นักวิจัยเซิร์นเตรียมใช้อุโมงค์ใต้แดนสวิส ปฏิบัติการไขปริศนาแห่งจักรวาล บรรจุเครื่องเร่งอนุภาคขนาดยักษ์ ภายใน 2 ปีพร้อมเดินเครื่อง จับอนุภาคโฟตอนมาชนกันในท่อเหมือนการเกิด บิ๊กแบง ดูการก่อเกิดอนุภาคของ พระเจ้า ไขที่มาของการมีอยู่ของมวลและเดินหน้าทฤษฎีเอกภาพ

ลึกลงไปใต้ดินประมาณ 100 เมตรทางตะวันตกของกรุงเจนีวา ประเทศสวิตเซอร์แลนด์มีอุโมงค์ขนาดยักษ์ยาว 27 กิโลเมตรขดอยู่เป็นวง แทรกตัวอยู่ใต้ผืนดินระหว่างทะเลสาบและเทือกเขา “ยูรา” (Jura Mountains) ตรงบริเวณรอยต่อพรมแดนของประเทศสวิตเซอร์แลนด์และฝรั่งเศส ซึ่งอุโมงค์ดังกล่าวนี้เป็นของเซิร์น (CERN) หรือองค์กรความร่วมมือระหว่างประเทศในทวีปยุโรปเพื่อวิจัยและพัฒนาทางด้านนิวเคลียร์ (European Center for Nuclear Research)
       
ชาวเมืองเจนีวาดำรงชีวิตเหนืออุโมงค์ยักษ์ที่ว่างเปล่ามาหลายทศวรรษแล้ว แต่อีกเพียง 2 ปีเท่านั้นการทดลองอันไม่ธรรมดาจะเกิดขึ้น ณ ใต้ผืนดินแห่งนี้ ซึ่งจะกลายเป็นห้องปฏิบัติการวิทยาศาสตร์ที่ใหญ่ที่สุดและใช้กำลังในการเดินเครื่องมากที่สุดในโลก โดยมีเครื่องจักรที่มีกำลังและความซับซ้อนมากที่สุดคือเครื่องเร่งอนุภาค หรือ “แอลเอชซี” (The Large Hadron Collider: LHC) ทำหน้าที่จับอนุภาคต่างๆ มาชนกันด้วยความเร็วยิ่งยวด และเชื่อว่าจะเป็นกุญแจไขปริศนาแห่งจักรวาลได้ด้วยการจับอนุภาคมาชนกันและเพ่งสังเกตสิ่งที่จะออกมาจากการทดลองนี้

นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าได้สร้างเงื่อนไขการก่อเกิดจักรวาลขึ้นใหม่ เพื่อดูสภาวะที่เวลา 1 ในพันล้านวินาทีทันทีทันใดหลังเกิดบิ๊กแบง (Big Bang) โดยพวกเขาหวังว่าจะได้เข้าใจเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นตามมาอีก 1 หมื่น 4 พันล้านปี หลังการระเบิดครั้งใหญ่
       

ภายในอุโมงค์แห่งการทดลองขนาดยักษ์จะประกอบด้วยท่อขนาดใหญ่ 2 ท่อที่วางขนานกัน โดยท่อหนึ่งจะมีอนุภาคที่มีพลังงานสูงอย่างโฟตอน และถูกเร่งให้เข้าใกล้ความเร็วแสง ส่วนอีกท่อก็จะมีลำอนุภาคโฟตอนที่ถูกเร่งให้มีความเร็วเท่ากันแต่วิ่งในทิศทางตรงกันข้าม ณ ตำแหน่งรอบท่อที่ขดเป็นวงหลายๆ จุด ลำอนุภาคนี้จะถูกบังคับให้วิ่งไขว้กัน ซึ่งผลจากการชนกันของอนุภาคจะมีพลังงานมากพอที่จะทำให้โฟตอนแตกกระจายเป็นละอองของอนุภาคที่เล็กลง
       
