เราคือใคร? สิ่งต่างๆ ประกอบเป็นตัวเราหรือสิ่งรอบๆ ตัวเราได้อย่างไร?
หลายคนที่ใช้ชีวิตกันบนโลกใบนี้ เราเกิดมาเห็นสิ่งต่างๆ รอบตัวเรา เราเห็นดวงดาว เห็นต้นไม้ เห็นสิ่งปลูกสร้างต่างๆ เห็นสัตว์หลากหลายชนิด ทั้งที่มีชีวิตและไม่มีชีวิต ทั้งที่มองเห็นด้วยตาหรือมองไม่เห็นด้วยตาเปล่า อาจจะต้องใช้กล้องจุลทรรศน์ดู เช่น จุลินทรีย์ แบคทีเรีย และไวรัส เป็นต้น จนกระทั่งสิ่งที่เล็กที่สุดที่ไม่สามารถแบ่งแยกได้อีก โดยการค้นพบทางวิทยาศาสตร์ที่ซับซ้อน แล้วเคยสงสัยไหมว่าเกิดสิ่งเหล่านี้ขึ้นมาได้อย่างไร นักวิทยาศาสตร์พยายามค้นหาสิ่งต่างๆ เหล่านั้น พยายามแยกส่วนที่ประกอบกันขึ้นเป็นสิ่งต่างๆ เหล่านี้ โดยการหาสิ่งที่เล็กที่สุดที่ประกอบเป็นตัวเราหรือสิ่งต่างๆ รอบตัวเราขึ้น และสิ่งต่างๆ รอบตัวเราทั้งหมดเหล่านี้เราเรียกว่า สสาร (Matter) เราจะมาดูกันว่าสสารเรานี้คืออะไร เกิดขึ้นมาได้อย่างไร บางอย่างอาจจะเข้าใจได้ยากหรืออาจจะขัดกับจิตสำนึกของคนทั่วไป แต่จะอธิบายตามหลักวิทยศาสตร์ บางอย่างอาจจะไม่ค่อยคุ้นหูกัน แต่จะพยายามอธิบายให้เข้าใจง่าย
เราจะเริ่มต้นที่ สสาร (Matter) ในระดับรากฐานที่สุดหรือระดับที่เล็กที่สุดที่ไม่สามารถแบ่งแยกได้อีกแล้ว สสารจะประกอบด้วยอนุภาคมูลฐานหรือที่แบ่งไม่ได้อีกแล้ว ซึ่งเรียกว่า ควาร์ก (Quark) และเลปตอน (Lepton) เป็นชั้นของอนุภาคมูลฐานที่มีอิเล็กตรอนอยู่ ควาร์กจะรวมกันเป็นโปรตอนและนิวตรอน และรวมกับกับอิเล็กตรอนจะก่อตัวเป็นอะตอมของธาตุในตารางธาตุ เช่น ไฮโดรเจน (H) ออกซิเจน (O) คาร์บอน (C) และเหล็ก (Fe) เป็นต้น อะตอมอาจรวมกันเป็นสารประกอบและโมเลกุล เช่น ก๊าซออกซิเจน (O2) ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) น้ำ (H2O) โซเดียมคลอไรด์หรือเกลือแกง (NaCl) เป็นต้น อะตอมหรือโมเลกุลกลุ่มใหญ่จะกลายเป็นสิ่งต่างๆ รอบตัวในชีวิตประจำวันของเราจนกระทั่งกลายเป็นตัวของเรานั่นเอง
สสารเป็นสิ่งจับต้องได้และไม่ได้ โดยมีสมบัติแตกต่างกันขึ้นอยู่กับสถานะทางกายภาพและทางเคมี แม้ว่าจะมีหลายสถานะที่เรารู้จักกันในทางวิทยาศาสตร์ แต่ก็ไม่ง่ายที่จะให้ความหมายที่ถูกต้องเที่ยงตรงเกี่ยวกับสสาร ในกรอบความความคิดเดิมเราจะมองว่าสสารอาจจะเป็นสิ่งที่สามารถจับต้องได้เหมือนกับเราหยิบส้มขึ้นมาแล้วมองเห็นส้มแล้วก็สามารถกินมันได้ แต่วิทยาศาสตร์ยุคใหม่นำเราเข้าสู่การเปลี่ยนแปลงครั้งยิ่งใหญ่เมื่อทฤษฎีและการทดลองทางวิทยาศาสตร์ทำให้เราค้นพบว่า สสารไม่มีขอบเขต กล่าวคือ อนุภาคมูลฐานบางตัวไม่มีปริมาตรคือไม่มีเนื้อสารนั่นเองแต่ว่ามีมวล อาจจะขัดต่อจิตสำนึกของเราว่าสิ่งที่ไม่มีขนาดปริมาตรแต่มีมวล แสดงว่ามันต้องไม่มีขอบเขตด้วย และในเอกภพของเราอาจจะมีสสารที่เราไม่รู้จักอีกมากมาย เช่น สสารมืด (Dark Matter) นักวิทยาศาสตร์พยายามศึกษาสสารเหล่านั้นว่ามเกิดขึ้นได้อย่างไร
ถ้าเราพูดถึงสสารที่เราสามารถจับต้องได้หรือคุ้นเคยในชีวิตประจำวันของเรา สสารอาจปรากฏได้หลายสถานะ สถานะของสสารจะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและเงื่อนไขต่างๆ ตัวอย่างเช่น ที่อุณหภูมิห้องทองคำจะมีสถานะเป็นของแข็ง น้ำจะมีสถานะเป็นของเหลว และไนโตรเจนมีสถานะเป็นก๊าซ กำหนดโดยลักษณะเฉพาะบางประการ กล่าวคือ ของแข็งจะมีรูปร่างที่ชัดเจน ส่วนของเหลวจะมีรูปร่างตามสภาพภาชนะที่บรรจุ และก๊าซเมื่อเติมภาชนะบรรจุจะฟุ้งกระจายทั่วภาชนะทั้งหมดแบบที่ไม่มีรูปแบบแน่นอน สถานะเหล่านี้สามารถแบ่งออกเป็นกลุ่มย่อยได้อีก ตัวอย่างเช่น ของแข็งอาจแบ่งออกเป็นสิ่งที่มีโครงสร้างเป็นผลึก (Crystalline) หรืออสัณฐาน (Amorphous) หรือเป็นโลหะ (Metallic) ไอออนิก (Ionic) โควาเลนต์ (Covalent) หรือโมเลกุลของแข็ง (Molecular solids) โดยอาศัยชนิดของพันธะที่ยึดอะตอมที่เป็นส่วนประกอบเข้าด้วยกัน และยังมีสสารที่มีสถานะไม่ชัดเจนได้แก่ พลาสม่า (Plasma) ซึ่งเป็นก๊าซที่แตกตัวเป็นไอออนที่อุณหภูมิสูงมาก เช่น ดวงอาทิตย์จะเกิดสถานะพลาสม่าอยู่เสมอ
นักฟิสิกส์และนักวิทยาศาสตร์ถกเถียงกันว่าสสารและมวลเกิดมาได้อย่างไร การอธิบายต่างๆ โยงไปจนถึงว่าแล้วเอกภพเราเกิดมาได้อย่างไร แน่นอนว่านักฟิสิกส์พยายามตั้งสมมติฐานและทฤษฎีเกี่ยวกับการกำเนิดเอกภพหลากหลายทฤษฎี แต่ที่ยอมรับการในวงการวิทยาศาสตร์ปัจจุบันคือ ทฤษฎีบิ๊กแบง (Big Bang) เป็นการระเบิดครั้งยิ่งใหญ่ ก่อนหน้าการเกิดบิ๊กแบงเอกภพเรามีแต่ความว่างเปล่าแล้วก็เกิดการระเบิดขึ้นเป็นจุดเริ่มต้นของการนับเวลา ช่วงแรกทำนายว่า อนุภาคมูลฐานต่างๆ ยังแยกกันอยู่ พอเวลาผ่านไปค่อยรับจับตัวกันกลายเป็นอะตอม คำถามคือทำไมมันระเบิดและก่อนหน้านั้นมีอะไรอยู่ นักฟิสิกส์และนักดาราศาสตร์พยายามอย่างเต็มที่เพื่อที่จะค้นหาจุดกำเนิดของเอกภพ และในการค้นพบอนุภาคมูลฐานต่างๆ พบว่า บางอนุภาคมีมวล แต่บางอนุภาคทำไม่มีมวล แล้วพวกมันได้รับมวลสารมาได้อย่างไร ทฤษฎีและการทดลองต่างๆ ทางฟิสิกส์ได้พยายามหาคำตอบ โดยใช้การพัฒนารูปแบบทางทฤษฎีและการทดลองเพื่อที่จะหาคำตอบต่างๆ เหล่านั้น
