หนาวที่สุดในจักรวาล
รพพน พิชา
กลุ่มวิจัยและพัฒนานิวเคลียร์
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)

คำนำ  
ในช่วงฤดูหนาว เราสามารถสัมผัสถึงลมหนาวได้ทั้งในเวลายามเช้า และยามค่ำคืน หน้าหนาวเป็นฤดูที่โลกอยู่ห่างดวงอาทิตย์ มากที่สุดเมื่อเทียบกับทุกฤดู พูดได้ว่า พลังงานความร้อนจากดวงอาทิตย์ได้บรรเทาลงไปเล็กน้อยกว่าจะมาถึงเรา เมื่อเรา พูดถึงหน้าหนาวในกรุงเทพ ก็คงเป็นอุณหภูมิราว 20- 25 องศาเซลเซียส หากไปประเทศที่ห่างเส้นศูนย์สูตรไปหน่อย ก็อาจจะ เย็นลงเข้าไปใกล้ศูนย์องศาเซลเซียส หากไปในจักรวาล ในบริเวณที่ไม่มีดาวฤกษ์อยู่ใกล้ ๆ หน้าหนาวก็จะยิ่งมีอุณหภูมิ ต่ำลงไปอีก

ทราบหรือไม่ว่าที่ใดนับว่าหนาวที่สุดในจักรวาล บนดวงจันทร์ก็ค่อนข้างหนาว มีอุณหภูมิเพียง - 228 องศาเซลเซียส (0C) หรือในที่ว่างระหว่างดวงดาวบางจุด มีอุณหภูมิต่ำถึง - 2710C แต่ที่ซึ่งเย็นเฉียบที่สุดที่มนุษย์รู้จัก ก็อยู่บนโลกนี้เอง

เนื้อหา  
ในหลายพื้นที่บนโลก เช่นบนยอดเขาสูง ๆ หรือบนขั้วโลก อุณหภูมิอาจลงไปถึงติดลบหลายสิบองศาเซลเซียส แต่ที่ที่เย็น ที่สุดนั้น ไม่ได้เกิดในธรรมชาติ แต่มนุษย์สามารถสร้างขึ้นด้วยวิธีการทางวิทยาศาสตร์

ฟิสิกส์อุณหภูมิต่ำยิ่งยวด ( ultracold physics) ได้ค้นพบว่าสสาร หรือแม้แต่แสงสว่าง ต่างมีลักษณะที่ประหลาดไปจากเดิม ความต้านทานไฟฟ้าของธาตุบางตัวกลายเป็นศูนย์ ที่อุณหภูมิต่ำกว่าติดลบ 2620C ซึ่งเรียกปรากฏการณ์นี้ว่า การนำไฟฟ้ายวดยิ่ง (superconducting) หากอุณหภูมิลดลงไปต่ำกว่านั้นอีก เราจะค้นพบว่าแก๊สที่กลายเป็นของเหลว จะแสดงลักษณะของไหลยวดยิ่ง (superfluid) หรือของไหลที่สามารถแพร่ผ่านกำแพงแข็ง ๆ ที่ปกติจะเก็บกักของเหลวอื่น ๆ ได้ แม้แต่ความโน้มถ่วงก็ดูเหมือนจะไม่สามารถดึงของไหลพิเศษเหล่านี้ให้อยู่ในภาชนะของมันได้

นักฟิสิกส์ยอมรับว่า คงไม่อาจจะลงไปถึงอุณหภูมิที่ต่ำที่สุดทางทฤษฎีได้ นั่นคืออุณหภูมิศูนย์เคลวิน (0 K หรือ - 273.150C) หรือศูนย์สัมบูรณ์ ซึ่งมีชื่อภาษาอังกฤษว่า absolute zero เพราะในเชิงฟิสิกส์นั้น อุณหภูมิก็คือการวัดว่าอะตอมวิ่งด้วย ความเร็วเช่นไร จุดศูนย์เคลวินนั้น เป็นจุดที่ไม่มีพลังงานหลงเหลืออยู่เลย และอะตอมไม่ขยับตัวแม้แต่นิดเดียว

