xs
xsm
sm
md
lg

P. A. M. Dirac นักฟิสิกส์โนเบลผู้มีบุคลิกภาพที่ไม่มีใครเหมือน

เผยแพร่:   โดย: สุทัศน์ ยกส้าน



ผลงานที่โดดเด่นและสำคัญที่สุดของ P. A. M. Dirac คือ การสร้างสมการ Dirac ซึ่งได้ขยายขอบเขตที่จำกัดของกลศาสตร์ควอนตัมให้ครอบคลุมกรณีอนุภาคมีความเร็วสูงมาก จนได้พบว่า สมบัติสปิน (spin) ของอิเล็กตรอนเป็นผลที่สืบเนื่องมาจากการนำทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษมาใช้ในอะตอม นอกจากนี้ก็ยังเป็นบุคคลแรกที่ทำนายว่า เอกภพมีปฏิสสาร (anti-matter) ซึ่งเวลาเข้ามาสัมผัสกับสสารจะทำลายซึ่งกันและกัน ทำให้เกิดรังสีแกมมา

ผลงานดังกล่าวนี้ทำให้ Dirac ได้รับการยกย่องว่าเป็น บิดาคนหนึ่งของวิชากลศาสตร์ควอนตัม ผู้ยิ่งใหญ่ระดับเดียวกับ Niels Bohr และ Werner Heisenberg ความสามารถของ Dirac ในการสร้างสมการเพื่อวางรากฐานของทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัมเชิงสัมพัทธภาพ รวมถึงการมีสัญชาติญาณที่สามารถเข้าใจฟิสิกส์ได้อย่างถ่องแท้และลึกซึ้ง ทำให้ Dirac สามารถผลิตผลงานที่สำคัญได้มากมาย นิสิตที่เรียนวิชากลศาสตร์ควอนตัมอาจไม่ตระหนักว่า กำลังเรียนภาษาฟิสิกส์ที่ Dirac นำมาใช้เป็นคนแรก เช่น สัญลักษณ์ bra และ ket ที่ใช้แทนเวกเตอร์สถานะ รวมถึงฟังก์ชันเดลตา (delta function) ด้วย

ในปี 1963 Robert Oppenheimer ได้เขียนจดหมายถึง Dirac ว่า ทางสถาบัน Institute for Advanced Study แห่งเมือง Princeton ได้นำรูปถ่ายของ Dirac ไปติดเคียงรูปถ่ายของไอน์สไตน์ และได้กล่าวเสริมว่า บนผนังนั้นมีแต่ภาพถ่ายของคนสองคนเท่านั้น

ที่มหาวิหาร Westminster Abbey กรุงลอนดอน ในประเทศอังกฤษ ก็มีแผ่นหินจารึกขื่อของ Dirac วางเคียงแผ่นหินจารึกชื่อของ ไอแซก นิวตัน (Isaac Newton) ซึ่งอยู่ไม่ไกลจากหลุมผังศพของ ชาลส์ ดาร์วิน (Charles Darwin)

แม้นักวิชการทั่วโลกจะยกย่องและเทิดทูน Dirac สักปานใด ชื่อของ Dirac ก็ไม่เป็นที่คุ้นหูของคนทั่วไปเหมือนชื่อของ ไอน์สไตน์ นิวตัน หรือดาร์วิน ทั้งนี้เพราะ Dirac มีบุคลิกภาพส่วนตัวที่ไม่ชอบการแสดงตนทั้งในสังคมวิชาการและในสื่อ ถึงขนาดเคยปฏิเสธไม่รับบรรดาศักดิ์ตำแหน่งท่าน Sir แต่ในบั้นปลายของชีวิต Dirac ได้ยอมรับฐานันดรศักดิ์ระดับ Order of Merit จากสมเด็จพระราชินีนาถเอลิซาเบท ที่ 2 แห่งอังกฤษ 

