แล้ว Phillips ก็ได้พบว่า สนามแม่เหล็กทำให้ระดับพลังงานของอะตอมเปลี่ยน แรงที่เกิดขึ้นจะช่วยยึดอะตอมให้ถูกกักนิ่งได้เป็นเวลานาน จนทำให้ระบบมีอุณหภูมิต่ำถึง 40 ไมโครเคลวิน (หรือ 0.00004 องศาสัมบูรณ์)

ส่วน Cohen-Tannoudji ซึ่งทดลองโดยใช้กลุ่มอะตอมฮีเลียมก็ได้พบเช่นกันว่า สามารถทำให้อุณหภูมิของกลุ่มอะตอมฮีเลียมลดต่ำถึง 0.18 ไมโครเคลวิน (หรือ 0.000018 องศาสัมบูรณ์) และที่อุณหภูมินี้ กลุ่มอะตอมฮีเลียมจะอยู่ในสถานะมืด (dark state) คือ ไม่ทำปฏิกิริยาใดๆ กับแสงอีกต่อไป
Claude Cohen-Tannoudji (PHOTO CREDIT : NOBELPRIZE.org)
เทคนิคการทำอุณหภูมิของสสารให้ลดต่ำสุดๆ ของนักฟิสิกส์ทั้งสาม ได้ถูกนำไปประยุกต์ในขั้นตอนของการสร้างสิ่งประดิษฐ์ระดับซูเปอร์ไฮเทค เช่น นาฬิกาปรมาณูที่เดินผิดไม่เกิน 1 วินาทีใน 5,000 ล้านปี ทั้งนี้ก็เพราะแสงที่เปล่งออกมาจากอะตอมซึ่งมีความเร็วน้อยนิดจะมีความยาวคลื่นที่นักฟิสิกส์สามารถวัดได้อย่างแม่นยำ คือแทบไม่ผิดเลย ปัจจุบันเทคนิคนี้ได้ถูกนำไปใช้ในสารสร้างสสารชนิดใหม่ คือสสารควบแน่นแบบ Bose-Einstein Condensate (BEC) และสร้างอุปกรณ์ที่แสดงปรากฏการณ์แทรกสอด และเลี้ยวเบนของอะตอมและโมเลกุล

Steven Chu เกิดเมื่อวันที่ 28 กุมภาพันธ์ ค.ศ.1948 ที่เมือง St.Louis แห่งรัฐ Missouri ในสหรัฐอเมริกา บรรยากาศในครอบครัว Chu เป็นวิชาการมาก เพราะบิดาเป็นศาสตราจารย์วิศวกรรมเคมีที่มหาวิทยาลัย Washington ที่ St.Louis มารดาจบการศึกษาปริญญาตรีสาขาเศรษฐศาสตร์ ตาได้รับปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัย Cornell ลุงศึกษาฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัย Sorbonne ในฝรั่งเศส Gilbert พี่ชายของ Chu เป็นศาสตราจารย์ชีวเคมีที่มหาวิทยาลัย Stanford น้องชาย Morgan สำเร็จปริญญาเอกด้านกฎหมาย Chu ได้กล่าวเสริมว่า ลูกพี่ลูกน้องของ Chu ทุกคนยังเป็นแพทย์ และเป็นด็อกเตอร์ เพราะบรรดาญาติทุกคนเรียนหนังสือเก่ง ดังนั้นบิดาจึงขอร้องไม่ให้ Chu มีครอบครัว จนกว่าจะจบการศึกษาระดับปริญญาเอก

ในสมัยที่ยังเป็นเด็ก Chu เรียนหนังสือไม่เก่งมาก คือ ดีระดับ A- จึงทำให้ดูเสมือนมีความสามารถด้อยกว่าสมาชิกคนอื่นๆ ของวงศ์ตระกูล Chu จึงตัดสินใจไม่เรียนที่มหาวิทยาลัยในกลุ่ม Ivy League แต่ไปเรียนที่มหาวิทยาลัย Rochester แทน จนสำเร็จการศึกษาระดับปริญญาตรี เมื่ออายุ 22 ปี จากนั้นได้ไปเรียนต่อระดับปริญญาเอกที่มหาวิทยาลัย California แห่ง Berkeley ด้วยทุนของ National Science Foundation จนสำเร็จในปี 1976 แล้วไปฝึกทำงานวิจัยหลังปริญญาเอกต่ออีก 2 ปี ก่อนย้ายไปประจำที่ Bell Laboratories เพื่อทำวิจัยเรื่องการทำสสารให้มีอุณหภูมิต่ำโดยใช้แสงเลเซอร์ (laser cooling)