แต่ก็มีนักฟิสิกส์บางคนที่มุ่งจะเข้าใกล้จุดศูนย์เคลวินให้มากที่สุด และการที่ ี่ผมมาเยี่ยมห้องปฏิบัติการของ โวล์ฟกัง เคทเทิร์ล ( Wolfgang Ketterle) ที่ MIT (Massachusetts Institute of Technology) ในเคมบริดจ์นี้ ก็เพื่อ จะทราบข้อมูล และเห็นภาพรวมที่ชัดขึ้นของการศึกษาเรื่องนี้

ที่ห้องปฏิบัติการของเคทเทิร์ลแห่งนี้เอง เป็นที่ ๆ ได้รับการบันทึกสถิติของ กินเนสส์ใน พ.ศ. 2551 (Guinness World Records 2008) ว่าได้สร้าง สภาวะที่มีอุณหภูมิต่ำที่สุดในโลก คือ 4.5x10 - 100C เหนือจุดศูนย์ ์เคลวิน โดยเคทเทิร์ลและผู้ร่วมงานได้ลุผลนั้นใน พ.ศ. 2546 ในขณะที่ ศึกษากลุ่มหมอกของโมเลกุลโซเดียม ที่มีขนาด 1/1000 ของหนึ่งนิ้ว ที่ถูกกักด้วยแรงจากแม่เหล็ก


เคทเทิร์ล ศาสตราจารย์ฟิสิกส์ MIT

ผมขอให้เคทเทิร์ลแสดงจุดที่พวกเขาสร้างสภาวะที่เป็นสถิติโลกนั้นให้ดู เราต้องใส่แว่นตาป้องกันแสงอินฟราเรดจากเลเซอร์ เพื่อลดความเร็วของอะตอม (ซึ่งทำให้อะตอมเย็นตัวลง) เราเดินข้ามจากห้องทำงานของเขาที่สว่างจากแสงอาทิตย์ไปยังห้อง ปฏิบัติการ ที่มืด ที่ประกอบไปด้วยสายเชื่อมต่อเต็มไปหมด กระจกบานเล็ก ๆ ท่อสุญญากาศ ต้นกำเนิดเลเซอร์ และอุปกรณ์ ์ทางคอมพิวเตอร์กำลังสูง "ตรงนี้เองครับ" เขาบอกด้วยน้ำเสียงที่เต็มไปด้วยความตื่นเต้น โดยชี้ไปยังกล่องสีดำที่มีท่อซึ่งห่อ ด้วยฟอยล์อะลูมิเนียมเชื่อมต่ออยู่ "นี่คือที่ที่เราสร้างอุณหภูมิที่ต่ำที่สุด"

ความสำเร็จของเคทเทิร์ล เกิดจากการสร้างสถานะของสสารที่เรียกว่า Bose-Einstein condensate (BEC) หรือกลุ่มก้อน โบส-ไอน์สไตน์ โดยกลุ่มก้อนนี้ไม่ใช่แก๊ส ของเหลว หรือแม้แต่ของแข็งทั่ว ๆ ไป แต่ BEC เป็นสภาวะที่เกิดขึ้นเมื่อกลุ่มหมอก ของอะตอม จำนวนประมาณล้านอะตอมหรือมากกว่านั้น เข้าไปในสถานะควอนตัมเดียวกัน

แอลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ( Albert Einstein) และ นักฟิสิกส์ชาวอินเดีย สัตเยนทระ นาถ โบส (Satyendra Nath Bose) เคยทำนายไว้ใน ค.ศ. 1925 ว่า นักวิทยาศาสตร์จะสามารถสร้างสถานะของสสารนี้ได้โดย ทำให้อะตอมเย็นตัวลงเข้าใกล้ จุดศูนย์เคลวิน และ 70 ปีต่อมา ในเวลาใกล้เคียงกัน กลุ่มของเคทเทิร์ล ที่ MIT และกลุ่มคาร์ล วีแมน (Carl Wieman) ที่ มหาวิทยาลัยโคโลราโด บูลเดอร์ (University of Colorado at Boulder) กับ อีริก คอร์เนลล์ (Eric Cornell) ที่สถาบัน มาตรวิทยาแห่งชาติ (National Institute of Standards and Technology) ในบูลเดอร์ ก็ได้สร้าง BEC แรกขึ้น ทำให้ทั้ง สามท่านได้รับรางวัลโนเบลในทันที