การมีนามสกุลว่า Dirac แสดงให้รู้ว่า บรรพบุรุษเคยตั้งรกรากอยู่ในดินแดนทางทิศตะวันตกเฉียงใต้ของประเทศฝรั่งเศส เพราะที่นั่นมีเมืองและหมู่บ้านที่ชื่อ Cognac, Cadillac และ Dirac Dirac มีบิดาชื่อ Charles ซึ่งเกิดที่เมืองเจนีวา ในประเทศสวิตเซอร์แลนด์ และได้อพยพไปอังกฤษเพื่อเข้าพิธีสมรสกับ Florence Holten ซึ่งมีอาชีพเป็นบรรณารักษ์ในเมือง Bristol และประกอบอาชีพป็นครูสอนภาษาต่างประเทศที่โรงเรียน Marchant Ventures School

Paul Adrien Maurice Dirac ถือกำเนิดเมื่อวันที่ 8 สิงหาคม ค.ศ.1902 ที่เมือง Bristol และเป็นลูกคนกลางของครอบครัว โดยมีพี่ชาย 1 คน และน้องสาว 1 คน บิดาโปรดปรานการทำร้ายจิตใจและความรู้สึกของลูกๆ มาก เช่น ชอบบังคับว่าเวลา Dirac สนทนากับพ่อที่โต๊ะอาหาร จะต้องพูดภาษาฝรั่งเศสอย่างถูกต้อง เพราะถ้าพูดผิด จะถูกลงโทษ 

ในขณะที่พี่ชายกับน้องสาวสามารถสนทนากับแม่เป็นภาษาอังกฤษได้ นอกจากนี้บิดาก็มักห้ามลูกๆ ไม่ให้ไปสังสรรค์กับเพื่อนบ้าน และบังคับลูกๆ ให้เรียนหนังสือเฉพาะวิชาที่พ่อพอใจเท่านั้น ความกดดันเช่นนี้ทำให้ Felix ซึ่งเป็นพี่ชายของ Dirac ฆ่าตัวตาย และ Dirac กลายเป็นคนที่ชอบเก็บกดความรู้สึกมาก จนในที่สุดหลังจากที่เรียนจบปริญญาเอก Dirac ก็ได้ตัดบิดาออกไปจากชีวิต โดยห้ามไม่ให้เข้ามายุ่งเกี่ยวกับชีวิตตนอีก จนตายความคับแค้นที่มากล้นนี้คือ สาเหตุที่ทำให้ Dirac ไม่เชิญบิดาไปร่วมงานแสดงความยินดีที่กรุงสตอกโฮร์ม ในประเทศสวีเดน เมื่อตนได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ ประจำปี 1933 ร่วมกับ E. Schrödinger และได้เชิญมารดาไปร่วมงานฉลองแต่เพียงคนเดียว

Dirac สำเร็จการศึกษาระดับปริญญาตรีสาขาวิศวกรรมไฟฟ้า เมื่ออายุ 19 ปี และได้ทุนไปศึกษาต่อที่มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ ในประเทศอังกฤษ แต่ก็ต้องปฏิเสธ เพราะไม่มีเงินจะเสียค่ากินอยู่และค่าใช้จ่าย จึงต้องเรียนต่อที่บ้าน และได้ไปสมัครเรียนคณิตศาสตร์ระดับปริญญาตรีที่มหาวิทยาลัย Bristol จนอายุ 20 ปี ก็ได้ทุนเป็นนักวิจัยผู้ช่วยของศาสตราจารย์ Ralph H. Fowler แห่งมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ ซึ่งเป็นนักฟิสิกส์ทฤษฎีที่มีชื่อเสียงมาก ทุนวิจัยนี้ได้ช่วยให้ Dirac สามารถเดินทางไปเรียนต่อที่มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ ในปี 1923 และพำนักอยู่ที่นั่นจนเกษียณในอีก 46 ปีต่อมา 

