จากที่อ่านมาถึงตรงนี้ ถ้ามีใครถามเราว่า อิเล็กตรอนคืออะไร และมีสมบัติเช่นไรบ้าง คนที่สามารถจะตอบคำถามนี้ได้อย่างสมบูรณ์ ครบครัน และจบภายในตัวของมันเอง คงไม่มีในโลก เพราะคำตอบที่ถูกต้องมีมากมาย โดยแต่ละคำตอบต่างก็มีส่วนถูก และอีกหลายคำตอบยังเป็นปริศนาที่คำตอบยังคลุมเครืออยู่จนกระทั่งถึงวันนี้
นับตั้งแต่ปี 1913 ที่ Niels Bohr ได้พบว่าอิเล็กตรอนเป็นอนุภาคบริวารของโปรตอนที่มีอยู่ในอะตอมไฮโดรเจนแล้ว ความเข้าใจของนักฟิสิกส์ที่ในส่วนเกี่ยวกับอิเล็กตรอนก็ได้เพิ่มพูนมากขึ้น และได้มีวิวัฒนาการตลอดเวลา 109 ปีที่ผ่านมา โดยเฉพาะในปี 1927 ที่ Bohr ได้แถลงหลักการเติมเต็ม (Complementarity Principle) ซึ่งมีใจความว่า ในบางเวลาอิเล็กตรอนแสดงพฤติกรรมเสมือนว่าเป็นอนุภาค เพราะมีตำแหน่งแหล่งอยู่อย่างชัดเจน แต่ในบางเวลาอิเล็กตรอนก็แสดงตัวเป็นคลื่น เพราะมีโมเมนตัมที่สามารถวัดหาค่าได้ ซึ่งพฤติกรรมทั้งสองรูปแบบนี้ เป็นเรื่องที่ถูกต้อง เป็นจริงและมีประโยชน์ เพราะสามารถนำไปใช้อธิบายผลการทดลองต่าง ๆ ได้มากมาย อีกทั้งยังเป็นคำตอบที่สอดคล้องกับหลักความไม่แน่นอน (Uncertainty Principle) ของ Heisenberg ที่แถลงว่า ตำแหน่งและโมเมนตัม ของอนุภาคควอนตัมใด ๆ เป็นปริมาณที่มนุษย์ไม่สามารถจะรู้ (วัด) ได้อย่างถูกต้องในเวลาเดียวกัน (หรือพร้อมกัน) เพราะการมองอิเล็กตรอนว่าเป็นคลื่นหรือเป็นอนุภาคนั้น เป็นการเห็นภาพของมันเพียงด้านเดียว หาได้เห็นภาพที่มีสองด้านของมันไม่
ครั้นเมื่อทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัมได้รับการพัฒนาโดย Heisenberg กับ Schrödinger ในปี 1925 ทฤษฎีนี้ก็ได้ยืนยันและสนับสนุนความคิดของ Bohr ที่ว่า อิเล็กตรอนจะเป็นอะไร (คือ เป็นคลื่นหรืออนุภาค) ก็ขึ้นกับรูปแบบการทดลองว่า เราใช้อุปกรณ์อะไรในการสังเกตดูมัน
การรู้เช่นนี้อาจจะมากเพียงพอแล้วที่จะช่วยให้เราสามารถตอบได้ว่า อิเล็กตรอนเป็นอะไรบางอย่างที่ดูเสมือนว่าเราสามารถจะเข้าใจมันและรับรู้ได้ง่าย แต่ถ้าพิจารณาลงไปให้ลึกยิ่งขึ้น ก็จะเห็นว่ามันมีความลี้ลับอีกมากมายหลายประการที่จินตนาการของนักฟิสิกส์เองก็ยังก้าวลงไปไม่ถึง
ในความเข้าใจของคนทั่วไป อิเล็กตรอนเป็นอนุภาคที่ไม่มีโครงสร้างภายในใด ๆ คือ เป็นจุด (ซึ่งตามคำจำกัดความ จุดไม่มีขนาด) แต่มีมวล มีประจุและมีสปิน (spin) อันเป็นสมบัติด้านโมเมนตัมเชิงมุมในตัวเอง และจากสมบัติมวล ประจุ และสปินนี้ นักฟิสิกส์สามารถใช้สมบัติทั้งสามประการนี้ในการสร้างสมการการเคลื่อนที่ที่สามารถอธิบายพฤติกรรมของอิเล็กตรอนในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ ในเลเซอร์และในอุปกรณ์ MRI ฯลฯ รวมทั้งได้วางพื้นฐานให้นักเคมีและนักชีวเคมีสามารถเข้าใจสาเหตุการเกิดพันธะต่าง ๆ ในวิชาเคมีได้ด้วย
แต่ในสายตาของนักฟิสิกส์ที่ศึกษาอนุภาคที่มีพลังงานสูงมากในการทดลอง Large Electron – Positron (LEP) Collision ที่มีการบังคับให้อิเล็กตรอนกับโพซิตรอน (positron) ซึ่งเป็นปฏิยานุภาค (antiparticle) ของอิเล็กตรอน เพราะมีประจุบวกและมีพลังงานสูงให้พุ่งชนกัน เพราะต้องการจะรู้โครงสร้างภายในของอิเล็กตรอนว่าจะมีอนุภาคอะไรที่มีขนาดเล็กกว่าอิเล็กตรอนแฝงอยู่ภายในหรือไม่ นักฟิสิกส์ที่ CERN ซึ่งเป็นสถาบันวิจัยนิวเคลียร์ของยุโรป ณ กรุง Geneva ในประเทศสวิตเซอร์แลนด์ กลับได้เห็นอนุภาคต่าง ๆ เกิดขึ้นมากมาย เช่น quark, gluon, muon, tau lepton, photon และ neutrino จนทำให้ความพยายามที่จะอธิบายว่า อนุภาคทั้งหมดเหล่านี้ประกอบกันขึ้นเป็นอิเล็กตรอน เป็นเรื่องที่เป็นไปไม่ได้และทางออกหนึ่งของการอธิบาย คือ พลังงานของอิเล็กตรอนและโพซิตรอนได้เปลี่ยนไปเป็นมวลของอนุภาคต่าง ๆ มากมาย (ดังสูตร E=mc2) นี่เป็นตัวอย่างที่ทำให้เรารู้โครงสร้างภายในของอิเล็กตรอนไม่ได้ และเป็นสิ่งที่รู้จักในนาม ขีดจำกัดของการศึกษาระบบควอนตัม (quantum censorship) ที่แถลงว่า สมบัติของระบบควอนตัมจะเป็นเช่นใด ขึ้นกับพลังงานที่ใช้ในการศึกษาระบบนั้น ซึ่งหมายความว่าถ้าเปลี่ยนพลังงานที่ใช้ในการศึกษา สมบัติของระบบก็จะเปลี่ยนตาม เช่นในกรณีการชนกันระหว่างอิเล็กตรอนกับโพซิตรอนที่ต่างก็มีพลังงานต่ำก็จะได้ photon (คือ รังสีแกมมา) แต่ในกรณีที่ใช้อิเล็กตรอนกับโพซิตรอนที่มีพลังงานสูง (1 ล้านอิเล็กตรอนโวลต์ขึ้นไป) ก็จะเห็นความซับซ้อนเกิดขึ้นอย่างอลหม่าน จนทำให้เรารู้โครงสร้างที่แท้จริงของอิเล็กตรอนกับโพซิตรอนไม่ได้
ณ วันนี้ นักฟิสิกส์ได้ใช้ความรู้ด้านกลศาสตร์ควอนตัมในการบรรยายพฤติกรรมของอิเล็กตรอนในอะตอมที่มีโครงสร้างง่าย ๆ คือ มีอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียว ตลอดไปจนถึงอะตอมที่ยุ่งยาก เพราะมีอิเล็กตรอนหลายตัว และพบว่าในสถานะปกติ ระบบที่มีพลังงานน้อยที่สุดจะเป็นระบบที่เสถียรมากที่สุด และถ้าระบบได้รับพลังงานเพียงเล็กน้อยเข้าไป เราก็มักจะไม่เห็นการเปลี่ยนแปลงใด ๆ ของโครงสร้างภายใน แต่เมื่อระบบถูกกระตุ้นให้มีพลังงานสูงขึ้น ความซับซ้อน (complexity) ของเหตุการณ์ก็จะเกิดขึ้นทันที เช่น อิเล็กตรอนบางตัวจะเปลี่ยนวงโคจร การดูดกลืนและการคายพลังงานโฟตอนจะเกิดขึ้น หรืออะตอมอาจจะเปลี่ยนสภาพไปเป็นไอออน (ion) โครงสร้างของอะตอมที่เปลี่ยนไปในลักษณะนี้ จึงเป็นไปตามหลักการของ quantum censorship ทุกประการเช่นกัน คือ จากอะตอมของ John Dalton ที่เคยแบ่งแยกไม่ได้ กลับเป็นว่าอะตอมสามารถแตกตัวและแยกตัวได้ ด้วยเหตุนี้เวลาใครพูดถึงสมบัติของอิเล็กตรอน จึงต้องมีการระบุเงื่อนไขของพลังงานที่ใช้ด้วย เช่น ที่พลังงานต่ำอิเล็กตรอนจะเป็นอนุภาคที่ไม่มีโครงสร้างภายใน แต่ที่พลังงานสูง อิเล็กตรอนจะมีโครงสร้างซับซ้อน ซึ่งอาจจะมากหรือน้อยเพียงใดก็ขึ้นกับพลังงานที่ใช้ในการวิเคราะห์
