บนเกาะ Sardinia ของอิตาลี ที่ตั้งอยู่ในทะเล Mediterranean มีเหมืองทองแดง ซึ่งมีอุโมงค์ที่ลึก 110 เมตรอยู่ใต้ดิน ภายในอุโมงค์นี้มีสถานที่ติดตั้งการทดลองชื่อโครงการ “Archimedes” (ซึ่งเป็นนักวิทยาศาสตร์กรีกในยุคพุทธกาล) ที่มีจุดมุ่งหมายจะวัดมวลและพลังงานของสุญญากาศ (vacuum)
หัวหน้าโครงการทดลองนี้ชื่อ Enrico Calloni ในสังกัด Italian National Institute for Nuclear Physics ซึ่งได้เลือกเกาะ Sardinia เป็นสถานที่ทดลอง เพราะเป็นเกาะที่แทบจะปราศจากการถูกรบกวนโดยปรากฏการณ์แผ่นดินไหว เพราะตลอดระยะเวลาหลายร้อยปีที่ผ่านมา ได้มีเหตุการณ์แผ่นดินไหวรุนแรงระดับ 5 เพียงครั้งเดียว
เมื่อสถานการณ์และสภาพแวดล้อมมีความ “สงบ” เงียบ เช่นนี้ คณะนักฟิสิกส์ของอิตาลีจึงได้ตัดสินใจเลือกเกาะนี้เป็นสถานที่ตั้งของห้องปฏิบัติการ เพื่อวัดค่ามวลและพลังงานของสุญญากาศ โดยใช้หลักการของ Archimedes ที่เกี่ยวกับการลอยของวัตถุ
ตามปกตินักฟิสิกส์ทฤษฎีสามารถคำนวณหาค่าพลังงานของสุญญากาศได้สองวิธี โดยวิธีแรกนั้น ใช้สมการของ Albert Einstein ในทฤษฎีสัมพันธภาพทั่วไป ซึ่งสามารถจะพยากรณ์ได้ว่า ในการขยายตัวของเอกภพด้วยความเร่งนั้น จำเป็นต้องใช้พลังงานมากเพียงใด และโดยวิธีที่สอง ซึ่งใช้ทฤษฎีควอนตัมของสนาม (quantum field theory) ในการคำนวณหาว่า ในสุญญากาศมีอนุภาคเสมือน (virtual particle) ที่สามารถเกิดขึ้นได้ และสลายตัวได้อย่างรวดเร็วนั้น มีจำนวนและมวลมากพียงใด
ครั้นเมื่อนักฟิสิกส์ทฤษฎีเปรียบเทียบค่าที่ได้จากการคำนวณทั้งสองวิธี ก็ได้พบว่า คำตอบที่ได้มีค่าแตกต่างกันมาก (ระดับ 10^120) ซึ่งมากจนนักฟิสิกส์ทุกคนในวงการเอกภพวิทยารู้สึกกังวลมาก เพราะมันเป็นการพยากรณ์ทางฟิสิกส์ที่ผิดพลาดมากที่สุด และไม่มีใครรู้ชัดว่าวิธีใดถูก และวิธีใดผิด หรือเพราะเหตุใด หรือว่าผิดทั้งคู่ ส่วนการทดลองเพื่อทดสอบการคำนวณนี้ ก็ยังไม่มีใครกระทำ
ดังนั้นสถาบันวิจัย Nuclear Physics ของอิตาลี จึงได้ตัดสินใจอนุมัติให้มีการสร้างห้องสุญญากาศขึ้นในเหมืองทองแดงที่อยู่บนเกาะ Sardinia เพื่อตัดสินและตรวจสอบความถูกหรือความผิดของทฤษฎีฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้องกับสุญญากาศทันที
อนึ่งถ้าทฤษฎีทั้งสองไม่ถูกต้อง นั่นก็หมายความว่าโลกฟิสิกส์จำเป็นจะต้องมีทฤษฎีใหม่ เพื่อใช้อธิบายเหตุการณ์นี้ เช่นว่า เอกภพมีโครงสร้างที่มีมิติมากกว่า 4 หรือทฤษฎีของ Einstein จะต้องมีการปรับเปลี่ยน เป็นต้น
สำหรับคนทั่วไปคำว่า “สุญญากาศ” หมายถึง ความว่างเปล่า หรือ การปราศจากสิ่งใด ๆ หรือ ความไม่มีอะไรเลย
