คอลัมน์ ฟิสิกส์ธรรมดาสาระมันส์ : สถานะใหม่ของสสารในสภาพเย็นจัด

ช่วงต้นศตวรรษที่ 20 สัตเยนทระ นาถ โบส (Satyendra Nath Bose) นักฟิสิกส์ชาวอินเดียส่งการคำนวณทางควอนตัมเชิงสถิติข้ามทวีปมายังสุดยอดนักฟิสิกส์ระดับโลก อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ผลงานของโบสทำให้ไอน์สไตน์รู้สึกประทับใจถึงขั้นแปลจากภาษาอังกฤษเป็นเยอรมันเพื่อส่งไปลงวารสารฟิสิกส์ในเยอรมันให้กับโบสด้วยตัวเอง

ต่อมาไอน์สไตน์ได้นำแนวคิดของโบสมาคิดต่อและขยับขยายเป็นงานวิจัยเชิงสถิติที่เรียกว่า สถิติแบบโบส-ไอน์สไตน์ (Bose-Einstein statistics) ใช้อธิบายพฤติกรรมของกลุ่มอนุภาคที่มีสปินเป็นจำนวนเต็ม (ซึ่งต่อมาเรียกว่า โบซอน (boson) ตามชื่อของโบส) อนุภาคเหล่านี้ได้แก่ โฟตอน, อะตอมของฮีเลียม-4 เป็นต้น

ไอน์สไตน์ทำนายไว้ในปี 1925 ว่า หากโบซอนจำนวนมากมีอุณหภูมิเย็นจัด พวกมันจะเกิดการหลอมรวมกันสู่สถานะพลังงานที่ต่ำสุดแล้วเกิดเป็นสสารสถานะใหม่ขึ้น! แต่ในยุคนั้นสสารสถานะใหม่นี้เป็นไปได้เพียงในทฤษฎีเท่านั้นเพราะเทคโนโลยีในขณะนั้นยังไม่มีห้องทดลองใดสามารถสร้างอุณหภูมิที่เย็นจัดขนาดนั้นได้

ผ่านมานานถึง 70 ปี ในปี 1995 อีริค คอร์เนล (Eric Cornell) และ คาร์ล วีแมน (Carl Wieman) สองนักฟิสิกส์แห่งมหาวิทยาลัยโคโลราโด โบลเดอร์ สามารถทำให้แก๊สของรูบิเดียมเข้าถึงอุณหภูมิเย็นจัดที่ 170 นาโนเคลวินด้วยเทคนิคเลเซอร์คูลลิงและเทคนิค magnetic evaporative cooling ส่งผลให้พวกเขาสามารถสังเกตเห็นสถานะใหม่ของสสารที่ไม่มีใครในโลกเคยพบเห็นมาก่อน นั่นคือ สถานะควบแน่นโบส-ไอน์สไตน์ (Bose-Einstein condensate) ซึ่งถือเป็นความสำเร็จสำคัญอย่างหนึ่งของทฤษฎีควอนตัม

หลังจากนั้นนักฟิสิกส์สามารถทำให้โมเลกุลของสสาร, Quasiparticles (ปรากฏการณ์ที่สภาพภายในสสารที่มีความซับซ้อนจนแสดงพฤติกรรมเหมือนมีอนุภาคเกิดขึ้น เช่น อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ในสารกึ่งตัวนำนั้น มีอันตรกิริยากับอิเล็กตรอนและนิวเคลียส อาจมองได้ว่าเป็นอิเล็กตรอนที่มีมวลค่าอื่น เคลื่อนที่ในที่ว่างได้ อิเล็กตรอนที่มวลเปลี่ยนไปนี้เองเรียกว่า “electron quasiparticle”)และโฟตอนเข้าถึงสถานะนี้ได้สำเร็จ

การศึกษาสถานะควบแน่นโบส-ไอน์สไตน์ทำให้นักฟิสิกส์พบปรากฏการณ์ใหม่ๆ ที่น่าสนใจ เช่น การแทรกสอดระหว่างสสารควบแน่น, วง (vortex) ที่เกิดจากการกวนสสารในสถานะนี้ด้วยเลเซอร์, การสร้างคลื่นโซลิตอน (solitons) ที่เกิดจากการกักสารในสถานะนี้ไว้ใน 1มิติ และการทำให้แสงเดินทางช้าลงมากๆ ด้วยความเร็วในหลัก 10 เมตรต่อวินาที นอกจากนี้สถานะควบแน่นโบสไอน์สไตน์ยังใช้เป็นแบบจำลองในการศึกษาหลุมดำได้ (analogue gravity)ด้วย

เรื่องน่าสนใจคือในปัจจุบันความเข้าใจในระบบควบแน่นที่ใช้ได้ในกรณีทั่วไปสำหรับทุกสสารยังเป็นปัญหาที่นักฟิสิกส์ยังพยายามหาคำตอบกันอยู่

คาร์ล วีแมน นักฟิสิกส์ชาวอเมริกันหนึ่งในผู้ค้นพบสถานะใหม่ของสสารนี้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 2001 ปัจจุบันเขาให้ความสนใจด้านการพัฒนาการเรียนการสอนฟิสิกส์ระดับปริญญาตรีควบคู่ไปกับการทำวิจัย เขาสนใจปรับเนื้อหาการสอนด้านฟิสิกส์สำหรับนักเรียนฟิสิกส์ที่ไม่ได้อยากจบมาเป็นนักฟิสิกส์ และหวังว่าในอนาคตฟิสิกส์จะเป็นประโยชน์และเป็นที่สนใจของสาธารณชนมากขึ้น

เกาะติดทุกสถานการณ์จาก Line@matichon ได้ที่นี่