ประเด็นที่เป็นเรื่องชวนคิดอีกประการหนึ่งเกี่ยวกับสมบัติของอิเล็กตรอน คือ การมีสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าแบบขั้วคู่ในตัวเอง เพราะอิเล็กตรอนนั้นมีประจุลบและสามารถหมุนได้รอบตัวเอง จึงมีแกนหมุน ให้นักฟิสิกส์ทดลองสามารถวัดค่าของสนามแม่เหล็กขั้วคู่ของอิเล็กตรอน (magnetic dipole moment ; MDM) ได้อย่างละเอียดมาก จนสามารถใช้เป็นเกณฑ์มาตรฐานในการตรวจสอบความถูกต้องของทฤษฎีควอนตัมเชิงสัมพัทธภาพพิเศษของอิเล็กตรอนได้ แต่สำหรับกรณีสนามไฟฟ้าขั้วคู่ของอิเล็กตรอน (electric dipole moment ; EDM) ของอิเล็กตรอน ทฤษฎี Standard Model ของอนุภาคมูลฐานได้ทำนายว่า EDM ของอิเล็กตรอนจะมีค่าน้อยมาก คือ ไม่เกิน 10^(-40) e.m เมื่อ e คือ ค่าประจุของอิเล็กตรอน และ m คือ ระยะทางเป็นเมตร
ในกรณีสนามแม่เหล็กขั้วคู่ของอิเล็กตรอน EDM เป็นค่าที่ใช้บอกความรุนแรง (หรือความเข้ม) ของสนามแม่เหล็กที่เกิดจากการหมุนรอบตัวเองของอิเล็กตรอน ซึ่งนักฟิสิกส์นิยมเรียกว่า g-factor (g จากคำเต็ม gyromagnetic ratio) ซึ่งเป็นค่าที่นักฟิสิกส์ทุกคนสนใจมาตั้งแต่กลางคริสต์ศตวรรษที่ 20 เพราะในปี 1928 ทฤษฎีอิเล็กตรอนของ Dirac ได้ทำนายว่า g มีค่าเท่ากับ 2.0 พอดี และการวัดค่านี้ โดยใช้เทคนิคด้าน spectroscopy กับอะตอมไฮโดรเจน ได้ผลว่า g ของอิเล็กตรอนมีค่าเท่ากับ 2.0 จริง ๆ
แต่เมื่อพัฒนาการของเทคโนโลยีด้าน spectroscopy ในสมัยหลังสงครามโลกครั้งที่ 2 ได้ก้าวหน้าไปมาก จากการใช้ลำอะตอม (atomic beam) ที่มีเสถียรภาพยิ่งกว่าอะตอมเดี่ยว กลับแสดงให้เห็นว่า g มีค่า 2.002 ซึ่งค่าที่มากเกินไปประมาณ 1 ใน 1,000 ส่วนนี้ ได้ทำให้นักทฤษฎี ซึ่งได้แก่ Julian Schwinger , Richard Feynman และ Sin-Itiro Tomonaga ต้องปรับปรุงทฤษฎีของ Dirac เพื่อให้สามารถอธิบายผลการทดลองส่วนที่เกินนี้ได้ และได้พบว่าความแตกต่างเกิดจากการมีปรากฏการณ์ quantum fluctuation ของสุญญากาศ (vacuum) ซึ่งเป็นเหตุการณ์ที่ในสุญญากาศมีความแปรปรวนเชิง quantum เพราะมีอนุภาคโฟตอนเสมือน (virtual photon) ที่เกิดจากการทำลายล้าง(annihilation) ระหว่าง electron กับ positron อย่างรวดเร็ว และมากมาย กระนั้นกฎทรงพลังงานของระบบก็ยังใช้ได้ตลอดเวลา การคำนวณที่ละเอียดและซับซ้อนมากนี้ให้ผล g = 2.00231930436256±(17) ซึ่งตัวเลขในวงเล็บบอกความไม่แน่นอนในทศนิยมสอง ตำแหน่งสุดท้าย และผลการทดลองที่ได้นี้สอดคล้องกับค่าที่คำนวณได้จากทฤษฎี อย่างแตกต่างกันไม่เกินทศนิยมตำแหน่งที่ 12
ในการอธิบายที่มาของสนามแม่เหล็กที่เกิดจากอิเล็กตรอน นักฟิสิกส์ก็สามารถใช้หลักความไม่แน่นอนของ Heisenberg ได้ เพราะเวลาเนื้อประจุของอิเล็กตรอนกระจายตัวอยู่ภายในปริมาตรหนึ่ง การรู้ตำแหน่งของเนื้อประจุจะมีความไม่แน่นอน และเมื่อประจุนี้หมุนรอบตัวเอง (สปิน) ก็จะทำให้เกิดสนามแม่เหล็กขั้วคู่ (magnetic dipole field) เพราะอิเล็กตรอนมีรัศมีที่ยาวประมาณ 2.4x10^(-12) เมตร แต่ถ้าเราพยายามจะรู้ขนาดของอิเล็กตรอนให้แม่นยำยิ่งขึ้น โดยการเพิ่มพลังงานของอนุภาคที่ใช้ยิงเข้าไป การกระทำเช่นนี้จะทำให้โมเมนตัมและพลังงานของอิเล็กตรอนมีมากขึ้นด้วย จนทำให้เกิดอิเล็กตรอนกับโพซิตรอนตัวใหม่ขึ้นมา ซึ่งจะเข้าไปรบกวนความพยายามที่จะวัดขนาดของอิเล็กตรอนเดิม และมีผลทำให้การวัดขนาดมีความคลาดเคลื่อนมากยิ่งขึ้นไปอีก
ในกรณีสนามไฟฟ้าขั้วคู่ของอิเล็กตรอน ทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัมได้คำนวณพบว่าต้องมีค่าเป็นศูนย์ นี่ก็เป็นปัญหาใหญ่ให้นักฟิสิกส์ทดลองได้พยายามวัดค่าเช่นกัน เพราะถ้ามันมีค่าไม่เท่ากับศูนย์ นั่นแสดงว่าทฤษฎี Standard Model ซึ่งเป็นทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัมที่ดีที่สุด ก็จะต้องมีการปรับเปลี่ยน เนื่องจากเอกภพจะต้องมีอนุภาคมูลฐานอีกหลายชนิด และธรรมชาติก็อาจจะมีอันตรกิริยาชนิดใหม่ที่ยังไม่มีนักฟิสิกส์คนใดรู้จักอีกด้วย
ตามปกติ เรามักจะคิดว่าอิเล็กตรอนเป็นอนุภาคที่กลมดิก คือ เป็นทรงกลมที่สมบูรณ์แบบ แต่ถ้าอิเล็กตรอนมีรูปลักษณ์เป็นทรงไข่ อิเล็กตรอนก็จะมีสิ่งที่เรียกว่า โมเมนต์ขั้วคู่ไฟฟ้า (electric dipole moment) นั่นจะแสดงให้เห็นว่า การกระจายของประจุลบในอิเล็กตรอนมีค่าไม่สม่ำเสมอ คือ มีค่ามากในแนวหนึ่งและมีค่าน้อยในอีกแนวหนึ่ง ความไม่สมมาตรเช่นนี้ยังแสดงให้เห็นว่า สสาร (matter) มีสมบัติที่ไม่สมมาตรกับปฏิสสาร (antimatter) ซึ่งจะเป็นเหตุผลที่สามารถอธิบายได้ว่า เหตุใดเอกภพในปัจจุบันจึงมีสสารมากกว่าปฏิสสาร ทั้ง ๆ ที่เมื่อเกิด Big Bang ใหม่ ๆ สสารกับปฏิสสารมีมากในปริมาณที่เท่ากันพอดี
ในรายงานที่ถูกนำออกเผยแพร่ในวารสาร Physical Review Letters ฉบับเดือนตุลาคม ปี 2007 Eric Cornell จากมหาวิทยาลัย Colorado ในประเทศสหรัฐอเมริกา และคณะจากมหาวิทยาลัย Harvard และ Yale ได้พบว่า EDM ของอิเล็กตรอนมีค่าน้อยกว่า 9.3x10^(-31) คูลอมบ์เมตร ค่าที่น้อยนิดนี้แสดงให้เห็นว่า ถ้าอิเล็กตรอนมีขนาดใหญ่เท่าโลก เนื้อประจุของอิเล็กตรอนจะกระจายอยู่ในแนวเส้นศูนย์สูตรกับแนวขั้วที่มีความยาวแตกต่างกันน้อยกว่า 20 นาโนเมตร นั่นคือ อิเล็กตรอนก็ยัง “กลม” ดิกเหมือนเดิม จนกว่าจะมีการวัดค่าใหม่ ที่ได้ค่าแตกต่างไป
