สถานะอันแปลกประหลาดของสสารถูกผลิตขึ้นในอวกาศเป็นครั้งแรก
ทีมนักวิจัยได้ประสบผลสำเร็จในการสร้างสถานะของสสารที่เรียกว่า "Bose-Einstein Condensate (BEC)" ในสภาวะไร้แรงโน้มถ่วงภายในสถานีอวกาศนานาชาติ (ISS) ได้เป็นครั้งแรก[1][2][3]
แต่ก่อนที่เราจะพูดถึง Bose-Einstein Condensate นั้น มาดูกันก่อนว่าสถานะของสสารคืออะไรกันแน่
- สถานะของสสาร
สถานะของสสารที่เราคุ้นเคยกันนั้น หรือเรียกอีกอย่างหนึ่งว่า "classical state" ประกอบขึ้นด้วยของแข็ง ของเหลว ก๊าซ และพลาสมา แต่เดิมนั้นสถานะของสสารนั้นถูกนิยามโดยคุณสมบัติที่แตกต่างกันของสสารในแต่ละสถานะ เช่น ของแข็งนั้นจะสามารถคงรูปทรงเอาไว้ได้ ในขณะที่ของเหลวนั้นจะมีปริมาตรคงที่ แต่เปลี่ยนรูปร่างไปตามภาชนะ ส่วนก๊าซนั้นจะเปลี่ยนได้ทั้งรูปร่างและปริมาตร ในขณะที่พลาสมานั้นมีลักษณะคล้ายก๊าซที่แตกตัวเป็นไอออน มีทั้งประจุบวกและประจุลบแยกออกจากกัน
อย่างไรก็ตาม นั่นเป็นเพียงกรณีของ "classical state" เพียงเท่านั้น ในความเป็นจริงแล้วการแบ่งแยกสถานะนั้นซับซ้อนกว่านั้นได้อีกมาก เช่น ในขณะที่ของแข็งนั้นจะต้องมีการเรียงตัวกันของอะตอมอย่างเป็นรูปแบบและซ้ำกัน เราจะพบว่าในแก้วและกระจกที่เราใช้กันนั้น ไม่มีการเรียงตัวกันอย่างเป็นรูปแบบ และการเรียงตัวของอะตอมในแก้วนั้นใกล้เคียงกับของเหลวเสียมากกว่า แต่ก็ไม่สามารถเคลื่อนที่ได้ เราจึงจัดแก้วเป็นสถานีอีกประเภทหนึ่ง ที่เรียกว่า "amorphous solid" และยังมี liquid crystal ที่แสดงคุณสมบัติอยู่ระหว่างของแข็งและของเหลว ที่ทำให้เกิดภาพในจอ LCD (Liquid Crystal Display) ที่เราทุกคนกำลังจ้องอ่านตัวหนังสือกันอยู่ใน ณ ตอนนี้
นอกไปจากนี้เรายังสามารถพบสถานะที่พิศดารของสสารได้อีกมากในสภาพแวดล้อมที่สุดขั้วมากๆ เช่น superfluid ที่มีความหนืดเป็นศูนย์และสามารถไหลออกจากภาชนะโดยการปีนไต่ไปตามขอบแก้วได้ หรือ degenerate matter บนดาวแคระขาวและดาวนิวตรอน ที่ถูกคงสภาพเอาไว้ได้โดยเพียงแรงกีดกันทางควอนตัมเพียงเท่านั้น
ในหมู่สถานะอันพิศดารเหล่านี้ สถานะหนึ่งที่นักวิทยาศาสตร์พยายามศึกษามาเสมอ ก็คือ "Bose-Einstein Condensate (BEC)" ซึ่งบางสื่ออาจจะเรียกว่าเป็น "สถานะที่ 5" ของสสาร[1][2] แต่ในความเป็นจริงแล้วนั้นสถานะของสสารเรียกได้ไม่จบไม่สิ้น ขึ้นอยู่กับว่าเราจะอิงตามนิยามใด
- Bose-Einstein Condensate(BEC)
