xs
xsm
sm
md
lg

ความปั่นป่วนปกติ (หลุมอากาศ) กับความปั่นป่วนควอนตัม

เผยแพร่:   ปรับปรุง:   โดย: สุทัศน์ ยกส้าน



วงการฟิสิกส์มีเรื่องเล่าสู่กันฟังเรื่องหนึ่งว่า Werner Heisenberg (1901-1976) ซึ่งเป็นนักฟิสิกส์รางวัลโนเบลปี 1932 จากผลงานการสร้างกลศาสตร์ควอนตัมแบบเมทริกซ์ และการพบหลักความไม่แน่นอน ตั้งแต่ที่มีอายุ 23 ปี ได้เคยปรารภกับเพื่อนว่า ถ้ามีโอกาสได้เข้าเฝ้าพระเจ้า ก็จะทูลถามพระองค์สองคำถาม คำถามแรก คือ เหตุใดพระองค์จึงทรงสร้างเอกภพให้เป็นไปตามหลักการของทฤษฎีสัมพัทธภาพ และคำถามที่สอง คือ เหตุใดพระองค์จึงทรงบันดาลให้ธรรมชาติมีปรากฏการณ์ปั่นป่วน (turbulence) ด้วย แล้ว Heisenberg ก็ได้ทิ้งท้ายว่า ผมมั่นใจว่า พระองค์ท่านทรงมีคำตอบสำหรับคำถามแรก แต่ผมไม่มั่นใจเลยว่า พระองค์จะทรงมีคำตอบสำหรับคำถามที่สอง


ปรากฏการณ์ปั่นป่วน เป็นเหตุการณ์ที่เกิดในตัวกลางที่เป็นของไหล (ซึ่งหมายถึง ของเหลวและแก๊ส) ดังตัวอย่างเช่น การลอยของควันบุหรี่และควันธูปขึ้นไปในอากาศ ซึ่งในระยะแรกเราจะเห็นควันลอยขึ้นเป็นสายอย่างเป็นระเบียบ แต่ในเวลาต่อมาอีกไม่นาน สายควันก็จะแตกกระจาย มีการม้วนตัว หมุนเลี้ยวเป็นเกลียวเหมือนปอยผมที่ถูกดัด ผสมปนเปกัน ในภาพรวมลักษณะการลอยของควันจะเป็นไปในรูปแบบที่มีความอลวน และความปั่นป่วน จนหาคำเฉพาะมาบรรยายลักษณะการเคลื่อนที่ไม่ได้ว่า ควันลอยในรูปแบบใด


หรือในกรณีการเทน้ำนมสีขาวลงในถ้วยที่มีน้ำกาแฟ เราก็จะเห็นการแทรกตัวของสายน้ำนมในน้ำกาแฟว่า มีความอลวน จนไม่สามารถหารูปแบบของความเป็นระเบียบได้

เหล่านี้คือตัวอย่างของปรากฏการณ์ปั่นป่วนที่เกิดในชีวิตประจำวัน ซึ่งดูเป็นเรื่องธรรมดาๆ ที่น่าสนใจ แต่ก็ไม่ถึงกับเป็นเรื่องคอขาดบาดตาย เพราะเหตุการณ์ปั่นป่วนทั้งสองตัวอย่าง มีผลกระทบต่อชีวิตน้อยมาก

แต่ถ้าเป็นความปั่นป่วนระดับรุนแรง เช่น การเกิดคลื่นสึนามิในทะเล หรือการเกิดหลุมอากาศระดับรุนแรงในอากาศ การสูญเสียชีวิตของผู้คนที่อยู่ในเหตุการณ์ก็เป็นเรื่องที่ไม่อาจจะหลีกเลี่ยงได้

ดังเหตุการณ์ที่เกิดเมื่อวันที่ 20 พฤษภาคมที่ผ่านมานี้ เมื่อ เครื่องบินของบริษัทสิงคโปร์แอร์ไลน์ เที่ยวบินที่ SQ321 ออกเดินทางจากลอนดอน เพื่อมุ่งสู่สิงค์โปร์ พร้อมผู้โดยสาร 216 คน และลูกเรือ 18 คน