เพราะเหตุว่าอิเล็กตรอนมีขนาด ดังนั้นนักทดลองบางคนจึงคิดจะบีบอัดอิเล็กตรอนด้วยความดันที่มากมหาศาล จนทำให้รัศมีของมันหดเข้าใกล้ศูนย์ แต่นั่นก็จะเป็นการกระทำที่ขัดแย้งกับหลักการทับซ้อนของ Pauli (exclusion principle) ที่แถลงว่า ในระบบใด ๆ เราจะมีอิเล็กตรอนที่มีสถานะควอนตัมเหมือนกันทุกประการไม่ได้ เพราะการมีรัศมีที่ยาวเท่ากับศูนย์จะทำให้อิเล็กตรอน 2 อนุภาคสามารถซ้อนกันอยู่ ณ ที่จุดเดียวกันได้ นี่จึงเป็นเรื่องที่ไม่อาจเกิดขึ้นได้
ในวิชาดาราศาสตร์ อิเล็กตรอนก็มีบทบาทมากในการใช้อธิบายโครงสร้างของดาวแคระขาว (white-dwarf star) ซึ่งในอีก 4,500 ล้านปี ดวงอาทิตย์ของเราก็จะเป็นเช่นนั้น เมื่อเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่มีในดาวฤกษ์หมดไป จากนั้นดาวฤกษ์ก็จะยุบตัวลง ภายใต้แรงโน้มถ่วงที่มากมหาศาลจนมีขนาดเท่าโลก แต่มีความหนาแน่นสูงกว่าเป็นล้าน ๆ เท่า ดาวแคระขาวนี้สามารถครองตัวอยู่ได้ โดยอาศัยสมบัติควอนตัมของอิเล็กตรอนที่แสดงว่า เวลาถูกบีบอัดมันจะมีพลังงานสูงขึ้น และแรงดันก็จะมากขึ้นด้วย ซึ่งแรงดันนี้ (degeneracy pressure) จะต้านแรงโน้มถ่วง จนทำให้ดาวฤกษ์ไม่สามารถถูกบีบอัดให้เล็กลงได้อีกต่อไป
ในสสารบนโลก โดยเฉพาะในของแข็ง ของเหลว และแก๊ส ซึ่งมีอิเล็กตรอนอยู่เป็นจำนวนมากก็ได้มีการทดลองพบว่า อิเล็กตรอนมีพฤติกรรมที่แปลกประหลาดเหลือเชื่อมากมาย โดยเฉพาะเวลามีการนำอิเล็กตรอนอิสระจำนวนมากมากระจายในระนาบ คือ อยู่ระหว่างแผ่นสารกึ่งตัวนำบาง ๆ 2 แผ่น แล้วทำให้ระบบมีอุณหภูมิต่ำมากจนใกล้ศูนย์องศาสัมบูรณ์ จากนั้นนำสนามแม่เหล็กที่มีความเข้มสูงมากมากระทำในแนวตั้งฉากกับเหล่าประจุ อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ใน 2 มิติ เสมือนเป็นของเหลว การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในระนาบ 2 มิตินี้ จะทำให้เกิดปรากฏการณ์ Fractional Quantum Hall Effect (FQHE) ซึ่งมีความนำ (conductance) แบบ Hall ที่มีค่าเป็น fe^2/h เมื่อ f เป็นเศษส่วน e คือประจุ และ h คือค่าคงตัวของ Planck ในการอธิบายปรากฏการณ์ FQHE นี้ Robert Laughlin ได้พบว่า ประจุของอิเล็กตรอนจะมีค่าเป็นเศษส่วนของประจุ e เช่น มีค่า e/3 , 2e/5 และ 3e/7 เป็นต้น
สมบัติด้านประจุของอิเล็กตรอนที่เปลี่ยนค่าได้เช่นนี้ อาจพบได้อีกในกรณีของ graphene ซึ่งเป็น graphite ที่มีอะตอมคาร์บอนเรียงกันเป็นรูป 6 เหลี่ยมด้านเท่าเป็นระนาบ และใน graphene อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่เสมือนว่าไม่มีมวล (คือ m=0) นั่นคือ อิเล็กตรอนมีความเร็วใกล้ความเร็วแสง สมบัตินี้ทำให้อิเล็กตรอนใน graphene มีประโยชน์ในการใช้ทำวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่มีความเร็วสูง นอกจากนี้ธรรมชาติก็ยังมีสสารอีกรูปแบบหนึ่ง คือ ฉนวนโทโพโลยี (topological insulator) ที่มีอิเล็กตรอนซึ่งเคลื่อนที่อยู่ตามผิวภายนอกของมันเท่านั้น
เพื่อความสมบูรณ์ของบทความ จะขอเรียงลำดับเหตุการณ์ต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นกับอิเล็กตรอนต่อจากบทความในสัปดาห์ก่อนดังนี้ คือ
ปี 1939 ถึง 1945 เป็นช่วงเวลาที่เกิดสงครามโลกครั้งที่ 2 การวิจัยฟิสิกส์ได้หยุดชะงักไปชั่วคราว เพราะนักฟิสิกส์คนสำคัญของโลกแทบทุกคนเข้าสงคราม โดยไปทำวิจัยเรื่องเรดาร์และสร้างระเบิดปรมาณู
ปี 1947 Cecil F. Powell จากมหาวิทยาลัย Bristol ในประเทศอังกฤษ พบอนุภาค pi-meson ซึ่งสลายตัวให้อนุภาค muon และ Powell ยังได้พบอนุภาค kaon กับ hyperon ด้วย
ปี 1948-50 Sin-Itiro Tomonaga , Julian Schwinger , Richard Feynman , Freeman Dyson , Abdus Salam เสนอทฤษฎีควอนตัมพลศาสตร์เชิงไฟฟ้า ซึ่งรู้จักในนาม ทฤษฎี QED (quantum electrodynamics)
ปี 1956 Frederick Reines จากมหาวิทยาลัย California ที่ Irvine ในประเทศสหรัฐอเมริกา กับ George Cowan ได้พบอนุภาคนิวทริโน ด้าน Tsung-Dao Lee และ Chen Ning Yang จากมหาวิทยาลัย Chicago ในประเทศสหรัฐอเมริกา ได้พบว่าในอันตรกิริยานิวเคลียร์อย่างอ่อนมีปรากฏการณ์แตกสมมาตรของสมบัติ parity (parity violation)
ปี 1958 George C. G. Sudarshan กับ Robert Marshak จากมหาวิทยาลัย Rochester ในประเทศสหรัฐอเมริกาเสนอทฤษฎี vector minus axial (V-A) interaction
ปี 1958 Robert Hofstadter จากมหาวิทยาลัย Stanford ในประเทศสหรัฐอเมริกา ได้ทดลองยิงอิเล็กตรอนที่มีพลังงานสูงให้พุ่งชนนิวเคลียสของอะตอมชนิดต่าง ๆ เพื่อศึกษาความหนาแน่นของประจุในนิวเคลียส
ปี 1962 Leon Lederman จากห้องปฏิบัติการ Brookhaven ในประเทศสหรัฐอเมริกา พบอนุภาค muon neutrino ซึ่งเกิดขึ้นพร้อมกันกับอนุภาค muon และเป็นอนุภาค neutrino ชนิดที่สอง นอกเหนือจากอนุภาค electron neutrino ที่ทุกคนรู้จักกันดีแล้ว
ปี 1964 James Cronin ที่ห้องปฏิบัติการ Brookhaven ในประเทศสหรัฐอเมริกา พบปรากฏการณ์ CP violation (charge and parity violation) ในระบบซึ่งประกอบด้วยอนุภาค kaon ที่มีประจุเป็นกลาง