ในอดีตเมื่อ 40 ปีก่อนนั้น Otto Frisch ได้เคยใช้เทคนิคการกระเจิงแสงในการทำสสารให้มีอุณหภูมิต่ำ โดยการยิงอะตอมโซเดียมด้วยแสงโซเดียม และพบว่า แสงทำให้อะตอมโซเดียมเบนทิศการเคลื่อนที่ เพราะเวลาอนุภาค photon ของแสงปะทะอะตอม โมเมนตัมของอะตอมจะเปลี่ยนไปตามทิศของแสง อุณหภูมิของอะตอมจึงลด ดังนั้นถ้า photon หลายอนุภาคพุ่งชนอะตอมซ้ำแล้วซ้ำอีก แม้โมเมนตัมของ photon จะมีค่าน้อยนิด แต่ถ้าการชนเกิดขึ้นหลายครั้ง การเปลี่ยนแปลงจะมีค่ามาก ในทำนองเดียวกับการระดมยิงลูกบาสเก็ตบอลที่กำลังเคลื่อนที่ด้วยลูกปิงปองจำนวนมาก ก็สามารถทำให้ความเร็วของลูกบาสเก็ตบอลลดลงได้เช่นกัน Frisch ได้ตั้งข้อสังเกตว่า เลเซอร์ที่ใช้ในการทดลองจะต้องถูกปรับความถี่เพื่อให้ photon ของแสงมีพลังงานพอดีให้อะตอมดูดกลืนได้ ซึ่งความถี่ของแสงขึ้นกับชนิด ทิศการเคลื่อนที่ และความเร็วของอะตอม เพราะถ้าไม่ปรับความถี่ของแสงเลย คลื่นแสงก็จะผ่านข้ามอะตอมไปโดยไม่ทำให้ความเร็วของอะตอมเปลี่ยนแปลง

แต่หลังจากที่อะตอมดูดกลืน photon แล้ว ไม่นานก็จะปล่อย photon ออกมาในทิศต่างๆ อย่างสะเปะสะปะ ในเวลาเดียวกันอะตอมเองก็มีการเคลื่อนที่แบบ Brownian คือสะเปะสะปะด้วย ซึ่งเป็นผลที่เกิดจากการชนกันระหว่างอะตอมซึ่งทำให้อะตอมมีอุณหภูมิสูงขึ้น ความขัดแย้งระหว่างปัจจัยทั้งสองนี้คือข้อจำกัดที่ทำให้นักฟิสิกส์ไม่สามารถทำให้มีอุณหภูมิของอะตอมลดต่ำมากได้

ดังนั้น ในการทำให้อะตอมมีอุณหภูมิที่ซูเปอร์ต่ำ นักฟิสิกส์จำต้องอาศัยเทคนิคอื่นเข้าช่วย นั่นคือใช้ กระบวนการระเหย ซึ่งเป็นวิธีเดียวกับที่เราทุกคนใช้เวลาต้องการทำให้กาแฟร้อนมีอุณหภูมิลดลง คือ เป่าลมไปเหนือผิวน้ำกาแฟ การทำเช่นนี้จะช่วยให้เหล่าโมเลกุลน้ำที่มีอุณหภูมิสูงจะหลุดออกจากน้ำกาแฟ โมเลกุลน้ำที่เหลือจึงมีพลังงานน้อยลง คือเย็นลง ด้วยเหตุผลเดียวกัน เวลากลุ่มอะตอมที่มีอุณหภูมิสูงระเหยไป กลุ่มอะตอมที่เหลือก็จะมีอุณหภูมิลดลง

ในการพัฒนาเทคนิคนี้ Chu, Cohen-Tannoudji และ Phillips ได้พบว่าพวกเขาสามารถทำกลุ่มอะตอมให้มีอุณหภูมิเย็นจัดจนมีอุณหภูมิใกล้ศูนย์องศาสัมบูรณ์ได้เป็นเวลานานหลายวินาที และเห็นว่าอะตอมที่ถูกกักเคลื่อนที่กลับไปกลับมา เสมือนถูกขังอยู่ในวุ้น ดังนั้นเวลาอะตอมมีความเร็วต่ำมาก นักฟิสิกส์จะสามารถประยุกต์และวัดสมบัติของอะตอมได้อย่างแม่นยำ จนสามารถนำมันไปใช้ทำนาฬิกาปรมาณูที่เดินได้เที่ยงตรงที่สุดในโลก หรือใช้ในกระบวนการ atomic lithography เพื่อทำคอมพิวเตอร์ชิพซึ่งมีขนาดเล็กกว่าที่ใช้เทคนิคธรรมดาทำหลายพันเท่า