ในสายตาของ Nevil Mott (รางวัลโนเบลฟิสิกส์ปี 1977) ซึ่งเป็นนิสิตร่วมรุ่นกับ Dirac เขามีความเห็นว่า Dirac มีบุคลิกภาพเหมือนมหาตมาคานธี คือ สามารถปล่อยวางได้หลายเรื่อง ถ้าตนไม่สนใจ ส่วน Niels Bohr (รางวัลโนเบลฟิสิกส์ปี 1922) มีภาพลักษณ์ของ Dirac ว่าเป็นคน “ประหลาด” ที่สุดที่ Bohr รู้จัก เช่น ได้เคยพยายามหารากที่สองของเมทริกซ์ และคิดจะปฏิเสธการรับรางวัลโนเบล เพราะไม่ต้องการให้คนทั้งโลกหันมาสนใจตน แต่เมื่อ Ernest Rutherford (รางวัลโนเบลเคมีปี 1908) กล่าวเตือนว่า ถ้า Dirac ปฏิเสธรางวัล คนทั้งโลกจะหันมาสนใจทันที Dirac จึงเปลี่ยนใจ Werner Heisenberg (รางวัลโนเบลฟิสิกส์ปี 1932) ก็พบว่า Dirac เป็นคนพูดน้อยและไม่ชอบการพูดโอ้อวด ดังจะเห็นได้เวลาบรรดาสื่อมวลชนกรูกันเข้ามาขอสัมภาษณ์ Heisenberg จะตอบคำถามทุกประเด็นอย่างละเอียด และเอ่ยบอกบรรดาผู้สื่อข่าวว่า Dirac ไม่พร้อมจะให้สัมภาษณ์ใดๆ ทั้งๆ ที่ในเวลานั้น Dirac ยืนอยู่ใกล้ๆ

ย้อนอดีตไปถึงฤดูร้อนของปี 1925 ที่ Heisenberg เสนอทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัมในรูปแบบ matrix ซึ่งแตกต่างจากทฤษฏีของ Bohr อย่างสิ้นเชิง โดย Heisenberg ได้เน้นให้เห็นว่า สมการ En- Em = hνnm  หรือที่รู้จักในนามความสัมพันธ์ Bohr-Einstein เป็นสมการที่สำคัญมาก โดยได้อาศัยเหตุผลที่ว่า กลศาสตร์ควอนตัมต้องแตกต่างกับกลศาสตร์คลาสสิก เพราะในการศึกษาอะตอมจะต้องไม่มีการพูดถึงความเร็วหรือตำแหน่งของอิเล็กตรอน เพราะไม่มีใครสามารถสังเกตเห็นหรือวัดค่าได้ ดังนั้นกลศาสตร์ควอนตัมจะต้องตั้งอยู่บนพื้นฐานของสิ่งที่วัดได้ และสังเกตได้เท่านั้น นั่นคือ แทนที่นักฟิสิกส์จะสนใจการกระจัด x(t) (ตำแหน่งที่ขึ้นอยู่กับเวลาตามแบบกลศาสตร์คลาสสิก) Heisenberg กลับต้องการจะรู้ค่า [x(t)]2  ที่เกี่ยวข้องกับพลังงาน ซึ่งต้องเขียนแบบควอนตัม เพราะ Heisenberg คิดว่า ถ้า x(t) เป็นปริมาณที่ไม่สามารถจะวัดได้ ปริมาณ [x(t)]2  จะสามารถตรวจสอบได้ จากการรู้ว่าในเรื่องคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า โอกาสของคลื่นในการเปลี่ยนจากสถานะ m ไปสู่สถานะ n ขึ้นอยู่กับแอมพลิจูดยกกำลังสอง นั่นคือ แอมพลิจูดขึ้นกับสมาชิกเมทริกซ์ xnm ของตัวดำเนินการตำแหน่ง (position operator) ที่มีแฟกเตอร์เวลา iωnmt เกี่ยวข้อง (โดยที่ ωnm = 2 πνnm และ t คือเวล) 

นี่คือ การก้าวกระโดดทางความคิดที่ยิ่งใหญ่มาก เพราะ Heisenberg ได้แทนที่ฟังก์ชันต่างๆ ในกลศาสตร์คลาสสิกด้วยเมทริกซ์ที่มีขนาดอนันต์ ทำให้สามารถใช้เมทริกซ์บรรยายสถานะของอิเล็กตรอนที่เป็นไปได้ทุกสถานะ

