(Murray Gell-Mann นักฟิสิกส์รางวัลโนเบลปี 1969 ผู้เสนอความคิดว่าควาร์ก (quark) เป็นอนุภาคมูลฐานชนิดหนึ่ง)
เมื่อวันที่ 27 พฤษภาคม ปี 2019 ชีวิตของนักฟิสิกส์อัจฉริยะ ชื่อ Murray Gell-Mann ได้ยุติ แม้ตัวจะตายจากไป แต่ผลงานฟิสิกส์ที่เป็นมรดกของเขาก็ยังคงอยู่ ให้โลกตระหนักรู้ว่า Gell-Mann เป็นนักฟิสิกส์ทฤษฎีที่เชี่ยวชาญเรื่องอนุภาคมูลฐานคนสำคัญคนหนึ่งของโลก ซึ่งได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ประจำปี 1969 ในวัย 40 ปี ด้วยการเสนอความคิดว่า quark เป็นองค์ประกอบหลักของอนุภาคโปรตอน นิวตรอน และมีซอน และเอกภพมีควาร์กทั้งหมด 3 ชนิด คือ ชนิด up, down และ strange (ปัจจุบันมี 6 ชนิด คือ เพิ่มจากเดิมอีก 3 ชื่อ charm, top และ beauty)
นอกจากจะเป็นนักฟิสิกส์ที่เก่งกล้าสามารถมากแล้ว Gell-Mann ยังสนใจและมีความรอบรู้ในศาสตร์สาขาต่างๆ อีกหลายแขนงด้วย จนเป็นที่เลื่องลือกันว่า เขาเป็นสารานุกรมเดินได้ นอกจากนี้ก็เป็นคนที่รักธรรมชาติ และสนใจการอนุรักษ์สิ่งมีชีวิตที่ใกล้จะสูญพันธ์ รวมถึงเป็นนักนิเวศวิทยาด้วย
Murray Gell-Mann เกิดเมื่อ ค.ศ.1929 บิดามารดาเป็นคนอเมริกันที่มีสัญชาติยิว ครอบครัวนี้มีลูกชาย 2 คน โดย Gell-Mann มีพี่ชายที่มีอายุมากกว่าเขา 9 ปี บิดามีอาชีพเป็นพนักงานรักษาความปลอดภัยของธนาคาร เมื่อ Gell-Mann ลืมตาดูโลก บิดา-มารดาของเขามีอายุค่อนข้างมาก ดังนั้น Gell-Mann จึงไม่มีความใกล้ชิดกับบิดานัก
การเป็นมนุษย์อัจฉริยะระดับสุดยอดของ Gell-Mann เริ่มปรากฎเมื่อเขาสามารถอ่านหนังสือได้อย่างคล่องแคล่วตั้งแต่มีอายุ 3 ขวบ และสามารถคูณเลขหลายหลักในใจได้เมื่ออายุ 5 ขวบ เวลา Gell-Mann ได้ยินผู้ใหญ่ท่านใดเล่าเรื่องหรือออกเสียงคำต่างๆ ผิด เขาจะบอกคำอ่านที่ถูกต้องให้ผู้ใหญ่คนนั้นรู้ในทันที เมื่ออายุ 7 ขวบ Gell-Mann ได้เข้าแข่งขันการสะกดคำยากกับเด็กๆ ที่มีอายุไม่เกิน 12 ปี ผลปรากฎว่า Gell-Mann ได้รับรางวัลชนะเลิศ และก่อนจบการแข่งขัน เขายังได้บอกคนฟังว่า พิธีกรออกเสียงคำหลายคำผิด
การเป็นคนที่ฉลาดเฉลียวเกินวัยทำให้บิดา-มารดาต้องขอคำปรึกษาจากครูให้ช่วยหาที่เรียนให้ลูกชาย ในที่สุดก็ได้โรงเรียนที่เน้นการเรียนวิทยาศาสตร์ ทั้งๆ ที่ Gell-Mann มีอายุน้อยกว่าเพื่อนทุกคนในชั้นถึง 3 ปี แต่เวลาครูสอน เพื่อนๆ มักส่งสายตาถาม Gell-Mann ว่า ครูสอนถูกหรือไม่ เมื่อถึงเวลาสอบ Gell-Mann มักจะได้คะแนนเต็มหรือเกือบเต็มแทบทุกวิชา เมื่ออายุได้ 15 ปี Gell-Mann ก็เรียนจบชั้นมัธยมศึกษา และมีปัญหาในการตัดสินใจว่าจะเลือกอาชีพใดดี เพราะเก่งไปหมดทุกวิชา บิดาต้องการให้ลูกชายเรียนวิศวกรรมศาสตร์ เพราะหางานได้ง่ายและได้เงินดี แต่ Gell-Mann ซึ่งสนใจฟิสิกส์ โบราณคดี ภาษาศาสตร์ และชีววิทยา ได้ตัดสินใจไปเรียนฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัย Yale