หลังจากที่ประสบความสำเร็จในการวิจัยจนได้รับรางวัลโนเบลประจำปี 1997แล้ว Chu ได้ย้ายไปเป็นอาจารย์ที่มหาวิทยาลัย Stanford ในปี 1987 และเริ่มโครงการ Bio-X ซึ่งเป็นโครงการวิจัยที่นักชีววิทยาและแพทย์มาทำงานร่วมกัน โดย Chu เป็นหัวหน้าในการขอทุนวิจัยจากองค์กรนอกมหาวิทยาลัยมาสนับสนุน

ในเดือนสิงหาคม ค.ศ.2004 Chu ได้รับแต่งตั้งเป็นผู้อำนวยการแห่งห้องปฏิบัติการ Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) ซึ่งมีจุดประสงค์หลักคือวิจัยและพัฒนาพลังงานทุกรูปแบบ เช่น พลังนิวเคลียร์ พลังงานแสงอาทิตย์ และพลังงานชีวมวล ฯลฯ เพราะนักวิทยาศาสตร์ได้พบว่าในการต่อสู้กับภัยโลกร้อน อเมริกาจำต้องลดปริมาณการใช้เชื้อเพลิงฟอสซิล เช่น ถ่านหิน และน้ำมัน Chu เองได้เคยเสนอให้หลังคาของบ้านทุกบ้าน และถนนทุกสายในโลกทาสีขาว หรือสีอ่อนๆ เพื่อให้สามารถสะท้อนแสงอาทิตย์กลับสู่อวกาศ ซึ่งเขาเชื่อว่าสามารถทำให้อุณหภูมิโลกลดลงได้ เพราะการทำเช่นนี้จะมีค่าเท่ากับการที่คนทั้งโลกไม่ใช้รถยนต์เป็นเวลานาน 1 ปี
Chu จึงเป็นนักเคลื่อนไหวด้านพลังงานคนสำคัญที่ได้กล่าวเตือนสังคมให้ตระหนักเรื่องภัยโลกร้อน การเคลื่อนไหวนี้ทำให้ได้รับเลือกเป็นกรรมการคนหนึ่งในคณะกรรมาธิการ Copenhagen Climate Council ซึ่งเป็นองค์การที่มีนักวิทยาศาสตร์ และนักธุรกิจมาทำงานร่วมกัน
William D. Phillips (PHOTO CREDIT : NOBELPRIZE.org)
ด้วยความพยายามจะให้โลกมีพลังงานสะอาดใช้ ในปี 2008 ประธานาธิบดี Barack Obama แห่งสหรัฐจึงเลือก Steven Chu เป็นรัฐมนตรีกระทรวงพลังงาน เพราะ Obama ต้องการส่งสัญญาณให้โลกและประชาชนอเมริกันรู้ว่า สหรัฐฯ ต้องการแก้ปัญหาโลกร้อนโดยให้นักวิทยาศาสตร์ระดับสุดยอดพยายามค้นหาเทคโนโลยีรูปแบบใหม่ในการสร้างพลังงานสะอาดที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม Chu จึงเป็นนักวิทยาศาสตร์รางวัลโนเบลคนแรกที่เข้ารับตำแหน่งรัฐมนตรีในคณะรัฐบาลของ Obama และนั่นก็หมายความว่าในการประชุม ครม.ทุกครั้งจะมีนักฟิสิกส์รางวัลโนเบลเข้าร่วมประชุมด้วย

จากตำแหน่งผู้อำนวยการที่ LBNL ซึ่งได้รับงบประมาณปีละ 600 ล้านดอลลาร์ และมีบุคลากรใต้บังคับบัญชา 4,000 คน มาดำรงตำแหน่งรัฐมนตรีกระทรวงที่ต้องบริหารเงินงบประมาณปีละ 24,000 ล้านดอลลาร์ และต้องบังคับบัญชาห้องปฏิบัติการแห่งชาติ 17 แห่งเพื่อหาพลังงานทดแทน พัฒนาพลังงานนิวเคลียร์ เลือกเทคโนโลยีที่เหมาะสมในการกำจัดกากกัมมันตรังสี วิจัยฟิสิกส์อนุภาคมูลฐาน พัฒนาจุลินทรีย์ที่สามารถแปลง cellulose เป็นเชื้อเพลิง รวมถึงต้องสร้างเทคโนโลยีที่ทำให้เชื้อเพลิงชีวภาพมีประสิทธิภาพสูงขึ้นด้วย