ในเวลาต่อมา Heisenberg ได้หวนกลับไปแก้ปัญหาที่เคยตั้งใจว่าจะทำแต่ต้น คือ การเขียนสูตรของ x 2 ในรูปแบบใหม่ ซึ่งต้องใช้เงื่อนไขความสัมพันธ์ Bohr-Einstein กำกับ และพบว่า ต้องให้ (x2)nm=∑k xnk xkm

นี่คือสิ่งที่นักคณิตศาสตร์ตระหนักว่า เป็นกฎการคูณเมทริกซ์ ที่แม้แต่ Heisenberg ในเวลานั้นก็ไม่สังเกตเห็น ผลที่ตามมาคือ ปริมาณต่างๆ เช่น x และ y เมื่อคูณกัน ซึ่งตามทฤษฎีกลศาสตร์คลาสสิกจะได้ว่า xy = yx เสมอ แต่ในกลศาสตร์ควอนตัม xy ≠ yx

จากนั้น Heisenberg ก็พิจารณากรณีที่อนุภาคเป็นตัวแกว่งกวัดฮาร์มอนิก (harmonic oscillator) และพบว่า ผลคำนวณที่ใช้เทคนิคนี้ก็ยังให้ความสัมพันธ์ Bohr-Einstein เหมือนเดิม

หลังจากที่ได้รูปแบบใหม่ในการคำนวณแล้ว Heisenberg ก็ได้เดินทางไปให้สัมมนาองค์ความรู้ที่พบใหม่นี้ที่มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ ในประเทศอังกฤษ เมื่อเดือนกรกฎาคม ปี 1925 แต่ไม่ได้ให้รายละเอียดของสิ่งที่พบ หลังการสัมมนาเมื่อ Fowler ถาม Heisenberg จึงได้อธิบายให้ Fowler ฟังเพิ่มเติม และสัญญาว่าจะส่งวิธีพิสูจน์ทั้งหมดมาให้ Fowler อ่านทางไปรษณีย์

ในปลายเดือนสิงหาคมของปีเดียวกัน จดหมายที่แสดงวิธีพิสูจน์ของ Heisenberg ก็ถึงมือ Fowler และได้ส่งต่อให้ Dirac ซึ่งกำลังพักผ่อนอยู่ที่ Bristol ในอังกฤษ พร้อมกันนั้น Fowler ก็ขอความเห็นของ Dirac ที่มีต่องานวิจัยของ Heisenberg ด้วย

ก่อนที่ Dirac จะก้าวเข้าสู่วงการฟิสิกส์ควอนตัม การสร้างทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัมเป็นงานที่ทำโดยนักฟิสิกส์ชาวเยอรมันและชาวสวิสเป็นส่วนใหญ่ เช่น Max Born, Werner Heisenberg, Hendrik Kramers และ Wolfgang Pauli ซึ่งได้ทำงานร่วมกันอย่างใกล้ชิด โดยมี Niels Bohr ชาวเดนมาร์กเป็นที่ปรึกษาอาวุโส และมีห้องปฏิบัติการ Cavendish แห่งมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ เป็นศูนย์กลางสำคัญในการทดลอง Dirac จึงเป็นคนแปลกหน้าที่ไม่มีใครในวงการรู้จัก Dirac เองก็เป็นคนไม่ชอบเข้าสังคม จึงไม่มีใครรู้สึกประหลาดใจที่รู้ว่า Max Born เมื่อได้อ่านงานวิจัยชิ้นแรกของ Dirac แล้ว ถึงกับอุทานออกมาว่า ไม่เคยได้ยินชื่อ Dirac มาก่อนเลยในชีวิต

ความจริงเมื่อ Dirac ได้อ่านงานวิจัยของ Heisenberg เป็นครั้งแรกนั้น เขาไม่ได้ให้ความสำคัญใดๆ แก่งานนี้เลย แต่เมื่อได้อ่านอย่างพินิจพิเคราะห์ เป็นเวลา 10 วัน Dirac ก็เริ่มมั่นใจว่า ผลงานของ Heisenberg คือกุญแจที่จะใช้ไขปัญหาความลึกลับทั้งหลายของอะตอม

