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

ตราอันทรงเกียรติ หัวหน้าภาควิชารังสีเทคนิค มหิดล

(1,625ครั้ง)

Last update: 15-07-2014

ตราอันทรงเกียรติสำหรับหัวหน้าภาควิชารังสีเทคนิค มหาวิทยาลัยมหิดล เป็นตราที่ผู้ช่วยศาสตราจารย์นายแพทย์สุพจน์ อ่างแก้ว (1) ผู้อำนวยการโรงเรียนรังสีเทคนิคท่านแรกและท่านเดียว (เมื่อครั้งเป็นโรงเรียนรังสีเทคนิคตั้งแต่ พ.ศ. 2508)  และหัวหน้าภาควิชารังสีเทคนิคท่านแรก (หลังจากที่โรงเรียนรังสีเทคนิคปรับเปลี่ยนเป็นภาควิชารังสีเทคนิคเมื่อ พ.ศ. 2522 จนท่านเกษียณอายุราชการในปี พ.ศ. 2530) ได้จัดทำขึ้น เพื่อมอบให้กับหัวหน้าภาควิชารังสีเทคนิค ผู้ที่มารับหน้าที่ต่อจากท่าน ในเวลานั้นคือ รองศาสตราจารย์จิตต์ชัย สุริยะไชยากร (2) (พ.ศ.2531-2537) และได้เป็นประเพณีสืบทอดกันมา เมื่อท่านใดมารับตำแหน่งหัวหน้าภาควิชารังสีเทคนิค ก็จะรับตราอันทรงเกียรตินี้ไป หัวหน้าภาควิชารังสีเทคนิคท่านต่อๆมา ได้แก่ อาจารย์ธันพงษ์ กฤษณจินดา (3) (พ.ศ. 2537-2541) รองศาสตราจารย์ชวลิต วงษ์เอก (4) (พ.ศ. 2541-2549) และรองศาสตราจารย์มานัส มงคลสุข (5)(พ.ศ. 2549-2557)ตามลำดับ

ผศ.ดร.นภาพงษ์ พงษ์นภางค์ หัวหน้าภาคลำดับที่ 6
รับตำแหน่งตั้งแต่ 21 กรกฏาคม 2557 วาระ 4 ปี

       ลักษณะ

       ตราอันทรงเกียรติสำหรับหัวหน้าภาควิชารังสีเทคนิค มหาวิทยาลัยมหิดล สร้างขึ้นจากจานโลหะทังสะเต็นอัลลอยด์ที่ใช้ทำเป้าในหลอดเอกซเรย์จริงๆขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 7 เซ็นติเมตร นำมาชุบด้วยทองคำ ปิดทับด้วยแผ่นอะลูมิเนียมกลมสีน้ำเงินทั้งสองด้าน ด้านหน้ามีข้อความ “ขนฺตี ธีรสฺส ลงฺกาโร ขันติเป็นเครื่องประดับของนักปราชญ์” ด้านหลังมีข้อความ “ตราอันทรงเกียรติ พ.ศ. 2506 หัวหน้าภาควิชารังสีเทคนิค คณะเทคนิคการแพทย์ มหิดล” ประดับห้อยกับสายสะพายขนาดกว้าง 3 เซ็นติเมตร สีแดง มีริ้วสีเขียว น้ำตาลและน้ำเงิน ใช้สวมที่คอ

       ความหมาย

ภายในหลอดเอกซเรย์ประกอบด้วย จานโลหะและไส้หลอด เมื่ออิเล็กตรอนจากไส้หลอดที่มีพลังงานจลน์สูงมากวิ่งไปชนจานโลหะ จะเกิดเอกซเรย์สามารถนำไปใช้ประโยชน์ทางการแพทย์ จานโลหะนี้มีคุณสมบัติ ทนทานต่อแรงกระแทกกระทั้น แข็งแกร่งไม่แตกหักง่ายๆ และมีจุดหลอมเหลวสูง ทุกๆครั้งที่มีการผลิตเอกซเรย์ จานโลหะนี้จะเกิดความเค้น ความเครียดและความร้อนสูงมาก เพราะต้องรับแรงกระแทกจากการชนของอิเล็กตรอนจำนวนมาก โดยที่พลังงานของอิเล็กตรอนประมาณ 99 % จะกลายเป็นพลังงานความร้อนสะสมอยู่ในจานโลหะ ประมาณ 1 % เท่านั้นที่เป็นเอกซเรย์ออกมาจากจานโลหะให้เราได้ใช้ประโยชน์ นี่เป็นเหตุผลที่ว่า เพราะอะไรจานโลหะจึงต้องมีความทนทานสูง เก็บพลังงานในรูปความร้อนได้สูงและนานโดยไม่หลอมหรือแตกหัก แต่ใช่ว่าจานโลหะนี้จะอมตะ อยู่ยงคงกะพัน จำเป็นต้องมีวิธีระบายความร้อนออกจากจานโลหะด้วย เช่น ทิ้งช่วงเวลาในการระดมยิงอิเล็กตรอนใส่จานโลหะซะบ้าง มิฉะนั้นความร้อนจะสะสมในตัวจานโลหะมากเกินกว่าที่มันจะทนได้ จนหลอมหรือแตกไปในที่สุด