ในอดีตที่ผ่านมา คนที่จะมาเป็นรัฐมนตรีพลังงานมักเป็นนักการเมืองหรือนักธุรกิจที่ไม่มีภูมิหลังด้านวิทยาศาสตร์ ดังนั้นเมื่อ Obama ตัดสินใจเลือก Chu มาทำงานในตำแหน่งนี้ หลายคนจึงมีความกังวลว่า ความสามารถในห้องปฏิบัติการของ Chu อาจไม่เพียงพอที่จะทำให้ความประสงค์ของ Obama ลุล่วง เพราะรัฐมนตรีต้องทำหน้าที่ทุกเรื่องอย่างประนีประนอม ต้องชักจูงให้ทุกฝ่ายเห็นคล้อยตาม ต้องพยายามอธิบายข้อจำกัดต่างๆ ของวิทยาศาสตร์ให้สมาชิกสภาผู้แทนราษฎรเข้าใจ ต้องพบปะสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรและวุฒิสมาชิกอย่างสม่ำเสมอ และต้องใช้เหตุผลหักล้างความเห็นของคนที่ไม่เห็นด้วย ซึ่งล้วนเป็นงานที่เหนื่อย แต่ Chu ก็เชื่อว่า รางวัลโนเบลของเขาคงมีน้ำหนักพอให้ทุกคนเชื่อคำอธิบาย คำชี้แจง และเขาหวังว่าการสนทนาจะทำให้นักการเมืองคิดอะไรๆ ในเชิงวิทยาศาสตร์มากขึ้น แทนที่จะยึดติดอุดมการณ์ส่วนตัว โดยไม่ฟังเหตุผลและมุมมองของนักวิทยาศาสตร์เลย

หลังจากที่เวลาผ่านไป 4 ปี Chu ก็ได้ประกาศอำลาตำแหน่งรัฐมนตรี คือไม่เข้าร่วมกับคณะรัฐบาลของ Obama ในวาระที่สอง ตั้งแต่เมื่อวันที่ 22 เมษายน ค.ศ.2013 เพื่อกลับไปทำงานวิจัยฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัย Stanford

ในจดหมายลาออกที่มีความยาว 3,800 คำ Chu ได้สรุปความก้าวหน้าของงานที่เขาได้ทำไป และปรารภถึงโครงการที่น่าจะทำต่อในอนาคต โดยได้อ้างถึงความสำเร็จในการทะลายกำแพงระหว่างการวิจัยพื้นฐานกับการวิจัยประยุกต์เพื่อพัฒนาแหล่งพลังงานใหม่ๆ แต่เมื่อพรรครีพับลิกันมีเสียงข้างมากในสภาผู้แทนราษฎร ดังนั้นงบประมาณของกระทรวงพลังงานจึงถูกจำกัด ทำให้การวิจัยพื้นฐาน เช่น โครงการ fusion ที่ MIT ถูกตัดงบประมาณ เครื่องเร่งอนุภาคที่ Brookhaven National Laboratory ถูกขอร้องให้ปิดดำเนินการ ในส่วนของการวิจัยเรื่องเชื้อเพลิงชีวมวล Chu กลับได้รับงบประมาณเพิ่ม และการพัฒนาวัสดุที่มีประสิทธิภาพสูงก็ได้รับการสนับสนุนดี Chu ยังเอ่ยถึงการสนับสนุนการสร้างอาคารประหยัดพลังงาน และการส่งเสริมการวิจัยพลังงานแสงอาทิตย์ แต่ ส.ส. หลายคนกลับมีความเห็นว่า งานที่ Chu ทำไม่ประสบความสำเร็จมากโดยเฉพาะเรื่องเทคโนโลยีพลังงาน เพราะบริษัทหลายบริษัทที่ทำแผงโซลาร์ขายต้องล้มละลาย และโครงการเก็บกากกัมมันตรังสีที่ภูเขา Yucca ใน Nevada ก็ถูกล้มเลิกเป็นต้น

ข้อวิพากษ์วิจารณ์เหล่านี้คงทำให้ Chu ตระหนักได้ว่า การบริหารประเทศยากยิ่งกว่าการวิจัยฟิสิกส์หลายร้อยเท่า จึงขอลาออก

ในด้านชีวิตส่วนตัว เมื่ออายุ 49 ปี Chu ได้แต่งงานใหม่กับ Jean Fetter นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน และมีบุตรชาย 2 คนซึ่งเกิดจากภรรยาคนแรกคือ Lisa Chu-Thielbar
นอกจากฟิสิกส์แล้ว Chu ยังสนใจเบสบอล ว่ายน้ำ เทนนิส กระโดดน้ำ และจักรยานด้วย แต่ Chu พูดภาษาจีนไม่ได้เลย เพราะพ่อแม่ไม่เคยสนทนากับ Chu และพี่น้องเป็นภาษาจีน

อ่านเพิ่มเติมจาก Laser Trapping of Neutral Particles โดย Steven Chu ใน Scientific American ฉบับเดือนกุมภาพันธ์ ปี 1992

เกี่ยวกับผู้เขียน

สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย

อ่านบทความ สุทัศน์ ยกส้าน ได้ทุกวันศุกร์




















กำลังโหลดความคิดเห็น...