การใช้ "ปฏิสสาร" ตรวจสอบความถูกต้องอย่างสมบูรณ์ของทฤษฎีแรงโน้มถ่วง

วงการ "ฟิสิกส์" มีคำถามหนึ่งที่ใครๆ ก็ตอบยากมาก นั่นคือ คำถามที่ว่า กฎทุกกฎของฟิสิกส์ที่ใช้อธิบายพฤติกรรมของสสาร (matter) สามารถนำไปใช้อธิบายทุกพฤติกรรมของปฏิสสาร (antimatter) ได้ด้วยหรือไม่

นักวิทยาศาสตร์รู้จักปฏิสสารว่าเป็นสิ่งที่มีประจุตรงกันข้ามกับสสาร แต่สสารกับปฏิสสารมีมวลเท่ากันทุกประการ


เช่น electron เป็นสสาร ที่มีประจุลบ และ positron เป็นปฏิสสาร ที่มีประจุบวก ซึ่งทั้ง electron และ positron มีมวลเท่ากัน การมีประจุตรงข้ามกันทำให้เวลา electron ปะทะ positron จะเกิดรังสี gamma

ส่วน proton ก็เป็นสสารที่มีประจุบวกและ antiproton เป็นปฏิสสารที่มีประจุลบ โดยที่ proton กับ antiproton ก็มีมวลเท่ากันอีก และเวลาปะทะกัน ก็จะทำลายกันให้รังสี gamma

ด้วยเหตุนี้อะตอม hydrogen ซึ่งประกอบด้วย proton และ electron ก็จะมีอะตอม antihydrogen ที่ประกอบด้วย antiproton กับ positron เป็นองค์ประกอบ โดยที่อะตอม antihydrogen มี positron โคจรไปรอบ antiproton

การที่ปฏิสสารมีประจุตรงกันข้ามกับสสารเสมอไปนี้ ทำให้นักฟิสิกส์หลายคนมีจินตนาการว่า ถ้าสสารตกดิน เพราะถูกแรงโน้มถ่วงของโลกกระทำ ปฏิสสารก็น่าจะลอยขึ้นฟ้า เวลาถูกแรงโน้มถ่วงของโลกกระทำบ้าง และความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงที่โลกกระทำต่อสสารกับปฏิสสารก็น่าจะมีค่าแตกต่างกัน

ในวารสาร Nature ฉบับวันที่ 27 กันยายน ที่ผ่านมานี้ ทีมวิจัยในโครงการ Antihydrogen Laser Physics Apparatus (ALPHA) ที่ศูนย์วิจัยนิวเคลียร์ของยุโรป (CERN) ซึ่งตั้งอยู่ใกล้กรุง Geneva ในสวิสเซอร์แลนด์ ได้รายงานผลการทดลองที่ให้คำตอบชัดเจนเป็นครั้งแรกว่า สสารและปฏิสสารต่างก็ตกในสนามโน้มถ่วงของโลก ด้วยความเร่งที่เท่ากันทุกประการ คือ แตกต่างกันไม่เกิน 2 ส่วนใน 10^14 ส่วน

ในการทดลองนี้ ทีมวิจัยได้ใช้อะตอม antihydrogen วัดเทียบกับอะตอม hydrogen นี่จึงเป็นหลักฐานหนึ่งที่ยืนยันความถูกต้องอย่างสมบูรณ์แบบของหลักความสมมูลอย่างอ่อน (weak equivalence principle) ของ Albert Einstein (1896-1955) ที่ใช้ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ซึ่งหลักการนี้เป็นหัวใจของทฤษฎีที่จะผิดพลาดไม่ได้เลย เพราะถ้าผิดไปแม้แต่น้อย นั่นแสดงว่าทฤษฎียังไม่สมบูรณ์ และจะต้องมีการแก้ไขปรับปรุง ซึ่งนั่นอาจหมายความว่า เอกภพของเรามีแรงชนิดที่ 5 ที่ยังไม่มีใครพบ หรือมีมิติเกิน 4 หรือ มี antiworld, antigalaxy และ antiuniverse ก็ได้

หลักความสมมูลอย่างอ่อนนี้ก็คือ มวลอะไรก็ตามที่ปล่อยจากที่สูงระดับเดียวกัน และปล่อยพร้อมกัน จะตกถึงพื้นพร้อมกันเสมอไป ถ้าไม่มีแรงอื่นใดมาต้านหรือช่วย นอกจากแรงโน้มถ่วงเพียงอย่างเดียว


ในกรณีของสสารทั่วไป Galileo Galilei (1564-1642) ได้สาธิตให้ทุกคนเห็นตั้งแต่คริสต์ศตวรรษที่ 16 แล้วว่า ถ้ามีการปล่อยวัตถุที่มีมวลต่างกัน พร้อมกัน จากที่สูงเดียวกัน วัตถุดังกล่าวจะตกถึงพื้นดินพร้อมกันเสมอ

