แรงพื้นฐานในธรรมชาติมีอะไรบ้าง ?
ความเปลี่ยนแปลงของธรรมชาติอันหลากหลายซับซ้อน เป็นผลจากแรงต่างๆมากมาย เช่น แรงลม แรงเสียดทาน แรงสั่นสะเทือน แรงเคลื่อนไฟฟ้า ฯลฯ แต่ไม่ถึงร้อยปีมานี้ นักฟิสิกส์เพิ่งจะค้นพบว่าแรงทั้งหมดทั้งปวงที่มนุษย์รู้จัก ล้วนแล้วแต่เป็นผลมาจากแรงพื้นฐาน (fundamental interaction) ทั้งหมด 4 แรง
บทความนี้จะพาทุกท่านไปพบกับแรงพื้นฐานทั้ง 4 ที่ขับเคลื่อนความเปลี่ยนแปลงของเอกภพกันครับ
1.แรงโน้มถ่วง (Gravitational Interaction) เป็นแรงพื้นฐานที่เกิดจากมวล แรงดังกล่าวทำให้ดาวฤกษ์เป็นทรงกลม ,ทำให้ดาวฤกษ์ในกาแล็กซีเกาะกลุ่มกันได้ , ทำให้ดาวเคราะห์โคจรไปรอบๆดาวฤกษ์ และดึงดูดร่างกายของมนุษย์เราให้อยู่บนผิวโลก
ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (General relativity) ของไอน์สไตน์ประสบความสำเร็จอย่างงดงามในการอธิบายผลที่เกิดจากแรงโน้มถ่วง แต่เมื่อมองในระดับควอนตัม นักฟิสิกส์กลับพบปัญหาทางคณิตศาสตร์จนไม่สามารถคำนวณอะไรออกมาได้ ปัญหาดังกล่าวกลายเป็นหนึ่งในความท้าทายสูงสุดที่นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีกำลังเผชิญอยู่
แม้ว่าแรงโน้มถ่วงจะส่งผลต่อโครงสร้างในภาพรวมของเอกภพและส่งผลต่อชะตาชีวิตของเอกภพ แต่เมื่อเทียบกับแรงอื่นๆแล้ว มันกลับมีค่าอ่อนมากๆ ตัวอย่างคลาสสิกคือ เมื่อเรานำไม้บรรทัดพลาสติกมาถูกับเส้นผมแห้งๆบนหัวเราหลายๆครั้ง ปรากฏการณ์ไฟฟ้าสถิตบนไม้บรรทัดสามารถดูดเศษกระดาษชิ้นเล็กๆให้ลอยได้ นั่นก็หมายความว่า ประจุไฟฟ้าบนไม้บรรทัดเล็กๆเอาชนะแรงโน้มถ่วงจากโลกทั้งใบได้
คำถามที่ว่าทำไมแรงโน้มถ่วงจึงอ่อนที่สุดในบรรดาแรงทั้งหมดเป็นอีกหนึ่งคำถามที่นักฟิสิกส์พยายามค้นหาคำตอบกันอยู่
2. แรงแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Interaction)
แรกเริ่มเดิมที มนุษย์สังเกตเห็นว่าแรงแม่เหล็กเกิดจากสารที่มีสภาพแม่เหล็ก ส่วนแรงไฟฟ้าเกิดจากประจุไฟฟ้า แต่ต่อมานักฟิสิกส์พบว่าแรงที่แตกต่างกันทั้งสองแรงนี้ แท้จริงเป็นแรงอย่างเดียวกันที่ถูกมองคนละมุมเท่านั้น ทุกวันนี้จึงถูกเรียกรวมกันว่า แรงแม่เหล็กไฟฟ้า
แรงหลายอย่างที่เราพบเห็นในชีวิตประจำวัน ถ้าไม่ใช่แรงโน้มถ่วงก็มักจะเป็นแรงแม่เหล็กไฟฟ้า
-แรงเสียดทานเกิดขึ้นเมื่อวัตถุสองอย่างเสียดสีกัน เมื่อมองอย่างลึกซึ้งจะพบว่ามันคือ แรงแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่างอิเล็กตรอนที่ผิวสัมผัสทั้งสอง , แรงเคลื่อนไฟฟ้าที่ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าก็เป็นผลมาจากแรงนี้ , แรงของสปริงที่ดีดตัวออก ก็เป็นผลมาจากแรงแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่างพันธะเคมีของอนุภาคที่ประกอบขึ้นเป็นสปริง , แรงที่ทำให้เกิดปฏิกริยาเคมีทุกปฏิกิริยาก็เป็นผลมาจากแรงพื้นฐานนี้เช่นเดียวกัน