อย่างไรก็ตามสสารทุกประเภทมีจะสมบัติพื้นฐานของความเฉื่อย ตามที่กฎการเคลื่อนที่ของไอแซก นิวตัน (Isaac Newton) เพื่อพยายามให้สสารรักษาสภาพเปลี่ยนสภาวะการเคลื่อนที่หรือหยุดนิ่ง สมบัติของสสารนี้จะเรียกว่า มวลเฉื่อย (Inertia mass) และสมบัติอีกประการหนึ่งก็คือ มวลโน้มถ่วง (Gravitational mass) โดยที่ทุกตำแหน่งบนจักรวาลทำหน้าที่ดึงดูดกันและกันตามที่นิวตันระบุไว้เป็นครั้งแรก และต่อมาได้รับการพัฒนาเป็นรูปแบบแนวคิดใหม่โดยอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein)
แม้ว่าแนวคิดพื้นฐานเกี่ยวกับสสารจะย้อนกลับไปถึงนิวตันและก่อนหน้านี้ถึงปรัชญาธรรมชาติของอริสโตเติล (Aristotle) แต่ความเข้าใจเพิ่มเติมเกี่ยวกับสสารพร้อมกับปริศนาใหม่ๆ เริ่มปรากฏขึ้นในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 โดยทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของไอน์สไตน์ ในปี 1905 แสดงให้เห็นว่าสสาร (เป็นมวล) และพลังงานสามารถแปลงค่ากันได้ตามสมการที่มีชื่อเสียงของไอน์สไตน์คือ E = mc2 โดยที่ E คือพลังงาน m คือมวลและ c คือความเร็วของแสง ตัวอย่างเช่น การเปลี่ยนแปลงนี้เกิดขึ้นระหว่างนิวเคลียร์ฟิชชันซึ่งนิวเคลียสของธาตุหนัก เช่น ยูเรเนียมแตกออกเป็นสองส่วนของมวลรวมที่เล็กกว่าโดยความแตกต่างของมวลจะถูกปลดปล่อยออกมาเป็นพลังงาน และยังมีทฤษฎีความโน้มถ่วงของไอน์สไตน์หรือที่เรียกว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ในปี 1916 ใช้เป็นศูนย์กลางในการตั้งสมมติฐานเกี่ยวกับความเท่าเทียมที่สังเกตได้จากการทดลองของมวลเฉื่อยและมวลโน้มถ่วง และแสดงให้เห็นว่าแรงโน้มถ่วงเกิดขึ้นจากการบิดเบือนที่สสารนำเข้าสู่ความต่อเนื่องของเวลาและอวกาศโดยรอบ