ส่วน Heisenberg เมื่อได้พบว่า ปริมาณต่างๆ ในวิชากลศาสตร์ควอนตัมมีสมบัติไม่ commute กัน (คือ xy มีค่าไม่เท่ากับ yx) Heisenberg จึงคิดว่า ทฤษฎีที่ตนกำลังสร้างมีความบกพร่องอย่างรุนแรง แต่ Dirac กลับคิดว่า สมบัติการคูณ xy ที่มีค่าไม่เท่ากับ yx มีความสำคัญ ที่จะต้องเข้าใจให้ได้ว่ามีความหมายอย่างไรในฟิสิกส์

บ่ายวันหนึ่ง ขณะออกไปเดินเล่นในชนบท ความคิดหนึ่งได้แว็บเข้ามาในสมองของ Dirac ว่า ปริมาณ xy - yx มีสมบัติเหมือนวงเล็บ Poisson (Poisson’s brackets) ในกลศาสตร์นิวตัน แต่เกิดจำรายละเอียดของเทคนิคคำนวณไม่ได้ Dirac จึงต้องคอยให้ห้องสมุดเปิดในเวลาเช้าของวันต่อมา และได้พบว่า สิ่งที่ตนสังหรณ์นั้นคือ ความจริง จากนั้น Dirac ก็เริ่มเขียนงานวิจัยเรื่องกลศาสตร์ควอนตัม โดยอ้างถึงกลศาสตร์คลาสสิกว่า สมการการเคลื่อนที่ตามแบบของนิวตันที่เคยใช้กันมานั้นไม่ผิด เพียงแต่เทคนิคคณิตศาสตร์ที่จะใช้ในกลศาสตร์ควอนตัม จะต้องถูกปรับเปลี่ยน เป็นพีชคณิตควอนตัม (quantum algebra) และการหาอนุพันธ์ควอนตัม (quantum differentiation) ในขั้นตอนการคำนวณ commutator ของ [x,y] ซึ่งมีค่าเท่ากับ xy - yx x กับ y ต่างก็เป็นปริมาณควอนตัมกับวงเล็บปัวซอง (Poisson’s brackets) Dirac ได้พิจารณาเมทริกซ์ (xy)nm ในกรณีที่ m และ n มีค่ามาก ให้เป็นไปตามหลักการคล้องจองของ Bohr โดยมีรูปแบบเป็นเมทริกซ์ที่ใกล้เคียงเมทริกซ์ทแยงมุม และ Dirac ได้ตั้งสมมติฐานที่สำคัญมากว่า commutator ของปริมาณควอนตัมสองปริมาณมีค่าเท่ากับ –ih/2π  คูณกับวงเล็บปัวซงของปริมาณควอนตัมทั้งสองนั้น I คือรากที่สองของ -1 และ h คือค่าคงตัวของพลังก์ ปริมาณควอนตัมที่ Dirac กล่าวถึง คือ ตัวดำเนินการ (operator) ซึ่ง Dirac เรียกว่า เลข q หรือ q-number แล้ว Dirac ก็หาสมการการเคลื่อนที่ของปริมาณควอนตัม และพบว่า

¡h d/dt·x(t) = x(t)Η-Ηx(t) = [x(t), Η]

โดย Η คือ Hamiltonian ของระบบ สมการนี้เป็นที่รู้จักในนามสมการของ Heisenberg แล้ว Dirac ก็ได้แสดงให้เห็นว่า สมการนี้นำไปสู่ความสัมพันธ์ Bohr-Einstein เหมือนเดิม

เมื่อ Fowler ได้รับงานวิจัยต้นฉบับของ Dirac ก็ได้ส่งต่อให้สมาคม Royal Society เพื่อนำลงเผยแพร่ในวันที่ 7 พฤศจิกายนปี 1925 โดยไม่ตระหนักว่า เมื่อห้าสัปดาห์ก่อนนั้น Max Born กับ Pascual Jordan ก็ได้พบสมการเดียวกันนี้

