การค้นหาพลังงานมืดในปฏิสสาร

ในปี 1928 นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษชื่อ P.A.M. Dirac ได้พัฒนาทฤษฎีควอนตัมของอะตอมไฮโดรเจนที่ Erwin Schroedinger นำเสนอให้ครอบคลุมกรณีที่อิเล็กตรอนมีความเร็วสูง เพราะที่ความเร็วนี้มวลของอิเล็กตรอนจะไม่คงตัว คือเพิ่มตามความเร็ว ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของ Albert Einstein ผลที่ได้จากการสังเคราะห์ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษกับทฤษฎีควอนตัมในครั้งนั้นคือ ทำให้นักฟิสิกส์รู้ที่มาของ spin ของอิเล็กตรอน และทำให้ Dirac ได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ประจำปี 1933 ร่วมกับ Erwin Schroedinger

ทฤษฎีของ Dirac ยังได้ทำนายอีกว่า เอกภพมีปฏิสสาร (antimatter) ด้วย กล่าวคือสสารทุกรูปแบบจะมีปฏิสสารที่เป็นของคู่กัน เช่น electron จะมี antielectron, proton จะมี antiproton และแม้แต่ galaxy ก็จะมี antigalaxy หรือตัวเราเอง ก็จะมี anti เรา เป็นต้น และเมื่อใดที่สสารเข้ารวมกับปฏิสสาร ทั้งสองก็จะสลายตัวกลายเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าพลังงานสูง

คำทำนายนี้ได้รับการยืนยันว่าถูกต้อง เพราะปฏิสสารมีจริงในอีก 4 ปีต่อมา เมื่อ Carl D. Anderson แห่ง California Institute of Technology ในอเมริกาได้เห็นอนุภาค antielectron (ที่มีอีกชื่อหนึ่งว่า positron) ปรากฏตัวเป็นครั้งแรกในห้องหมอก (cloud chamber) เมื่อรังสีคอสมิกจากอวกาศพุ่งชนแผ่นตะกั่วในห้องหมอก ทำให้เกิดอนุภาคสองอนุภาคที่เคลื่อนที่ออกจากแผ่นตะกั่ว แล้วเบนโค้งไปคนละทิศทางในสนามแม่เหล็ก การวัดสมบัติของอนุภาคหนึ่งแสดงให้เห็นว่า มันคืออิเล็กตรอน ดังนั้นอีกอนุภาคหนึ่งที่มีทิศการเคลื่อนที่เบนไปคนละทางกับอิเล็กตรอนย่อมแสดงว่า มันมีประจุตรงข้ามกับอิเล็กตรอน คือมีประจุบวก และเมื่อรัศมีความโค้งในการเบนมีค่าเท่ากัน อีกทั้งอนุภาคทั้งสองอยู่ในสนามแม่เหล็กเดียวกัน ดังนั้นอิเล็กตรอนกับอนุภาคใหม่จึงมีมวลเท่ากัน

การค้นพบอนุภาคปฏิสสารเป็นครั้งแรกนี้ทำให้ Carl Anderson ได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ปี 1936

สำหรับการค้นพบ antiproton ซึ่งมีประจุลบ และเป็นคู่ของอนุภาค proton ต้องใช้เวลาอีกนาน เพราะโปรตอนมีมวลมากกว่าอิเล็กตรอนประมาณ 1836 เท่า ดังนั้น การจะสร้าง antiproton ได้นักฟิสิกส์จำเป็นต้องใช้พลังงานมากกว่าที่สร้าง antielectron แต่ในที่สุด ในปี 1955 Emillo G. Segre กับ Owen Chamberlain ก็ได้ใช้เครื่องเร่งอนุภาค bevatron ที่ Lawrence Berkely National Laboratory (LBNL) ยิง proton ที่มีพลังงานสูงให้พุ่งชนแผ่นทองแดง และพบว่า จาก proton จำนวน 40,000 อนุภาค ที่ใช้ยิง จะมี antiproton เกิดขึ้นเพียง 1 อนุภาคเท่านั้น ผลการค้นพบนี้ ทำให้นักฟิสิกส์ทั้งสองได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ปี 1959 ร่วมกัน

หลังจากนั้นโลกของปฏิสสารก็เริ่มเดิน เพราะนักฟิสิกส์มี “ของเล่น” ใหม่ที่ใช้ในการศึกษาธรรมชาติของปฏิสสาร เช่น ในปี 1956 ได้มีการพบอนุภาค antineutron ที่ LBNL และในปี 1965 คณะนักวิทยาศาสตร์ที่ CERN ได้สร้างอนุภาค antideuteron (คือ ประกอบด้วย antiproton กับ antineutron) ในปี 1995 คณะนักวิทยาศาสตร์ที่ CERN ได้สังเกตเห็นอะตอม antihydrogen เป็นครั้งแรกว่ามี antiproton กับ antielectron เป็นองค์ประกอบ และเมื่อทฤษฎีควอนตัมปัจจุบัน แถลงว่าอะตอมไฮโดรเจน กับอะตอมแอนติไฮโดรเจน ควรมีสมบัติทางกายภาพทุกประการเหมือนกัน ดังนั้น ถ้าอะตอมทั้งสองชนิดมีพลังงานแตกต่างกัน ทฤษฎีควอนตัมก็จะต้องถูกปรับเปลี่ยนทันที

