Blockdit Logo (Mobile)
Science Complex
•
10 ก.พ. 2020 เวลา 04:49 • วิทยาศาสตร์ & เทคโนโลยี
SciStory EP4 – ไล่ล่าอนุภาคกราวิตอน
แรงพื้นฐานในธรรมชาติ มีอยู่ด้วยกัน 4 แรง ได้แก่ แรงแม่เหล็กไฟฟ้า แรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน แรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม และโดยเฉพาะแรงโน้มถ่วง เป็นแรงที่เราเข้าใจมันน้อยมากที่สุด ถึงแม้ว่ามนุษย์จะรู้จักแรงนี้มานานก็ตาม
ไอน์สไตน์ให้แนวคิดเกี่ยวกับพลังงานของแสงโดยมองว่าวัตถุที่ร้อนจัดจนปล่อยแสงออกมาจะให้พลังงานในรูปของความถี่แสงเพียงอย่างเดียว ภายหลังแมกซ์ แพลงค์ได้เสนอทฤษฎีการแผ่รังสีของวัตถุดำ (Black Body Radiation) ทฤษฎีของเขาได้กำหนดวัตถุดำเป็นวัตถุที่แผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าหรือดูดซับได้อย่างดีเยี่ยม เช่น ดวงอาทิตย์ เป็นต้น แต่ค่าพลังงานที่ถูกปลดปล่อยมาจะมีเพียงเฉพาะค่าแต่เพียงเท่านั้น (Discrete Amounts) – เฉพาะความถี่และขึ้นกับค่าคงที่ของแพลงค์อีกด้วย
วัตถุดำเปรียบเสมือนเป็นปืนใหญ่ที่ปล่อยลูกปืนออกมาเป็นก้อนพลังงาน (Energy Quanta) ทีละลูก ๆ สังเกตเวลาช่างหลอมเหล็กร้อน เราจะเห็นพลังงานแสงที่แผ่ออกมาเป็นโทนสีเหลือง ส้ม แดง ร้อนมากก็ขาวไปเลย จะไม่มีการไล่สีเหมือนสีรุ้ง เนื่องจากพลังงานที่แผ่ออกมามีได้เฉพาะค่าเท่านั้น
Albert Einstein - เสนอว่าโฟตอนเป็นก้อนพลังงาน โดยพลังงานของมันขึ้นอยู่กับความถี่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
Max Planck - เสนอแนวคิดว่าวัตถุดำจะแผ่รังสีออกมาเป็นค่าไม่ต่อเนื่อง
ต่อมาอาเธอร์ เอช. คอมป์ตัน นักฟิสิกส์ชาวอเมริกันได้ค้นพบปรากฏการณ์คอมป์ตันในปีคริสต์ศักราช 1923 โดยพบว่าโฟตอนจะกระเจิงโดยอนุภาคที่มีประจุอย่างอิเล็กตรอน ภายหลังที่โฟตอนปะทะกับอิเล็กตรอนก็มีพลังงานลดลง – ประเมินจากความยาวคลื่นที่เปลี่ยนไป ทำให้ปรากฏการณ์ของเขาถูกใช้เป็นตัวอย่างของการอธิบายว่าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถประพฤติตัวประหนึ่งเป็นอนุภาคที่ชนอิเล็กตรอนได้
นั่นทำให้โฟตอนมีมวลเช่นนั้นหรือ?