นั่นคือ Born, Jordan และ Dirac ได้สร้างทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัมขึ้นโดยอาศัยความรู้พื้นฐานที่ Heisenberg ได้วางไว้ และโครงสร้างใหม่นี้มีความสัมพันธ์กับโครงสร้างของกลศาสตร์คลาสสิกอย่างเห็นได้ชัด

ในเดือนมกราคมปี 1926 ผลงานเรื่องกลศาสตร์คลื่น (wave mechanics) ของ Schroedinger ก็ได้ปรากฏในบรรณพิภพ ในเบื้องต้น Heisenberg และ Dirac ต่อต้านทฤษฎีของ Schroedinger เพราะทั้งสองคนคิดว่า สมการอนุพันธ์ย่อยของ Schroedinger ให้คำตอบที่แสดงว่าสมบัติต่างๆ ของอะตอมมีค่าต่อเนื่อง หาได้แยกออกเป็นหน่วยๆ แบบควอนตัมไม่ แต่ในเวลาต่อมา ทั้ง Heisenberg และ Dirac ก็ได้พบว่าฟังก์ชันคลื่นของ Schroedinger ให้คำตอบแบบควอนตัม จึงมีประโยชน์ในการศึกษาระบบที่มีหลายอนุภาค

จากนั้น Heisenberg ก็ได้นำกลศาสตร์ควอนตัมของ Schroedinger ไปวิเคราะห์อะตอมของฮีเลียมที่มีอิเล็กตรอนสองอนุภาค นี่เป็นปริศนาที่ยากมาก เพราะเทคนิคคำนวณของ Bohr ให้คำตอบที่ผิดถึงร้อยละ 10 และ Heisenberg ก็ได้พบว่า ถ้านำหลักการห้ามซ้อนทับ (Exclusion Principle) ของ Pauli มาใช้ ฟังก์ชันคลื่นของอิเล็กตรอนทั้งสองจะต้องอยู่ในรูปที่เป็นปฏิสมมาตร (antisymmetric) กัน และพลังงานของสถานะที่มี spin ของอิเล็กตรอนทั้งสองแบบ singlet จะแตกต่างกับสถานะที่มี spin แบบ triplet

ด้าน Dirac ก็ได้เริ่มศึกษาระบบที่ประกอบด้วยอนุภาคที่มีเหมือนกันทุกประการ และพบว่าจำเป็นต้องใช้สถิติแบบ Bose-Einstein เพราะฟังก์ชันคลื่นมีสมบัติสมมาตร สำหรับอนุภาคที่ต้องใช้หลักของ Pauli นั้นต้องใช้ฟังก์ชันคลื่นแบบปฏิสมมาตร ซึ่ง Fermi ก็เคยศึกษาเรื่องเดียวกันนี้ สถิติที่คนทั้งสองศึกษาจึงมีชื่อว่า สถิติแบบ Fermi-Dirac

งานวิจัยของ Dirac เรื่องการดูดกลืนและการปล่อยแสงในอะตอมไฮโดรเจนได้ถึงมือบรรณาธิการของวารสารสมาคม Royal Society เมื่อวันที่ 27 กุมภาพันธ์ ปี 1927 วันนี้จึงถือเป็นวันถือกำเนิดของวิชา quantum electrodynamics (QED) อันเป็นผลงานที่ Dirac ทำขณะเดินทางไปเยี่ยม Bohr ที่กรุงโคเปนเฮเกน ในประเทศเดนมาร์ก และขณะพำนักอยู่ที่นั่น Dirac ได้พบปะกับนักทฤษฎีควอนตัมอื่นๆ อีกหลายคน เช่น Pauli, Jordan และ Heisenberg จากนั้น Dirac ได้หันมาสนใจการพัฒนากลศาสตร์ควอนตัมสามารถใช้ได้กับกรณีอนุภาคมีความเร็วสูง