กลุ่มของเคทเทิร์ลนั้นใช้ BEC ในการศึกษาสมบัติพื้นฐานของสสาร เช่นความสามารถในการถูกบีบอัด และมีความเข้าใจ ปรากฏการณ์แปลก ๆ ที่อุณหภูมิต่ำได้ดีขึ้น เช่น superfluidity ( การไหลยวดยิ่ง) ในท้ายสุดนั้น เคทเทิร์ล ก็หวังที่จะค้นพบ สสารรูปแบบใหม่ที่จะเป็นตัวนำไฟฟ้ายวดยิ่งที่อุณหภูมิห้อง เหมือนกับนักฟิสิกส์หลาย ๆ ท่าน ซึ่งจะเปลี่ยนรูปแบบการใช้ พลังงานของมนุษย์อย่างสิ้นเชิง สำหรับคนส่วนใหญ่นั้น การได้รับรางวัลโนเบลเป็นเหมือนเกียรติยศที่ปิดฉากการทำงาน อันแสนยาวนาน แต่สำหรับเคทเทิร์ล ผู้ซึ่งมีอายุ 44 ปี ตอนที่ได้รับรางวัลการสร้าง BEC เป็นการเปิดประตูสู่สาขาวิจัยใหม่ ที่เขาและผู้ร่วมงานจะศึกษากันไปอีกหลายสิบปีทีเดียว


ภาพการสร้าง BEC โดยยอดแหลมแสดงถึงการเกาะตัวของกลุ่มก้อน Bose-Einstein ในภาพนี้มีจำนวนอะตอม ราว 7 แสนตัว โดยอุณหภูมิวิกฤต (TC ) ในการเปลี่ยนสถานะ คือ 2 microkelvin ( ภาพจาก ห้องปฏิบัติการ ของเคทเทิร์ล)

อีกกลุ่มหนึ่งที่เป็นผู้ท้าชิงในการสร้างจุดที่หนาวที่สุดในจักรวาล ก็อยู่ใกล้กับ MIT แค่ข้ามเคมบริดจ์ ไปหน่อยเดียวเท่านั้น คือกลุ่มวิจัยของ เลเน เวสเตอร์การ์ด ฮาว (Lene Vestergaard Hau) ที่มหาวิทยาลัยฮาร์เวิร์ด (Harvard) โดยฮาวได้ลุถึงอุณหภูมิที่ใกล้เคียงกับของเคทเทิร์ล ซึ่งก็ใช้วิธี BEC เช่นเดียวกัน "ตอนนี้เราสร้าง BEC กันทุกวันเลย" เธอบอกผมเมื่อเรากำลังเดินลงบันไดไปยัง ห้องปฏิบัติการที่เต็มไปด้วยอุปกรณ์ แท่นขนาดโต๊ะบิลเลียดที่กลางห้องมองเหมือนกับเขาวงกต ที่สร้างจากกระจกขนาดจิ๋วรูปวงรี และลำแสงเลเซอร์ที่มีขนาดเท่าไส้ดินสอ ฮาวและผู้ร่วมงานได้ใช้ BEC ในการทำสิ่งที่ดูเหมือนเป็นไปไม่ได้ให้เกิดขึ้น นั่นคือการหยุดแสงลง

ความเร็วแสงที่เราต่างได้ยินมาว่าเป็นค่าคงที่ ที่ 299,792,458 เมตรต่อวินาที ในสุญญากาศ แต่ใน ตัวกลางอื่นนั้น แสงจะวิ่งช้าลงเนื่องด้วยการกระเจิง ยกตัวอย่างเช่น แสงจะวิ่งช้าลงเมื่อวิ่งจาก อากาศไปสู่แก้วหรือน้ำ แต่นั่นยังเทียบไม่ได้กับปรากฏการณ์เมื่อ ฮาวแสดงให้เห็นว่าแสงเลเซอร์ จะวิ่งช้าลงอย่างมากเมื่อถูกยิงเข้าใส่ BEC มันเหมือนกับขว้างลูกเบสบอลเข้าใส่หมอน "ความเร็วมัน จะลดลงคล้ายกับจักรยาน และยิ่งช้าลงอีก จนสุดท้าย หยุดลง เราเก็บแสงไว้ใน BEC ซึ่งเราสามารถ มองดูได้ เล่นกับมันได้ และจะปล่อยมันออกมาเมื่อใดก็ตามที่เราพร้อม"