ในปีคริสต์ศักราช 1971 นักฟิสิกส์ 3 ท่าน ได้แก่ William, E. Faller, J และ Hill, H. ได้ทดลองหามวลนิ่ง (Rest Mass) ของโฟตอนโดยใช้กฎแรงระหว่างประจุไฟฟ้าคูลอมบ์เป็นฐาน เพราะเชื่อว่ามวลของโฟตอนต้องมีให้วัดค่าได้บ้าง
3
ผลการทดลองที่เชื่อว่ามีความแม่นยำสูงของนักฟิสิกส์ทั้งสามท่านทำให้เราประเมินได้ว่ามวลของ Photon มีค่าไม่เกิน 10 กำลัง -18 อิเล็กตรอนโวลต์ต่อค่าความเร็วแสงกำลังสอง (เป็นหน่วยมวลอย่างหนึ่งนอกจากกิโลกรัม หรือกรัม) อีกทั้งประเมินได้ว่าโฟตอนมีประจุไม่เกิน 10 กำลัง -35 เท่าของอิเล็กตรอน จะสังเกตได้ว่าทั้งมวลและประจุของโฟตอนมีค่าน้อยมาก จึงทำให้ประมาณได้ว่ามวลและประจุของโฟตอนมีค่าเข้าใกล้ศูนย์
1
Standard Model ของอนุภาคพื้นฐานในธรรมชาติ แต่เดิมเราเชื่อว่าอนุภาคมูลฐานมีเพียง โปรตอน อิเล็กตรอนและนิวตรอน แต่เมื่อนักฟิสิกส์นำโปรตอน หรือนิวตรอนมาวิ่งชนกันโดยเครื่องเร่งอนุภาคกลับพบว่ามีอนุภาคที่เล็กกว่าแตกออกมาหลายชนิดดังตาราง
โฟตอนเป็นหนึ่งกลุ่มอนุภาคพื้นฐานนามว่า Gauge Bosons เป็นอนุภาคสื่อแรงแม่เหล็กไฟฟ้า
ขณะที่อนุภาค W และ Z Bosons เป็นอนุภาคสื่อแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน
และอนุภาค Gluon เป็นอนุภาคสื่อแรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม
สรุปได้ว่าแรงหรืออันตรกิริยาในธรรมชาติเหล่านี้จะมีอนุภาคสื่อกลางเป็นตัวนำพาปฏิสัมพันธ์หรือแรงไปด้วยเสมอ แต่มีปฏิสัมพันธ์หรือแรงอย่างหนึ่งที่ปัจจุบันเรายังไม่ตรวจพบอนุภาคคู่ตัวของมัน นั่นก็คือ
กราวิตอน (Graviton) อนุภาคสื่อแรงโน้มถ่วง (Gravity Force) นั่นเอง
คำว่า กราวิตอน ถูกพูดถึงครั้งแรกโดยนักฟิสิกส์ชาวรัสเซียนามว่า Dmitrii Blokhintsev และ F.M. Gal’perin ในปีคริสต์ศักราช 1934 โดยทั้งสองได้นิยามในผลงานตีพิมพ์ของตัวเอง
กราวิตอน จะมีตัวย่อที่ใช้ในการพูดถึงเป็นตัว G ตามทฤษฎีมีมวลเป็น 0 ค่าสปินเป็น 2 และไม่มีประจุ ทำให้การตรวจพบเป็นเรื่องยาก เท่านั้นยังไม่พอนักฟิสิกส์บางท่านเชื่อว่ากราวิตอนจะเป็นอนุภาคชนิดเดียวที่เราจะสร้างเครื่องมือตรวจวัดไม่ได้ เพราะถ้าจะตรวจจับอนุภาคที่มีมวลน้อยมาก ๆ (คาดว่าน้อยกว่าโฟตอนหลายเท่า) หรือเป็นศูนย์ จะต้องใช้มวลขนาดใหญ่เป็นตัวตรวจจับ
1
แรงแม่เหล็กไฟฟ้า มนุษย์เราสร้างเครื่องมือมาตรวจวัดได้ง่ายกว่า แต่ถ้าจะหากราวิตอนจากปรากฏการณ์ความโน้มถ่วงโดยทั่วไป อาจทำได้ยาก
