มหัศจรรย์แห่งสุญญากาศ
เมื่อที่ว่างไม่ได้ว่างเปล่าอย่างที่คิด
เราใช้คำว่าสุญญากาศในชีวิตประจำวันในหลายๆแง่มุม ทั้งในการเปรียบเปรยสถานการณ์บางอย่าง เช่น สุญญากาศทางการเมือง ไปจนถึง สุญญากาศของหัวใจ อะไรทำนองนั้น อีกทั้งใช้เรียกชื่ออุปกรณ์ต่างๆอย่างเครื่องซีลสุญญากาศ แต่หากมองในมุมวิทยาศาสตร์จะพบว่าแนวคิดเรื่องสุญญากาศนั้นถูกพิจารณา ตีความและเปลี่ยนแปลงนับตั้งแต่ยุคกรีกโบราณมาจนถึงปัจจุบัน
เราเริ่มต้นกันที่แนวคิดพื้นฐานเกี่ยวกับสุญญากาศกันก่อน โดยสุญญากาศหมายถึง ที่ว่างที่ไม่มีสสารใดๆอยู่บริเวณนั้นเลยแม้แต่อากาศ ย้อนไปในยุคกรีกโบราณ นักปราชญ์อย่างอาริสโตเติลเชื่อว่า สุญญากาศนั้นไม่มีจริง เพราะหากสุญญากาศเกิดขึ้น สสารที่อยู่รอบๆมันย่อมถาโถมเข้ามาเติมเต็ม และเขาเชื่อว่าสสารจะเคลื่อนที่ในสุญญากาศด้วยความเร็วเป็นอนันต์ซึ่งไม่น่าจะเป็นไปได้
จะว่าไปก็ไม่น่าแปลกใจนักที่คนในยุคนั้นจะไม่เชื่อว่าสุญญากาศมีจริงเพราะสุญญากาศที่ไม่มีแม้แต่อากาศนั้นเป็นสภาพแปลกประหลาดที่มนุษย์เราไม่เห็นในธรรมชาติรอบตัว นอกจากเสียจากจะใช้อุปกรณ์ที่เหมาะสมสร้างมันขึ้นมา
ก้าวกระโดดสำคัญเกิดขึ้น เมื่อนักฟิสิกส์ ชาวอิตาเลียนชื่อ ทอริเชลลี (Evangelista Torricelli) ศิษย์เอกของกาลิเลโอผู้ศึกษาเรื่องความดันอากาศ สร้างสุญญากาศได้ด้วยการนำปรอทมาใส่หลอดแก้วยาวๆแล้วนำมาคว่ำในอ่างปรอทโดยไม่ให้อากาศไหลเข้าไปได้
สิ่งที่เกิดขึ้นคือด้านบนของหลอดแก้วเกิดเป็นที่ว่างขึ้นมา ซึ่งที่ว่างดังกล่าวนั้นคือ สุญญากาศ จะเห็นได้ว่าการสร้างสภาพสุญญากาศในสมัยก่อนไม่ใช่ง่ายๆ ต้องมีเครื่องแก้วที่ถูกออกแบบมาเป็นอย่างดีและทำการทดลองด้วยเงื่อนไขที่เฉพาะเจาะจงมากทีเดียว
การทดลองของทอริเชลลี
ต่อมา นักประดิษฐ์ อ็อทโท ฟอน เกริคเคอ (Otto von Guericke) นำโลหะครึ่งทรงกลมกลวงหนาๆสองชิ้นมาประกบกันแล้วสูบอากาศออกจนภายในทรงกลมมีสภาพเป็นสุญญากาศ เขาพบว่าทรงกลมโลหะสองชิ้นติดกันแน่นมากถึงขนาดที่แรงของม้าสองตัวดึงไม่ออก
ที่เป็นแบบนี้เพราะอากาศภายนอกมีแรงดันสูงมาก ส่วนภายในทรงกลมทั้งสองเป็นสุญญากาศจึงไม่มีแรงดันเลย แรงดันจากอากาศภายนอกจึงอัดให้ทรงกลมทั้งสองติดกันแน่นมากๆ เราสังเกตเห็นปรากฏการณ์ลักษณะนี้ได้ เช่น จุ๊บสุญญากาศ ที่เป็นพลาสติก เมื่อนำไปประกบเข้ากับผิวเรียบๆอย่างกระจกจะติดแน่นมาก แต่เมื่อประกบกับผิวหยาบๆอย่างผนังปูนจะไม่ติดเพราะอากาศไหลเข้าไปได้
หลายร้อยปีต่อมา นักวิทยาศาสตร์สำรวจสุญญากาศได้มากขึ้นเรื่อยๆด้วยอุปกรณ์ต่างๆที่ถูกสร้างขึ้นมาจนในที่สุดก็มาถึงจุดที่สุญญากาศกลายมาเป็นเทคโนโลยี ตัวอย่างเช่น หลอดสุญญากาศในโทรทรรศน์หรือวิทยุแบบเก่า
การสร้างสภาพสุญญากาศยังนำไปสู่งานวิจัยด้านฟิสิกส์ อย่างอุปกรณ์ Crookes tube ซึ่งเป็นหลอดแก้วที่ภายในบรรจุแก๊สความดันต่ำจนเกือบจะเป็นสุญญากาศที่นำไปสู่การค้นพบอิเล็กตรอนและรังสีเอกซ์
Crookes tube