เพราะที่นั่นให้ทุนการศึกษา และฟิสิกส์เป็นวิชาที่ใกล้เคียงกับวิศวกรรมศาสตร์มากที่สุด Gell-Mann จบการศึกษาระดับปริญญาตรี เมื่ออายุ 19 ปี จากนั้นได้ไปศึกษาต่อระดับปริญญาเอกที่มหาวิทยาลัย Massachusetts Institute of Technology (MIT) โดยมี Victor Weisskopf เป็นอาจารย์ที่ปรึกษาในการทำวิทยานิพนธ์เรื่องฟิสิกส์นิวเคลียร์ และเพื่อจะได้ระบายความเครียดขณะทำวิจัย Gell-Mann ได้ไปลงทะเบียนเรียนภาษาจีนด้วย จนสามารถอ่านภาษาจีนได้ อีก 3 ปีต่อมา Gell-Mann ก็จบการศึกษาระดับปริญญาเอก
จากนั้น Gell-Mann ในวัย 22 ปีได้ไปทำงานวิจัยฟิสิกส์หลังปริญญาเอกกับ Robert Oppenheimer (ผู้อำนวยการโครงการ Manhattan ของสหรัฐฯ เพื่อผลิตระเบิดปรมาณู) ที่ Institute for Advanced Study ในปีต่อมา Gell-Mann ได้งานเป็นอาจารย์สอนที่มหาวิทยาลัย Chicago ซึ่งมี Enrico Fermi (รางวัลโนเบลฟิสิกส์ปี 1938) เป็นศาสตราจารย์ประจำที่นั่น แล้วได้ย้ายไปครองตำแหน่งศาสตราจารย์ฟิสิกส์ในสถาบัน California Institute of Technology (Caltech) ขณะมีอายุ 26 ปีด้วยผลการวิจัยที่แสดงให้เห็นว่าค่าคงตัวในทฤษฎีสนามควอนตัมที่ใครๆ ก็คิดว่าไม่มีวันเปลี่ยนค่า แต่ที่จริงเป็นค่าที่ขึ้นกับพลังงาน เพราะเหตุว่าบรรยากาศการทำงานที่สถาบัน Caltech ดีมาก Gell-Mann จึงได้ทำงานที่นี่จนกระทั่งเกษียณ
ในช่วงเวลาที่ Gell-Mann เริ่มทำงาน นักฟิสิกส์ทุกคนรู้ว่า ธาตุประกอบด้วยอะตอมชนิดเดียวกัน และสารประกอบมีอะตอมต่างชนิดกัน นอกจากนี้ทุกคนก็รู้อีกว่าอะตอมมีแก่นกลางคือนิวเคลียส ที่มีประจุบวก และมีอิเล็กตรอนที่มีประจุลบเป็นจำนวนมาก โคจรอยู่รอบนิวเคลียส ซึ่งประกอบด้วยอนุภาคโปรตอน และนิวตรอนที่เป็นกลาง (คือ ไม่มีประจุ) แล้วความวุ่นวายก็เริ่มปรากฏ เมื่อนักทดลองได้เห็นอนุภาคจำนวนมากที่มิใช่โปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอนเกิดขึ้น โดยอนุภาคใหม่เหล่านี้มีมวล และประจุต่างๆ กัน บ้างก็มาจากรังสีคอสมิกในอวกาศที่พุ่งชนโมเลกุลของอ็อกซิเจน และไนโตรเจนในอากาศ บ้างก็เกิดในเครื่องเร่งอนุภาค เวลามีการชนระหว่างอิเล็กตรอน กับโปรตอนที่มีพลังงานสูง หรือเวลาโปรตอนชนกันเอง อนุภาคที่เกิดใหม่บางชนิดที่มีชีวิตอยู่ได้ไม่นาน แต่บางชนิดก็อยู่ได้นานผิดปกติ
นักฟิสิกส์จึงเรียกอนุภาคเหล่านี้ต่างๆ กัน เช่น sigma, lambda, hyperon และ K-meson ฯลฯ และไม่มีใครรู้ว่า อนุภาคเหล่านี้มาจากไหนและเกิดขึ้นได้อย่างไร Gell-Mann จึงเสนอความคิดใหม่ว่า อนุภาคต่างๆ มีเลขควอนตัม (quantum number) ชนิดใหม่ ซึ่งเรียกว่า strangeness (S) หรือความแปลก โดยได้กำหนดให้โปรตอนกับนิวตรอนมี S = 0 เพราะอนุภาคทั้งสองเป็นที่รู้จักและคุ้นเคยของทุกคน ส่วน hyperon มี S = -1 อนุภาค K-meson ก็มี S = -1 อนุภาค sigma มี S = -1 จากนั้น Gell-Mann ได้ตั้งกฎอนุรักษ์ความแปลกซึ่งแถลงว่า