หลังจากที่ได้บินมานาน 10 ชั่วโมง ทุกสิ่งทุกอย่างดูเป็นปกติ จนกระทั่งเครื่องบินบินอยู่เหนืออ่าว Bengal ซึ่งตั้งอยู่ระหว่างอินเดียกับคาบมหาสมุทรมลายู บริเวณนี้มีชื่อเสียว่าเป็นบริเวณอันตรายสำหรับเครื่องบิน เพราะมีพายุมรสุมที่พัดรุนแรงบ่อย ทำให้สภาพอากาศปั่นป่วนมาก และเครื่องบินมักจะสูญเสียการควบคุมไปชั่วขณะหนึ่ง


แม้นักบินของเที่ยวบิน SQ321 จะรู้ตัวดี แต่ก็มั่นใจว่า คงไม่มีเหตุการณ์ร้ายแรงอะไรจะเกิดขึ้น เพราะท้องฟ้าในเวลานั้นปลอดเมฆ เรดาร์ตรวจรับสัญญาณพายุก็ไม่ได้รายงานว่า จะมีอะไรผิดปกติ แล้วทันทีทันใด เครื่องบินก็เริ่มสั่นและโคลงเคลงไปมาเหมือนเรือที่ถูกพายุกระหน่ำ

ณ เวลานั้น SQ321 กำลังบินอยู่เหนือแม่น้ำ Irrawaddy ในพม่า ที่ระยะสูง 12,5000 เมตร แล้วเครื่องบินก็เชิดหัวขึ้น เพื่อเพิ่มระยะสูง จากนั้นก็หักหัวลง แล้วบินขึ้นและลงอีก จนทำให้ผู้โดยสารที่นั่งรัดสายเข็มขัดมีความรู้สึกเสมือนนั่งอยู่ในรถไฟเหาะ(roller coaster) ที่มีให้เด็กเล่นในสวนสนุก เป็นเวลาประมาณ 4 นาที โดยเครื่องบินได้ไต่สูงกว่าระดับความสูงที่ตั้งไว้ประมาณ 120 เมตร และตกลงจากระยะสูงที่กำหนดเป็นระยะทางประมาณ 1,800 เมตร การพยศของเครื่องบินได้ทำให้ผู้โดยสารที่ไม่ได้รัดสายเข็มขัดถูกเหวี่ยง โยนไปมาเหมือนตุ๊กตา จนตัวชนเพดานและผนังเครื่องบิน ทำให้ได้รับบาดเจ็บร่วมร้อยคน

เมื่อกัปตันสามารถบังคับเครื่องบินได้แล้ว ก็ตระหนักว่ามีผู้โดยสารที่ได้รับบาดเจ็บหลายราย และเครื่องบินก็อาจเสียหายด้วย จึงขอลงจอดเพื่อรักษาคนบาดเจ็บ และตรวจสภาพของเครื่องที่สนามบินสุวรรณภูมิ ประเทศไทย ก่อนออกเดินทางต่อไปยังสิงคโปร์


เหตุการณ์อากาศปั่นป่วน ทั้ง ๆ ที่ท้องฟ้าในบริเวณนั้นปราศจากเมฆใดๆ มีชื่อเรียกในทางวิชาการว่า Clear Air Turbulence (CAT)

ความจริงเหตุการณ์ลมปั่นป่วนที่เกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว โดยนักบินไม่ทันรู้ตัว เป็นเหตุการณ์ปกติที่มักเกิดเวลาเครื่องบินจะบินขึ้นและบินลง เพราะในบริเวณสนามบินมักมีกระแสลมแรง

ความปั่นป่วนยังสามารถเกิดขึ้นได้ในอากาศที่ระดับสูงด้วย เพราะในบรรยากาศมีกระแสลมพัดแรงเช่นกัน และนักบินสามารถวัดความเร็วของกระแสลมนี้ได้ โดยการส่งคลื่นเรดาร์ไปกระทบก้อนเมฆที่มันพัดพาไปมา แต่ถ้าในกรณีฟ้าใส นักบินก็จะไม่เห็นสัญญาณเตือนภัยพายุเลย และนี่ก็คือเหตุการณ์ที่เกิดกับเที่ยวบิน SQ321 ในวันนั้น

