xs
xsm
sm
md
lg

ประวัติการเดินทางของนักฟิสิกส์สู่อุณหภูมิศูนย์องศาสัมบูรณ์

เผยแพร่:   โดย: สุทัศน์ ยกส้าน

สมาชิกทีม Cold Atom Laboratory ของ NASA (NASA/JPL-Caltech)
เรามีความรู้สึกเกี่ยวกับเรื่องหนาวและร้อนมาตั้งแต่เด็ก เช่น เวลาดื่มนม น้ำนมต้องไม่ร้อนจัด เวลาอาบน้ำ น้ำต้องอุ่น และเวลาอากาศข้างนอกหนาว ต้องสวมเสื้อผ้าหนาๆ เป็นต้น

เมื่อเติบโตเข้าโรงเรียน เราได้เรียนเรื่องอุณหภูมิว่า เป็นสิ่งที่บอกระดับสูง-ต่ำของความร้อน เช่น ที่อุณหภูมิ 0°C น้ำจะกลายเป็นน้ำแข็ง และน้ำจะเดือดที่อุณหภูมิ 100°C นอกจากนี้อุณหภูมิก็ยังเป็นตัวกำหนดการเปลี่ยนสถานะของสสารด้วย เช่น แก๊สออกซิเจนจะกลายเป็นของเหลวที่อุณหภูมิ -183°C ส่วนแก๊สไนโตรเจนก็จะเปลี่ยนสภาพเป็นของเหลวที่อุณหภูมิ -196°C เป็นต้น

คำถามที่นักวิทยาศาสตร์สงสัย คือ เมื่ออุณหภูมิสูงมีค่าไม่จำกัด คือ จะร้อนถึงกี่ร้อยกี่พันล้านองศาเซลเซียสก็ได้ แล้วอุณหภูมิต่ำสุด จะมีค่าเป็นลบได้มากที่สุดเพียงใด

ในปี 1906 Walter Nernst ได้ศึกษาเรื่องนี้ และได้ตั้งกฏข้อที่สามของวิชาอุณหพลศาสตร์ (thermodynamics) ว่าที่อุณหภูมิ -273.15°C ซึ่งเรียกอีกชื่อหนึ่งว่า ศูนย์องศาสัมบูรณ์ ปริมาณความไม่เป็นระเบียบ (entropy) ของระบบจะมีค่าเท่ากับศูนย์ นั่นคือ ระบบจะมีความเป็นระเบียบอย่างสมบูรณ์

แต่อะตอมซึ่งเป็นทุกส่วนของระบบจะหยุดเคลื่อนที่ไม่ได้ตามหลักกลศาสตร์ควอนตัม นั่นจึงหมายความว่า อุณหภูมิศูนย์องศาสัมบูรณ์เป็นอุณหภูมิต่ำสุดที่เอกภพสามารถจะมีได้ หรืออีกนัยหนึ่งมนุษย์ไม่สามารถทำให้สสารใดมีอุณหภูมิต่ำกว่า -273.15°C ได้ หรือถ้าจะได้ ก็ต้องใช้เวลานานอสงไขยปี

ผลงานนี้ทำให้ Nernst ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำปี 1920 และนับตั้งแต่วันที่นักฟิสิกส์รู้ว่า ศูนย์องศาสัมบูรณ์มีได้เฉพาะในทฤษฎี แต่มีไม่ได้ในทางปฏิบัติ นักวิทยาศาสตร์หลายคนได้พยายามหาวิธีการที่จะล้มกฎข้อที่ 3 โดยการค้นหาเส้นทางและวิธีการที่จะไปถึงจุดศูนย์องศาสัมบูรณ์ให้จงได้ ในทำนองเดียวกับที่นักผจญภัยในอดีตพยายามจะเป็นคนแรกที่เดินทางถึงขั้วโลกเหนือและขั้วโลกใต้ แต่ความแตกต่างก็มีตรงที่ Robert Peary และ Raold Amundsen สามารถทำได้สำเร็จ ในกรณีของขั้วโลกทั้งสอง แต่สำหรับการเดินทางถึงศูนย์องศาสัมบูรณ์นั้น นักฟิสิกส์ตระหนักดีว่า จะไม่มีใครทำได้ ไม่ว่าในชาตินี้ หรือชาติไหน