ในระบบที่เกิดขึ้นโดยอาศัยอันตรกริยาแม่เหล็กไฟฟ้า และอันตรกริยาอย่างแรง (strong interaction) กฎทรงความแปลก (conservation of strangeness) จะเป็นจริงเสมอ นั่นคือ ความแปลกลัพธ์ของเหล่าอนุภาคก่อนการชน จะมีค่าเท่ากับความแปลกลัพธ์ของเหล่าอนุภาคหลังการชนเสมอ แต่ในระบบที่อาศัยอันตรกริยาอย่างอ่อน (weak interaction) กฎนี้ไม่เป็นจริง กฎนี้สามารถอธิบายการอุบัติอนุภาคต่างๆ ได้ดีพอควร รวมทั้งห้ามการบังเกิดของอนุภาคบางชนิดได้ด้วย
ในปี 1955 Richard Feynman (รางวัลโนเบลฟิสิกส์ปี 1965) ได้ชวน Gell-Mann ไปทำงานที่ Caltech และได้ชี้แจงให้ท่านอธิการบดีแต่งตั้ง Gell-Mann เป็นศาสตราจารย์ฟิสิกส์ ซึ่งอธิการบดีก็เห็นด้วย Gell-Mann จึงได้เป็นศาสตราจารย์ที่มีอายุน้อยที่สุดของมหาวิทยาลัย คือมีอายุเพียง 26 ปีเท่านั้นเอง การทำงานร่วมกับ Feynman ทำให้โลกมีทฤษฎี V-A (จากคำ vector และ axial vector) ซึ่งแสดงให้เห็นว่า ในการสลายตัวปล่อยรังสีบีต้า ถ้าสปินของอิเล็กตรอนมีทิศหมุนซ้าย อนุภาค antineutrino ที่ถูกขับออกมาพร้อมกับอิเล็กตรอนจะมีสปินที่มีทิศหมุนขวา แต่เมื่อนักทดลองได้แสดงให้เห็นว่า ทฤษฎี V-A ที่คนทั้งสองเสนอยังผิดพลาด Feynman กับ Gell-Mann ได้แถลงยืนยันว่าทฤษฎีถูกต้อง และการทดลองผิด ในที่สุดนักทดลองก็ยอมรับว่า ได้ผลการทดลองที่ผิดจริงๆ
ในปี 1960 Gell-Mann ใช้สมมาตรทางคณิตศาสตร์อธิบายสมบัติของอนุภาค baryon และ meson ที่พบในเครื่องเร่งอนุภาคและที่มาจากรังสีคอสมิก โดยพบว่า Lie กลุ่ม SU(3) สามารถอธิบายเหตุการณ์ที่เกี่ยวข้องกับโปรตอน นิวตรอน และอนุภาค hyperon 8 อนุภาค และสมบัติของ meson ทั้ง 8 ชนิดก็สามารถอธิบายได้ด้วย Lie กลุ่ม SU(3) เช่นกัน Gell-Mann จึงเรียกสมมาตรนี้ว่า มรรค 8 ตามคำสอนในพุทธศาสนา
ในช่วงเวลานั้น นักฟิสิกส์ได้พบอนุภาคอื่นๆ อีกหลายชนิด เช่นอนุภาค delta resonance 4 ชนิด อนุภาค sigma resonance 3 ชนิด และอนุภาค chi resonance 2 ชนิด เพราะ Lie กลุ่ม SU(3) ไม่ได้ครอบคลุมอนุภาคทั้ง 4+3+2=9 ชนิด แต่ทฤษฎีกลุ่ม decuplet สามารถอธิบายสมบัติของอนุภาค 10 ชนิดได้ Gell-Mann จึงทำนายว่า ธรรมชาติจะต้องมีอนุภาคตัวที่ 10 ซึ่งมีค่า strangeness เท่ากับ -3 มีประจุลบ จึงได้ตั้งชื่ออนุภาคนี้ว่า omega minus ซึ่งจะสลายตัว โดยอาศัยอันตรกริยาอย่างอ่อน และมีชีวิตอยู่ได้ค่อนข้างนาน
วงการฟิสิกส์ทั่วโลกจึงได้พยายามค้นหาอนุภาค omega นี้อย่างขนานใหญ่ ลุถึงปี 1964 Nicholas Samios กับคณะที่ห้องปฏิบัติการ Brookhaven Laboratory ในสหรัฐฯ ก็ได้พบอนุภาค omega minus ซึ่งมีสมบัติตรงกับที่ Gell-Mann ได้ทำนายไว้พอดี