ปี 1964-71 Sheldon Glashow จากมหาวิทยาลัย California ที่ Berkeley , Steven Weinberg ที่ Massachusetts Institute of Technology และ Abdus Salam จาก Imperial College มหาวิทยาลัยลอนดอน เสนอทฤษฎี electroweak ซึ่งได้จากการสังเคราะห์ทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้ากับทฤษฎีอันตรกิริยาอย่างอ่อนเข้าเป็นทฤษฎีเดียว ด้าน Martin Veltman กับ Gerard 't Hooft จากมหาวิทยาลัย Utrecht ในประเทศเนเธอร์แลนด์ ได้ปรับปรุงทฤษฎี electroweak ให้มีความถูกต้องและสมบูรณ์แบบเชิงคณิตศาสตร์จนสามารถใช้พยากรณ์เหตุการณ์ต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นในอันตรกิริยาแม่เหล็กไฟฟ้ากับอันตรกิริยานิวเคลียร์อย่างอ่อนได้
ปี 1969 ในการทดลองยิงอิเล็กตรอนที่มีพลังงานสูงให้พุ่งชนโปรตอน J.D. Bjorken จากมหาวิทยาลัย Stamford ประเทศสหรัฐอเมริกา , Richard Feynman จาก Caltech ได้เสนอคำอธิบายเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นว่า ในโปรตอนมีอนุภาคที่มีขนาดเล็กกว่าชื่อ parton ซึ่งอนุภาคนี้ ในเวลาต่อมา Murray Gell-Mann เรียก quark
ปี 1973 W.F. Fry ที่ห้องปฏิบัติการ CERN ในประเทศสวิตเซอร์แลนด์ ได้เห็นปรากฏการณ์ neutral current ที่มีอิเล็กตรอนพุ่งชนโปรตอน แล้วอิเล็กตรอนยังคงสภาพเดิม แต่โปรตอนได้แตกแยกออกเป็นอนุภาคอื่น ๆ มากมาย หรือเวลาอนุภาค muon neutrino พุ่งชนโปรตอน แล้ว muon neutrino นั้น ยังคงสภาพเดิม แต่ proton ได้แตกแยกออกเป็นอนุภาคอื่น ๆ มากมาย ซึ่งเป็นการยืนยันว่าทฤษฎี electroweak ถูกต้อง
ปี 1975 Martin Perl จากมหาวิทยาลัย Stamford ในประเทศสหรัฐอเมริกา พบอนุภาค tau ซึ่งเป็นอนุภาคหนักในกลุ่มเดียวกับอิเล็กตรอนและมิวออน
ปี 1983-4 Carlo Rubbia ที่ CERN พบอนุภาค W +, W - และ Z0 boson ตรงตามที่ทฤษฎีอันตรกิริยา electroweak ได้พยากรณ์ไว้ทุกประการ
ปี 2015 ทีมวิจัยของอิตาลี ที่ Gran Sasso National Laboratory ได้ทดลองวัดอายุขัยของอิเล็กตรอนในโครงการ Borexino และพบว่าอิเล็กตรอนที่มีอยู่ ณ เวลานี้ จะยังคงเป็นอิเล็กตรอนไปได้อีกนาน 6.6x10^28 ปี ซึ่งนับว่านานกว่าอายุของเอกภพถึง 5x10^18 ปี เพราะได้พบว่าอิเล็กตรอนที่มีประมาณ 10^32 อนุภาค ในสารละลายอินทรีย์ ThO (thorium oxide) ไม่มีอิเล็กตรอนตัวหนึ่งตัวใดสลายตัวให้อนุภาคโฟตอนและอนุภาคนิวทริโนเลย ตลอดเวลาที่ทำการทดลองตั้งแต่เดือนมกราคม ปี 2012 ถึง พฤษภาคม ปี 2013 เพราะถ้ามีการสลายตัว นักทดลองก็ควรจะเห็นโฟตอนที่มีพลังงาน 256 กิโลอิเล็กตรอนโวลต์ ปรากฏในเครื่องตรวจรับ phototiplier จำนวน 2,212 เครื่อง แต่ก็ไม่ได้เห็นสัญญาณใด ๆ เลย ซึ่งถ้าเห็นเหตุการณ์นี้ ข่าวก็จะสั่นสะเทือนวงการฟิสิกส์ทั่วโลก เพราะ กฎทรงประจุ (charge conservation) จะไม่เป็นจริงอีกต่อไป จากการที่อิเล็กตรอนมีประจุลบ แล้วสลายตัวให้นิวทริโนกับโฟตอนที่ไม่มีประจุ นี่เป็นเรื่องต้องห้ามด้วยประการทั้งปวง ผลงานนี้ได้รับการตีพิมพ์เผยแพร่ในวารสาร Physical Review Letters เมื่อปี 2015
ปี 2017-19 โครงการ Advanced Cold Molecule Electric Dipole Moment Search (ACME) ซึ่งเป็นความร่วมมือระหว่างนักวิจัย DeMille ที่มหาวิทยาลัย Yale กับทีม Gabrielse ที่มหาวิทยาลัย Harvard ได้วัดค่า EDM ของอิเล็กตรอน โดยใช้โมเลกุล ThO ที่มีอุณหภูมิเย็นจัด เพื่อให้โมเลกุลเคลื่อนที่ช้าและหมุนช้า จากนั้นได้ส่งสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าเข้าไปกระทำ เพื่อดูการเปลี่ยนแปลงของโมเมนต์ขั้วคู่ไฟฟ้า เวลาอิเล็กตรอนส่ายและหมุน ผลการทดลองแสดงว่า EDM ของอิเล็กตรอนมีค่าน้อยกว่า 9.3x10^(-31) e.m นั่นคือ รูปทรงของอิเล็กตรอนก็ยังเกือบกลมจากการที่ EDM ยังมีค่าไม่เป็นศูนย์
ปี 2020 S. Alighanbari กับคณะ ได้วัดอัตราส่วนระหว่างมวลของโปรตอน/อิเล็กตรอน โดยการศึกษาไอออนของ hydrogen deuteride HD+ ซึ่งมีนิวเคลียสที่ประกอบด้วยโปรตอน ดิวเทอรอน และอิเล็กตรอนหนึ่งอนุภาคโคจรรอบนิวเคลียส (HD+ ประกอบด้วย p+ , d+ , e-) เพราะนิวเคลียสนี้ มีทรงไม่สมมาตร ดังนั้นจึงมีสมบัติขั้วคู่ที่ไม่สมมาตรด้วย โดยการทำให้ไอออน HD+ อยู่ในสุญญากาศที่มีอุณหภูมิ 0.001 องศาสัมบูรณ์ คณะผู้ทดลองได้พบว่า อัตราส่วนระหว่างมวลของโปรตอน/อิเล็กตรอนมีค่าเท่ากับ 1836.15267343
ปี 2021 ในวารสาร Nature ฉบับวันที่ 29 กันยายน ปี 2021 Hongyuan Li กับคณะจาก Berkeley Lab ที่ UC Berkeley ได้แสดงให้เห็นว่าธรรมชาติมีผลึก Wigner (Wigner crystal) ซึ่งประกอบด้วยอนุภาคอิเล็กตรอนจำนวนมากที่อยู่ในสองมิติ จะสามารถตกผลึกได้ โดยมีโครงสร้างเป็นรูป 6 เหลี่ยมด้านเท่า และเป็นสสารชนิดใหม่ที่เรียกว่า น้ำแข็งอิเล็กตรอน (electron ice) เหมือนดังที่ E. Wigner ได้เคยพยากรณ์ไว้เมื่อ 90 ปีก่อน
ท้ายที่สุดนี้ เราก็จะเห็นว่าในความพยายามจะตอบคำถามว่าอิเล็กตรอนคืออะไร ถ้าเราตอบว่าอิเล็กตรอนเป็นอนุภาคและเป็นคลื่น ซึ่งเป็นสิ่งที่มีโครงสร้างง่าย ๆ และซับซ้อนมากในเวลาเดียวกัน ก็จะทำให้เราเข้าใจได้อย่างชัดเจนและไม่เข้าใจในเวลาเดียวกัน เพราะมันมีสมบัติต่าง ๆ ที่ปนกันและลึกลับมาก จนเราไม่สามารถเข้าใจมันได้หมด หรือถ้าจะตอบว่ามันเป็นสิ่งที่แตกแยกไม่ได้ แต่มันก็สามารถแยกตัวได้ในบางสถานการณ์ คำตอบทั้งหลายทั้งปวงนี้ นับว่าถูกต้องหมด และไม่มีคำตอบหนึ่งคำตอบใด เพียงคำตอบเดียวที่สมบูรณ์แบบ 100%