ณ วันนี้สภาพอากาศเบื้องบนที่ปั่นป่วนมักจะเกิดขึ้นบ่อย และจะทวีความรุนแรงมากขึ้นเรื่อย ๆ สถิติความปั่นป่วนที่ได้รายงานในระหว่างปี 1979-2020 มีว่า ความปั่นป่วนระดับรุนแรงจะเกิดบ่อยครั้งกว่าระดับปานกลางและระดับน้อย ซึ่งสาเหตุความรุนแรงนี้ อาจจะมาจากปรากฏการณ์โลกร้อน และการเปลี่ยนแปลงของดวงอาทิตย์ที่มีอิทธิพลของสภาพอากาศบนโลก

เพราะการเดินทางในอากาศกับความปั่นป่วนเป็นของคู่กัน ดังนั้นแม้เหตุการณ์จะเกิดบ่อยก็ตาม แต่การเดินทางก็จะต้องดำเนินต่อไป โดยผู้โดยสารจะต้องทำใจว่า ความปั่นป่วนที่เกิดขึ้นในอนาคต อาจจะใช้เวลานานกว่าในอดีต เช่น ถ้าเวลาที่ต้องใจหายใจคว่ำ ในอดีตเป็น 10 นาที ความทุกข์ทรมานใจและกังวลใจในอนาคตก็จะนานมากขึ้นเป็นเวลา 20 นาที เป็นต้น


ตามปกติในการบินทุกครั้ง นักบินจะได้รับแผนที่และข้อมูลการบิน ซึ่งครอบคลุมสภาพอากาศ พายุ ทิศทาง และระยะสูงของเครื่องบินโดยสารอื่น ๆ ฯลฯ ตลอดเส้นทาง ในส่วนของข้อมูลสภาพดินฟ้าอากาศนั้น นอกจากจะมีเรดาร์ที่ใช้ตรวจหาพายุแล้ว ก็ยังมี LiDAR ใช้ด้วย (คำ LiDAR นี้ ย่อมาจากคำเต็มว่า Light Detection and Ranging) ซึ่งจะปล่อยแสงเลเซอร์ออกมาเป็นห้วง ๆ (pulsed laser) แล้วดักรับแสงสะท้อน ทว่าอุปกรณ์นี้มีขนาดใหญ่และมีราคาแพง แต่สามารถเห็นพายุฝุ่นที่อยู่ไกลจากเครื่องบินเป็นระยะทาง 30 กิโลเมตรได้สบาย ๆ นอกจากนี้นักบินก็ยังได้รับความช่วยเหลือในการบิน จากศูนย์ควบคุมการบินภาคพื้นดินด้วย ซึ่งจะส่งข้อมูลสภาพอากาศที่เป็นเวลาจริง (real time) ตลอดจนถึงได้รับข้อมูลจากดาวเทียมให้รู้ด้วย

กระนั้นภัยอันตรายจากภาวะปั่นป่วนก็ยังสามารถเกิดขึ้นได้ตลอดเวลาอย่างฉับพลัน และอย่างไม่มีใครตั้งตัวทัน ดังนั้นหนทางดีที่สุดที่จะเอาตัวรอด คือ ผู้โดยสารต้องนั่งรัดสายเข็มขัดตลอดเวลา และทิ้งความกังวลเรื่อง พายุ หรือความปั่นป่วนที่จะเกิดขึ้น ให้เป็นภาระของนักวิทยาศาสตร์ที่จะศึกษาธรรมชาติของเหตุการณ์ และพยากรณ์ภัยจากความปั่นป่วนได้