ในปัจจุบัน งานทางฟิสิกส์มากมายจำเป็นต้องใช้สภาพสุญญากาศในระดับที่เหนือกว่าการสูบอากาศออกแบบทั่วๆไป อย่างท่อของเครื่องเร่งอนุภาค LHC หรือ ท่อของอุปกรณ์ตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง LIGO ก็มีสภาพเป็นสุญญากาศคุณภาพสูงยิ่งกว่าบางพื้นที่ในห้วงอวกาศเสียอีก
ทุกวันนี้เรารู้กันดีว่าพื้นที่ส่วนมากอวกาศนั้นมีสภาพเป็นสุญญากาศ ยิ่งเป็นห้วงอวกาศลึกระหว่างดวงดาวยิ่งมีคุณภาพสูงมาก เอาแค่เนบิวลาที่เราสังเกตเห็นในภาพถ่ายว่าเป็นกลุ่มแก๊สสีสันสวยงามนั้น หลายคนจึงคิดว่าเนบิวลามีความหนาแน่นสูง ทั้งที่จริงๆแล้วเนบิวลาที่เป็นกลุ่มแก๊สนั้นอยู่ในสภาพสุญญากาศยิ่งกว่าในห้องทดลองทั่วไปมากๆ แต่ที่เราเห็นเป็นสีสันต่างๆและดูหนาแน่น เนื่องจากมันกระจายลึกไปในห้วงอวกาศจนเราเห็นว่ามันดูเหมือนจะหนาทึบ
ในตอนนี้เราจะเห็นได้ว่าในทางปฏิบัติ สุญญากาศนั้นมีหลายระดับขึ้นอยู่กับว่าเราพูดถึงสุญญากาศคุณภาพสูงแค่ไหน โดยในแต่ละระดับอาจจะถูกแบ่งได้ด้วยจำนวนอนุภาคสสารที่พบเจอในปริมาตรค่าหนึ่ง ยิ่งพบเห็นอนุภาคน้อยเท่าไหร่ก็ยิ่งเป็นสุญญากาศที่มีคุณภาพสูงเท่านั้น
ฟังดูชัดเจนและน่าจะจบเท่านี้ แต่มันยังไม่จบ
เนบิวลาโดยทั่วไปเบาบางจนปล่าวได้ว่าเป็นสุญญากาศ
ในความเป็นจริง สภาพสุญญากาศสมบูรณ์แบบนั้นไม่มีในธรรมชาติ เพราะต่อให้เป็นอวกาศห้วงลึกแค่ไหน ย่อมต้องมีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (อย่างน้อยๆก็จากรังสีพื้นหลังของเอกภพ) นิวตริโน สสารมืด อะไรพวกนี้อยู่บ้าง และต่อให้มนุษย์เราพยายามสภาพสุญญากาศสมบูรณ์แบบให้เกิดขึ้นด้วยการกำจัดเอาอนุภาคต่างๆที่กล่าวไปข้างต้นออกไปจนหมด ในทางควอนตัม มันก็ยังไม่ว่าง!
ทฤษฎีควอนตัมนั้นทำนายผลลัพธ์อันแปลกประหลาดว่า ที่ว่างอันสมบูรณ์แบบที่ไม่มีอนุภาคเลยนั้นเป็นไปไม่ได้ ที่ว่างเหล่านั้นอย่างน้อยๆจะมีคู่อนุภาคและปฏิอนุภาคเกิดขึ้นแล้วพุ่งเข้าทำลายตนเองอย่างรวดเร็วมากๆจนเราตรวจจับโดยตรงไม่ได้ คู่อนุภาคและปฏิอนุภาคที่เกิดขึ้นจึงถูกเรียกว่า อนุภาคเสมือน (Virtual particle)
การเกิดขึ้นและทำลายคู่จนหายไปเช่นนี้ กลายเป็นกลไกที่นักฟิสิกส์อย่าง สตีเฟน ฮอว์กิ้งนำมาใช้อธิบายการแผ่รังสีของหลุมดำ ที่คู่อนุภาค-ปฏิอนุภาคเกิดขึ้นบริเวณขอบหลุมดำ แล้วมีอนุภาคหนึ่ง(หรือปฏิอนุภาค) ตกเข้าไปในหลุมดำ ส่วนอีกอนุภาคที่ไม่ได้ตกเข้าไปจึงกลายเป็นรังสีของฮอว์กิ้ง อย่างไรก็ตาม นักฟิสิกส์ยังไม่มีเทคโนโลยีที่ดีพอจะตรวจจับรังสีของฮอว์กิ้งได้รังสีของฮอว์กิ้งจึงเป็นแนวคิดที่อยู่ในโลกของทฤษฎีเท่านั้นในตอนนี้
รังสีของฮอว์กิ้ง
แต่แนวคิดเรื่องสุญญากาศเชิงควอนตัมที่ว่ามีอนุภาคและปฏิอนุภาคเกิดขึ้นได้รับการตรวจสอบด้วยการการทดลองแล้วว่ามีอยู่จริงผ่านปรากฏการณ์ที่มีชื่อว่า Casimir effect อีกทั้งยังเป็นการนิยามสุญญากาศแบบใหม่ที่แตกต่างไปจากแบบดั้งเดิมด้วย นอกจากนี้ แนวคิดเรื่องนี้ยังมีนักฟิสิกส์พยายามวิจัยเพื่อสังเกตผลของมันผ่านทางปรากฏการณ์อื่นๆด้วย
ทั้งหมดที่เล่าให้ฟังนี้เป็นเรื่องของ 'ความว่างที่ไม่ได้ว่าง' ครับ
อ้างอิง
- 36
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