กระนั้นหลายคนก็ได้พยายามจะไป และตลอดเส้นทางก็ได้พบ ได้เห็น และได้เข้าใจในความอัศจรรย์ของธรรมชาติที่อุณหภูมิต่ำมาก จนสามารถนำปรากฏการณ์ที่พบเห็นไปประยุกต์สร้างเทคโนโลยีได้มากมายและหลากหลาย เช่น ในปี 1898 James Dewar สามารถทำไฮโดรเจนเป็นของเหลวได้ที่อุณหภูมิ -250°C ในปี 1908 Kamerlingh Onnes ได้พบว่าแก๊สฮีเลียมจะกลายสภาพเป็นของเหลวได้ที่อุณหภูมิ -269°C การมีฮีเลียมเหลวทำให้ Onnes พบว่า ธาตุบางชนิด เช่น ปรอท อลูมิเนียม ฯลฯ เวลาอุณหภูมิลดต่ำมาก จะสูญเสียสภาพต้านทานไฟฟ้าไปอย่างสมบูรณ์ในทันที “นั่นคือ Onnes ได้พบปรากฏการณ์สภาพนำยวดยิ่ง (superconductivity) ผลงานการเปิดโลกวิทยาศาสตร์ของสสารที่มีอุณหภูมิต่ำมากนี้ทำให้ Onnes ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 1913 ทั้งๆ ที่ผู้คนในเวลานั้นยังไม่เห็นประโยชน์ทางเทคโลยีเหมือนเราในปัจจุบันที่ทุกคนได้ประจักษ์แล้วว่า ตัวนำยวดยิ่งเป็นวัสดุสำคัญที่ใช้ในการสร้างสนามแม่เหล็กที่มีความเข้มสูงเพื่อใช้ในอุปกรณ์ MRI เวลาแพทย์ต้องการตรวจสภาพภายในของอวัยวะต่างๆ ในร่างกาย ตลอดจนถึงการใช้เบนเส้นทางเคลื่อนที่ของอนุภาค proton ที่มีความเร็วเกือบเท่าความเร็วแสง ให้โค้งไปรอบๆ ในเครื่องเร่งอนุภาค LHC (Large Hadron Collider) ที่ CERN ในประเทศสวิสเซอร์แลนด์ กระนั้นการศึกษาธรรมชาติของสสารที่อุณหภูมิต่ำก็ยังไม่ยุติ เพราะอุณหภูมิยิ่งต่ำ ความประหลาดก็ยิ่งปรากฏ สืบเนื่องมาจากการที่เรากำลังก้าวเข้าสู่โลกควอนตัมที่แปลกและประหลาดอย่างเหลือเชื่อ เช่น ในปี 1937 Peter Kapitza ได้พบว่า He-4 เป็นของเหลวยวดยิ่ง (superfluid) ที่สามารถไหลไปในท่อได้อย่างไร้แรงหนืดใดๆ มาต่อต้าน โดยปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นที่อุณหภูมิ 2.17K สำหรับการเรียกอุณหภูมิเป็นเคลวิน (K) นั้น เป็นที่นิยม โดยได้กำหนดให้ 273K (°C) คืออุณหภูมิที่น้ำแข็งตัว เมื่อเป็นเช่นนี้ 184K (-89°C) จึงเป็นอุณหภูมิต่ำสุดที่เคยวัดได้บนโลก และ 138K (-135°C) คือสถิติอุณหภูมิสูงสุดของตัวนำยวดยิ่ง ส่วน 2.73K คือ อุณหภูมิโดยเฉลี่ยของเอกภพ ซึ่งเป็นอุณหภูมิของรังสีไมโครเวฟภูมิหลังที่มีอยู่ทั่วไปในอวกาศ และ 1.9K คืออุณหภูมิของแท่งแม่เหล็กในอุปกรณ์ LHC เพื่อให้สามารถทำงานได้จนพบอนุภาค Higgs boson และ 1K คือ สถิติอุณหภูมิต่ำสุดที่ยานอวกาศเคยวัดได้ ขณะทะยานไปสำรวจเอกภพ ผลงานนี้ทำให้ Kapitza ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 1978 ถึงปี 1971 David Lee, Douglas Osheroff และ Robert Richardson ได้พบว่า He-3 เป็นของเหลวยวดยิ่งด้วย ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 0.003 K (เราเรียก He-4 เพราะนิวเคลียสของมันประกอบด้วย proton 2 อนุภาค และ neutron 2 อนุภาค และเรียก He-3 เพราะนิวเคลียสของมันมี proton 2 อนุภาค และ neutron 1 อนุภาค การพบปรากฏการณ์ของเหลวยวดยิ่งใน He-3 ทำให้ Lee, Osheroff กับ Richardson ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 1996
ภาพเหมือน Robert Boyle ผู้ริเริ่มแนวคิดศูนย์องศาสัมบูรณ์
ในปี 1978 Steven Chu, William Philips และ Claude Cohen-Tannoudji ได้พบวิธีทำให้อะตอมเคลื่อนที่ช้าลงมาก โดยการระดมยิงมันด้วยเลเซอร์ กระบวนการ laser cooling นี้สามารถทำให้ระบบมีอุณหภูมิต่ำถึง 10-6 เคลวิน (0.000001K) ผลงานนี้ทำให้ทั้งสามได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ประจำปี 2012 ลุถึงปี 1995 Eric Cornell และ Carl Wieman กับ Wolfgang Ketterle ได้ประสบความสำเร็จในการสร้างสสารเฟสที่ 5 (เฟสเดิมมี 4 รูปแบบคือ ของแข็ง ของเหลว แก๊ส และพลาสมา) ซึ่งเรียกว่า Bose-Einstein condensale หรือ BEC ผลงานนี้ทำให้ทั้งสามได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2001 เพราะได้ทำให้อะตอมของธาตุ rubidium มีอุณหภูมิต่ำถึง 10-7 เคลวิน จนอะตอมทุกอะตอมอยู่ในสถานะควอนตัมเดียวกัน จึงเปรียบเสมือนเป็น superatom ที่ตาสามารถเห็นได้ (ตาเปล่า ถ้าไม่มีอุปกรณ์ช่วย ไม่สามารถเห็นอะตอมได้)