จากนั้น Albert Einstein ก็ได้ประมวลความจริงนี้ออกเป็นหลักความสมมูล(equivalence principle) ที่แถลงว่า มวลโน้มถ่วง ที่ใช้ในกรณีแรงดึงดูดระหว่างมวลตามกฎของ Newton หรือที่เรียกว่า gravitational mass กับมวลเฉื่อย (inertial mass) ที่ใช้ในกฎการเคลื่อนที่ของ Newton มีค่าเดียวกันคือเท่ากันทุกประการ

แต่กฎทั้งหลายและหลักการทั้งปวงนี้ ใช้ได้และเป็นจริง ในกรณีของสสาร

นักฟิสิกส์ยังไม่มีการทดสอบกฎต่างๆ ของฟิสิกส์ว่าใช้ได้ในกรณีของปฏิสสารเลยว่า เป็นจริงหรือไม่เพียงใด


ความยากลำบากในการทดลองเรื่องปฏิสสาร คือ เรายังไม่มีวิธีสร้างปฏิสสารได้ในปริมาณมากและในเวลารวดเร็วเลย ดังนั้นปฏิสสารตัวอย่างที่จะนำมาใช้ในการทดลองเรื่องนี้จึงมีน้อย และเหตุผลที่สำคัญ คือ ถ้าเราสร้างปฏิสสารได้แล้ว นักทดลองจะต้องระมัดระวังไม่ให้มันแตะหรือสัมผัสกับสสาร เพราะคู่กรณีจะอันตรธานหายวับไปในพริบตา ด้วยเหตุนี้ทันทีที่สร้างปฏิสสารได้ นักทดลองก็จะต้องบังคับให้ปฏิสสารอยู่ในสุญญากาศ โดยป้องกันมิให้โมเลกุลอากาศ (ซึ่งเป็นสสาร) มาพุ่งชน และการบังคับนั้นก็ต้องใช้เทคโนโลยีขั้นสูง เพราะอะตอม antihydrogen มีสภาพเป็นกลาง คือ ไม่มีประจุไฟฟ้า (antiproton ที่ใจกลางอะตอม มีประจุลบ ซึ่งตรงกันข้ามกับ positron ที่โคจรอยู่โดยรอบ และมีประจุบวก) การควบคุมการเคลื่อนที่ของอะตอม antihydrogen จึงต้องใช้อันตรกิริยาแม่เหล็กกระทำระหว่างโมเมนต์แม่เหล็กของ positron กับของ antiproton และสนามแม่เหล็กที่ใช้นั้นมีความเข้มสูงมาก

ในการทดลองที่ CERN นั้น นักวิจัยได้สร้างอะตอม antihydrogen ขึ้นมา โดยสร้างอนุภาค antiproton ขึ้นก่อน ด้วยการยิง proton เข้าไปในแก๊ส xenon ที่เป็นแก๊สเฉื่อย จากนั้นยิงอนุภาค antiproton ที่ได้เข้าไปในกลุ่มของอนุภาค positron เพื่อให้มันจับคู่กัน โดยได้อนุภาค positron จากการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี sodium Na-23 ในขณะที่อนุภาคทั้งสองจับคู่กัน อุณหภูมิของห้องทดลองจะต้องลดต่ำถึง 0.5 องศาเคลวิน (เกือบศูนย์องศาสัมบูรณ์) เพื่อให้อนุภาคคู่กรณีมีพลังงานจลน์ต่ำมาก เพราะถ้าอนุภาคเคลื่อนที่เร็ว โอกาสการจับคู่กันจะเกิดขึ้นน้อย

ครั้นเมื่อได้อะตอม antihydrogen ในปริมาณที่มากพอแล้ว เขาก็จะปล่อยให้มันตกในสุญญากาศ และพบว่าอะตอมส่วนใหญ่จะตกลงพื้น นั่นแสดงว่า แรงโน้มถ่วงได้ดึงดูดปฏิสสาร เหมือนกับที่ดึงดูดสสาร แต่ก็มีอะตอมส่วนน้อยที่พุ่งขึ้น เพราะอะตอม antihydrogen นั้น ได้ถูกอะตอม antihydrogen อื่นพุ่งชนจากเบื้อง

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่เกิดจากการสังเคราะห์อะตอม antihydrogen คือ


ในโครงการ ALPHA ของ CERN นั้น นักวิจัยจำเป็นต้องใช้อนุภาค antiproton จำนวนมากถึง 30,000 อนุภาค และ positron จำนวน 2x10^6 อนุภาค และในการยิงอนุภาค antiproton ที่มีพลังงานต่ำมากเข้าไปในกลุ่มอนุภาค positron เมื่อเกิดสมดุลทางไฟฟ้า อนุภาคทั้งสองจะจับคู่กันเป็นอะตอม antihydrogen


