Blockdit Logo (Mobile)
Antfield
•
13 มิ.ย. 2020 เวลา 15:26 • วิทยาศาสตร์ & เทคโนโลยี
นักวิทยาศาสตร์ประสบความสำเร็จในการสร้างสสารในสถานะที่ 5 หรือ Bose-Einstein condensates บนสถานีอวกาศนานาชาติได้เป็นครั้งแรก 🧐👍
ซึ่งจะช่วยให้เรามีความเข้าใจถึงสถานะพิเศษของสสารเมื่อมีอุณหภูมิเข้าใกล้ศูนย์องศาสัมบูรณ์นี้
ISS ที่มีตาพายุใต้ฝุ่นเป็นฉากหลัง ส่วนอีกรูปเป็นภาพร่างของ atom chip ที่ใช้ในงาน NASA’s Cold Atom Laboratory (CAL)
ก่อนเล่าถึงความสำเร็จในการทดลองนี้ หลายคนอาจสงสัยว่าสถานะที่ 5 ของสสารคืออะไรแล้วสถานะที่ 4 ละ?
ปกติสถานะของสสารที่เรารับรู้และสังเกตุได้คือ ของแข็ง ของเหลวและก๊าซ แต่เมื่ออะตอมของก๊าซได้รับพลังงานมากขึ้นไปเรื่อย ๆ จนอิเล็กตรอนที่อยู่ในอะตอมหลุดออกมาเป็นอิเล็กตรอนอิสระ ก็เกิดเป็นสถานะพิเศษที่เรียกว่าพลาสมา ก๊าซที่นำไฟฟ้า
ความสัมพันธ์ด้านพลังงานกับสถานะทั้ง 4 ของสสาร โดย Enthalpy คือผลรวมของพลังงานภายในกับผลรวมของความดันกับปริมาตรของสสาร
ตัวอย่างที่เห็นอยู่ทุกวันของก้อนพลาสมาก็คือดวงอาทิตย์นั่นเอง เพราะนั่นคือก้อนพลาสมาของก๊าซไฮโดรเจน
ทีนี้ ถ้าอะตอมของก๊าซบางชนิดที่อยู่ในสภาพเย็นจัด ๆ ในระดับเกือบเท่าศูนย์องศาสัมบูรณ์ละจะเกิดอะไรขึ้น?
ที่สภาวะนี้อะตอมของก๊าซจะมีพฤติกรรมเปลี่ยนไปจนเกิดเป็นสิ่งที่เรียกว่า Bose-Einstein condensates (BEC) หรือที่ถูกเรียกกันว่าเป็นสถานะที่ 5 ของสสาร
ในก๊าซทั่วไปแต่ละอะตอมของก๊าซจะมีพลังงานของตัวเองทำให้พวกมันเคลื่อนที่อย่างอิสระอยู่ในภาชนะ
ซึงถ้าหากอะตอมของก๊าซเหล่านี้เป็น Bose gas ซึ่งเป็นก๊าซในอุดมคติประเภทหนึ่งซึ่งประกอบด้วยอนุภาคประเภทโบซอน (bosons) แล้วนั้นพวกมันจะถือว่ามีพลังงานเท่ากันทุกตัว ณ ขณะเวลาหนึ่ง
เมื่ออุณหภูมิของก๊าซลดต่ำลง ระดับพลังงานก็ลดลง อะตอมเคลื่อนที่ช้าลง แต่ด้วยธรรมชาติทางควอนตัมของอะตอมเหล่านี้ พวกมันจะประพฤติตัวเหมือนเป็นก้อนคลื่นซึ่งทำให้เหมือนกับว่าขนาดของอะตอมมีขนาดใหญ่ขึ้น
และที่อุณหภูมิต่ำมาก ๆ ขนาดของก้อนคลื่นนี้จะเริ่มใหญ่กว่าระยะห่างเฉลี่ยของอะตอม 2 ตัว นั้นหมายความว่าอะตอม 2 ตัวนั้นมีการครอบครองพื้นที่เดียวกันในเวลาเดียวกัน
ซึ่งผิดหลักของการเป็นอนุภาคที่ไม่สามารถครอบครองพื้นที่ซ้อนทับกันในเวลาเดียวกันได้
เมื่ออุณหภูมิต่ำลงไปอีกอะตอมโบซอนแต่ละตัวจะมีระดับพลังงานเท่ากันจนมาอยู่ในสถานะควอนตัมเดียวกันทุกตัว
และเมื่อถึงตอนนั้นพวกมันจะหลอมรวมกันกลายเป็นคลื่นควอนตัมหนึ่งเดียว ที่เรียกว่า Bose–Einstein condensate ซึ่งแน่นอนว่าสสารที่อยู่ในสถานะนี้ย่อมมีพฤติกรรมที่ต่างออกไปจากสถานะอื่น