ในปี 1999 นักฟิสิกส์ได้ประสบความสำเร็จในการทำให้อุณหภูมิของนิวเคลียสของธาตุ rhodium ลดต่ำถึง 10-12 K และนักฟิสิกส์กำลังพยายามเดินหน้าต่อไป คือมีเป้าหมายจะลงไปถึง 1 femtokelvin (10-15K)

ในอดีตที่ผ่านมา นักฟิสิกส์ที่สนใจเรื่องธรรมชาติของสสารที่อุณหภูมิต่ำมาก (ระดับ 10-9 K) ซึ่งเป็นสถิติอุณหภูมิต่ำที่สุด โดยได้ทดลองใช้แก๊สของอะตอม rubidium ในการสร้างสสารเฟสใหม่เพราะ Bose และ Einstein ได้เคยพยากรณ์ไว้ว่าจะมีในธรรมชาติ โดยที่อะตอมแต่ละอะตอมของแก๊สจะสลัดทิ้งเอกลักษณ์ทุกประการที่เคยแตกต่างกัน ให้เหลือเพียงเอกลักษณ์เดียว คือ อะตอมทุกอะตอมมีเอกลักษณ์เดียวกัน และกลายสภาพเป็นสสารควบแน่น (Bose-Einstein condensale BEC) โดยได้สร้างสสารนี้สำเร็จในห้องปฏิบัติการที่มหาวิทยาลัย Colorado ในสหรัฐอเมริกา