จากนั้นนักทดลองก็กำจัดอนุภาคอื่นๆ ที่มีประจุ อันได้แก่ positron กับ antiproton ออกไป ให้เหลือไว้แต่อนุภาคที่เป็นกลาง คือ อะตอม antihydrogen เท่านั้น

ผลปรากฏว่า ภายในเวลา 3 สัปดาห์ โครงการ ALPHA สามารถผลิตอะตอม antihydrogen ได้ 9 อะตอม และใช้อะตอม antihydrogen ที่ได้ ในการทดสอบหลักความสมมูลอย่างอ่อนในห้องปฏิบัติการบนโลก แต่นักฟิสิกส์ก็ยังไม่มั่นใจว่า หลักความสมมูลอย่างอ่อนจะยังเป็นจริงในห้องปฏิบัติการนอกโลกด้วย

นี่จึงเป็นสาเหตุที่ทำให้เกิดโครงการยานอวกาศ MICROSCOPE เมื่อปี 2016 เพื่อทดสอบหลักความสมมูลอย่างอ่อนในอวกาศ โครงการนี้มีดาวเทียมที่สร้างโดยองค์การอวกาศของยุโรป (European Space Agency, ESA) และองค์การอวกาศของฝรั่งเศส (Centre national d'études spatiales, CNES) เพื่อทดสอบความถูกต้องของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปที่ว่า ความเร่งของวัตถุที่ตกอย่างเสรีในอวกาศ (คือ ไม่มีแรงอื่นมากระทำนอกจากแรงโน้มถ่วง) ไม่ขึ้นกับมวล และชนิดของธาตุที่เป็นองค์ประกอบของวัตถุที่ตกเลย ความแม่นยำของโครงการนี้มีมาก คือ สามารถวัดความแตกต่างระหว่างค่าที่ได้จากการทดลองกับค่าที่ได้จากทฤษฎี ละเอียดถึงทศนิยมตำแหน่งที่ 14

ใน วารสาร Physical Review Letters เมื่อปี 2018 นักทดลองได้รายงานการวัดอัตราส่วน Eötvös ซึ่งเป็นอัตราส่วนระหว่างความเร่งของวัตถุสองก้อนที่ทำด้วย platinum ปนกับ titanium แต่มีมวลแตกต่างกัน


มวลทั้งสองได้ถูกส่งขึ้นอวกาศเมื่อปี 2016 และถูกบังคับให้อยู่ภายในดาวเทียม MICROSCOPE นักวิจัยได้รายงานผลการทดลองเบื้องต้นเมื่อปี 2017 แล้วรายงานอีกครั้งเมื่อโครงการนี้สิ้นสุดในปี 2018

ในการวัดอัตราเร่งของวัตถุ นักทดลองได้ใช้แรงไฟฟ้ากระทำที่วัตถุทั้งสอง โดยให้อยู่ห่างกันเป็นระยะทางที่มีค่าคงตัวตลอดการทดลอง เพราะถ้าระยะทางเปลี่ยนแปลง ความต่างศักย์ไฟฟ้าก็จะเกิดขึ้นทันที ให้นักทดลองสามารถวัดหาค่าได้ และระยะทางสัมพัทธ์ที่ว่านี้ ถ้าเปลี่ยนแปลง นั่นแสดงว่า ความเร่งในการตกของวัตถุทั้งสองก้อนมีค่าแตกต่างกัน

ผลการทดลองได้แสดงให้เห็นว่า วัตถุทั้งสองก้อนมีความเร่งในการตกอย่างเสรีเท่ากันเกือบ 100% คือแตกต่างกันไม่เกิน 1 ส่วนใน 10^15 ส่วน
โครงการทดลองขั้นต่อไป คือ การเพิ่มความละเอียดให้มากขึ้น คือ วัดค่าความแตกต่างได้อย่างละเอียดถึง 1 ส่วนใน 10^17 ส่วน

ในการทดสอบสมบัติทางกายภาพของปฏิสสารนั้น นักฟิสิกส์มิได้มุ่งเป้าไปที่จะศึกษาสมบัติการตกอย่างเสรีเท่านั้น เราต้องการศึกษาสมบัติในด้านแสงที่อะตอมชนิดปฏิสสารปลดปล่อยออกมาด้วย เพราะทฤษฎีฟิสิกส์ CPT (Charge, Parity, and Time) ได้ระบุไว้ว่าอะตอม antihydrogen และอะตอม hydrogen จะต้องปล่อยแสงต่าง ๆ ที่ออกมา โดยมีความยาวคลื่นเท่ากันทุกคลื่น

