ปฏิสสาร สิ่งที่พระเจ้าไม่เลือกใช้สร้างเอกภพ
ความจริงหลายอย่างในธรรมชาตินั้นลึกลับ เพราะมันไม่ได้ปรากฏให้มนุษย์สังเกตเห็นได้อย่างตรงไปตรงมา อีกทั้งยังไม่สามารถถูกค้นพบด้วยการเดินทางไปสำรวจค้นหาอย่างนักเดินทาง หรือ ทดลองสุ่มๆไปเรื่อยๆ แต่ปรากฏออกมาในรูปแบบคำใบ้ผ่านทางทฤษฎีและคณิตศาสตร์ นำมาซึ่งการออกแบบการทดลองที่เหมาะสมเพื่อค้นหาความจริงนั้นอย่างเจาะจง หรือนำมาซึ่งการอธิบายผลการทดลองอย่างถูกต้อง
ช่วงที่กลศาสตร์ควอนตัมถือกำเนิดขึ้นมาได้ไม่นานนัก
ในปี ค.ศ. 1928 พอล ดิแรก (Paul Dirac) นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษเป็นอัจฉริยะผู้เงียบขรึม ได้สร้างผลงานที่สะเทือนวงการฟิสิกส์ไว้มากมายจนยากจะกล่าให้หมดในบทความเดียว แต่ที่โด่งดังมากๆอย่างหนึ่ง คือ การสร้างสมการเชิงควอนตัมที่สอดคล้องกับทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของไอน์สไตน์ ดิแรกใช้การจัดรูปสมการพลังงานและโมเมนตัมในทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ แล้วเปลี่ยนตัวแปรให้อยู่ในรูปตัวดำเนินการทางคณิตศาสตร์อย่างทฤษฎีควอนตัม ผลลัพธ์ที่ได้เรียกว่า สมการของดิแรก (Dirac equation) ซึ่งมีความซับซ้อนพอสมควร
แต่สมการนี้เจอความท้ามายใหญ่มาก คือ ในการแก้สมการนี้ มีเงือนไขบางอย่างที่เกิดขึ้นตามตรรกะของคณิตศาสตร์ นั่นคือ พลังงานรวมของอนุภาคจะต้องมีทั้งค่าที่เป็นบวกและค่าติดลบ
ในสถานะพลังงานติดลบมีอิเล็กตรอนอยู่จนเต็มหมดแล้ว
แต่ปัญหาคือ พลังงานรวมในเชิงสัมพัทธภาพพิเศษนั้นมีได้แค่ค่าบวกเท่านั้น* อีกทั้งพลังงานติดลบเป็นสิ่งที่ไม่เคยมีการทดลองใดๆตรวจจับได้มาก่อน นอกจากนี้ หลักพื้นฐานของพลังงานชี้ว่าระบบต่างๆมีแนวโน้มจะเปลี่ยนแปลงสู่พลังงานต่ำๆ ดังนั้นอนุภาคอย่างอิเล็กตรอนก็น่าจะเคลื่อนเข้าสู่พลังงานค่าติดลบอนันต์ แล้วคายพลังงานออกมาจนเอกภพไม่สามารถดำรงสภาพอยู่ได้