อะตอมของธาตุชนิดเดียวกัน ตามปกติจะมีลักษณะและคุณสมบัติเหมือนกัน จนไม่มีใครสามารถบอกความแตกต่างระหว่างอะตอมของมันได้ นักฟิสิกส์ได้ศึกษาธรรมชาติของอะตอม และวัดสมบัติต่างๆ ของมันได้อย่างแม่นยำ เช่น ความถี่ของการเปลี่ยนระดับพลังงานของอิเล็กตรอนในอะตอม secium ได้อย่างละเอียด จนสามารถใช้เวลาดังกล่าวเป็นมาตรฐานของเวลา 1 วินาทีได้ และเมื่ออะตอมมีคุณลักษณะที่ “ไม่เปลี่ยนแปลง” ตามเวลา ดังนั้นเราจึงสามารถใช้อะตอมของธาตุหนึ่ง ในการศึกษาธรรมชาติของอันตรกริยาระหว่างอะตอมของธาตุนี้กับอะตอมของธาตุอื่นๆ และกับสิ่งแวดล้อมรูปแบบต่างๆ ได้
Walter Nernst
เพื่อให้ความประสงค์นี้บรรลุเป้าหมาย นักฟิสิกส์จึงต้องทำให้อะตอมมีอุณหภูมิต่ำมากๆ จนใกล้ถึงอุณหภูมิศูนย์องศาสัมบูรณ์ เพราะที่อุณหภูมิดังกล่าว อะตอมจะมีความเร็วเพียง 1-2 เซนติเมตร/วินาทีเท่านั้นเอง แทนที่จะเร็วถึงระดับ 1,000 เมตร/วินาที ซึ่งทำให้การควบคุมเป็นเรื่องยาก และที่อุณหภูมิต่ำมากนี้ สมบัติเชิงควอนตัมของสสารที่ไม่มีใครเคยเห็นมาก่อนจะปรากฏให้นักฟิสิกส์ได้ศึกษาเป็นเวลานานพอที่จะพบปรากฏการณ์ใหม่ๆ และตอบคำถามยากๆ เช่นว่า ค่าคงตัวในธรรมชาติ เช่น ความเร็วแสง ค่าคงตัวแรงโน้มถ่วง ที่เราคิดว่า ไม่มีวันเปลี่ยนแปลงนั้น จะเปลี่ยนแปลงได้หรือไม่ หรืออะตอมต่างๆ เริ่มจับตัวกันเป็นสสารได้อย่างไร หรือเอกภพมีกี่มิติกันแน่ ฯลฯ แม้ว่าเราสามารถจะตอบคำถามเหล่านี้ได้ โดยใช้เครื่องเร่งอนุภาค หรือการสังเกตปรากฏการณ์ทางดาราศาสตร์ หรือสร้างแบบจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ ฯลฯ แต่เมื่อถึงวันนี้ การทดลองใช้สสาร BEC ที่มีอุณหภูมิใกล้ศูนย์องศาสัมบูรณ์ก็กำลังเป็นทางเลือกทางหนึ่งที่น่าสนใจ

และเมื่อวันที่ 21 พฤษภาคมที่ผ่านมานี้ NASA ได้ยิงจรวดนำห้องปฏิบัติการอะตอมที่เย็นจัด (Cold Atom Laboratory CAL) มูลค่า 2,500 ล้านบาท ขึ้นไปติดตั้งในสถานีอวกาศนานาชาติ International Space Station ISS) เพื่อให้นักวิทยาศาสตร์ได้ศึกษาธรรมชาติของสสารควอนตัมที่ไม่อาจศึกษาได้บนโลก เพราะมันจะถูกสนามโน้มถ่วงของโลกรบกวน และการใช้ประโยชน์ที่ได้จากสภาพไร้น้ำหนักนี้มีผลทำให้ CAL เป็นห้องปฏิบัติการที่มีอุณหภูมิต่ำที่สุดในเอกภพ

โดยทั่วไปเวลาศึกษากลุ่มอะตอมที่อยู่ในห้องทดลองบนโลก แรงโน้มถ่วงและพลังงานจลน์ที่แต่ละอะตอมมีในตัว จะทำให้อะตอมแตกแยกกันภายในเวลาเพียง 0.01-0.02 วินาที แต่เวลาอยู่ในสภาพไร้น้ำหนัก นักฟิสิกส์จะมีเวลาศึกษากลุ่มอะตอมได้นานถึง 10 วินาที ซึ่งนานพอจะศึกษาสมบัติเชิงควอนตัมของกลุ่มอะตอมได้ เช่น ได้เห็นปรากฏการณ์ Efimov ที่นักฟิสิกส์ชาวรัสเซียชื่อ Vitaly Efimov ได้ทำนายไว้เมื่อปี 1970 ว่ามีอะตอม 3 อะตอมของธาตุบางชนิด สามารถจับคู่กันเป็นวงแหวน 3 วงที่ยึดโยงกัน (คล้ายวงกลมสัญลักษณ์กีฬาโอลิมปิค) ซึ่งถ้าแยกวงกลมหนึ่งออกไป สองวงกลมที่เหลือก็จะแยกจากกันด้วย ทฤษฎีของ Efimov ได้รับการยืนยันแล้วบนโลก จากการขังอะตอมของ potassium-39 ในสนามแม่เหล็ก แต่ทฤษฎียังทำนายต่อว่า ถ้าเพิ่มความเข้มของสนามแม่เหล็ก โมเลกุลที่ประกอบด้วย 3 อะตอมนี้จะแตกตัว และจะจับกลุ่มกันอีก โดยจะเพิ่มขนาดขึ้น 22.7 เท่าทุกครั้งที่มีการเพิ่มความเข้มสนามแม่เหล็ก และถ้าเหตุการณ์นี้เกิดในอวกาศ โมเลกุลก็จะมีขนาดใหญ่เท่าแบคทีเรีย