ทว่าการสร้างอะตอม antihydrogen มิใช่เรื่องง่าย เพราะ positron (สัญลักษณ์ e+) กับ antiproton (สัญลักษณ์ p-) เวลาเกิดขึ้นแล้ว อนุภาคทั้งสองจะต้องมีความเร็วที่เหมาะสม จึงจะสามารถโคจรอยู่ใกล้กันได้ ความยากลำบากนี้ทำให้โลกไม่ได้เห็นอะตอม antihydrogen จนอีก 40 ปีต่อมา นอกจากนี้การทำนุบำรุงรักษาหรือเก็บอะตอมแอนติไฮโดรเจนก็ไม่ใช่เรื่องง่าย เพราะมันเป็นปฏิสสาร ดังนั้นถ้ามีอะตอมของธาตุธรรมดาเข้าไปสัมผัส ทุกอย่างก็จะแว่บหาย

แต่ในที่สุดนักฟิสิกส์ก็สามารถทำได้ เพราะอะตอมแอนติไฮโดรเจนมีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้า (คือ antiproton มีประจุลบ และ positron มีประจุบวก) ดังนั้นสนามไฟฟ้าอ่อนๆ แทบจะไม่มีอิทธิพลใดๆ ในอะตอมที่มีประจุรวมเท่ากับศูนย์ (เมื่อวัดถึงทศนิยมตำแหน่งที่ 8) ด้วยเหตุนี้การศึกษาสมบัติกายภาพของอะตอมจึงจำเป็นต้องใช้สนามแม่เหล็กที่ไม่สม่ำเสมอ เช่น มีความเข้มสูงมากถึงระดับ 1 tesla แล้วลดหายเป็นศูนย์ภายในระยะทาง 10^-3 เมตร เหตุการณ์นี้ทำให้อะตอมแอนติไฮโดรเจนตกอยู่ในกรงขังแบบ Penning (Penning trap) และในเวลาเดียวกันนักทดลองก็ต้องทำให้อะตอมแอนติไฮโดรเจนมีอุณหภูมิต่ำมากถึง 0.5 เคลวินด้วย เพราะถ้าอุณหภูมิสูงกว่านั้น อะตอมก็จะเคลื่อนที่หนีจากกรงขังไป ในปี 2002 นักวิทยาศาสตร์ที่ CERN สร้าง antihydrogen ได้เป็นพันอะตอม และอีก 8 ปีต่อมาทีมวิจัยเดียวกันสามารถเก็บกักอะตอม antihydrogen ได้เพียง 38 อะตอม

ณ วันนี้ นักฟิสิกส์สามารถสร้าง อะตอม antihydrogen ได้มากนับหมื่นอะตอมแล้ว และสามารถกักขังอะตอมไว้ได้นานเป็นชั่วโมง เพื่อวัดสมบัติกายภาพต่างๆ เช่น ระดับพลังงานของ positron ในอะตอมโมเมนต์แม่เหล็กของอะตอม โครงสร้าง hyperfine สร้างนาฬิกา antiatom เพื่อทดสอบว่าสามารถเดินได้เที่ยงเท่านาฬิกา atom หรือไม่ และนักฟิสิกส์สามารถนำอะตอมเหล่านี้ไปสร้างระเบิด antimatter ได้เหมือนดังในนวนิยายเรื่อง Angels and Demons ของ Dan Brown ที่ผู้ร้ายจะใช้ปฏิ สสาร ¼ กรัมสร้างระเบิดปฏิสสาร เพื่อทำลายสำนัก Vatican ให้สิ้นซาก (รวมถึงตนเองและโลกด้วย) โดยในความเป็นจริง คนร้ายสามารถทำได้ แต่ต้องใช้เงินมากมหาศาลคือระดับ หมื่นล้านล้านบาท และต้องใช้เวลาสร้างนานถึงหมื่นปีจึงจะได้ antimatter ในปริมาณมากพอ ด้วยเทคโนโลยีปัจจุบัน