พลังงานติดลบกลายเป็นปัญหาที่อาจทำให้สมการของดิแรกพังพินาศลงได้ แต่ดิแรกมาพร้อมกับแนวคิดสุดล้ำเพื่อแก้ปัญหาดังกล่าว โดยเขาเสนอว่าสถานะพลังงานติดลบนั้นมีอยู่จริง แต่มันถูกจับจองโดยอิเล็กตรอนลึกลับหมดแล้ว โดยอิเล็กตรอนลึกลับดังกล่าวมีจำนวนมากมายมหาศาลนับอนันต์ราวกับหยดน้ำในท้องทะเล เรียกว่า ทะเลอิเล็กตรอนของดิแรก (Dirac sea) เนื่องจากอิเล็กตรอนเหล่านี้กระจายตัวอย่างสม่ำเสมอและสมดุลจึงไม่มีแรงกระทำต่อกัน ซึ่งทะเลอิเล็กตรอนที่มีพลังงานติดลบเหล่านี้ปรากฏแก่เราในรูปแบบที่ว่างหรือสุญญากาศ
พลังงานกระแทกอิเล็กตรอนอนุภาคหนึ่งให้กระเด็นออกไปจากสถานะพลังงานลบมาอยู่ในสถานะพลังงานบวก ในสถานะพลังงานลบจะมี รู (Hole) เกิดขึ้น
สมมติมีพลังงานมากระแทกอิเล็กตรอนอนุภาคหนึ่งให้กระเด็นออกไปจากสถานะพลังงานลบมาอยู่ในสถานะพลังงานบวก ในสถานะพลังงานลบจะมี รู (Hole) ว่างๆอยู่ ซึ่งรูดังกล่าวจะปรากฏต่อเราเป็นอนุภาคที่มีประจุบวก และมีพลังงานเป็นบวก
ดิแรกเสนอว่า รู ดังกล่าวคือ อนุภาคโปรตอน แต่ต่อมา นักฟิสิกส์คนอื่นๆทำการวิเคราะห์จนพบว่ารูดังกล่าวต้อง มีมวลเท่ากับอิเล็กตรอน แต่มีประจุเป็นบวก ซึ่งนั่นอาจเป็นหายนะของทฤษฎีดิแรก เพราะไม่มีใครค้นพบอนุภาคดังกล่าวเลย
แต่ในปี ค.ศ. 1932 คาร์ล เดวิด แอนเดอร์สัน (Carl David Anderson) ค้นพบอนุภาคที่มีมวลเท่าอิเล็กตรอนพอดี ประจุก็มีค่าเท่าอิเล็กตรอนแต่มีค่าเป็นบวก ตรงกับทฤษฎีของดิแรก มันถูกเรียกว่า โพสิตรอน (positron) **
การค้นพบนี้ดังกล่าวเกิดขึ้นได้ด้วยอุปกรณ์ที่เรียกว่า Cloud chamber หลักการทำงานคือ ใช้ความเย็นทำให้แอลกอฮอล์อยู่ในสถานะไออิ่มตัว เมื่ออนุภาคมีประจุไฟฟ้าพลังงานสูงพุ่งเข้ามาจะชนกับไอดังกล่าว จะเกิดการควบแน่นเป็นหยดเล็กมากๆเหมือนละอองหมอกที่เราสามารถสังเกตเห็นได้ด้วยตาเปล่า ทำให้เกิดเป็นร่องรอยเส้นทางของอนุภาค (แต่หยดของเหลวนั้นจะร่วงลงตามแรงโน้มถ่วงแล้วกลายเป็นไออีกครั้งภายในไม่กี่วินาที) เมื่อเก็บภาพไว้ก็จะนำมาวิเคราะห์ได้ว่าอนุภาคดังกล่าวมีคุณสมบัติอย่างไร
เส้นทางของโพสิตรอน ถูกค้นพบเป็นครั้งแรก
คำถามคือ อิเล็กตรอนพลังงานติดลบมหาศาล ตามแนวคิดของดิแรกนั้นมีอยู่จริงหรือ?