แรงพื้นฐานสองแรงแรกนั้น เราสามารถทำความเข้าใจและสังเกตผลของมันได้ไม่ยาก เพราะมันเป็นแรงที่ทำให้เกิดปรากฏการณ์ต่างๆในชีวิตประจำวัน แต่อีกสองแรงที่ยังไม่ได้กล่าวถึงนั้นเพิ่งได้รับการค้นพบได้ไม่ถึงร้อยปี และเป็นแรงที่ส่งอิทธิพลในระยะใกล้มากๆทำให้มนุษย์เราไม่ได้สัมผัสถึงพวกมันโดยตรงได้เลย ธรรมชาติพื้นฐานของแรงสองอย่างหลังจึงค่อนข้างซับซ้อนและจับต้องยาก ดังนั้นถ้าอ่านแล้วงงๆบ้างก็ไม่เป็นไรนะ
การแผ่รังสีเบตา เกิดจากแรงอย่างอ่อน
3.แรงอย่างอ่อน (weak interaction)เป็นแรงที่ทำให้ธาตุกัมมันตรังสีเกิดการแผ่รังสีเบตาและส่งผลต่ออนุภาคอย่างนิวตริโน มันเป็นแรงพื้นฐานที่น่าสนใจมาก แต่ธรรมชาติของมันมีความซับซ้อนจนยากจะอธิบายให้ครบถ้วนได้
ความซับซ้อนประการสำคัญอยู่ที่ธรรมชาติของสนามแรงดังกล่าวเป็นอนุภาคที่มีมวล แตกต่างจากสนามของแรงพื้นฐานอื่นๆ นอกจากนี้มันยังเป็นแรงเพียงอย่างเดียวที่ละเมิดสมมาตรแพริตี ( parity-symmetry) และ สมมาตรประจุ-พริตี (CP symmetry) ด้วย นักฟิสิกส์จำนวนหนึ่งเชื่อว่ามันเป็นแรงที่มีส่วนสำคัญที่ทำให้เกิดความไม่สมมาตรระหว่างสสารและปฏิสสารในเอกภพ พูดง่ายๆว่ามันอาจจะเป็นตัวการที่ทำให้เอกภพมีสสาร แทนที่จะเป็นปฏิสสาร
อย่างไรก็ตาม ทฤษฎีอิเล็กโทรวีค อธิบายว่าแท้จริงแล้วที่ระดับพลังงานสูงๆ แรงแม่เหล็กไฟฟ้าและแรงอย่างอ่อนนั้น เป็นแรงอย่างเดียวกัน เรียกว่า แรงอิเล็กโทรวีค แต่ปรากฏการณ์ธรรมชาติทั่วไปที่เราพบเห็นอยู่ในระดับพลังงานต่ำ แรงอิเล็กโทรวีคจะสูญเสียสมมาตรแล้วแยกออกเป็นแรงแม่เหล็กไฟฟ้าและแรงอย่างอ่อนอย่างที่เราสังเกตได้ นอกจากนี้ กระบวนการฮิกส์ยังอธิบายได้ด้วยว่าในระหว่างการสูญเสียสมมาตรนั้น อนุภาคสนามของแรงอย่างอ่อนมีมวลได้อย่างไร
ควาร์กที่ประกอบเป็นโปรตอนและนิวตรอน
4.แรงอย่างเข้ม (Strong interaction) เป็นแรงที่ทำให้ควาร์ก ซึ่งเป็นอนุภาคมูลฐานของเอกภพ ยึดเกาะกันอย่างแน่นหนาเหนียวหนึบ
สมัยก่อนนักฟิสิกส์ เชื่อว่าอย่างนุภาคอย่าง โปรตอน นิวตรอน เมซอน ฯลฯ เป็นอนุภาคมูลฐานที่ไม่มีโครงสร้าง ในเวลาต่อมานักฟิสิกส์พบว่าแท้จริงแล้วพวกมันประกอบขึ้นจากควาร์ก แต่แรงอย่างเข้มมีค่ามากที่สุดในบรรดาแรงพื้นฐาน ทำให้ควาร์กถูกยึดเหนี่ยวเข้าด้วยกันแน่นมากจนยากจะ ‘แกะ’ มันออกมาดู
ประจุของแรงอย่างเข้มในควาร์ก เรียกว่า ประจุสี (Color charge) ได้แก่ แดง(Red) เขียว(Green) น้ำเงิน(Blue) ส่วนปฏิควาร์กจะมีประจุสีตรงข้ามเรียกว่า antired, antigreen, และ antiblue
ที่กล่าวมานี้ไม่ได้หมายความว่าควาร์กมีสีสันในแบบที่เรารับรู้ด้วยดวงตา แต่กฎบางอย่างของมันอธิบายได้ด้วยธรรมชาติของสี โดยควาร์กเวลามารวมกันจะต้องรวมให้ไม่มีสีเสมอ เช่น โปรตอนและนิวตรอน ประกอบด้วยควาร์ก 3 ตัว ที่มีประจุสีเป็น แดง เขียว น้ำเงิน ซึ่งรวมแล้วได้สีขาว(ไม่มีสี) ส่วนอนุภาคกลุ่มเมซอน ประกอบด้วยควาร์กและปฏิควาร์ก ที่มีสีตรงข้ามกันเสมอ จึงหักล้างออกมาได้ไม่มีสีเช่นกัน
หนึ่งในความฝันสูงสุดของนักฟิสิกส์ คือ การอธิบายแรงทั้งหมดไว้ด้วยกรอบทฤษฎีเดียวกันได้ ซึ่งในอนาคตผมจะเล่าให้ฟังว่าปัจจุบันความพยายามดังกล่าวเดินทางมาถึงจุดไหนแล้วครับ
- 39
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