ฮาว, ศาสตราจารย์ฟิสิกส์ ม. ฮาร์เวิร์ด

ฮาวสามารถควบคุมแสงได้เพราะความหนาแน่นและอุณหภูมิของ BEC ทำให้ห้วงหรือพัลส์ (pulses) ของแสงช้าลง (เมื่อไม่นานมานี้ เธอได้นำการทดลองไปอีกขั้นหนึ่ง คือหยุดห้วงแสงด้วย BEC ก้อนเดียว และเปลี่ยนแสงนั้นให้เป็น พลังงานไฟฟ้า ส่งเข้าไปใน BEC อีกก้อนหนึ่ง แล้วค่อยปล่อยมันออกมา) ฮาวใช้ BEC ในการค้นพบธรรมชาติของแสง และการจะนำแสงที่ถูกกักโดย BEC มาใช้ในการประมวลผลของคอมพิวเตอร์ อีกทั้งยังสร้างวิธีการใหม่ ๆ ในการเก็บข้อมูล

แต่ไม่ใช่ว่าการวิจัยอุณหภูมิต่ำจะใช้เพียงวิธี BEC เท่านั้น ยกตัวอย่างในฟินแลนด์ นักฟิสิกส์จูฮา ทูโอริเนียมี (Juha Tuoriniemi) ใช้สนามแม่เหล็กในการควบคุมศูนย์กลางของอะตอมโรเดียม (rhodium) และทำให้อุณหภูมิลงไปถึง 1.0x10 - 10?C เหนือจุดศูนย์เคลวิน แม้จะไม่มีสถิติของกินเนสส์กล่าวถึงความสำเร็จของทูโอริเนียมี แต่ผู้เชี่ยวชาญหลายท่านได้ให้ เครดิตกับทูโอริเนียมีว่าได้สร้างสภาวะที่มีอุณหภูมิต่ำที่สุด ต่ำกว่าของกลุ่มเคทเทิร์ลเสียอีก แต่มันขึ้นอยู่กับว่าคุณจะวัด กลุ่มอะตอม เช่น BEC หรือส่วนหนึ่งของอะตอม เช่น นิวเคลียส ในกรณีนี้

สรุป : 
ฟิสิกส์ที่อุณหภูมิต่ำอาจนับได้ว่าเป็นสาขาที่ร้อนแรงที่สุดสาขาหนึ่งในวิทยาศาสตร์ในปัจจุบัน บางทีดูเหมือนกับว่าจุดศูนย์ ์เคลวินเป็นจุดที่น่าเข้าใกล้ แต่เคทเทิร์ลบอกว่าเขารู้ดีกว่านั้น "เราไม่ได้กำลังพยายามหรอก" "อุณหภูมิที่เราได้บรรลุในขณะนี้ เป็นความเย็นที่เพียงพอต่อการทดลองของเราแล้ว" มันไม่คุ้มค่ากับความลำบาก และตามทฤษฎีของความร้อน และกฏ เทอร์โมไดนามิกส์ (thermodynamics) นั้น อย่างไรเสียมันก็เป็นไปไม่ได้ที่จะถึงจุดศูนย์เคลวินนั้นอย่างแท้จริง "การที่จะดูด เอาพลังงานออกมาทั้งหมด ทุกอณู เพื่อจะได้ระบบที่มีพลังงานอันเป็นศูนย์นั้น มันจะต้องใช้ทั้งอายุของจักรวาลเลยทีเดียว จึงจะทำได้"

อ้างอิงจากบทความเรื่อง The Coldest Place in the Universe, วารสาร Smithsonian, มกราคม 2551, โดย Tom Shactman

แหล่งข้อมูล : 
กลุ่มของเคทเทิร์ล
กลุ่มของฮาน
Physics 2000 ของ ม. โคโลราโด

ขอขอบคุณ ดร. เกศินี เหมวิเชียร ที่ได้แจ้งให้ทราบถึงบทความที่น่าสนใจเรื่องนี้
ผู้ตรวจทาน : กชกมล อ้นมี