สำหรับประวัติการศึกษาเรื่องการปล่อยคลื่นแสงของปฏิสสารนั้น มีดังนี้ คือ


โลกรู้จักอะตอม hydrogen ที่ Niels Bohr (1885-1962) ได้เสนอไว้เป็นอย่างดี ตั้งแต่ปี 1913 ว่า อะตอม hydrogen มีอิเล็กตรอนโคจรไปรอบ proton เป็นวงกลมที่วงโคจรมีรัศมีต่าง ๆ กัน ในลักษณะเดียวกับที่ดาวเคราะห์ต่าง ๆ โคจรรอบดวงอาทิตย์ และเวลาอิเล็กตรอนเปลี่ยนวงโคจรจากวงนอกมาสู่วงใน อะตอมจะปล่อยแสงออกมา ซึ่งแสงนี้มีพลังงานเท่ากับผลต่างระหว่างพลังงานของอิเล็กตรอนในวงโคจรทั้งสอง ผลงานนี้ทำให้ Bohr ได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ประจำปี 1922


ถึงปี 1931 Paul Dirac (190 -1984) ได้นำทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษมาใช้ในการอธิบายพฤติกรรมของอะตอมไฮโดรเจน และได้ทำนายว่าธรรมชาติมีอนุภาค positron ด้วย ผลงานนี้ทำให้ Dirac ได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ร่วมกับ Erwin Schrödinger (1887-1961) ประจำปี 1933


คำทำนายของ Dirac ได้รับการพิสูจน์ว่าเป็นจริง ในปี 1932 เมื่อ Carl Anderson (1905–1991) ได้พบอนุภาค positron เป็นครั้งแรก และผลงานนี้ทำให้ Anderson ได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ประจำปี 1936 ร่วมกับ Victor Hess (1883-1964)


ในปี 1953 Emilio Segrè (1905–1989) และ Owen Chamberlain (1920–2006) ได้พบอนุภาค antiproton ซึ่งเป็นปฏิอนุภาคของ proton ผลงานนี้ทำให้คนทั้งสองได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ ปี 1959






ลุถึงปี 1995 CERN ได้ประสบความสำเร็จในการสร้างอะตอม antihydrogen เป็นครั้งแรก คำถามที่น่าสนใจในลำดับต่อไป คือ ในกรณีอะตอม antihydrogen จะมีปรากฏการณ์ Lamb’s shift ที่มีค่าเท่ากับค่าที่ได้จากกรณีอะตอม hydrogen หรือไม่


เพราะทฤษฎีฟิสิกส์ทำนายว่า บรรดาแสงทุกความยาวคลื่นที่เปล่งออกมาจากอะตอม hydrogen จะต้องมีความยาวคลื่นเท่ากับแสงที่ออกมาจากอะตอม antihydrogen เสมอ

การวัดค่าความยาวคลื่นหรือความถี่ของคลื่นอย่างอัลตราละเอียด โดยเทคนิคที่ใช้ frequency comb ของ Theodor Wolfgang Hänsch กับ John L. Hall ซึ่งได้ทำให้คนทั้งสองได้รับครึ่งหนึ่งของรางวัลโนเบลฟิสิกส์ประจำปี 2005 นั้นจะช่วยให้เราสามารถตรวจสอบทฤษฎีนี้ได้ โดยอาศัยเทคนิคการสร้าง antimatter ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นและจากอะตอม antihydrogen งานขั้นต่อไปในอนาคตก็คือ การสร้างอะตอม antihelium ซึ่งประกอบด้วยอนุภาค antiproton สองอนุภาค และ antineutron สองอนุภาคอยู่ในนิวเคลียสกับ positron สองอนุภาคที่โคจรโดยรอบ

โลกปฏิสสารจึงกำลังเป็นโลกที่น่าสนใจและน่าตื่นตาตื่นใจมาก และจะไม่เป็นโลกแห่งจินตนาการเท่านั้นอีกต่อไปเหมือนดังที่ปรากฏในภาพยนตร์ฮอลลีวูด เรื่อง Angels & Demons ที่มี Dan Brown เป็นผู้ประพันธ์บท ซึ่งได้ถูกนำออกฉายในปี 2010 โดยมีบาทหลวงร้ายซึ่งได้พยายามทำลายนคร Vatican โดยการผลิต antimatter ขึ้นมาในปริมาณมาก แต่ทำไม่ได้ เพราะในเวลานั้นยังไม่มีใครสามารถสร้าง antimatter ได้ในปริมาณมากนั่นเอง

อ่านเพิ่มเติมจาก Anderson, E. K. (27 September 2023). "Observation of the effect of gravity on the motion of antimatter". Nature. 621 (7980): 716–722. doi:10.1038/s41586-023-06527-1. PMID 37758891. Archived from the original on 27 September 2023. Retrieved 28 September 2023.


ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน : ประวัติการทำงาน - ราชบัณฑิตสำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย

อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" ได้ทุกวันศุกร์