นี่มิใช่จุดประสงค์หลัก เพราะเป้าหมายสูงสุดของ CAL คือ การสาธิตปรากฏการณ์แทรกสอดของอะตอมในอวกาศ (atom interferometry) โดยใช้แสงเลเซอร์แยก BEC ออกเป็นสองส่วน แล้วนำ BEC ทั้งสองส่วนนี้มารวมกันอีก ซึ่งตามทฤษฎีควอนตัม อะตอมแต่ละอะตอมใน BEC สามารถเดินทางไปตามสองเส้นทางได้ในเวลาเดียวกัน และถ้ามีการจัดให้ เส้นทางหนึ่งอยู่สูงกว่าอีกเส้นทางหนึ่ง (วัดจากจุดศูนย์กลางของโลก) พลังงานโน้มถ่วงของอะตอมในเส้นทางบนจะมากกว่าพลังงานโน้มถ่วงของอะตอมในเส้นทางล่างเล็กน้อย ความยาวคลื่นของอะตอมในสองเส้นทางจะไม่เท่ากัน รูปแบบการแทรกสอดที่เกิดขึ้น จะแสดงให้เห็นว่าแรงโน้มถ่วงที่กระทำต่ออะตอมขณะสถานีอวกาศโคจรรอบโลก มีความแตกต่างกันอย่างไร

ดังนั้นถ้าเราใช้อะตอมต่างชนิดกันในการทดลอง นักฟิสิกส์ก็จะสามารถทดสอบได้ว่า วัตถุทุกชนิด ไม่ว่าจะเป็นเหล็กหรือทองคำ หรืออะไรก็ตาม จะต้องตกด้วยอัตราเร่งเดียวกัน และนี่ก็คือสิ่งที่ Galileo เคยทำโดยได้โยนลูกบอลที่ทำด้วยวัตถุต่างชนิดกันจากยอดหอเอนแห่งเมือง Pisa ในอิตาลี และหลักความสมมูลย์ (equivalence principle) ก็เป็นอีกเสาหลักหนึ่งที่ Einstein ใช้ในการสร้างทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป แต่หลักการนี้ก็ยังไม่ได้รับการทดสอบในอวกาศ ดังนั้น การแทรกสอดอะตอมจึงเป็นอีกการทดสอบหนึ่งที่สามารถใช้ทดสอบหลักความสมมูลย์ได้ นอกจากนี้ก็ยังสามารถวัดความแปรปรวนของแรงโน้มถ่วงโลกได้อย่างละเอียด ยิ่งกว่าการใช้ดาวเทียมสำรวจเสียอีก เพราะข้อมูลจาก CAL จะสามารถบอกได้ว่า การละลายของน้ำแข็งที่ขั้วโลกมีมากหรือน้อยเพียงใด ทั้งนี้เพราะการละลายของน้ำแข็งจะทำให้สนามโน้มถ่วงของโลกเปลี่ยน

ยุควิศวกรรมศาสตร์เชิงควอนตัมที่ใช้อะตอมอุณหภูมิต่ำมากได้เกิดขึ้นแล้ว

อ่านเพิ่มเติมจาก Cold Molecular: Theory and Experiment, Applications ที่มี R.V. Krems กับคณะเป็นบรรณาธิการ จัดพิมพ์โดย CRE ในปี 2009

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


กำลังโหลดความคิดเห็น...