แนวคิดของสสารมีความซับซ้อนมากขึ้นโดยกลศาสตร์ควอนตัม ซึ่งมีรากฐานมาจากคำอธิบายของแม็กซ์ แพลงค์ (Max Planck) ในปี 1900 เกี่ยวกับสมบัติของการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่ปล่อยออกมาจากร่างกายที่ร้อน ในมุมมองของควอนตัมอนุภาคมูลฐานมีพฤติกรรมเหมือนลูกบอลเล็กๆ และเหมือนคลื่นที่แผ่ออกไปในอวกาศ ซึ่งเป็นความขัดแย้งที่ดูเหมือนจะยังไม่ได้รับการแก้ไขอย่างเต็มที่ ความซับซ้อนเพิ่มเติมในความหมายของสสารมาจากการสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์ที่เริ่มขึ้นในปี 1930 และนั่นแสดงให้เห็นว่าส่วนใหญ่ของจักรวาลประกอบด้วย "สสารมืด" วัสดุที่มองไม่เห็นนี้ไม่ส่งผลกระทบต่อแสงและสามารถตรวจจับได้ผ่านผลกระทบจากแรงโน้มถ่วงเท่านั้น ยังไม่ได้กำหนดลักษณะเฉพาะโดยละเอียด
ในทางกลับกันด้วยการค้นหาทฤษฎีสนามที่เป็นเอกภาพร่วมสมัยซึ่งจะวางปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคมูลฐานสามในสี่ประเภท (แรงอย่างเข้ม แรงอย่างอ่อน และแรงแม่เหล็กไฟฟ้า โดยไม่รวมแรงโน้มถ่วง) ภายในแนวความคิดเดียว กรอบนักฟิสิกส์อาจจะอธิบายที่มาของมวล แม้ว่าทฤษฎีเอกภาพยิ่งใหญ่ (Grand Unified Theory, GUT) จะยังไม่น่าเชื่อถือ แต่องค์ประกอบหนึ่งคือทฤษฎีอิเล็กโตรวีค (Electroweak) ของเซลดอน กลาสฮาว (Sheldon Glashow), อาฟดาส ซาแลม (Abdus Salam) และสตเฟ่น เวนเบร์ก (Steven Weinberg) ผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์นี้ในปี 1979 ทำนายว่าอะตอมย่อยระดับมูลฐาน อนุภาคที่เรียกว่า ฮิกส์โบซอน (Higg boson) สร้างมวลให้กับอนุภาคมูลฐานที่รู้จักกันทั้งหมด หลังจากหลายปีของการทดลองโดยใช้เครื่องเร่งอนุภาคที่ทรงพลังที่สุดในที่สุด นักวิทยาศาสตร์ก็ประกาศในปี 2012 ถึงการค้นพบฮิกส์โบซอน
ดังนั้นสิ่งที่ประกอบเป็นตัวเราหรือสิ่งรอบๆ ตัวเราขึ้นมานั้น จุดกำเนิดเริ่มจากทฤษฎีบิ๊กแบง และกำเนิดอนุภาคมูลฐานขึ้นมา และอนุภาคเหล่านั่นได้รับมวลสารจากทฤษฎีสนามของฮิกส์ และเริ่มจับตัวกันกลายเป็นอะตอม อะตอมจับตัวรวมกันเป็นสารประกอบและโมเลกุล แล้วมีวิวัฒนาการจนมาเป็นสิ่งต่างๆ รอบตัวเรา ทั้งที่เป็นสิ่งมีชีวิตและไม่มีชีวิตซึ่งมีความเกี่ยวข้องกันอย่างแยกกันไม่ออก สิ่งมีชีวิตต่างๆ อาจจะเริ่มจากเซลล์เดียว และเป็นหลายเซลล์ที่ซับซ้อน จนกำเนิดเป็นสิ่งมีชีวิตขึ้นมา สิ่งทั้งหลายเหล่านั้นมีความสัมพันธ์กันอย่างมีนัยสำคัญ มีความหลายหลายที่มนุษย์พยายามค้นหาและทำความเข้าใจกับสิ่งต่างๆ เหล่านี้
Credit:
Raymond A. Serway et al. “Physics for Scientists and Engineers 6th Edition”. 2004.
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
