นิวตริโนช็อกโลกเคลื่อนที่เร็วกว่าแสง

(979 ครั้ง)
(update: JAN 2012)

เมื่อวันที่ 23 กันยายน 2554 ทีมวิจัยของ CERN (สภาวิจัยนิวเคลียร์ยุโรปหรือ Conseil Européen pourla Recherche Nucléaire (European Council for Nuclear Research)) ได้เปิดเผยผลการทดลองจากโครงการ OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) เกี่ยวกับเรื่องราวของอนุภาคที่สามารถเคลื่อนที่ด้วยความเร็วมากกว่าความเร็วแสง หรือความเร็วเหนือแสง (ความเร็วแสงโดยประมาณเท่ากับ 299,792 กิโลเมตรต่อวินาที) ซึ่งเป็นสิ่งที่เหนือความคาดหมาย เป็นสิ่งกระตุ้นความรู้สึกอย่างแรงต่อบรรดาสาวกฟิสิกส์ทั้งหลาย และมีผลกระทบโดยตรงต่อความรู้ในจักรวาล

หากนึกย้อนกลับไปพิจารณาหลักฟิสิกส์ ที่ได้เรียนรู้กันมานาน เรามีข้อห้ามหรือเงื่อนไขทางฟิสิกส์หลายอย่าง ยกตัวอย่างเช่น

เราไม่สามารถลดอุณหภูมิให้ต่ำกว่า 0 เคลวิน (ประมาณ -237 องศาเซลเซียส) ตามหลักเทอร์โมไดดามิคส์ที่อุณหภูมินี้จะไม่มีพลังงานความร้อนและทุกอย่างจะนิ่ง ไม่ทราบว่าจะรวมถึงจิตนิ่งด้วยหรือเปล่า

อีกตัวอย่างหนึ่งคือ หลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบอร์กที่บอกว่า เราไม่สามารถวัดตำแหน่งและโมเมนตัมของอนุภาคเช่นอิเล็กตรอนได้ถูกต้องแม่นยำพร้อมๆกัน อันนี้หลายๆท่านคงพอจำได้ว่าเป็นพื้นฐานสำคัญในการสร้างกลศาสตร์ควอนตัม

อีกตัวอย่างหนึ่งที่เป็นเรื่องที่จะพูดถึงกันในคราวนี้คือ ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของ Einstein เสนอไว้เมื่อปี ค.ศ. 1905 และเป็นทฤษฎีที่มีอิทธพลสูงมากๆ ในตอนนั้น Einstein ตั้งกฎไว้ว่า ไม่มีอะไรในจักรวาลนี้ที่เคลื่อนที่ได้เร็วกว่าแสงอีกแล้ว ฟังดูเหมือน Einstein ปิดล็อกความคิดของตัวเองไว้ และมั่นใจมากว่ามันเป็นเช่นนั้น และระบบใดที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วใกล้ความเร็วแสง เวลาของระบบนั้นจะช้าลง ซึ่งมีการนำแนวคิดนี้ไปศึกษาการเคลื่อนที่ผ่านกาลเวลา ในอดีตจะเห็นว่ามีภาพยนตร์แนว sci-fi ออกมาหลายเรื่อง ที่ดังมากๆคือ Back to the Future ทั้ง 3 ภาค นอกจากนี้ยังมี สมการของ Einstein ที่โด่งดังและเชื่อว่าแทบจะไม่มีใครเลยที่ไม่รู้จักคือ E = mc²