อ่านเพิ่มเติมจาก “The enigmatic electron” โดย Frank Wilczek ในวารสาร Nature ฉบับวันที่ 6 มิถุนายน ปี 2013 หน้า 31
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
นับตั้งแต่ปี 1913 ที่ Niels Bohr ได้พบว่าอิเล็กตรอนเป็นอนุภาคบริวารของโปรตอนที่มีอยู่ในอะตอมไฮโดรเจนแล้ว ความเข้าใจของนักฟิสิกส์ที่ในส่วนเกี่ยวกับอิเล็กตรอนก็ได้เพิ่มพูนมากขึ้น และได้มีวิวัฒนาการตลอดเวลา 109 ปีที่ผ่านมา โดยเฉพาะในปี 1927 ที่ Bohr ได้แถลงหลักการเติมเต็ม (Complementarity Principle) ซึ่งมีใจความว่า ในบางเวลาอิเล็กตรอนแสดงพฤติกรรมเสมือนว่าเป็นอนุภาค เพราะมีตำแหน่งแหล่งอยู่อย่างชัดเจน แต่ในบางเวลาอิเล็กตรอนก็แสดงตัวเป็นคลื่น เพราะมีโมเมนตัมที่สามารถวัดหาค่าได้ ซึ่งพฤติกรรมทั้งสองรูปแบบนี้ เป็นเรื่องที่ถูกต้อง เป็นจริงและมีประโยชน์ เพราะสามารถนำไปใช้อธิบายผลการทดลองต่าง ๆ ได้มากมาย อีกทั้งยังเป็นคำตอบที่สอดคล้องกับหลักความไม่แน่นอน (Uncertainty Principle) ของ Heisenberg ที่แถลงว่า ตำแหน่งและโมเมนตัม ของอนุภาคควอนตัมใด ๆ เป็นปริมาณที่มนุษย์ไม่สามารถจะรู้ (วัด) ได้อย่างถูกต้องในเวลาเดียวกัน (หรือพร้อมกัน) เพราะการมองอิเล็กตรอนว่าเป็นคลื่นหรือเป็นอนุภาคนั้น เป็นการเห็นภาพของมันเพียงด้านเดียว หาได้เห็นภาพที่มีสองด้านของมันไม่
ครั้นเมื่อทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัมได้รับการพัฒนาโดย Heisenberg กับ Schrödinger ในปี 1925 ทฤษฎีนี้ก็ได้ยืนยันและสนับสนุนความคิดของ Bohr ที่ว่า อิเล็กตรอนจะเป็นอะไร (คือ เป็นคลื่นหรืออนุภาค) ก็ขึ้นกับรูปแบบการทดลองว่า เราใช้อุปกรณ์อะไรในการสังเกตดูมัน
การรู้เช่นนี้อาจจะมากเพียงพอแล้วที่จะช่วยให้เราสามารถตอบได้ว่า อิเล็กตรอนเป็นอะไรบางอย่างที่ดูเสมือนว่าเราสามารถจะเข้าใจมันและรับรู้ได้ง่าย แต่ถ้าพิจารณาลงไปให้ลึกยิ่งขึ้น ก็จะเห็นว่ามันมีความลี้ลับอีกมากมายหลายประการที่จินตนาการของนักฟิสิกส์เองก็ยังก้าวลงไปไม่ถึง
ในความเข้าใจของคนทั่วไป อิเล็กตรอนเป็นอนุภาคที่ไม่มีโครงสร้างภายในใด ๆ คือ เป็นจุด (ซึ่งตามคำจำกัดความ จุดไม่มีขนาด) แต่มีมวล มีประจุและมีสปิน (spin) อันเป็นสมบัติด้านโมเมนตัมเชิงมุมในตัวเอง และจากสมบัติมวล ประจุ และสปินนี้ นักฟิสิกส์สามารถใช้สมบัติทั้งสามประการนี้ในการสร้างสมการการเคลื่อนที่ที่สามารถอธิบายพฤติกรรมของอิเล็กตรอนในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ ในเลเซอร์และในอุปกรณ์ MRI ฯลฯ รวมทั้งได้วางพื้นฐานให้นักเคมีและนักชีวเคมีสามารถเข้าใจสาเหตุการเกิดพันธะต่าง ๆ ในวิชาเคมีได้ด้วย
แต่ในสายตาของนักฟิสิกส์ที่ศึกษาอนุภาคที่มีพลังงานสูงมากในการทดลอง Large Electron – Positron (LEP) Collision ที่มีการบังคับให้อิเล็กตรอนกับโพซิตรอน (positron) ซึ่งเป็นปฏิยานุภาค (antiparticle) ของอิเล็กตรอน เพราะมีประจุบวกและมีพลังงานสูงให้พุ่งชนกัน เพราะต้องการจะรู้โครงสร้างภายในของอิเล็กตรอนว่าจะมีอนุภาคอะไรที่มีขนาดเล็กกว่าอิเล็กตรอนแฝงอยู่ภายในหรือไม่ นักฟิสิกส์ที่ CERN ซึ่งเป็นสถาบันวิจัยนิวเคลียร์ของยุโรป ณ กรุง Geneva ในประเทศสวิตเซอร์แลนด์ กลับได้เห็นอนุภาคต่าง ๆ เกิดขึ้นมากมาย เช่น quark, gluon, muon, tau lepton, photon และ neutrino จนทำให้ความพยายามที่จะอธิบายว่า อนุภาคทั้งหมดเหล่านี้ประกอบกันขึ้นเป็นอิเล็กตรอน เป็นเรื่องที่เป็นไปไม่ได้และทางออกหนึ่งของการอธิบาย คือ พลังงานของอิเล็กตรอนและโพซิตรอนได้เปลี่ยนไปเป็นมวลของอนุภาคต่าง ๆ มากมาย (ดังสูตร E=mc2) นี่เป็นตัวอย่างที่ทำให้เรารู้โครงสร้างภายในของอิเล็กตรอนไม่ได้ และเป็นสิ่งที่รู้จักในนาม ขีดจำกัดของการศึกษาระบบควอนตัม (quantum censorship) ที่แถลงว่า สมบัติของระบบควอนตัมจะเป็นเช่นใด ขึ้นกับพลังงานที่ใช้ในการศึกษาระบบนั้น ซึ่งหมายความว่าถ้าเปลี่ยนพลังงานที่ใช้ในการศึกษา สมบัติของระบบก็จะเปลี่ยนตาม เช่นในกรณีการชนกันระหว่างอิเล็กตรอนกับโพซิตรอนที่ต่างก็มีพลังงานต่ำก็จะได้ photon (คือ รังสีแกมมา) แต่ในกรณีที่ใช้อิเล็กตรอนกับโพซิตรอนที่มีพลังงานสูง (1 ล้านอิเล็กตรอนโวลต์ขึ้นไป) ก็จะเห็นความซับซ้อนเกิดขึ้นอย่างอลหม่าน จนทำให้เรารู้โครงสร้างที่แท้จริงของอิเล็กตรอนกับโพซิตรอนไม่ได้
ณ วันนี้ นักฟิสิกส์ได้ใช้ความรู้ด้านกลศาสตร์ควอนตัมในการบรรยายพฤติกรรมของอิเล็กตรอนในอะตอมที่มีโครงสร้างง่าย ๆ คือ มีอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียว ตลอดไปจนถึงอะตอมที่ยุ่งยาก เพราะมีอิเล็กตรอนหลายตัว และพบว่าในสถานะปกติ ระบบที่มีพลังงานน้อยที่สุดจะเป็นระบบที่เสถียรมากที่สุด และถ้าระบบได้รับพลังงานเพียงเล็กน้อยเข้าไป เราก็มักจะไม่เห็นการเปลี่ยนแปลงใด ๆ ของโครงสร้างภายใน แต่เมื่อระบบถูกกระตุ้นให้มีพลังงานสูงขึ้น ความซับซ้อน (complexity) ของเหตุการณ์ก็จะเกิดขึ้นทันที เช่น อิเล็กตรอนบางตัวจะเปลี่ยนวงโคจร การดูดกลืนและการคายพลังงานโฟตอนจะเกิดขึ้น หรืออะตอมอาจจะเปลี่ยนสภาพไปเป็นไอออน (ion) โครงสร้างของอะตอมที่เปลี่ยนไปในลักษณะนี้ จึงเป็นไปตามหลักการของ quantum censorship ทุกประการเช่นกัน คือ จากอะตอมของ John Dalton ที่เคยแบ่งแยกไม่ได้ กลับเป็นว่าอะตอมสามารถแตกตัวและแยกตัวได้ ด้วยเหตุนี้เวลาใครพูดถึงสมบัติของอิเล็กตรอน จึงต้องมีการระบุเงื่อนไขของพลังงานที่ใช้ด้วย เช่น ที่พลังงานต่ำอิเล็กตรอนจะเป็นอนุภาคที่ไม่มีโครงสร้างภายใน แต่ที่พลังงานสูง อิเล็กตรอนจะมีโครงสร้างซับซ้อน ซึ่งอาจจะมากหรือน้อยเพียงใดก็ขึ้นกับพลังงานที่ใช้ในการวิเคราะห์