บุคคลแรกๆ ที่สนใจและศึกษาเรื่องความปั่นป่วนในน้ำ คือ Leonardo da Vinci (1452–1519) ในหนังสือภาพที่วาดด้วยลายมือ Codex Leicester ศิลปิน Leonardo ได้วาดภาพแรกที่เกี่ยวกับน้ำ คือ แม่น้ำ Arno ที่ไหลผ่านเมือง Florence ในอิตาลี และในเวลาต่อมา ได้วาดภาพสายน้ำที่ไหลจากแม่น้ำ Jordan ผ่านพระบาทในพระเยซูเจ้า ดังในภาพวาดชื่อ “Baptism of Christ” ของ Verrocchio และเวลาสมัครทำงานตำแหน่งวิศวกร ที่ Milan Leonardo ได้เขียนจดหมายสมัครงานถึงเจ้าเมือง Milan ที่ชื่อ Ludovico Sforza ว่า เขาสามารถทดน้ำจากบ่อลึกไปสู่ที่สูงได้


ความสนใจของ Leonardo ในเรื่องการไหลของน้ำนั้นมีมากมายในหลายประเด็น เช่น ได้วาดภาพการไหลของน้ำออกจากท่อ แล้วปล่อยให้น้ำตกกระทบพื้น จนกลายสภาพเป็นแอ่งน้ำ สายตาที่คมชัดลึกของ Leonardo ได้ทำให้เขาเห็นสายน้ำกลายเป็นกระแสวน (eddy/vortex) มากมาย และเห็นฟองอากาศในน้ำด้วย

Leonardo ยังสนใจศึกษาความเร็วของกระแสน้ำในแม่น้ำ Arno ที่ระยะลึกต่าง ๆ กันด้วย โดยได้ออกแบบแว่นตากันน้ำ เพื่อจะได้ดำลงไปวัดความเร็วของกระแสน้ำ แล้วใช้ใบไม้ เมล็ดพืช และหมึก เป็นตัวช่วยในการวัดความเร็ว อีกทั้งยังได้วิเคราะห์อิทธิพลของท้องน้ำ ในประเด็นความราบเรียบและความขรุขระที่มีต่อความเร็ว ตลอดจนถึงการเปรียบเทียบความเร็วของสายน้ำที่ไหลติดฝั่ง กับที่ไหลกลางแม่น้ำด้วย แล้วตั้งชื่อบทความที่ได้ศึกษา เช่น “Of Underground Rivers”, “Of the Sea”, “Of Making Water to Rise” ฯลฯ นอกจากนี้ก็ยังได้บันทึกว่า เขาสามารถทำให้สายน้ำเปลี่ยนทิศทางการไหลได้ โดยใช้ก้อนหินวางขวางเส้นทางการไหล แล้วสังเกตดูเกลียวคลื่นที่เกิดขึ้นหลังก้อนหิน เมื่อกระแสน้ำได้ไหลผ่านก้อนหินไปแล้ว การเฝ้าดูลักษณะคลื่นที่เห็นภายใต้เงื่อนไขต่างๆ ทำให้ Leonardo ต้องคิดคำคุณศัพท์ที่ใช้บรรยายรูปลักษณ์ของคลื่นขึ้นมาด้วยตนเอง เป็นจำนวนประมาณ 67 คำ เช่น risaltazione, summergimento, cavamento ฯลฯ เพราะเหตุว่า Leonardo สนใจธรรมชาติในเชิงบรรยาย ไม่ใช่ในเชิงปริมาณ ดังนั้น Leonardo จึงมีความเห็นว่า เรขาคณิตมีคุณค่ามากกว่าเลขคณิตในการศึกษาธรรมชาติของน้ำ

ใน Codex Leicester ยังมีภาพวาดแสดงการไหลของน้ำเวลาปะทะสิ่งกีดขวางถึง 14 ชนิด การมีสายตาที่แหลมคมและละเอียด ได้ทำให้ Leonardo สามารถเห็นการเกิดกระแสวน (vortex) ในสายน้ำ และการสลายของกระแสวนเหล่านั้น เวลา vortex รวมตัวกัน ซึ่ง Leonardo ได้เรียกปรากฏการณ์นี้ว่า turbulenza (turbulence) ผลงานเหล่านี้ ทำให้ได้ชื่อว่าเป็นผู้บุกเบิกวิทยาการด้านชลศาสตร์ (hydraulics)