ตัวละครเอกในเรื่องเร็วเหนือแสงคือ อนุภาคนิวตริโน มารู้จักตัวละครตัวนี้แบบบ้านๆครับ ย้อนกลับไปนึกถึงตอนเรียนเรื่องการสลายตัวของสารกัมมันตรังสี กล่าวคือ ในปี ค.ศ. 1930 นักฟิสิกส์ประหลาดใจว่า การสลายตัวของสารกัมมันตรังสีที่ให้อนุภาคบีตา (Beta particle) ออกมา เช่น การสลายตัวของ C-14 ไปเป็น N-14 เป็นต้น ไม่สอดคล้องตามกฎอนุรักษ์โมเมนตัม (Conservation of momentum) เพราะ โมเมนตัมรวมก่อนการสลายตัวของ C-14 มีค่าเท่ากับศูนย์ ดังนั้น โมเมนตัมรวมหลังการสลายตัวต้องมีค่าเท่ากับศูนย์ด้วย แต่หลังการสลายตัวแล้ว ทิศทางการขยับตัวของ N-14 กับทิศทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคบีตาไม่ตรงข้ามกัน ทำให้ผลรวมของโมเมนตัมไม่เป็นศูนย์ แสดงว่า จะต้องมีบางอย่างที่มีโมเมนตัม ซึ่งตอนนั้นสัณนิษฐานว่าเป็นอนุภาคที่ไม่มีประจุไฟฟ้าอีกตัวหนึ่งที่เราไม่รู้จักออกมาด้วย และเคลื่อนที่ในทิศทางที่ทำให้ผลรวมของโมเมนตัมเป็นศูนย์ ในที่สุดค้นพบว่ามีอนุภาคนั้นจริง และเรียกว่า นิวตริโน

C-14 สลายตัวเป็น N-14 ด้วยการปล่อยอนุภาคบีตาและ anti-neutrino

และแล้วก็มีการเปิดเผยการค้นพบที่ช็อคโลกตอนนี้ของทีมวิจัยของ CERN จากโครงการ OPERA โดย Antonio Ereditato ซึ่งทำวิจัยที่ศูนย์ฟิสิกส์อนุภาคของ CERN แจ้งว่า จากการบันทึกข้อมูลนานร่วม 3 ปีตรวจพบแน่ชัดว่า อนุภาคนิวตริโนเคลื่อนที่เร็วกว่าแสง 60 ns ( 1 ns = 1 ในพันล้านส่วนของวินาที) ในการเคลื่อนที่ในอุโมงค์ใต้ดินช่วงระยะทาง 730 km ในห้องปฏิบัตการใต้ดิน CERN CNGS  สวิสเซอร์แลนด์ถึงห้องปฏิบัติการ Gran Sasso Laboratory (LNGS) ในอิตาลี ซึ่งกำลังรอการยืนยันจากทีมงานอีกครั้งเพื่อความแน่ใจ เวลา 60 ns (nanoseconds) หรือ 6 ในร้อยล้านส่วนของวินาที ซึ่งเป็นเวลาที่น้อยมาก ในชีวิตประจำวันของเราไม่อาจจะจับความแตกต่างเวลานี้ได้หรอกและไม่มีความหมายอะไร แต่ในทางฟิสิกส์มันมีความหมายอย่างมาก

Lecture แบบเต็มๆเกี่ยวกับงานวิจัย Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam

นักฟิสิกส์ที่มีชื่อเสียงหลายคน แสดงความห่วงใย แม้จะเป็นสิ่งที่มีความสวยงามเชิงวิชาการ มีแรงดึงดูดความสนใจผู้คนได้อย่างมากมายชนิดช็อกโลกกันเลยทีเดียว แต่บรรดาเหล่านักฟิสิกส์จำนวนมากก็ขอให้มีการพิสูจน์ให้แน่ชัดก่อนที่ CERN จะมีการประกาศต่อสาธารณะ เพราะการทดลองกับนิวตริโนเป็นสิ่งที่ทำได้ยากยิ่ง การค้นพบปรากฏการณ์พิเศษมากๆแบบนี้ ชนิดที่ไปหักล้างหลักเดิมที่ใช้กันอยู่อย่างได้ผลนั้น มันต้องการหลักฐานที่มีความพิเศษมากๆไม่ธรรมดาด้วยเช่นกัน มันจะเป็นไปได้หรือไม่ที่ข้อมูลที่ได้นั้นเกี่ยวข้องกับผลพวงของ systematic error และสิ่งสำคัญที่ต้องคิดให้ออกและตีให้แตกคือ เพราะเหตุใด อนุภาคนิวตริโนจึงเคลื่อนที่ได้เร็วกว่าความเร็วแสง