ถึงปี 1927 Dirac ได้เสนอทฤษฎีการแผ่รังสีในอะตอมเป็นครั้งแรก และได้พบหลักเกณฑ์ทองคำ (Golden Rule) ที่ใช้ในทฤษฎีการรบกวน ซึ่งสนามรบกวนมีค่าไม่คงตัวคือ ขึ้นกับเวลา และยังได้นำเทคนิคการใช้ตัวดำเนินการสร้างสรรค์และทำลาย (creation และ annihilation operator) มาใช้เป็นครั้งแรก Dirac ยังได้ใช้หลักเกณฑ์ทองคำในการคำนวณหาอัตราการดูดกลืน และอัตราการคายรังสี อีกทั้งยังได้อธิบายที่มาของสัมประสิทธิ์ A และ B ที่ไอน์สไตน์เคยใช้ในการหาสูตรของพลังก์ ผลงานเหล่านี้แสดงให้เห็นว่า Dirac เป็นคนคิดนอกกรอบ เพราะก่อนนั้นไม่มีใครเคยคิดว่า ธรรมชาติสามารถจะสร้างอนุภาคจากสุญญากาศได้

ในเดือนตุลาคมปี 1927 หลังจากที่ออกมาปรากฎตัวในวงการฟิสิกส์ได้เพียง 2 ปี Dirac วัย 25 ปี ก็ได้รับเชิญให้เข้าประชุม Solvay Congress ครั้งปฐมฤกษ์ที่ประเทศเบลเยียม และเป็นผู้ร่วมประชุมที่มีอายุน้อยที่สุด ท่ามกลางนักฟิสิกส์ระดับมหาอัจฉริยะ เช่น Einstein , Bohr ซึ่งได้อภิปรายและถกเถียงกันอย่างหามรุ่งหามค่ำ เรื่องความหมายของกลศาสตร์ควอนตัม ทั้งในทางปรัชญาและในมุมมองของฟิสิกส์ Dirac ไม่ชอบและไม่สนใจการอภิปรายลักษณะนี้เลย จึงปลีกตัวไปทำงานที่ตนสนใจ

ในวันที่ 2 มกราคมปี 1928 Dirac ได้เสนอผลงานสำคัญที่สุดในชีวิต คือ Dirac Equation ต่อกองบรรณาธิการของสมาคม Royal Society ในงานวิจัยชิ้นนั้น Dirac ได้อธิบายที่มาของการที่อิเล็กตรอนมี spin การหาค่าโมเมนต์แม่เหล็กของอิเล็กตรอน รวมถึงการอธิบายโครงสร้างละเอียด (fine structure) ของสเปกตรัมในอะตอมไฮโดรเจนด้วย

ผลงานเด่นๆ ของ Dirac ในเวลาต่อมาคือ ทฤษฎี hole ซึ่งมีใจความว่า ในสถานะพื้นฐาน ระดับพลังงานของอิเล็กตรอนที่มีค่าเป็นลบจ ะมีอิเล็กตรอนอยู่กันเต็ม แต่ถ้าสถานะพลังงานลบนี้มีที่ว่าง ก็จะมีอนุภาค hole ปรากฏขึ้น อนุภาคนี้มีประจุบวกและมีพลังงานเป็นบวก ซึ่ง Dirac คิดในตอนแรกว่าคือ โปรตอน แต่ในเวลาต่อมา โลกก็ได้พบว่า อนุภาค hole มีจริง แต่เป็นอนุภาค positron มิใช่โปรตอน และอนุภาค positron เป็นปฏิยานุภาค (anti-particle) ของอิเล็กตรอน ซึ่งถ้ามาปะทะกันก็จะให้รังสีแกมมา

งานวิจัยฉบับนี้ ยังได้แสดงให้เห็นอีกว่า ถ้าขั้วแม่เหล็กเดี่ยว (magnetic monopole) มีจริง ในธรรมชาตินี่จะเป็นเหตุผลที่ทำให้ประจุไฟฟ้าต่างๆ ในธรรมชาติมีค่าเป็นจำนวนเต็มเท่าของอิเล็กตรอน แต่ตราบถึงวันนี้ก็ยังไม่มีใครพบขั้วแม่เหล็กเดี่ยวเลย