ประเด็นที่เป็นเรื่องชวนคิดอีกประการหนึ่งเกี่ยวกับสมบัติของอิเล็กตรอน คือ การมีสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าแบบขั้วคู่ในตัวเอง เพราะอิเล็กตรอนนั้นมีประจุลบและสามารถหมุนได้รอบตัวเอง จึงมีแกนหมุน ให้นักฟิสิกส์ทดลองสามารถวัดค่าของสนามแม่เหล็กขั้วคู่ของอิเล็กตรอน (magnetic dipole moment ; MDM) ได้อย่างละเอียดมาก จนสามารถใช้เป็นเกณฑ์มาตรฐานในการตรวจสอบความถูกต้องของทฤษฎีควอนตัมเชิงสัมพัทธภาพพิเศษของอิเล็กตรอนได้ แต่สำหรับกรณีสนามไฟฟ้าขั้วคู่ของอิเล็กตรอน (electric dipole moment ; EDM) ของอิเล็กตรอน ทฤษฎี Standard Model ของอนุภาคมูลฐานได้ทำนายว่า EDM ของอิเล็กตรอนจะมีค่าน้อยมาก คือ ไม่เกิน 10^(-40) e.m เมื่อ e คือ ค่าประจุของอิเล็กตรอน และ m คือ ระยะทางเป็นเมตร
ในกรณีสนามแม่เหล็กขั้วคู่ของอิเล็กตรอน EDM เป็นค่าที่ใช้บอกความรุนแรง (หรือความเข้ม) ของสนามแม่เหล็กที่เกิดจากการหมุนรอบตัวเองของอิเล็กตรอน ซึ่งนักฟิสิกส์นิยมเรียกว่า g-factor (g จากคำเต็ม gyromagnetic ratio) ซึ่งเป็นค่าที่นักฟิสิกส์ทุกคนสนใจมาตั้งแต่กลางคริสต์ศตวรรษที่ 20 เพราะในปี 1928 ทฤษฎีอิเล็กตรอนของ Dirac ได้ทำนายว่า g มีค่าเท่ากับ 2.0 พอดี และการวัดค่านี้ โดยใช้เทคนิคด้าน spectroscopy กับอะตอมไฮโดรเจน ได้ผลว่า g ของอิเล็กตรอนมีค่าเท่ากับ 2.0 จริง ๆ
แต่เมื่อพัฒนาการของเทคโนโลยีด้าน spectroscopy ในสมัยหลังสงครามโลกครั้งที่ 2 ได้ก้าวหน้าไปมาก จากการใช้ลำอะตอม (atomic beam) ที่มีเสถียรภาพยิ่งกว่าอะตอมเดี่ยว กลับแสดงให้เห็นว่า g มีค่า 2.002 ซึ่งค่าที่มากเกินไปประมาณ 1 ใน 1,000 ส่วนนี้ ได้ทำให้นักทฤษฎี ซึ่งได้แก่ Julian Schwinger , Richard Feynman และ Sin-Itiro Tomonaga ต้องปรับปรุงทฤษฎีของ Dirac เพื่อให้สามารถอธิบายผลการทดลองส่วนที่เกินนี้ได้ และได้พบว่าความแตกต่างเกิดจากการมีปรากฏการณ์ quantum fluctuation ของสุญญากาศ (vacuum) ซึ่งเป็นเหตุการณ์ที่ในสุญญากาศมีความแปรปรวนเชิง quantum เพราะมีอนุภาคโฟตอนเสมือน (virtual photon) ที่เกิดจากการทำลายล้าง(annihilation) ระหว่าง electron กับ positron อย่างรวดเร็ว และมากมาย กระนั้นกฎทรงพลังงานของระบบก็ยังใช้ได้ตลอดเวลา การคำนวณที่ละเอียดและซับซ้อนมากนี้ให้ผล g = 2.00231930436256±(17) ซึ่งตัวเลขในวงเล็บบอกความไม่แน่นอนในทศนิยมสอง ตำแหน่งสุดท้าย และผลการทดลองที่ได้นี้สอดคล้องกับค่าที่คำนวณได้จากทฤษฎี อย่างแตกต่างกันไม่เกินทศนิยมตำแหน่งที่ 12
ในการอธิบายที่มาของสนามแม่เหล็กที่เกิดจากอิเล็กตรอน นักฟิสิกส์ก็สามารถใช้หลักความไม่แน่นอนของ Heisenberg ได้ เพราะเวลาเนื้อประจุของอิเล็กตรอนกระจายตัวอยู่ภายในปริมาตรหนึ่ง การรู้ตำแหน่งของเนื้อประจุจะมีความไม่แน่นอน และเมื่อประจุนี้หมุนรอบตัวเอง (สปิน) ก็จะทำให้เกิดสนามแม่เหล็กขั้วคู่ (magnetic dipole field) เพราะอิเล็กตรอนมีรัศมีที่ยาวประมาณ 2.4x10^(-12) เมตร แต่ถ้าเราพยายามจะรู้ขนาดของอิเล็กตรอนให้แม่นยำยิ่งขึ้น โดยการเพิ่มพลังงานของอนุภาคที่ใช้ยิงเข้าไป การกระทำเช่นนี้จะทำให้โมเมนตัมและพลังงานของอิเล็กตรอนมีมากขึ้นด้วย จนทำให้เกิดอิเล็กตรอนกับโพซิตรอนตัวใหม่ขึ้นมา ซึ่งจะเข้าไปรบกวนความพยายามที่จะวัดขนาดของอิเล็กตรอนเดิม และมีผลทำให้การวัดขนาดมีความคลาดเคลื่อนมากยิ่งขึ้นไปอีก
ในกรณีสนามไฟฟ้าขั้วคู่ของอิเล็กตรอน ทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัมได้คำนวณพบว่าต้องมีค่าเป็นศูนย์ นี่ก็เป็นปัญหาใหญ่ให้นักฟิสิกส์ทดลองได้พยายามวัดค่าเช่นกัน เพราะถ้ามันมีค่าไม่เท่ากับศูนย์ นั่นแสดงว่าทฤษฎี Standard Model ซึ่งเป็นทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัมที่ดีที่สุด ก็จะต้องมีการปรับเปลี่ยน เนื่องจากเอกภพจะต้องมีอนุภาคมูลฐานอีกหลายชนิด และธรรมชาติก็อาจจะมีอันตรกิริยาชนิดใหม่ที่ยังไม่มีนักฟิสิกส์คนใดรู้จักอีกด้วย
ตามปกติ เรามักจะคิดว่าอิเล็กตรอนเป็นอนุภาคที่กลมดิก คือ เป็นทรงกลมที่สมบูรณ์แบบ แต่ถ้าอิเล็กตรอนมีรูปลักษณ์เป็นทรงไข่ อิเล็กตรอนก็จะมีสิ่งที่เรียกว่า โมเมนต์ขั้วคู่ไฟฟ้า (electric dipole moment) นั่นจะแสดงให้เห็นว่า การกระจายของประจุลบในอิเล็กตรอนมีค่าไม่สม่ำเสมอ คือ มีค่ามากในแนวหนึ่งและมีค่าน้อยในอีกแนวหนึ่ง ความไม่สมมาตรเช่นนี้ยังแสดงให้เห็นว่า สสาร (matter) มีสมบัติที่ไม่สมมาตรกับปฏิสสาร (antimatter) ซึ่งจะเป็นเหตุผลที่สามารถอธิบายได้ว่า เหตุใดเอกภพในปัจจุบันจึงมีสสารมากกว่าปฏิสสาร ทั้ง ๆ ที่เมื่อเกิด Big Bang ใหม่ ๆ สสารกับปฏิสสารมีมากในปริมาณที่เท่ากันพอดี
ในรายงานที่ถูกนำออกเผยแพร่ในวารสาร Physical Review Letters ฉบับเดือนตุลาคม ปี 2007 Eric Cornell จากมหาวิทยาลัย Colorado ในประเทศสหรัฐอเมริกา และคณะจากมหาวิทยาลัย Harvard และ Yale ได้พบว่า EDM ของอิเล็กตรอนมีค่าน้อยกว่า 9.3x10^(-31) คูลอมบ์เมตร ค่าที่น้อยนิดนี้แสดงให้เห็นว่า ถ้าอิเล็กตรอนมีขนาดใหญ่เท่าโลก เนื้อประจุของอิเล็กตรอนจะกระจายอยู่ในแนวเส้นศูนย์สูตรกับแนวขั้วที่มีความยาวแตกต่างกันน้อยกว่า 20 นาโนเมตร นั่นคือ อิเล็กตรอนก็ยัง “กลม” ดิกเหมือนเดิม จนกว่าจะมีการวัดค่าใหม่ ที่ได้ค่าแตกต่างไป