หากเรื่องนี้เป็นจริง จะเป็นการก้าวข้ามไปสู่ดินแดนฟิสิกส์ในมิติที่น่าพิศวง ทฤษฎีฟิสิกส์ต้องมีการปฏิวัติใหญ่ เพราะ ทฤษฎีของ Einstein แทบจะเป็นทุกอย่างของฟิสิกส์ในปัจจุบัน งานนี้จะเป็นการล้มช้างหรือไม่  Einstein คิดผิดหรืออย่างไร หรือว่าสิ่งที่ Einstein เสนอไว้ในอดีตที่โด่งดังนั้น จะเป็นจริงแบบมีข้อจำกัดว่า “ต้องไม่มีสิ่งใดเคลื่อนที่เร็วกว่าความเร็วของแสงนะ” เป็นอย่างนั้นหรือไม่

หากยังจำกันได้ มันจะเป็นเหตุการณ์คล้ายๆตอนที่ Bohr เสนอโครงสร้างอะตอมหรือไม่ ซึ่งตอนนั้นแนวคิดของ Bohr ทำให้สามารถอธิบายการเกิด Line spectrum ของอะตอมไฮโดรเจนได้อย่างดี และยังใช้อธิบายการเกิดเอกซเรย์ เมื่ออะตอมถูกระดมยิงด้วยอิเล็กตรอนได้อย่างง่ายดายไม่ซับซ้อนมากอีกด้วย ในเวลาต่อมา เมื่อมีการค้นพบกลศาสตร์ควอนตัมแล้ว นักฟิสิกส์ได้ค้นพบโครงสร้างอะตอมที่มีความสลับซับซ้อนมากขึ้น แต่นักฟิสิกส์ก็ลงความเห็นว่า ทฤษฎีของ Bohr ยังใช้ได้ภายใต้เงื่อนไขที่อะตอมมีอิเล็กตรอนหนึ่งตัว

การเกิด Characteristic X-rays 
ที่อธิบายโดยใช้แบบจำลองอะตอมตามแนวคิดของ Bohr

บทสรุปเรื่องนี้ยังไม่นิ่ง ยังเป็นเรื่องที่ต้องอดใจรอและติดตามกันต่อไปครับ ขณะนี้ ทีมนักฟิสิกส์ของสหรัฐ ได้จัดเตรียมการทดลองซ้ำขึ้นที่ห้องปฏิบัติการ Fermilab ที่ชิคาโก โดยมุ่งไปที่การวัดความเร็วของอนุภาคนิวตริโน โดยใช้ MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search) ทำนองเดียวกับโครงการ OPERA ของยุโรป เพื่อเป็นการยืนยันว่าอนุภาคนิวตริโน เคลื่อนที่เร็วกว่าอัตราเร็วแสงจริง หรือไม่จริง แต่มีข้อน่าสังเกตว่า Fermilab กำลังจะปิดตัวลงหลังจากเดินเครื่องมานาน 25 ปี เหตุเพราะรัฐบาลสหรัฐหั่นงบประมาณลง แล้วการทดลองเกี่ยวกับการเคลื่อนที่นิวตริโนจะทำได้อย่างไร

ความเห็นของ Michio Kaku
ศาสตราจารย์มิชิโอะ คาคุ นักฟิสิกส์ทฤษฎีที่มีชื่อเสียงในสหรัฐอเมริกา เป็นอาจารย์ที่ City University of New York

ขอบคุณ Bigthink

ต่อมายอมรับว่ามีความผิดพลาด.............

มานัส มงคลสุข

จำนวนผู้อ่านบทความนี้ 979 ครั้ง (30กย2554-30พย2555) 

Related Links:References
1. Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam
2. The Speed of Light: Not So Fast?
3. Faster-Than-Light Neutrinos? Physics Luminaries Voice Doubts
4. ฟิสิกส์ของนิวตริโน
5. Particle faster than speed of Light put to the test by Fermilab, US