แต่ถ้าพิจารณาคำๆ นี้ อย่างลึกซึ่งแล้ว ก็จะเห็นความย้อนแย้งที่อาจทำให้คนทั่วไปรู้สึกสับสนได้ เช่น สมมติว่ามีวัตถุสองก้อนวางอยู่ภาชนะปิด แล้วมีการสูบอากาศที่อยู่ภายในภาชนะปิดนั้นออกจนหมด จนไม่มีอะตอมของแก๊สใด ๆ หลงเหลืออยู่เลย นั่นคือ ทำให้วัตถุทั้งสองก้อนอยู่ในสุญญากาศที่สมบูรณ์แบบ 100% นั่นก็หมายความว่าที่ว่างที่อยู่ระหว่างวัตถุทั้งสองก้อนก็มีสภาพเป็นสุญญากาศไปด้วย หรือเราอาจจะกล่าวได้ว่า ในขณะนี้ไม่มีอะไรที่อยู่ระหว่างวัตถุทั้งสองก้อน และเมื่อไม่มีอะไรมาคั่นกลาง วัตถุทั้งสองก้อนนั้นก็จะต้องอยู่ติดกัน เป็นวัตถุก้อนเดียว
การพิจารณาเริ่มต้นว่ามีวัตถุสองก้อน แล้วจบลงด้วยการสรุปว่ามีวัตถุก้อนเดียว จึงย้อนแย้งกัน สาเหตุที่เป็นเช่นนี้ ก็เพราะเรามีความเข้าใจเรื่องสุญญากาศที่แตกต่างกัน คำจำกัดความของคำว่าสุญญากาศนี้ ได้ทำให้ปราชญ์กรีกโบราณตั้งแต่ Aristotle (384–322 ก่อนคริสต์กาล) กล่าวว่า “เอกภพไม่มีสุญญากาศ (nature abhors a vacuum)” หรืออาจจะกล่าวอีกนัยหนึ่งได้ว่า ธรรมชาติไม่มีบริเวณที่ว่างเปล่าจริง ๆ เพราะทุกบริเวณจะต้องมีอะไรบางอย่างแฝงอยู่
แต่แล้วความเชื่อที่ว่า ธรรมชาติไม่เปิดโอกาสให้โลกมีสุญญากาศนี้ ก็ได้ถูกลบล้างโดยนักฟิสิกส์ชาวเยอรมันชื่อ Otto von Guericke (1602–1686) ซึ่งเป็นนักวิชาการที่มีบุคลิกภาพชอบการแสดงออก (extrovert) เช่น เวลาต้องสาธิตการทดลองใด ๆ Guericke ก็มักจะมีดราม่าประกอบด้วย
ในวัยหนุ่ม Guericke ได้เรียนคณิตศาสตร์และวิชากฎหมายที่มหาวิทยาลัย Leiden ใน Netherlands และเมื่อสำเร็จการศึกษาก็ได้งานเป็นผู้ว่าราชการเมือง Magdeburg ในเยอรมนี เพราะชาวเมืองทุกคนชื่นชอบผลงานของ Guericke ในการบูรณะเมืองให้สวยงาม หลังจากที่ได้ผ่านสภาวะสงครามติดต่อกันเป็นเวลานานกว่า 30 ปี
แม้จะต้องทำงานเป็นผู้ว่าฯ แต่ Guericke ก็ยังสนใจงานวิทยาศาสตร์ ในปี 1650 Guericke ต้องการจะพิสูจน์คำกล่าวของ Aristotle เรื่องสุญญากาศว่าเป็นจริงหรือเป็นเท็จ จึงได้สร้างเครื่องสูบอากาศขึ้นมาเครื่องหนึ่ง แล้วใช้เครื่องนั้นสูบอากาศออกจากภาชนะ เพื่อให้ภายในภาชนะเป็นสุญญากาศ จากนั้นก็เอาระฆังวางภายในภาชนะแก้ว แล้วตีระฆัง ก็ได้พบว่า ไม่ว่าจะตีระฆังแรงเพียงใด Guericke ก็ไม่ได้ยินเสียงระฆัง เขาจึงสรุปว่า เสียงเดินทางผ่านสุญญากาศไม่ได้
อีก 4 ปีต่อมา Guericke ได้ทูลเชิญจักรพรรดิ Ferdinand ที่ 3 ให้เสด็จมาทอดพระเนตรการทดลองเรื่องสุญญากาศอีก โดย Guericke ได้สร้างภาชนะโลหะรูปครึ่งทรงกลมที่ประกบติดกันได้สนิท แล้วสูบอากาศที่อยู่ภายในออกจนหมด จากนั้น Guericke ก็ใช้ม้า 2 ตัว ดึงภาชนะครึ่งทรงกลมออกมาจากกัน ผลปรากฏว่า ม้าไม่สามารถดึงภาชนะให้แยกออกจากกันได้ จึงทดลองใช้ม้า 4 ตัวดึง ก็ยังทำได้ไม่สำเร็จ จนในที่สุดก็ได้ใช้ม้า 16 ตัวดึง คือ ให้อยู่ข้างละ 8 ตัว เพื่อดึงครึ่งทรงกลม ก็พบว่าสามารถดึงครึ่งทรงกลมให้แยกออกจากกันได้