BEC นี้ถูกทำทายถึงการมีอยู่ตั้งแต่ปี 1925 โดยไอน์สไตน์ หลังจากที่ศึกษาผลงานของ สัตเยนทระ นาถ โพส
Satyendra Nath Bose นักฟิสิกส์ชาวอินเดียชื่อของเขาได้เป็นส่วนหนึ่งของชื่อ Bose–Einstein condensate
แต่กว่าที่นักวิทยาศาสตร์จะยืนยันการมีอยู่ของ BEC ก็ปาเข้าไปในปี 1995
ซึ่งทำให้ทีมนักวิทยาศาสตร์ที่ทำการทดลองยืนยันสถานะของ BEC ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 2001
1
หน้าตาของชุดอุปกรณ์ทดลอง
แต่การศึกษาคุณสมบัติของ BEC นั้นเป็นเรื่องที่ยากมาก ๆ เพราะพวกมันคงสถานะอยู่ได้แค่เสี้ยววินาทีบนโลก
จึงเป็นที่มาของการทำการทดลองสร้าง BEC ขึ้นในสถานีอวกาศนานาชาติ
NASA's Cold Atom Lab หรือ CAL ชุดอุปกรณ์เพื่อการทดลองนี้ถูกส่งขึ้นไปยังสถานีอวกาศนานาชาติในปี 2018
หน้าตาของชุดอุปกรณ์ทดลองอันแสนจะซับซ้อน
จนล่าสุด NASA ได้ตีพิมพ์บทความผลการทดลองสร้าง BEC จากอะตอมของธาตุ rubidium ที่อุณหภูมิ ต่ำกว่า 1 ในล้านล้านองศาเหนือศูนย์องศาสัมบูรณ์ (0 เคลวินหรือ -273.15 องศาเซลเซียส)
ซึ่งสามารถคงสถานะที่ 5 นี้ไว้ได้นานถึง 1.118 วินาที (ฟังดูเหมือนแปบเดียวแต่บนโลกนั้นทำได้ไม่ถึงเสี้ยววินาทีครับ)
CAL ถูกติดตั้งอยู่ในส่วนห้อง Lab ของ ISS
โดย CAL นั้นตั้งเป้าในการสร้าง BEC ที่สามารถคงสถานะได้อย่างน้อย 10 วินาที ซึ่งน่าจะเพียงพอให้นักวิทยาศาสตร์ได้ศึกษาคุณสมบัติของสสารในสถานะนี้
ทั้งนี้นอกจากการควบคุมไม่ให้เกิดการรบกวนจากสิ่งแวดล้อมภายนอกที่ว่ายากแล้ว แรงโน้มถ่วงของโลกก็มีผลทำให้ BEC นี้คงสถานะอยู่ได้ไม่นาน จึงต้องทำการทดลองบนสถานีอวกาศนั่นเอง
นักวิทยาศาสตร์กำลังตรวจความเรียบร้อยของอุปกรณ์ CAL ก่อนส่งขึ้นไปยัง ISS
Bose-Einstein condensates นี้นอกจากจะทำให้เรามีความรู้ความเข้าใจด้านกลศาสตร์ควอนตัมมากขึ้น มันยังมีศักยภาพในการนำมาประยุกต์ใช้เป็นอุปกรณ์ตรวจวัดความไวสูงในการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง หรือพลังงานมืด (Dark Energy)
หรือพัฒนาเป็น accelerometers และ gyroscopes รูปแบบใหม่ รวมถึงเครื่องตรวจจับแผ่นดินไหวความละเอียดสูง
ก็นับเป็นอีกก้าวของสำเร็จที่จะนำไปสู่ความเข้าใจในสาขากลศาสตร์ควอนตัมมากยิ่งขึ้น ไม่แน่ว่าสถานะที่ 5 ของสสารอาจจะมีอะไรให้เราแปลกใจได้มากกว่านี้อีก 😉
เพิ่มช่องทางให้ติดตามกันได้ในเพจ FB นะครับ
โดยใน BD จะเน้นบทความ ส่วน FB จะเน้นเป็น Update ข่าวสารและ Pic of the day 😉

ดูเพิ่มเติมในซีรีส์

โฆษณา