“เมื่อเครื่องเร่งอนุภาคได้รับพลังงาน จะมีกระแสของลำอนุภาคคล้ายกับเครื่องบินไอพ่นกว่า 500 ตันต่อเมตรพุ่งออกมา” ลิน อีวานส์ (Lyn Evans) หัวหน้าโครงการสร้างเครื่อง “แอลเอชซี” เปิดเผย พร้อมกับอธิบายอีกว่า ลำโฟตอนจะวิ่งผ่านเครื่องมือทดลองขนาดมหึมาที่เป็นเครื่องตรวจวัด เมื่ออนุภาคเหล่านี้ชนกันที่พลังงานสูง อนุภาคที่หนักกว่าก็จะปรากฏขึ้น นักฟิสิกส์จะตรวจดูเศษซากจากการกระแทกกันด้วยแรงมหาศาลนี้เพื่อหาสัญญาณของ “โบซอน ฮิกก์ส” (Higgs boson)
       
ทฤษฎีของ “ฮิกก์ส” ได้รับฉายาว่า “อนุภาคพระเจ้า” (God particle) เนื่องจากความสำคัญที่มีต่อแบบจำลองมาตรฐาน (Standard Model) (ซึ่งประกอบด้วยแรงพื้นฐาน 4 แรง : แรงโน้มถ่วง แรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม แรงแม่เหล็กไฟฟ้า และแรงอย่างอ่อน) ที่ใช้อธิบายว่าอนุภาคต่างๆ กระทำต่อกันอย่างไร ภายในแบบ

จำลองนี้มีอนุภาคทั้งหมด 16 อนุภาคโดยแบ่งเป็น 12 อนุภาคที่เป็นสสารและอีก 4 อนุภาคที่นำพาแรงไว้ ซึ่งอนุภาคเหล่านี้จะไม่มีมวลเมื่ออยู่เดี่ยวๆ ดังนั้นเชื่อว่า “โบซอน ฮิกก์ส” เป็นอนุภาคที่จะไขข้อข้องใจการมีอยู่ของมวลได้“จนถึงบัดนี้แบบจำลองมาตรฐานคือสิ่งดีที่สุดซึ่งเราทำสำเร็จแล้ว” จิม เวอร์ดี (Jim Virdee) โฆษกของทีมทำงานเครื่องตรวจวัดมิวออน “ซีเอ็มเอส” (Compact Muon Solenoid: CMS) กล่าว
       
อย่างไรก็ดีทุกคนรู้กันว่าแบบจำลองมาตรฐานเป็นเพียงทฤษฎีเริ่มต้นเท่านั้นเพราะแบบจำลองนี้อธิบายเพียงสสารทั่วๆ ไป อีกทั้งการศึกษาทางดาราศาสตร์ก็แสดงให้เห็นเพียงการก่อกำเนิดของจักรวาลที่ไม่รวมอนุภาคเล็กๆ เหล่านี้เข้าไปในเอกภพด้วย การทดลองที่ “แอลเอชซี” จะทำให้ทฤษฎีเอกภาพ (Unified theory) ของนักฟิสิกส์เดินหน้าและอธิบายกลไกการทำงานของเอกภพได้
       
“เรามาถึงจุดที่นักทฤษฎีเองก็ไม่รู้ว่าควรจะไปยังทิศทางใด ผลจากการทดลองของเราจะให้ตัดสินใจได้ว่าวิทยาศาสตร์ควรจะเดินหน้าไปทางใด เราไม่ชอบอยู่แล้วที่จะให้นักทฤษฎีคอยบอกว่าพวกเราควรจะหาอะไร ธรรมชาติฉลาดกว่าเราเสมอ อาจจะมาในรูปแบบที่สร้างความประหลาดใจให้กับเรา ซึ่งทำให้น่าสนใจมากๆ และน่าพอใจอย่างยิ่ง” ศ.เวอร์ดีกล่าว

ทำความรู้จักกับ หลุมดำ(Black hole)