การทดลองนี้จึงแสดงให้เห็นว่า สุญญากาศมีจริง และความคิดของ Aristotle ที่ว่า สุญญากาศไม่มีนั้น จึงไม่ถูกต้อง
มาถึงยุคปัจจุบัน ทฤษฎีควอนตัมของสนาม (quantum field theory) กลับเชื่อตาม Aristotle อีก
เพราะในมุมมองของฟิสิกส์ยุคใหม่ สุญญากาศที่ใครๆ ก็เชื่อว่าไม่มีอะไรอยู่เลยนั้น ไม่มีจริง เพราะในความเป็นจริง สุญญากาศเป็นบริเวณที่มีเหตุการณ์รุนแรง และปรากฏการณ์แปลกประหลาดเกิดขึ้นมากมายอยู่ตลอดเวลา เช่น มีอนุภาคเสมือน (virtual particle) ที่เครื่องตรวจจับอนุภาคไม่สามารถจับได้ (เหมือนภาพเสมือนที่เกิดในกระจกเงาราบ ซึ่งเราไม่สามารถจะใช้จอรับภาพเสมือนได้) เพราะอนุภาคเสมือนได้สลายตัวไปอย่างรวดเร็วมาก ตามเงื่อนไขที่ถูกกำหนดโดยหลักความไม่แน่นอนของ Heisenberg ซึ่งมีใจความว่า พลังงาน E ของระบบ และเวลา t ที่วัดพลังงานนั้น สามารถมีได้ ถ้าความไม่แน่นอน หรือความแปรปรวน (fluctuation) ของพลังงาน (ΔE) มีค่าได้ภายในช่วงเวลาสั้น ๆ (Δt) ตามสมการ
การมีความแปรปรวนควอนตัม (quantum fluctuation) จึงหมายความว่าสุญญากาศมีมวลและมีพลังงาน ดังนั้นเมื่อเอกภพถือกำเนิดใหม่ ๆ (เมื่อเวลา Δt เข้าใกล้ศูนย์) พลังงานสุญญากาศ ΔE จึงมีค่ามากมหาศาล จนทำให้เกิดความดันที่มีค่าเป็นลบ ซึ่งจะต่อต้านแรงดึงดูดโน้มถ่วง และความดันนี้จะทำให้เอกภพขยายตัวแบบเฟ้อ (inflation) สถานภาพของเอกภพในช่วงเวลานี้จึงอยู่ในสภาพสุญญากาศลวง (false vacuum) ที่จะสลายตัวในเวลาต่อมาเป็นสุญญากาศจริง (true vacuum) ซึ่งเสถียรกว่า ดังนั้นภายในเวลา 10^(-32) วินาที เอกภพจะขยายตัวได้มากเป็น 10^50 เท่าของเดิม และได้ขยายตัวตลอด 13,700 ล้านปีต่อมา ตราบจนทุกวันนี้
แม้นักฟิสิกส์จะไม่สามารถดักจับอนุภาคเสมือนได้ แต่ก็สามารถศึกษาสมบัติบางประการของมันได้ โดยใช้ปรากฏการณ์ Casimir ซึ่งเป็นเหตุการณ์ที่ Hendrik Casimir (1909-2000) ชาวดัตช์ ได้เคยทำนายไว้ว่ามีจริง ตั้งแต่ปี 1946
โดย Casimir ได้ศึกษาสถานการณ์ที่มีแผ่นโลหะสองแผ่น วางขนานให้อยู่ใกล้กันมากในสุญญากาศ ซึ่งแผ่นโลหะทั้งสองนั้น นอกจากจะมีแรงดึงดูดแบบโน้มถ่วงกระทำต่อกันแล้ว ก็ยังมีแรง Casimir กระทำอีกด้วย ซึ่งแรง Casimir นี้ เกิดจากการมีคู่อนุภาคเสมือนอุบัติขึ้นในสุญญากาศที่อยู่ระหว่างบริเวณแผ่นขนานคู่นั้น อนุภาคที่เป็นกลาง เช่น photon จะอยู่ในสภาพคลื่นที่สะท้อนกลับไปกลับมาระหว่างแผ่นขนาน และสามารถจะดำรงสภาพเป็นคลื่นนิ่งได้ ถ้าความยาวคลื่นและพลังงานของ photon ถูกกำหนดโดยระยะห่างระหว่างแผ่นขนาน ด้วยเหตุนี้จำนวนอนุภาค photon ที่มีอยู่ระหว่างแผ่นขนานแคบ ๆ จึงมีค่าน้อยกว่าจำนวนอนุภาคที่อยู่นอกแผ่นขนาน ผลที่เกิดตามมา คือ ความดัน photon จากภายนอกแผ่นขนานจะมีค่ามากกว่าความดัน photon ที่อยู่ภายในแผ่นขนาน ทำให้แผ่นขนานทั้งสองถูกดันเข้า จึงดูเสมือนว่า แผ่นขนานทั้งคู่มีแรงดึงดูดกัน