ในแง่ทฤษฎีสัมพันธภาพทั่วไปมวลจะทำให้กาลอวกาศโค้ง จนเกิดเป็นแรงโน้มถ่วง นั่นหมายถึงว่าแรงโน้มถ่วงเป็นผลจากมวล ถ้าจะหากราวิตอนก็ต้องใช้มวลขนาดใหญ่มาก ๆ ในการตรวจจับมัน (แรงโน้มถ่วงแปรผกผันกับผลคูณระหว่างมวลสองชิ้นขึ้นไป ถ้ามวลก้อนหนึ่งมีขนาดเล็กมาก ๆ มวลอีกก้อนหนึ่งต้องใหญ่มหึมาถึงจะรับรู้ถึงแรงได้)
3
มวลของโลกก็ยังไม่พอ
นักฟิสิกส์เสนอว่าหากต้องการหามวลของกราวิตอนเพื่อยืนยันการดำรงอยู่ของมัน จะต้องใช้มวลของดาวพฤหัสบดีเป็นอย่างน้อย และนำมันไปโคจรรอบดาวนิวตรอนที่มีมวลมหาศาล ทั้งนี้เชื่อว่าทุก ๆ 10 ปี โอกาสตรวจจับจะพบกราวิตอนได้สักครั้งหนึ่ง (แก่ตายเสียก่อน)
ดาวพฤหัสบดี
หรือกล่าวง่าย ๆ ได้ว่าต้องใช้อวกาศเป็นห้องทดลองเลยทีเดียว ฟังดูหมดความหวัง แต่นักฟิสิกส์หรือมนุษยชาติเราไม่เคยยอมแพ้ง่าย ๆ เนื่องจากโฟตอนยังพอมีมวลอยู่บ้าง นั่นหมายถึงมันอาจมีอันตรกิริยากับแรงโน้มถ่วง หรือกราวิตอน นักฟิสิกส์จึงสร้างเครื่อง Interferometer โดยอาศัยการซ้อนทับกันของแสงเลเซอร์ แล้วดูพฤติกรรมของลำแสงที่เปลี่ยนไป เมื่อมีคลื่นความโน้มถ่วงเคลื่อนที่ผ่าน
Virgo และ LIGO เป็นเครื่อง Interferometer ชื่อดังที่หลายคนเริ่มรู้จักกันดี เนื่องจากในเดือนกันยายนปีคริสต์ศักราช 2017 ได้มีการประกาศตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วง (Gravitational Wave) เป็นครั้งที่ห้าจึงคอนเฟิร์มการมีอยู่ของปรากฏการณ์คลื่นความโน้มถ่วงได้ ทำให้ไอน์สไตน์ยิ้มอีกครั้ง เพราะเป็นไปตามทฤษฎีของเขา
นักฟิสิกส์ไม่ได้หวังว่า Virgo และ LIGO จะมาช่วยตรวจหาอนุภาคกราวิตอนได้โดยตรง แต่หวังว่าจะตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงที่ผิดปกติ อันเนื่องมาจากการรบกวนจากกราวิตอน แล้วประเมินย้อนกลับเพื่อประมาณมวลของกราวิตอนได้เข้าสักวัน
บทสรุป
การศึกษาเรื่องแรงในธรรมชาติอย่างแรงแม่เหล็กไฟฟ้า ทำให้เราได้สิ่งประดิษฐ์ที่อาศัยปรากฏการณ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้าอันสุดยอดมามากมาย ไม่ว่าจะเป็นชิปคอมพิวเตอร์ หน่วยประมวลผลต่าง ๆ หรือแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อนอย่างเข้ม ทำให้เราเข้าใจการแผ่รังสีของอะตอม นำไปสู่การสร้างอุปกรณ์ทางการแพทย์ที่เกี่ยวกับรังสีบำบัดหรืออาวุธก็ตาม
หากเราเข้าใจและไขความลับอนุภาคกราวิตอนหรือแรงโน้มถ่วงได้ จินตนาการไม่ออกจริง ๆ ว่ามนุษยชาติอย่างเราจะประดิษฐ์สุดยอดสิ่งประดิษฐ์อะไรออกมา หรือจริง ๆ แล้วกราวิตอนไม่มีอยู่จริง
วรรณกรรมนี้เรียบเรียงโดย Einstein@min | thaiphysicsteacher.com
ติดตามผ่านช่องทางอื่น ๆ ได้ที่

ดูเพิ่มเติมในซีรีส์

โฆษณา