หลุมดำ (อังกฤษ: Black hole) หมายถึงลักษณะของวัตถุในเอกภพที่มีแรงโน้มถ่วงสูงมาก ไม่มีอะไรออกจากบริเวณนี้ได้แม้แต่แสง หลุมดำนี้จะมีพื้นที่หนึ่งที่เป็นขอบเขตของตัวเอง ซึ่งเรียกว่า ขอบฟ้าเหตุการณ์ (event horizon) ซึ่งเป็นขอบเขตแห่งมโนภาพ ไม่สามารถเห็นหรือจับต้องได้ในทางกายภาพ โดยถ้าหากวัตถุหลุดเข้าไปพ้นขอบฟ้าเหตุการณ์ วัตถุนั้นจะไม่สามารถออกมาได้อีกต่อไป หลุมดำแบ่งได้เป็น 3 ประเภท ดังนี้

หลุมดำมหามวลยวดยิ่ง ชนิดนี้เป็นหลุมดำที่มีพลังสูงคณานับ คาดว่าอยู่ที่ใจกลางของควอซาร์ (Quasar)
หลุมดำที่เกิดจากดาวฤกษ์มวลมากที่ระเบิดเป็นซูเปอร์โนวา
หลุมดำขนาดเล็ก เกิดในบริเวณใกล้ดาวฤกษ์โปรตอน

เมื่อดาวฤกษ์ที่มีมวลมหึมาแตกดับลง มันอาจจะทิ้งสิ่งที่ดำมืดที่สุด ทว่ามีอำนาจทำลายล้างสูงสุดไว้เบื้องหลัง นักดาราศาสตร์เรียกสิ่งนี้ว่า หลุมดำ (black hole) เราไม่สามารถมองเห็นหลุมดำด้วยกล้องโทรทรรศน์ใดๆ เนื่องจากหลุมดำไม่เปล่งแสงหรือรังสีใดเลย แต่นักดาราศาตร์ก็มีวิธีอื่นในการค้นหา และจนถึงปัจจุบันได้ค้นพบหลุมดำในจักรวาลแล้วอย่างน้อย 6 แห่ง หลุมดำเป็นซากที่สิ้นสลายของดาวฤกษ์ที่ถึงอายุขัยแล้ว สสารที่เคยประกอบกันเป็นดาวนั้นได้ถูกอัดตัวด้วยแรงดึงดูดของตนเองจนเหลือเป็นเพียงมวลหนาแน่นที่มีขนาดเล็กยิ่งกว่านิวเคลียสของอะตอมเดียว ซึ่งเรียกว่า เอกภาวะ (singularity)

เนื่องจากหลุมดำมีแรงโน้มถ่วงมหาศาล ดึงดูดทุกสิ่งทุกอย่างที่เข้าใกล้มิให้หนีออกไปจากหลุมดำได้  แม่แต่แสงก็หนีออกจากหลุมดำไม่ได้(จึงมองไม่เห็นและจึงมีชื่อเรียกว่า หลุมดำ)  ดังนั้นวัตถุที่ถูกหลุมดำดูดเข้าไป  จะไม่สามารถคงสภาพเดิมอยู่ได้ จะต้องแตกสลายเปลี่ยนสภาพกลับไปสุ่องค์ประกอบเล็กที่สุด คือ อะตอม และแม้แต่อะตอมก็อาจจะคงสภาพอยู่ไม่ได้อาจจะแตกสลายต่อไปเป็นองค์ประกอบพื้นฐานที่เล็กลงไปอีก เป้นอิเล็กตรอน โปรตอน นิวตรอน หรือองค์ประกอบที่เล็กลงไปอีก คือ ควาร์ก(quark)  

วัตถุที่ถูกหลุมดำดูดเข้าไปจะไม่หายไปจากจักรวาลแต่ยังคงอยู่ในหลุมดำ เป็นส่วนหนึ่งของหลุมดำ  แต่จะไม่คงอยู่ในสภาพเดิม และบางส่วนอาจสลายตัวเปลี่ยนเป้นพลังงานตามสมการ E=mc2 ของไอน์สไตน์

หลุมดำอาจเป็นทางลัดเชื่อมต่อระหว่างจักรวาล หรือมิติได้  กล่าวคือ เมื่อวัตถุหนึ่งถูกดูดเข้าหลุมดำทางหนึ่ง ก็ออกไปจากหลุมดำอีกทางหนึ่ง สู่จักรวาลหรือมิติใหม่ และมีการตั้งชื่อส่วนที่เป็นช่องหรือทางออกจากหลุมดำเปิดสู่อีกจักรวาลหรือมิติหนึ่งว่า  หลุมขาว(white hole) แต่ก็เป็นเพียงทฤษฎี ยังไม่เป็นที่ยอมรับกัน