ในเวลาต่อมา สองนักฟิสิกส์ชื่อริชาร์ดไฟน์แมนและ Ernst Stueckelberg ตีความค่าพลังงานติดลบที่ได้จากสมการของดิแรกใหม่ว่า มันคือ ปฏิอนุภาค (antiparticle) ซึ่งมีมวลเท่ากับอนุภาคที่เป็นคู่ของมัน แต่มีประจุไฟฟ้าและคุณสมบัติบางอย่างตรงข้ามกับอนุภาค
การตีความใหม่นี้ ไม่จำเป็นต้องมีทะเลอิเล็กตรอนพลังงานติดลบมหาศาลอย่างที่ดิแรกคิดไว้ตอนแรกแต่อย่างใด ทว่าเมื่อมองย้อนกลับไปที่สมการของดิแรก จะพบว่ามันเป็นการบอกใบ้ถึงความจริงพื้นฐานที่สำคัญอย่างยิ่งของเอกภพ นั่นคือ อนุภาคทุกอย่างที่เรารู้จักล้วนแล้วแต่มีคู่เป็นปฏิอนุภาคเสมอ เช่น อิเล็กตรอน มีปฏิอนุภาคคือ โพสิตรอน (positron) ในปี ค.ศ. 1955 มีการค้นพบปฏิโปรตอน ที่มีมวลเท่ากับโปรตอน แต่มีประจุเป็นลบ และต่อมามีการค้นพบปฏิอนุภาคอื่นๆตามมาเรื่อยๆ
หลายคนอาจสงสัยว่า ปฏินิวตรอน จะแตกต่างจากนิวตรอนธรรมดาหรือไม่ ในเมื่อมันเป็นกลางทางไฟฟ้า คำตอบคือ แม้ว่าปฏินิวตรอนนั้นมีมวลเท่ากับนิวตรอน และมีประจุไฟฟ้าเป็นกลางเช่นเดียวกับนิวตรอน แต่มีเลขบารีออน (baryon number) ตรงข้ามกับนิวตรอน ซึ่งเลขบารีออนเป็นคุณสมบัติที่ฝังอยู่ในอนุภาค (แต่อนุภาคอย่างโฟตอนและ z0 นั้นเป็นปฏิอนุภาคของตัวมันเอง)
ระเบิดปฏิสสาร ถ้าถูกสร้างได้จริงมันจะรุนแรงยิ่งกว่าปรมาณูหลายเท่า
ปัญหาที่ค้างคามาจนถึงตอนนี้คือทำไมเอกภพของเราจึงเต็มไปด้วยอนุภาค ทั้งที่โปรตอน ปฏินิวตรอน และโพสิตรอน ก็ก่อให้เกิดเอกภพได้เหมือนกัน
เรารู้ดีว่าปฏิอนุภาคและอนุภาคไม่สามารถอยู่ร่วมกันได้ เพราะถ้ามันเจอกันจะเกิดการทำลายล้างกลายเป็นพลังงานมหาศาล (ในนิยายวิทยาศาสตร์บางเรื่องจินตนาการถึงระเบิดปฏิสสารที่เมื่อทันทำปฏิกิริยากับสสารทั่วไปจะเกิดการทำลายล้างที่รุนแรงอย่างไม่น่าเชื่อ) นักฟิสิกส์เชื่อบางทีอาจจะมีความไม่สมมาตรบางอย่างเกิดขึ้นในช่วงแรกของเอกภพ ทำให้ปฏิอนุภาคมีน้อยกว่าอนุภาคเล็กน้อย ส่งผลให้การทำลายล้างเกิดขึ้นอย่างไม่สมบูรณ์จนมีเพียงอนุภาคเท่านั้นที่หลงเหลือมาเป็นเอกภพที่เราเห็น
แต่ความจริงลึกๆเป็นอย่างไรนั้น เป็นสิ่งที่นักฟิสิกส์พยายามศึกษากันในหัวข้อที่เรียกว่า Baryon asymmetry ซึ่งยังไม่มีใครตอบได้อย่างชัดเจน ซึ่งเราคงต้องรอนักฟิสิกส์เก่งๆหาคำตอบกันต่อไปในอนาคต
[เสริม]พลังแห่งทฤษฎี ตรรกะ และคณิตศาสตร์ ในยุคก่อนทำให้เราค้นพบดาวเนปจูน และในยุคต่อมา มันยังทำให้เราค้นพบหลุมดำ , คลื่นความโน้มถ่วง ไปจนถึงอนุภาคฮิกส์
*ดูจากสมการก็จะเห็นว่าค่าพลังงานรวมไม่มีทางติดลบได้
** ดิแรกได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี ค.ศ. 1933 ส่วนคาร์ล แอนเดอร์สัน ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี ค.ศ. 1936
- 45
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2025 Blockdit