ในปี 1985 Dirac ได้ทำนายว่า สนามโน้มถ่วงมีอนุภาคชื่อ graviton แต่ก็ยังไม่มีใครพบอนุภาคนี้อีกเช่นกัน

ในชีวิตส่วนตัว Dirac ชอบการเดินเล่นในชนบท โปรดปรานการทำสวน ตลอดชีวิต Dirac มีเพื่อนสนิทไม่มาก คนหนึ่งชื่อ Peter Kapitza (รางวัลโนเบลฟิสิกส์ ปี 1978) และ Patrick Blackett (รางวัลโนเบลฟิสิกส์ ปี 1948) ซึ่งเป็นพวกเอียงซ้ายเหมือนกัน อนึ่งเวลาเข้าสังคม Dirac จะนั่งเงียบขรึม เสมือนไม่ให้ความสำคัญแก่งานที่มา จนบรรดาเพื่อนๆ ได้คิดหน่วยวัดความเงียบเป็น Dirac ซึ่งหมายถึง จำนวนคำที่ถูกเปล่งออกมาในวงสนทนา และ 1 dirac คือ การพูดคำ 1 คำ ในเวลาหนึ่งชั่วโมง เวลาสอนหนังสือ Dirac อาจหยุดพูดนานเป็นนาที เพื่อคิดหาคำที่เหมาะสมจะมาพูดต่อ และเวลาพบคนแปลกหน้า หลังการแนะนำตัว Dirac ในบางครั้งจะเงียบจนคู่สนทนารู้สึกอึดอัด และเวลาถูกกดดันมากๆ Dirac จะกลายเป็นคนพูดน้อย และในที่สุดก็ไม่พูดอะไรเลย

ตามปกติ Dirac ชอบทำงานคนเดียวเหมือน Einstein และสนใจเพียงฟิสิกส์ทฤษฎีเท่านั้น เพราะคิดว่าทฤษฎีฟิสิกส์มีความงดงาม และทฤษฎีฟิสิกส์ที่ “สวย” สามารถทำนายเหตุการณ์ที่จะเกิดในธรรมชาติได้

Dirac เป็นคนร่างสูง ผอม ไม่แข็งแรง และมีโรคประจำตัวคือ โรคกระเพาะอาหาร

ตลอดชีวิต Dirac เล่าว่า ไม่เคยได้รับความรักจากบิดาเลย หลังจากที่บิดาเสียชีวิตแล้ว Dirac วัย 35 ปี ก็บอกว่า รู้สึกเป็นอิสระ และในเวลาต่อมาได้แต่งงานกับ Margit Wigner ซึ่งเป็นน้องสาวของ Eugene Wigner (รางวับโนเบลฟิสิกส์ ปี 1963) ครอบครัวมีลูกสาว 2 คน Margit ได้เล่าว่า เคยเห็น Dirac ร้องไห้เพียงครั้งเดียวคือ เมื่อทราบข่าวการเสียชีวิตของไอน์สไตน์ ในปี 1955 ส่วนลูกสาวที่ชื่อ Monica ก็อ้างว่าไม่เคยเห็นบิดาหัวเราะเลย ความ “ประหลาด” นี้ ทำให้นักจิตวิทยาหลายคนคิดว่า นี่เป็นอาการของอัจฉริยะที่เป็นออทิสติก เพราะไม่มีความสามารถมากในการสื่อสาร และชอบทำตัวให้เห็นว่าไม่ต้องการความรักจากบุคคลอื่น

Dirac เสียชีวิตเมื่อวันที่ 20 ตุลาคมปี 1984 ด้วยโรคหัวใจล้มเหลวที่เมือง Tallahassee รัฐฟลอริดา ในประเทศสหรัฐอเมริกา สิริอายุ 82 ปี

อ่านเพิ่มเติมจาก The Strangest Man: The Hidden Life of Paul Dirac, Mystic of the Atom โดย G. Farmelo จัดพิมพ์โดย Basic Books, ปี 2009


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...