ความสำเร็จนี้ทำให้ Gell-Mann ได้รับรางวัลโนเบลฟิสิก์ จากผลงานการจัดระบบอนุภาคมูลฐานให้เป็นกลุ่ม โดยเฉพาะอย่างยิ่ง คือ การเสนอความคิดเรื่อง quark ซึ่ง Gell-Mann ได้เสนอว่า เป็นองค์ประกอบของอนุภาค baryon และ muon ทุกชนิด แต่มีประจุเป็น + 2/3e กับ - 1/3e เมื่อ e คือประจุของอิเล็กตรอน และได้ตีพิมพ์เผยแพร่ผลงานนี้ในวารสาร Physics Letters แต่การที่ quark มีประจุที่มีค่าเป็นเศษส่วนของอิเล็กตรอน (ซึ่งนักฟิสิกส์หลายคนในเวลานั้นคิดว่า ไม่มีใครสามารถแบ่งแยกประจุได้) ทำให้คนหลายคนไม่ยอมรับเรื่อง quark แต่เมื่อถึงปี 1968 การทดลองของ J.L. Friedman, H.W. Kendall และ R.E. Taylor ที่ยิงอิเล็กตรอนพลังงานสูงให้พุ่งทะลวงโปรตอนอย่างรุนแรง โดยใช้เครื่องเร่งอนุภาคที่มหาวิทยาลัย Stanford ในอเมริกาได้แสดงให้ทุกคนเห็นว่า quark มีจริง
พัฒนาการของทฤษฎีนี้ในเวลาต่อมาได้แสดงให้เห็นว่า quark มีสมบัติอีกหนึ่งซึ่งคือ สี (colour) (ไม่ใช่สีในความเข้าใจของคนทั่วไป) แต่เป็นชื่อเรียก มี 3 สี คือ แดง เขียว และน้ำเงิน โดย baryon มี 3 quarks และ meson มี 2 quarks ความคิดนี้ได้ถูกนำไปใช้ในทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัมของอันตรกริยาอย่างแข็ง และเป็นรากฐานที่สำคัญของทฤษฎี Standard Model ที่นักฟิสิกส์ยังใช้กันจนทุกวันนี้
ในช่วงเวลาที่ Gell-Mann ทำงานอยู่ที่ Caltech นั้น Richard Feynman ก็มีห้องทำงานอยู่ใกล้ๆ ด้วย โดยห้องอยู่ห่างกันเพียง 2 ห้อง และเป็นห้องที่มีขนาดใหญ่กว่าห้องอื่นๆ
แม้จะเก่งฟิสิกส์พอๆ กัน แต่ทั้งสองมีบุคลิกภาพที่แตกต่างกันมาก และพยายามแข่งขันกันตลอดเวลา Feynman สนใจเรื่อง QED ส่วน Gell-Mann สนใจเรื่อง QCD ทั้งคู่มาจาก New York เหมือนกัน Feyman เป็นคนชอบแสดงออก และมีมนุษย์สัมพันธ์กับคนทั่วไปดีกว่า Gell-Mann Feynman เรียก quark ของ Gell-Mann ว่า quack (เสียงเป็ดร้อง) ทั้งสองได้รางวัลโนเบลต่างปีกัน สังคมรู้จัก Feynman ดีกว่า Gell-Mann Feynmann ได้เสียชีวิตไปก่อนนี้คือในปี 1988 และมรดกที่ Gell-Mann ทิ้งไว้ให้โลกคือ ความคิดเรื่อง strangeness, V-A theory, SU(3), quarks และ QCD
การเป็นคนรอบรู้ และรู้มากอาจทำให้คู่สนทนาของ Gell-Mann หลายคนอาจรู้สึกอึดอัด นอกจากนี้การมีความสามารถในการจดจำเรื่องราวต่างๆ นับเป็นพรสวรรค์ที่มหัศจรรย์อีกอย่างหนึ่งของ Gell-Mann เพราะแม้เหตุการณ์จะเกิดมานานแล้วถึง 51 ปี แต่เขาก็ยังจำได้ดี เช่น เมื่อมีคนนำภาพถ่ายของภาพวาดบนผนังถ้ำ Lascaux ในฝรั่งเศสมาให้ดู Gell-Mann บอกว่านั่นไม่ใช่ภาพจริง เพราะภาพจริงมีคนนอนตายเพียงคนเดียว แต่ภาพที่เห็นไม่ใช่คนๆ นั้น ซึ่งก็ถูกของ Gell-Mann อีก
ในบั้นปลายของชีวิต Gell-Mann ได้ไปทำงานที่ Santa Fe Institute ใน New Mexico และสนใจเรื่อง Complexity, Archaeology กับ Linquistics
อ่านเพิ่มเติมจาก “Quarks, Gluons and Lattices” โดย M. Crutz จัดพิมพ์โดย Cambridge University Press ปี 1983
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