ในปี 1738 Daniel Bernoulli (1700-1782) นักฟิสิกส์และคณิตศาสตร์ชาวสวิส ได้พบหลักการ Bernoulli ที่ใช้อธิบายสมบัติการไหลของน้ำ (ซึ่งเป็นของไหลชนิดหนึ่ง) ว่าขึ้นกับความดัน ความหนาแน่น และความเร็วของน้ำอย่างไร หลักการของ Bernoulli มีว่า พลังงานทั้งหมดของของไหลที่กำลังเคลื่อนที่จะต้องมีค่าคงตัวตลอดเส้นทางการไหล นั่นคือ = ค่าคงตัว


คุณประโยชน์ที่สำคัญของหลัก Bernoulli นั้นมีมากมาย เช่น ใช้อธิบายความเร็วในการไหลของของเหลวผ่านท่อที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางไม่สม่ำเสมอ (หลอด Venturi) คือ เล็กบ้าง ใหญ่บ้าง ทำให้ได้พบว่า ความเร็วของของเหลวในท่อจะมาก ถ้าความดันในของเหลวมีค่าน้อย และในทางตรงกันข้าม ถ้าความดันมีค่ามาก ความเร็วของของเหลวจะมีค่าน้อย

หลักการเดียวกันนี้ ได้ช่วยให้เราเข้าใจว่าเครื่องบินสามารถบินไปในอากาศได้ ด้วยการออกแบบปีกเครื่องบินให้ส่วนบนของปีกมีลักษณะโค้งลง และส่วนล่างของปีกแบนราบ ทำให้อากาศที่สัมผัสด้านบนของปีกสามารถไหลได้เร็ว และด้านล่างไหลช้า ความดันที่ด้านบนจึงน้อยกว่าความดันที่ด้านล่าง แรงยกจึงเกิดขึ้น ทำให้เครื่องบินสามารถลอยอยู่ในอากาศได้

แต่หลักของ Bernoulli ไม่สามารถนำมาใช้อธิบายปรากฏการณ์ปั่นป่วนได้ เพราะสมการ Bernoulli ไม่สามารถนำไปใช้กับของไหลที่มีจริงในธรรมชาติได้ เพราะของไหลทุกชนิด (ทั้งน้ำและอากาศ) มีสมบัติด้านความหนืด (viscosity) ที่ต่อต้านการไหลของมัน ซึ่ง Bernoulli มิได้นำมาพิจารณา และความหนืดนี้เอง คือ สาเหตุสำคัญที่ทำให้เกิดความปั่นป่วนในของไหล เมื่อของไหลมีความเร็วสูง

ดังจะเห็นได้จากตัวอย่างการไหลของน้ำในท่อ ตั้งแต่เวลาที่เราเริ่มเปิดท่ออย่างช้า ๆ น้ำจะไหลไปในท่ออย่างสม่ำเสมอ เป็นชั้น ๆ (laminar flow) ครั้นเมื่อเปิดท่อจนสุดให้น้ำไหลเต็มที่ น้ำจะไหลเร็วและแรงขึ้น จนทำให้กระแสน้ำไหลอย่างปั่นป่วน สายน้ำจะปรากฏเป็นกระแสวน (eddy/vortex) และถ้ากระแสวนไหลอย่างเป็นระเบียบมันก็จะรวมตัวกันเป็นห้วงน้ำวน (whirlpool) ซึ่งเป็นแอ่งคลื่นขนาดใหญ่ แต่ตามปกติกระแสน้ำวนที่มีขนาดเล็กจะเกิดกระจัดกระจายอย่างไม่สม่ำเสมอ จึงมีอันตรกิริยาต่อกันอย่างไม่เป็นระเบียบ จนไม่มีใครสามารถจะทำนายได้ว่า ลักษณะการไหลของน้ำต่อจากนั้นจะเป็นอย่างไร