ไอเดียของ BEC นั้นถูกตีพิมพ์ครั้งแรกในปี 1924 โดยนักฟิสิกส์ชาวอินเดีย Satyendra Nath Bose และ Albert Einstein จึงเป็นที่มาของชื่อ Bose-Einstein Condensate โดยหลักการก็คือหากเรามีอนุภาคชนิดเดียวกันที่มี spin เป็นเลขจำนวนเต็ม เช่น โฟตอน หรืออะตอมของธาตุที่มีจำนวนนิวตรอนและโปรตอนเท่ากัน เช่น Helium-4 อนุภาคเหล่านี้จะจัดอยู่ในอนุภาค Boson ซึ่งมีคุณสมบัติที่จะสามารถถือ quantum state เดียวกันได้
ซึ่งหากเราทำให้ "bose gas" เหล่านี้เย็นตัวลงมากๆ เสียจนอนุภาคส่วนมากจะต้องตกลงไปใน quantum state ที่มีพลังงานต่ำที่สุด เราจะพบว่าอนุภาคส่วนมากของกลุ่ม bose gas เหล่านี้นั้น จะเกิดการ "ควบแน่น" ไปอยู่ที่ quantum state เดียวกัน เกิดขึ้นมาเป็นสถานะใหม่ของสสาร
ในกลศาสตร์ควอนตัมนั้น อนุภาคทุกชนิดประกอบขึ้นจาก wavefunction ที่กำหนด quantum state ของมัน และการรบกวนและแทรกแซงกันระหว่าง wavefunction เหล่านี้นี่เอง ที่ทำให้อนุภาคมีอันตรกิริยาระหว่างกัน อย่างไรก็ตาม ในปรกติแล้วนั้น wavefunction เหล่านี้นั้นจะมีขนาดเล็กเกินกว่าอะตอมแต่ละอะตอม และไม่ใช่สิ่งที่เราสามารถสังเกตได้โดยง่าย แต่เมื่อใดก็ตามที่อะตอมของสสารมาอยู่ในรูปของ BEC แล้ว wavefunction ของทุกอะตอมใน BEC จะรวมตัวกันมาอยู่ด้วยกัน ทำให้ปรากฏการณ์ระดับจุลภาคทางควอนตัม สามารถสังเกตเห็นได้ในระดับมหัพภาค ซึ่งนอกจากจะช่วยให้เราสามารถศึกษาปรากฏการณ์ทางควอนตัมได้ดียิ่งขึ้นแล้ว เรายังเชื่อว่า BEC ยังมีความสัมพันธ์และสามารถนำเราไปสู่การเข้าใจในสสารมืดและพลังงานมืดได้ดีขึ้นอีกด้วย
- ห้องทดลองที่เย็นที่สุดในเอกภพ
การจะสร้าง BEC ได้นั้น เราจะต้องใช้อุณหภูมิที่ใกล้เคียงกับอุณหภูมิศูนย์องศาสัมบูรณ์ในระดับนาโนเคลวิน ซึ่งเนื่องจากว่าเอกภพนั้นมีอุณหภูมิ 2.7K หรือสูงกว่าอุณหภูมิที่เราต้องการหลายล้านเท่า ทำให้การศึกษา BEC กลายเป็นการสร้างห้องทดลองของสสารที่เย็นที่สุดในเอกภพไปโดยปริยาย
ในปี 1995 Eric Cornell และ Carl Wieman ได้ผลิต BEC เป็นครั้งแรกในห้องทดลองโดยแก๊สของอะตอมรูบิเดียมที่เย็นลงถึง 170 นาโนเคลวิน ต่อมาอีกไม่นาน Wolfgang Ketterle ก็สามารถสร้าง BEC จากอะตอมของโซเดียมได้สำเร็จ ทำให้ทั้งสามคนนี้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ไปในปี 2001 ความสำเร็จของนักฟิสิกส์เหล่านี้ทำให้ทุกวันนี้เรามีห้องวิจัยมากมายที่กำลังศึกษา BEC อยู่เป็นจำนวนมากทั่วโลก
เราสามารถทำอุณหภูมิที่เย็นขนาดนั้นได้อย่างไร? เชื่อหรือไม่ว่า วิธีที่นักวิทยาศาสตร์ใช้ในการสร้างอุณหภูมิที่เย็นขนาดนั้น ก็คือการใช้... แสงเลเซอร์???