เมื่อการประยุกต์ใช้ปฏิสสารในทางลบยังเป็นไปไม่ได้ นักฟิสิกส์จึงคิดใช้ทางบวกให้ปฏิสสารทำปฏิกิริยากับสสารธรรมดา เช่น ให้ electron รวมกับ positron ในการสร้างพลังงานแบบ fusion ซึ่งเป็นพลังงานบริสุทธิ์ แทนพลังงานถ่านหินและน้ำมัน เพื่อขับเคลื่อนยานอวกาศในการเดินทางไปต่างดาว

สำหรับนักฟิสิกส์เองก็มีความคาดหวังจากปฏิสสารมากว่าคงสามารถให้คำตอบเกี่ยวกับที่มาของสสารมืด (dark matter) และพลังงานมืด (dark energy) ได้ (คำว่ามืดในที่นี้ หมายความว่า ไม่มีใครรู้ว่า มันเป็นอะไร คือ มืดแปดด้าน) และรู้เพียงว่า สสารมืดทำให้ดาวฤกษ์ในกาแล็กซีเกาะกลุ่มกัน และพลังงานมืดทำให้กาแล็กซีต่างๆ เคลื่อนที่แยกจากกันด้วยความเร่ง นักฟิสิกส์ยังคาดหวังอีกว่า การทดลองที่ใช้ปฏิสสารจะสามารถตอบปริศนาที่สำคัญมากอีกปริศนาหนึ่ง คือ เหตุใดเอกภพจึงมีสสารมากกว่าปฏิสสาร

เพราะเมื่อเอกภพถือกำเนิดใหม่ๆ จากการระเบิด Big Bang สสารและปฏิสสารน่าจะถือกำเนิดในปริมาณเท่ากัน แต่ปัจจุบัน เราจะเห็นเอกภพที่มีแต่สสาร แต่ไม่มีปฏิเอกภพ อีกทั้งเรามักพบปฏิสสารเฉพาะในห้องทดลอง ซึ่งก็พบในปริมาณที่น้อยกว่าสสารมาก

นักทดลองกลุ่มหนึ่งจึงได้เสนอความเห็นว่า คำตอบสำหรับคำถามนี้อาจจะได้จากการศึกษาลักษณะการตกของปฏิสสารในสนามโน้มถ่วงของโลก

เพราะตามทฤษฎีควอนตัมปัจจุบัน สสารและปฏิสสารที่มีมวลเท่ากันต้องตกด้วยอัตราเร่งเดียวกัน CERN จึงมีโครงการ Antihydrogen Experiment: Gravity, Interferometry Spectroscopy AEGIS) เพื่อวัดค่า g ในการตกเสรีของอะตอม antihydrogen แต่ถ้าปฏิสสารมีมวลส่วนหนึ่งเป็นมวลลบ (negative mass) ซึ่งจะผลักสสารแทนที่จะดึงดูด ปฏิสสารก็จะตกด้วยอัตราเร่งที่แตกต่างจากสสาร นั่นคือ ถ้ามวลลบมีอยู่จริงใน antimatter การทดลองนี้ก็จะให้คำตอบส่วนหนึ่งเกี่ยวกับที่มาของพลังงานมืด

ในปี 2017 คณะทดลองที่ CERN ซึ่งเป็นศูนย์วิจัยนิวเคลียร์ของยุโรปที่ Geneva ในประเทศ Switzerland ได้ศึกษาอัตราเร่งของอะตอม antihydrogen ที่ตกในสุญญากาศภายใต้แรงโน้มถ่วงของโลก โดยใช้เลเซอร์ยิงอะตอม antihydrogen คู่หนึ่งให้ positron ในอะตอมหนึ่งกระเด็นหลุดไป ทำให้อะตอม antihydrogen ที่เหลือตกอย่างเสรีภายใต้แรงโน้มถ่วง เป็นระยะทางประมาณ 20 เซนติเมตร ในภาชนะทดลองที่มีอุณหภูมิ 10^-3 องศาเคลวิน เพื่อตรวจสอบว่า ความเร่งที่ได้ว่าแตกต่างจาก g หรือไม่อย่างผิดพลาดไม่เกิน 1% ซึ่งถ้าแตกต่าง นี่จะเป็นข่าวใหญ่ พอๆ กับการพบคลื่นโน้มถ่วง และการพบอนุภาค Higgs เลยทีเดียว ถึงวันนี้ผลยังไม่ปรากฏ

แต่ถ้าไม่พบความแตกต่าง งานชิ้นต่อไปที่จะทำในอนาคตคือ นักฟิสิกส์จะสร้างตารางธาตุของ antiatom ทุกชนิด และอาจรวมถึงการสร้าง antiworld ด้วย

อ่านเพิ่มเติมจาก Antimatter, The Ultimate Mirror โดย G. Fraser จัดพิมพ์โดย Cambridge University Press ปี 2000

เกี่ยวกับผู้เขียน สุทัศน์ ยกส้าน

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

อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" จาก "ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน" ได้ทุกวันศุกร์