ในปี 1882 Claude-Louis Navier (1785-1836) วิศวกรชาวฝรั่งเศส ได้สร้างสมการอนุพันธ์แบบแยกส่วน (partial differential equation) ที่ใช้อธิบายธรรมชาติของเหตุการณ์ปั่นป่วนเป็นครั้งแรก แล้ว George Gabriel Stokes (1819-1903) นักคณิตศาสตร์ชาวอังกฤษ ได้พัฒนาสมการของ Navier จนได้สมการ Navier- Stokes เพื่อใช้อธิบายการไหลแบบปั่นป่วนของของไหลทุกชนิดที่มีสมบัติความหนืด (viscosity)

ณ วันนี้สมการ Navier-Stokes เป็นหนึ่งในหกของสมการที่ยังไม่มีใครสามารถหาคำตอบเป็นสูตรสำเร็จได้ จนทำให้สถาบัน Clay Mathematics Institute ในสหรัฐอเมริกา ได้ตั้งรางวัลเป็นเงิน 1 ล้านดอลลาร์ ซึ่งจะมอบให้แก่คนที่พบวิธีหาคำตอบเป็นสูตรสำเร็จได้เป็นคนแรก

สมการ Navier-Stokes เป็นสมการที่แก้ยากมาก เพราะเป็นสมการที่ไม่เป็นเชิงเส้น (non-linear) (สมการคลื่นในกลศาสตร์ควอนตัมเป็นสมการเชิงเส้น) ใน 3 มิติ ซึ่งมีรูปแบบเป็น


ดังนั้นนักคณิตศาสตร์ที่แก้สมการนี้ได้เป็นคนแรก นอกจากจะได้มีชื่อเสียงอย่างเป็นอมตะนิรันดร์กาลแล้ว ก็ยังได้รับเงินรางวัลอีกหนึ่งล้านดอลลาร์ด้วย เพราะคำตอบที่ได้จะสามารถอธิบายปรากฏการณ์ปั่นป่วนได้ ช่วยพยากรณ์สภาพดินฟ้าอากาศได้ดีขึ้น และช่วยพัฒนาเทคโนโลยีเครื่องยนต์เจ็ทให้มีประสิทธิภาพสูงขึ้นด้วย ฯลฯ

เมื่อความพยายามจะอธิบายรายละเอียดของเหตุการณ์ปั่นป่วนในธรรมชาติเป็นเรื่องที่โคตรยาก ดังนั้นนักวิจัยบางคนจึงเชื่อว่า การศึกษาธรรมชาติของไหลควอนตัม (quantum fluid) อาจจะนำไปสู่การเข้าใจเหตุการณ์ความปั่นป่วนที่เกิดขึ้นในของไหลปกติได้

เพราะความปั่นป่วนในของไหลปกตินั้น เกิดจากการมีความเสียดทานระหว่างของไหลกับวัตถุ ขณะของไหลมีความเร็วสูงเกินค่าๆ หนึ่ง จากนั้นการเคลื่อนที่แบบสะเปะสะปะของกระแสวน (eddy) ก็จะเกิดขึ้น ซึ่งจะทำให้วัตถุที่อยู่ในของไหลสูญเสียสภาพการทรงตัว


ดังนั้นนักคณิตศาสตร์ที่แก้สมการนี้ได้เป็นคนแรก นอกจากจะได้มีชื่อเสียงอย่างเป็นอมตะนิรันดร์กาลแล้ว ก็ยังได้รับเงินรางวัลอีกหนึ่งล้านดอลลาร์ด้วย เพราะคำตอบที่ได้จะสามารถอธิบายปรากฏการณ์ปั่นป่วนได้ ช่วยพยากรณ์สภาพดินฟ้าอากาศได้ดีขึ้น และช่วยพัฒนาเทคโนโลยีเครื่องยนต์เจ็ทให้มีประสิทธิภาพสูงขึ้นด้วย ฯลฯ