ลุ้นระทึก! การทดลองสร้างปรากฏการณ์บิ๊กแบงขนาดจิ๋ว นักวิชาการชี้โอกาสเกิดหลุมดำมีน้อย เชื่อถึงเกิดก็ไม่เป็นอันตราย

วันที่ 10 กันยายน นี้ นับเป็นวันที่เหล่านักฟิสิกส์ที่ห้องปฏิบัติการศูนย์วิจัยนิวเคลียร์แห่งยุโรป หรือ "เซิร์น" (CERN: เป็นตัวย่อจากภาษาฝรั่งเศส ซึ่งแปลว่า Center of  European Nuclear Research) รวมถึงประชาชนทั่วโลก ต่างกำลังเฝ้ารอและลุ้นระทึกถึงสิ่งที่จะเกิดขึ้นจากการทดลองจำลองการเกิดปรากฏการณ์บิ๊กแบ่งโดยใช้เครื่องเร่งอนุภาคความเร็วสูงเกือบเท่าแสงหรือ Large Hadron Collider (LHC) 

ซึ่งในมุมมองของฟิสิกส์ต่างหวังว่าการทดลองครั้งนี้จะเป็นบันไดอีกขั้นหนึ่งที่จะช่วยไขปริศนาปัญหาพื้นฐานที่เกิดขึ้นในเอกภพ ขณะที่สาธารณชนและนักฟิสิกส์บางคนกลับกังวลว่าการทดลองนี้จะทำให้เกิดหลุมดำซึ่งจะกลืนทุกสิ่งทุกอย่าง หรือส่งผลต่อการเปลี่ยนขั้วแม่เหล็กโลก และอาจนำมาซึ่งความหายนะของโลกก็เป็นได้

ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน นักทฤษฎีฟิสิกส์ ที่ปรึกษาด้านวิชาการศูนย์สื่อสารวิทยาศาสตร์ไทย สวทช. ได้แสดงความคิดเห็นว่า โอกาสการเกิดหลุมดำจากการทดลองมีเพียง 1 ใน 50 ล้านเท่านั้น และหากเกิดหลุมดำจริงจะเป็นหลุมดำที่จะมีขนาดเล็กได้ถึงระดับพิโคเมตร หรือ 10-15 เมตรเท่านั้น (เล็กกว่าระดับนาโนเมตร คือ 10-9 เมตร) ทั้งนี้เพราะตามทฤษฎีการเกิดหลุมดำขนาดใหญ่ในเอกภพโดยทั่วไป เกิดจากการยุบตัวด้วยแรงโน้มถ่วงของดาวฤกษ์ กล่าวคือ โดยปกติดาวฤกษ์ใน

เอกภพจะอยู่ในสภาพสมดุล คือต้องมีแรงผลักออกซึ่งเกิดจากการปล่อยแสงสว่างหรือรังสีที่เกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์  และแรงดึงดูดที่เกิดจากแรงโน้มถ่วง ซึ่งเมื่อดาวฤกษ์ได้เผาผลาญพลังงานนิวเคลียร์ภายในตัวจนหมดจะทำให้ไม่มีแรงผลักออกเหลือเพียงแรงดึงเข้าสู่จุดศูนย์กลางจนเกิดการยุบตัวกลายเป็นหลุมดำ  

ขณะที่การทดลองของเซิร์นเป็นการชนกันของอนุภาคโปรตอนที่มีขนาดเล็กมากเมื่อเทียบกับขนาดของดาวฤกษ์ ดังนั้นหากเกิดหลุมดำก็จะมีขนาดที่เล็กจิ๋ว อีกทั้งตามทฤษฎีของฮอร์กิ้ง (Hawking) นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ ได้มีการคำนวณไว้ว่า หลุมดำขนาดจิ๋วที่เกิดขึ้นจะมีการระเหิดหรือการสลายตัวภายในเสี้ยววินาที (10-15 วินาที)เท่านั้น ด้วยเหตุนี้อันตรายที่จะเกิดขึ้นจากหลุมดำถือว่าน้อยมากจนไม่น่ากังวลและไม่มีผลกระทบใดๆให้เห็นเป็นรูปธรรม ที่สำคัญการทดลองทุกรูปแบบของนักฟิสิกส์ได้มีการคำนวณและประเมินความเสี่ยงที่จะเกิดอันตรายแล้ว ดังนั้นเมื่อเกิดสิ่งผิดปกติจึงหยุดการทดลองได้ทันที