ความยาวคลื่นและพลังงานของ photon ถูกกำหนดโดยระยะห่างระหว่างแผ่นขนาน ด้วยเหตุนี้จำนวนอนุภาค photon ที่มีอยู่ระหว่างแผ่นขนานแคบ ๆ จึงมีค่าน้อยกว่าจำนวนอนุภาคที่อยู่นอกแผ่นขนาน ผลที่เกิดตามมา คือ ความดัน photon จากภายนอกแผ่นขนานจะมีค่ามากกว่าความดัน photon ที่อยู่ภายในแผ่นขนาน ทำให้แผ่นขนานทั้งสองถูกดันเข้า จึงดูเสมือนว่า แผ่นขนานทั้งคู่มีแรงดึงดูดกัน
แม้ปรากฏการณ์ Casimir นี้จะดูแปลกประหลาดและเหลือเชื่อ แต่นักฟิสิกส์ก็สามารถวัดค่าแรงดึงดูดแบบ Casimir ได้ และบุคคลที่สามารถพิสูจน์ได้เป็นคนแรกว่าปรากฏการณ์ Casimir มีจริง คือ Steve Lamoreaux จากมหาวิทยาลัย Washington ในสหรัฐอเมริกา เมื่อปี 1997
มาในปี 2023 นี้ Enrico Calloni ก็กำลังจะวัดพลังงานของสุญญากาศเป็นครั้งแรก เพราะได้พบว่าพลังงานสุญยากาศมีบทบาทมากในการให้กำเนิดเอกภพ และเป็นตัวกำหนดเส้นทางวิวัฒนาการของเอกภพ และเมื่อพลังของอนุภาคเสมือนเป็นตัวกำหนดพลังงานของสุญญากาศ การวัดมวลของอนุภาคเสมือนจึงมีความเกี่ยวข้องโดยตรงกับการวัดค่าคงตัวของจักรวาล (cosmological constant) ที่มีในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ Einstein
ในปี 1915 ที่ Einstein เสนอทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปนั้น ใคร ๆ ก็คิดว่า เอกภพมีขนาดคงที่ คือ ไม่ขยายตัวและไม่หดตัว ซึ่งไม่น่าจะเป็นไปได้ เพราะแรงโน้มถ่วงระหว่างกาแล็กซีต่าง ๆ จะดึงดูดทุกสิ่งทุกอย่างเข้าหากัน นั่นคือ เอกภพจะต้องยุบตัวในที่สุด ดังนั้นถ้าจะให้เอกภพทรงรูปอยู่ได้ ตามความเชื่อของคนในสมัยนั้น Einstein จึงคิดว่า เอกภพจะต้องมีแรงต่อต้านแรงโน้มถ่วง (antigravity) ด้วยเหตุนี้ Einstein จึงได้เติมค่าคงที่เทอมหนึ่งเข้าไปในสมการ และเรียกเทอมนี้ว่า ค่าคงตัวจักรวาล (cosmological constant) ซึ่งใช้สัญลักษณ์ ∧
ในปี 1929 เมื่อ Edwin Hubble (1889-1953) นักดาราศาสตร์ชาวอเมริกันได้ใช้กล้องโทรทรรศน์ Hooker ที่ติดตั้งอยู่บนยอดเขา Palomar ในรัฐ California เขาได้เห็นกาแล็กซีต่าง ๆ มากมาย ที่อยู่นอกกาแล็กซีทางช้างเผือก และกาแล็กซีเหล่านั้นล้วนเคลื่อนที่หนีออกจากกัน ทำให้แสงจากกาแล็กซีมีความยาวคลื่นมากขึ้น (คือ แดงขึ้น หรือที่เรียกว่า redshift) การเห็นเช่นนี้แสดงให้เห็นว่า เอกภพกำลังขยายตัวอย่างตลอดเวลา และกาแล็กซีที่ยิ่งอยู่ไกล ความเร็วของกาแล็กซีก็ยิ่งมาก
ตามสมการ v = H0d