เมื่อความพยายามจะอธิบายรายละเอียดของเหตุการณ์ปั่นป่วนในธรรมชาติเป็นเรื่องที่โคตรยาก ดังนั้นนักวิจัยบางคนจึงเชื่อว่า การศึกษาธรรมชาติของไหลควอนตัม (quantum fluid) อาจจะนำไปสู่การเข้าใจเหตุการณ์ความปั่นป่วนที่เกิดขึ้นในของไหลปกติได้

เพราะความปั่นป่วนในของไหลปกตินั้น เกิดจากการมีความเสียดทานระหว่างของไหลกับวัตถุ ขณะของไหลมีความเร็วสูงเกินค่า ๆ หนึ่ง จากนั้นการเคลื่อนที่แบบสะเปะสะปะของกระแสวน (eddy) ก็จะเกิดขึ้น ซึ่งจะทำให้วัตถุที่อยู่ในของไหลสูญเสียสภาพการทรงตัว


แต่กรณีความปั่นป่วนในของไหลควอนตัมที่เป็นของเหลวยวดยิ่ง (superfluid) เช่น helium-3 ที่ไม่มีแรงหนืดต้านใด ๆ ดังนั้นเหตุการณ์ปั่นป่วนมักจะเกิดเวลากระแสวนเคลื่อนที่อย่างมีระเบียบ จึงไม่เป็นเรื่องยากมาก ที่นักคณิตศาสตร์จะสร้างแบบจำลอง เพื่ออธิบายปรากฏการณ์นี้ แต่ helium-3 จะกลายเป็นของเหลวยวดยิ่งได้ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 0.0025 เคลวิน ซึ่งจะทำให้มันสามารถไหลโดยปราศจากจากแรงหนืดใด ๆ มาต้าน การไม่มีเทอมสุดท้าย (viscous term) ในสมการ Navier-Stokes จึงทำให้นักคณิตศาสตร์สามารถแก้สมการ Navier-Stokes ได้การทดลองที่มหาวิทยาลัย Helsinki ใน Finland และที่มหาวิทยาลัย Lancaster ในอังกฤษ เมื่อปี 2017 ได้แสดงให้เห็นว่า อุณหภูมิ คือ ปัจจัยสำคัญที่ทำให้เกิดเหตุการณ์ปั่นป่วน และอุณหภูมินี้ขึ้นกับชนิดของของไหล

ความรู้นี้ยังช่วยให้นักเอกภพวิทยาสามารถเข้าใจเหตุการณ์ความปั่นป่วนที่ได้เกิดขึ้นขณะเอกภพถือกำเนิดใหม่ ๆ ว่า มีผลต่อโครงสร้างของเอกภพในเวลาต่อมาอย่างไร

งานวิจัยที่ทำในการแก้สมการ Navier-Stokes เพื่อหาสูตรสำเร็จนั้น นักวิจัยได้กำหนดเทอมที่แสดงแรงหนืดให้มีค่าน้อย ๆ โดยให้เป็นเทอมรบกวน (perturbation term) ในสมการหลัก ด้านนักทดลองก็พยายามหาเงื่อนไขที่ทำให้เหตุการณ์การปั่นป่วนหยุด ด้วยการลดอุณหภูมิของ helium-3 จนใกล้จะถึง 0.0025 K ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่ helium-3 เปลี่ยนสภาพจากจากของเหลวปกติ เป็นของเหลวยวดยิ่ง

เรื่อง Quantum Turbulenceจึงกำลังเป็นหัวข้อวิจัยที่ร้อนแรงหัวข้อหนึ่ง ซึ่งถ้าใครหาคำตอบได้ พระเจ้าก็คงจะใช้คำตอบนั้น ตอบข้อสงสัยของ Heisenberg ได้

อ่านเพิ่มเติมจาก
Galantucci, L.; Barenghi, C. F.; Parker, N. G.; Baggaley, A. W. (2021-04-06). "Mesoscale helicity distinguishes Vinen from Kolmogorov turbulence in helium-II". Physical Review B. 103 (14): 144503. arXiv:1805.09005. Bibcode:2021PhRvB.103n4503G. doi:10.1103/PhysRevB.103.144503. S2CID 234355425


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

อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" ได้ทุกวันศุกร์
กำลังโหลดความคิดเห็น