" สิ่งสำคัญที่ควรสนใจคือหากเกิดหลุมดำขนาดจิ๋วจริง  ทุกคนจะเห็นว่าหลุมดำรูปร่างเป็นอย่างไร  อีกทั้งทฤษฎีของฮอร์กิ้งยังค้นพบว่าหลุมดำไม่ได้เป็นสีดำ เพราะในช่วงการสลายตัวจะมีการปล่อยรังสีฮอร์กิ้ง(Hawking radiation)ออกมา จึงเป็นเรื่องที่น่าตื่นเต้นมากหากได้เห็น"  

ศ.ดร.สุทัศน์ กล่าวว่า เป้าหมายสำคัญของการศึกษาครั้งนี้นักฟิสิกส์ต้องการดูสิ่งที่เกิดขึ้นจากการใช้เครื่องเร่งอนุภาคที่มีขนาดใหญ่และมีพลังงานสูงที่สุดเท่าที่มนุษย์เคยสร้างมา ซึ่งลักษณะของอุปกรณ์เป็นท่ออุโมงค์ที่มีเส้นรอบวงยาว 27 กิโลเมตร สำหรับในการทดลองเครื่องเร่งอนุภาคจะเร่งให้ลำอนุภาคสองลำมีความเร็วใกล้ความเร็วแสงและเคลื่อนที่สวนทางกันเป็นวงรอบมาชนกัน ก่อให้เกิดพลังงานสูงในระดับ 14 ล้านล้านอิเล็กตรอนโวลต์

ทั้งนี้นักฟิสิกส์หวังว่าพลังงานระดับนี้จะทำให้ "อนุภาคฮิกก์" (Higgs boson) ซึ่งเป็นอนุภาคที่เกิดจากการชนกันของโปรตอนหลุดออกมา อันจะเป็นหลักฐานชิ้นสำคัญที่ทำให้ทฤษฎีแบบจำลองมาตรฐาน (Standard Model) มีความสมบูรณ์  เนื่องจากทฤษฎีได้ทำนายไว้ว่าอนุภาคฮิกก์นี้มีจริง นอกจากนี้การชนกันของอนุภาคที่มีพลังงานระดับสูงมาก ก็มีโอกาสทำให้ได้เห็นอนุภาคแปลกและใหม่ๆอีกหลายชนิดที่มนุษย์ไม่เคยพบมาก่อน และอาจเป็นการค้นพบครั้งสำคัญที่จะช่วยอธิบายทฤษฎี

ฟิสิกส์ที่มีอยู่ในปัจจุบันให้มีความชัดเจนและสมบูรณ์ยิ่งขึ้น เพราะสามารถตอบคำถามฟิสิกส์ที่ยังตอบไม่ได้หลายคำถาม เช่น ทำไมโปรตอนจึงต้องหนักกว่าอิเล็กตรอน 1,836 เท่า ทำไมจึงต้องมีอะตอมในธรรมชาติ หรือมวลของสสารมาจากไหน เป็นต้น

อย่างไรก็ดีในมุมมองของวงการวิทยาศาสตร์แล้ว การทดลองของนักฟิสิกส์ที่เซิร์นในครั้งนี้จึงถือได้ว่าเป็นบันไดอีกขั้นหนึ่งที่ท้าทายของมนุษย์ เพื่อบุกเบิกขอบเขตแห่งความรู้ของมนุษย์





ขอบคุณข้อมูลจาก บีซีนิวส์ / เดอะสตาร์ / วิกิพีเดียไทย  / สวทช.

------------------------------------------------------------

ลิงค์ที่เกี่ยวข้อง