เมื่อ v คือ ความเร็ว d คือ ระยะทางที่กาแล็กซีอยู่ห่างจากโลก และ H0 คือ ค่าคงตัว Hubble
คำถามที่ตามมา คือ มีแรงอะไรที่ทำให้เอกภพขยายตัว
ในปี 1998 นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ 3 ท่าน คือ Saul Perlmutter , Brian Schmidt และ Adam Riess ได้ศึกษาการเคลื่อนที่ของดาว supernova ที่อยู่ไกลถึงขอบเอกภพ และพบว่า เมื่อเวลาผ่านไปยิ่งนาน ความเร็วของ supernova ก็ยิ่งมาก นั่นคือ supernova กำลังเคลื่อนที่ไปด้วยคงามเร่ง และเอกภพในเวลาเดียวกันก็กำลังขยายตัวด้วยความเร่งด้วย โดยอาจจะอาศัยพลังงานมืด (dark energy) ที่ได้มีการพบว่ามีมากถึง 68% ของพลังงานทั้งหมดที่มีในเอกภพ ผลงานของนักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ทั้งสามคนนี้ ทำให้ได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ประจำปี 2011
เมื่อเป็นเช่นนี้นักดาราศาสตร์ จึงได้โยงค่าคงตัวของเอกภพที่อยู่ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป และค่าพลังงานมืดกับพลังงานของสุญญากาศที่มีในทฤษฎีควอนตัมของสนาม และได้พบว่าค่าทั้งสองค่าที่คำนวณได้จากทฤษฎีสัมพันทธภาพทั่วไป และจากทฤษฎีควอนตัมแตกต่างกันมาก จนจำเป็นต้องหาผลการทดลองมาตัดสินว่า ทฤษฎีใดผิดหรือถูก ด้วยการวัดมวลของอนุภาคเสมือนตรงๆ
การทดลองฟิสิกส์ต่างๆ ที่ได้กระทำไปตลอดเวลา ได้แสดงให้เห็นว่าปรากฏการณ์ Casimir มีจริง ความแปรปรวนของสุญญากาศก็มีจริง และอนุภาคเสมือนมีจริง
แต่ยังไม่มีการทดลองใด ๆ ที่แสดงให้เห็นว่า อันตรกิริยาโน้มถ่วงมีอิทธิพลมากเพียงใดต่ออนุภาคเสมือน หรือไม่มีอิทธิพลเลย และอนุภาคเสมือนกับอนุภาคจริงมีพฤติกรรมที่แตกต่างกันหรือไม่ และเช่นไร เวลาอนุภาคทั้งสองอยู่ในสนามแรงโน้มถ่วง
ในปี 1996 Alexander Kaganovich และ Eduardo I. Guendelman จากมหาวิทยาลัย Ben-Gurion ในอิสราเอล ได้เสนอทฤษฎีว่า ความแปรปรวนของพลังงานสุญญากาศไม่มีผลกระทบใด ๆ ต่อแรงโน้มถ่วง ถ้าโครงสร้างปริภูมิ-เวลาของเอกภพมีมิติที่มีค่าสูงกว่า 4
ดังนั้นการวัดมวลของอนุภาคเสมือน จึงเป็นวิธีหนึ่งที่สามารถใช้ศึกษามิติของปริภูมิ-เวลา ว่ามีค่าเท่าใด และมิติของเอกภพที่มีค่า 5, 6,… นี้ สามารถปรับเปลี่ยนพฤติกรรมของแรงโน้มถ่วงที่กระทำต่ออนุภาคเสมือนในสุญญากาศได้หรือไม่
และนี่ก็คือเป้าหมายที่ Enrico Calloni จะทำโดยใช้หลักการของ Archimedes เพื่อศึกษาเรื่องนี้ต่อไป
อ่านตอนต่อไป ในวันศุกร์หน้า
อ่านเพิ่มเติมจาก “How Much Does ‘Nothing’ Weigh?” โดย Manon Bischoff ใน scientificamerican ฉบับเดือนพฤษภาคม 2023
ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน : ประวัติการทำงาน - ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" ได้ทุกวันศุกร์