เพราะเหตุว่าอิเล็กตรอนมีขนาด ดังนั้นนักทดลองบางคนจึงคิดจะบีบอัดอิเล็กตรอนด้วยความดันที่มากมหาศาล จนทำให้รัศมีของมันหดเข้าใกล้ศูนย์ แต่นั่นก็จะเป็นการกระทำที่ขัดแย้งกับหลักการทับซ้อนของ Pauli (exclusion principle) ที่แถลงว่า ในระบบใด ๆ เราจะมีอิเล็กตรอนที่มีสถานะควอนตัมเหมือนกันทุกประการไม่ได้ เพราะการมีรัศมีที่ยาวเท่ากับศูนย์จะทำให้อิเล็กตรอน 2 อนุภาคสามารถซ้อนกันอยู่ ณ ที่จุดเดียวกันได้ นี่จึงเป็นเรื่องที่ไม่อาจเกิดขึ้นได้
ในวิชาดาราศาสตร์ อิเล็กตรอนก็มีบทบาทมากในการใช้อธิบายโครงสร้างของดาวแคระขาว (white-dwarf star) ซึ่งในอีก 4,500 ล้านปี ดวงอาทิตย์ของเราก็จะเป็นเช่นนั้น เมื่อเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่มีในดาวฤกษ์หมดไป จากนั้นดาวฤกษ์ก็จะยุบตัวลง ภายใต้แรงโน้มถ่วงที่มากมหาศาลจนมีขนาดเท่าโลก แต่มีความหนาแน่นสูงกว่าเป็นล้าน ๆ เท่า ดาวแคระขาวนี้สามารถครองตัวอยู่ได้ โดยอาศัยสมบัติควอนตัมของอิเล็กตรอนที่แสดงว่า เวลาถูกบีบอัดมันจะมีพลังงานสูงขึ้น และแรงดันก็จะมากขึ้นด้วย ซึ่งแรงดันนี้ (degeneracy pressure) จะต้านแรงโน้มถ่วง จนทำให้ดาวฤกษ์ไม่สามารถถูกบีบอัดให้เล็กลงได้อีกต่อไป
ในสสารบนโลก โดยเฉพาะในของแข็ง ของเหลว และแก๊ส ซึ่งมีอิเล็กตรอนอยู่เป็นจำนวนมากก็ได้มีการทดลองพบว่า อิเล็กตรอนมีพฤติกรรมที่แปลกประหลาดเหลือเชื่อมากมาย โดยเฉพาะเวลามีการนำอิเล็กตรอนอิสระจำนวนมากมากระจายในระนาบ คือ อยู่ระหว่างแผ่นสารกึ่งตัวนำบาง ๆ 2 แผ่น แล้วทำให้ระบบมีอุณหภูมิต่ำมากจนใกล้ศูนย์องศาสัมบูรณ์ จากนั้นนำสนามแม่เหล็กที่มีความเข้มสูงมากมากระทำในแนวตั้งฉากกับเหล่าประจุ อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ใน 2 มิติ เสมือนเป็นของเหลว การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในระนาบ 2 มิตินี้ จะทำให้เกิดปรากฏการณ์ Fractional Quantum Hall Effect (FQHE) ซึ่งมีความนำ (conductance) แบบ Hall ที่มีค่าเป็น fe^2/h เมื่อ f เป็นเศษส่วน e คือประจุ และ h คือค่าคงตัวของ Planck ในการอธิบายปรากฏการณ์ FQHE นี้ Robert Laughlin ได้พบว่า ประจุของอิเล็กตรอนจะมีค่าเป็นเศษส่วนของประจุ e เช่น มีค่า e/3 , 2e/5 และ 3e/7 เป็นต้น
สมบัติด้านประจุของอิเล็กตรอนที่เปลี่ยนค่าได้เช่นนี้ อาจพบได้อีกในกรณีของ graphene ซึ่งเป็น graphite ที่มีอะตอมคาร์บอนเรียงกันเป็นรูป 6 เหลี่ยมด้านเท่าเป็นระนาบ และใน graphene อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่เสมือนว่าไม่มีมวล (คือ m=0) นั่นคือ อิเล็กตรอนมีความเร็วใกล้ความเร็วแสง สมบัตินี้ทำให้อิเล็กตรอนใน graphene มีประโยชน์ในการใช้ทำวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่มีความเร็วสูง นอกจากนี้ธรรมชาติก็ยังมีสสารอีกรูปแบบหนึ่ง คือ ฉนวนโทโพโลยี (topological insulator) ที่มีอิเล็กตรอนซึ่งเคลื่อนที่อยู่ตามผิวภายนอกของมันเท่านั้น
เพื่อความสมบูรณ์ของบทความ จะขอเรียงลำดับเหตุการณ์ต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นกับอิเล็กตรอนต่อจากบทความในสัปดาห์ก่อนดังนี้ คือ
ปี 1939 ถึง 1945 เป็นช่วงเวลาที่เกิดสงครามโลกครั้งที่ 2 การวิจัยฟิสิกส์ได้หยุดชะงักไปชั่วคราว เพราะนักฟิสิกส์คนสำคัญของโลกแทบทุกคนเข้าสงคราม โดยไปทำวิจัยเรื่องเรดาร์และสร้างระเบิดปรมาณู
ปี 1947 Cecil F. Powell จากมหาวิทยาลัย Bristol ในประเทศอังกฤษ พบอนุภาค pi-meson ซึ่งสลายตัวให้อนุภาค muon และ Powell ยังได้พบอนุภาค kaon กับ hyperon ด้วย
ปี 1948-50 Sin-Itiro Tomonaga , Julian Schwinger , Richard Feynman , Freeman Dyson , Abdus Salam เสนอทฤษฎีควอนตัมพลศาสตร์เชิงไฟฟ้า ซึ่งรู้จักในนาม ทฤษฎี QED (quantum electrodynamics)
ปี 1956 Frederick Reines จากมหาวิทยาลัย California ที่ Irvine ในประเทศสหรัฐอเมริกา กับ George Cowan ได้พบอนุภาคนิวทริโน ด้าน Tsung-Dao Lee และ Chen Ning Yang จากมหาวิทยาลัย Chicago ในประเทศสหรัฐอเมริกา ได้พบว่าในอันตรกิริยานิวเคลียร์อย่างอ่อนมีปรากฏการณ์แตกสมมาตรของสมบัติ parity (parity violation)
ปี 1958 George C. G. Sudarshan กับ Robert Marshak จากมหาวิทยาลัย Rochester ในประเทศสหรัฐอเมริกาเสนอทฤษฎี vector minus axial (V-A) interaction
ปี 1958 Robert Hofstadter จากมหาวิทยาลัย Stanford ในประเทศสหรัฐอเมริกา ได้ทดลองยิงอิเล็กตรอนที่มีพลังงานสูงให้พุ่งชนนิวเคลียสของอะตอมชนิดต่าง ๆ เพื่อศึกษาความหนาแน่นของประจุในนิวเคลียส
ปี 1962 Leon Lederman จากห้องปฏิบัติการ Brookhaven ในประเทศสหรัฐอเมริกา พบอนุภาค muon neutrino ซึ่งเกิดขึ้นพร้อมกันกับอนุภาค muon และเป็นอนุภาค neutrino ชนิดที่สอง นอกเหนือจากอนุภาค electron neutrino ที่ทุกคนรู้จักกันดีแล้ว
ปี 1964 James Cronin ที่ห้องปฏิบัติการ Brookhaven ในประเทศสหรัฐอเมริกา พบปรากฏการณ์ CP violation (charge and parity violation) ในระบบซึ่งประกอบด้วยอนุภาค kaon ที่มีประจุเป็นกลาง