เนื่องจาก "อุณหภูมิ" นั้นขึ้นอยู่กับระดับการสั่นสะเทือนของอะตอมในสสาร (สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับ "อุณหภูมิคืออะไร?" สามารถดูคำอธิบายเพิ่มเติมได้ในวีดีโอที่เคยแปะเอาไว้แล้ว[5]) อะตอมของสสารทั่วไปนั้นมีการสั่นอย่างรุนแรงอยู่ตลอดเวลา และการทำให้สสารเย็นลงใกล้เคียงกับศูนย์องศาสัมบูรณ์นั้น จึงทำได้โดยการหยุดการสั่นของอะตอมภายในสสาร
เราสามารถหยุดการสั่นของอะตอมเหล่านี้ได้ผ่านการใช้แสงเลเซอร์ แสงเลเซอร์นี้จะไป "ผลัก" อะตอมไปในทิศทางตรงกันข้ามและหยุดการเคลื่อนไหวของมันได้ หากเราใช้แสงเลเซอร์ยิงจากรอบๆ ด้านหกตัว ก็จะทำให้เราสามารถหยุดการเคลื่อนไหวของอะตอมได้ในหกทิศทาง และเมื่อเราสามารถหยุดความเคลื่อนไหวของอะตอมของโบซอนเป็นจำนวนมากให้อยู่ในบริเวณเดียวกัน wavefunction ของโบซอนเหล่านั้นก็จะ "ควบแน่น" รวมมาอยู่ในสถานะเดียวกัน กลายเป็น Bose-Einstein Condensate นั่นเอง
- ครั้งแรกในอวกาศ
อย่างไรก็ตาม ถึงแม้ว่าในทุกวันนี้เราจะมีห้องทดลองเป็นจำนวนมากบนพื้นโลกที่กำลังศึกษา BEC อยู่ แต่สถานะของ BEC นั้นเป็นสถานะที่ละเอียดอ่อนเป็นอย่างมาก และจะสลายตัวไปอย่างรวดเร็วในระดับหนึ่งในพันวินาที (millisecond) ซึ่งต้นเหตุใหญ่ๆ นั้นก็มาจากแรงโน้มถ่วงของโลกที่คอยดึง BEC ที่ลอยเคว้งอยู่ให้ตกลงสู่เบื้องล่าง ทำให้การศึกษา BEC นั้นทำได้ยากด้วยระยะเวลาอันจำกัด
ที่ผ่านมาเคยมีการพยายามย้ายห้องทดลองนี้เอาไว้ในสภาพจำลองสภาวะไร้น้ำหนัก เช่น บนเครื่องบินที่กำลังตกลง แต่ก็เป็นไปได้ด้วยความยากลำบาก ในที่สุดทางออกสุดท้ายก็คือการส่งห้องทดลองเหล่านี้ไปไว้ในอวกาศ
Cold Atom Laboratory (CAL) เป็นส่วนห้องทดลองที่ถูกส่งขึ้นไปยังสถานีอวกาศนานาชาติ (ISS) เมื่อปี 2018 โดยออกแบบมาให้สามารถผลิต BEC จากอะตอมของรูบิเดียม ด้วยระยะเวลาที่นานกว่าบนโลกเป็นอย่างมาก เนื่องจากสภาวะไร้น้ำหนักบนสถานีอวกาศนานาชาติ
และในงานวิจัยที่ตีพิมพ์ลงในวารสาร Nature เมื่อวันที่ 11 ที่ผ่านมา ทีมนักวิจัยก็ได้ยืนยันว่าสถานีอวกาศนานาชาติได้สามารถสร้าง BEC ขึ้นมาเป็นครั้งแรกภายใต้สภาวะไร้น้ำหนัก และสามารถคงรักษาสถานะของ BEC ได้นานถึงหนึ่งวินาที[6]
ซึ่งความเข้าใจที่เราจะได้จากการศึกษา BEC ภายใต้สภาวะเช่นนี้ นำไปสู่ความเป็นไปได้ที่หลากหลาย ตั้งแต่การทดสอบทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป การค้นหาพลังงานมืด คลื่นความโน้มถ่วง จนไปถึงการนำทางในอวกาศ และการค้นหาแร่ธาตุบนดวงจันทร์และวัตถุอื่นในอวกาศ
ภาพ: ISS
อ้างอิง/อ่านเพิ่มเติม:
[1] https://www.bbc.com/thai/features-53029764
[2] https://phys.org/news/2020-06-quantum-state-space.html
[3] https://coldatomlab.jpl.nasa.gov/
[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Bose%E2%80%93Einstein_condensate
[5] https://www.youtube.com/watch?v=2p_V8NI2HSA
[6] https://www.nature.com/articles/s41586-020-2346-1