ปี 1964-71 Sheldon Glashow จากมหาวิทยาลัย California ที่ Berkeley , Steven Weinberg ที่ Massachusetts Institute of Technology และ Abdus Salam จาก Imperial College มหาวิทยาลัยลอนดอน เสนอทฤษฎี electroweak ซึ่งได้จากการสังเคราะห์ทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้ากับทฤษฎีอันตรกิริยาอย่างอ่อนเข้าเป็นทฤษฎีเดียว ด้าน Martin Veltman กับ Gerard 't Hooft จากมหาวิทยาลัย Utrecht ในประเทศเนเธอร์แลนด์ ได้ปรับปรุงทฤษฎี electroweak ให้มีความถูกต้องและสมบูรณ์แบบเชิงคณิตศาสตร์จนสามารถใช้พยากรณ์เหตุการณ์ต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นในอันตรกิริยาแม่เหล็กไฟฟ้ากับอันตรกิริยานิวเคลียร์อย่างอ่อนได้
ปี 1969 ในการทดลองยิงอิเล็กตรอนที่มีพลังงานสูงให้พุ่งชนโปรตอน J.D. Bjorken จากมหาวิทยาลัย Stamford ประเทศสหรัฐอเมริกา , Richard Feynman จาก Caltech ได้เสนอคำอธิบายเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นว่า ในโปรตอนมีอนุภาคที่มีขนาดเล็กกว่าชื่อ parton ซึ่งอนุภาคนี้ ในเวลาต่อมา Murray Gell-Mann เรียก quark
ปี 1973 W.F. Fry ที่ห้องปฏิบัติการ CERN ในประเทศสวิตเซอร์แลนด์ ได้เห็นปรากฏการณ์ neutral current ที่มีอิเล็กตรอนพุ่งชนโปรตอน แล้วอิเล็กตรอนยังคงสภาพเดิม แต่โปรตอนได้แตกแยกออกเป็นอนุภาคอื่น ๆ มากมาย หรือเวลาอนุภาค muon neutrino พุ่งชนโปรตอน แล้ว muon neutrino นั้น ยังคงสภาพเดิม แต่ proton ได้แตกแยกออกเป็นอนุภาคอื่น ๆ มากมาย ซึ่งเป็นการยืนยันว่าทฤษฎี electroweak ถูกต้อง
ปี 1975 Martin Perl จากมหาวิทยาลัย Stamford ในประเทศสหรัฐอเมริกา พบอนุภาค tau ซึ่งเป็นอนุภาคหนักในกลุ่มเดียวกับอิเล็กตรอนและมิวออน
ปี 1983-4 Carlo Rubbia ที่ CERN พบอนุภาค W +, W - และ Z0 boson ตรงตามที่ทฤษฎีอันตรกิริยา electroweak ได้พยากรณ์ไว้ทุกประการ
ปี 2015 ทีมวิจัยของอิตาลี ที่ Gran Sasso National Laboratory ได้ทดลองวัดอายุขัยของอิเล็กตรอนในโครงการ Borexino และพบว่าอิเล็กตรอนที่มีอยู่ ณ เวลานี้ จะยังคงเป็นอิเล็กตรอนไปได้อีกนาน 6.6x10^28 ปี ซึ่งนับว่านานกว่าอายุของเอกภพถึง 5x10^18 ปี เพราะได้พบว่าอิเล็กตรอนที่มีประมาณ 10^32 อนุภาค ในสารละลายอินทรีย์ ThO (thorium oxide) ไม่มีอิเล็กตรอนตัวหนึ่งตัวใดสลายตัวให้อนุภาคโฟตอนและอนุภาคนิวทริโนเลย ตลอดเวลาที่ทำการทดลองตั้งแต่เดือนมกราคม ปี 2012 ถึง พฤษภาคม ปี 2013 เพราะถ้ามีการสลายตัว นักทดลองก็ควรจะเห็นโฟตอนที่มีพลังงาน 256 กิโลอิเล็กตรอนโวลต์ ปรากฏในเครื่องตรวจรับ phototiplier จำนวน 2,212 เครื่อง แต่ก็ไม่ได้เห็นสัญญาณใด ๆ เลย ซึ่งถ้าเห็นเหตุการณ์นี้ ข่าวก็จะสั่นสะเทือนวงการฟิสิกส์ทั่วโลก เพราะ กฎทรงประจุ (charge conservation) จะไม่เป็นจริงอีกต่อไป จากการที่อิเล็กตรอนมีประจุลบ แล้วสลายตัวให้นิวทริโนกับโฟตอนที่ไม่มีประจุ นี่เป็นเรื่องต้องห้ามด้วยประการทั้งปวง ผลงานนี้ได้รับการตีพิมพ์เผยแพร่ในวารสาร Physical Review Letters เมื่อปี 2015
ปี 2017-19 โครงการ Advanced Cold Molecule Electric Dipole Moment Search (ACME) ซึ่งเป็นความร่วมมือระหว่างนักวิจัย DeMille ที่มหาวิทยาลัย Yale กับทีม Gabrielse ที่มหาวิทยาลัย Harvard ได้วัดค่า EDM ของอิเล็กตรอน โดยใช้โมเลกุล ThO ที่มีอุณหภูมิเย็นจัด เพื่อให้โมเลกุลเคลื่อนที่ช้าและหมุนช้า จากนั้นได้ส่งสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าเข้าไปกระทำ เพื่อดูการเปลี่ยนแปลงของโมเมนต์ขั้วคู่ไฟฟ้า เวลาอิเล็กตรอนส่ายและหมุน ผลการทดลองแสดงว่า EDM ของอิเล็กตรอนมีค่าน้อยกว่า 9.3x10^(-31) e.m นั่นคือ รูปทรงของอิเล็กตรอนก็ยังเกือบกลมจากการที่ EDM ยังมีค่าไม่เป็นศูนย์
ปี 2020 S. Alighanbari กับคณะ ได้วัดอัตราส่วนระหว่างมวลของโปรตอน/อิเล็กตรอน โดยการศึกษาไอออนของ hydrogen deuteride HD+ ซึ่งมีนิวเคลียสที่ประกอบด้วยโปรตอน ดิวเทอรอน และอิเล็กตรอนหนึ่งอนุภาคโคจรรอบนิวเคลียส (HD+ ประกอบด้วย p+ , d+ , e-) เพราะนิวเคลียสนี้ มีทรงไม่สมมาตร ดังนั้นจึงมีสมบัติขั้วคู่ที่ไม่สมมาตรด้วย โดยการทำให้ไอออน HD+ อยู่ในสุญญากาศที่มีอุณหภูมิ 0.001 องศาสัมบูรณ์ คณะผู้ทดลองได้พบว่า อัตราส่วนระหว่างมวลของโปรตอน/อิเล็กตรอนมีค่าเท่ากับ 1836.15267343
ปี 2021 ในวารสาร Nature ฉบับวันที่ 29 กันยายน ปี 2021 Hongyuan Li กับคณะจาก Berkeley Lab ที่ UC Berkeley ได้แสดงให้เห็นว่าธรรมชาติมีผลึก Wigner (Wigner crystal) ซึ่งประกอบด้วยอนุภาคอิเล็กตรอนจำนวนมากที่อยู่ในสองมิติ จะสามารถตกผลึกได้ โดยมีโครงสร้างเป็นรูป 6 เหลี่ยมด้านเท่า และเป็นสสารชนิดใหม่ที่เรียกว่า น้ำแข็งอิเล็กตรอน (electron ice) เหมือนดังที่ E. Wigner ได้เคยพยากรณ์ไว้เมื่อ 90 ปีก่อน
ท้ายที่สุดนี้ เราก็จะเห็นว่าในความพยายามจะตอบคำถามว่าอิเล็กตรอนคืออะไร ถ้าเราตอบว่าอิเล็กตรอนเป็นอนุภาคและเป็นคลื่น ซึ่งเป็นสิ่งที่มีโครงสร้างง่าย ๆ และซับซ้อนมากในเวลาเดียวกัน ก็จะทำให้เราเข้าใจได้อย่างชัดเจนและไม่เข้าใจในเวลาเดียวกัน เพราะมันมีสมบัติต่าง ๆ ที่ปนกันและลึกลับมาก จนเราไม่สามารถเข้าใจมันได้หมด หรือถ้าจะตอบว่ามันเป็นสิ่งที่แตกแยกไม่ได้ แต่มันก็สามารถแยกตัวได้ในบางสถานการณ์ คำตอบทั้งหลายทั้งปวงนี้ นับว่าถูกต้องหมด และไม่มีคำตอบหนึ่งคำตอบใด เพียงคำตอบเดียวที่สมบูรณ์แบบ 100%
อ่านเพิ่มเติมจาก “The enigmatic electron” โดย Frank Wilczek ในวารสาร Nature ฉบับวันที่ 6 มิถุนายน ปี 2013 หน้า 31
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