หากตัวเราเป็นดั่งจานโลหะนี้ และเปรียบอิเล็กตรอนคือ อุปสรรคและปัญหาต่างๆที่พุ่งเข้าหาเรา พลังของปัญหาต่างๆเหล่านั้น จะทำให้เราเกิดความเค้นและเครียด ในขณะที่ตัวเรายังสามารถสร้างผลงานที่เป็นประโยชน์ต่อสังคม ประชาชน หน่วยงานหรือองค์กรได้บ้าง ดูเหมือนน้อยนิด หากไตร่ตรองให้ดี ประโยชน์ที่เกิดขึ้นนั้นมันมากพอที่ทำให้เราภูมิใจ เป็นพลังใจให้เราทำงานเดินหน้าต่อไปได้อย่างภาคภูมิ ขณะเดียวกัน ต้องมีวิธีการที่ถูกต้องในการระบายพลังความเครียดออกไปจากเรา เพื่อให้เราสามารถอยู่รอด ไม่ให้สะสมเกินขีดจำกัดของเราได้ มิฉะนั้นเราจะแตกหักไปหรือหลอมละลายไป เราแตกต่างจากจานโลหะทังสะเต็นอัลลอยด์ก็ตรงที่ว่า เราเป็นคน มีชีวิตจิตใจ แต่ละคนมีความทนทานและความจุพลังความเครียดไม่เท่ากัน

     จานโลหะนี้จึงเป็นเครื่องเตือนสติให้หัวหน้าภาควิชารังสีเทคนิค มีความอดทน อดกลั้น เข้มแข็ง ไม่ขาดสติ แม้จะมีอุปสรรคและปัญหา พุ่งเข้ามากระแทกกระทั้นหนักหนาสาหัสสักปานใดก็ตาม ประกอบกับข้อความที่เขียนไว้ว่า “ขนฺตี ธีรสฺส ลงฺกาโร ขันติเป็นเครื่องประดับของนักปราชญ์” เป็นพุทธสุภาษิตที่เตือนสติให้หัวหน้าภาควิชารังสีเทคนิคได้เข้าใจว่า เครื่องประดับนั้นเป็นสิ่งที่ช่วยเสริมให้คนดูสวยงามขึ้น แต่หากผู้นั้นแสดงกิริยาไม่เหมาะสม ขาดความอดทนอดกลั้น ความสวยงามก็หมดไป สำหรับนักปราชญ์ หากแสดงกิริยาไม่เหมาะสม ก็จะยิ่งน่ารังเกียจเป็นทวีคูณ นักปราชญ์จะแสดงความสง่าน่านับถือไว้ได้ด้วยความอดทนอดกลั้น

รังสีส่องชีวิต

(538 ครั้ง) 

ในโอกาสวันที่ 8 พฤศจิกายน 2554 ซึ่งเป็นวันครบรอบปีที่ 116 แห่งการค้นพบรังสีเอกซ์ และองค์การอนามัยโลกกำหนดให้เป็นวัน “รังสีเทคนิคโลก” หรือ “World Radiography Day” ได้เวียนมาบรรจบอีกครั้งหนึ่ง ขอใช้โอกาสนี้แสดงความระลึกถึง คุณประโยชน์อันอเนกอนันต์ของรังสี (เช่น รังสีเอกซ์ เป็นต้น) ในส่วนต่างๆที่มนุษย์โลกได้รับ ทั้งโดยทางตรงและทางอ้อม และน้อมคารวะนักวิทยาศาสตร์ที่มีส่วนสร้างผลงานที่น่าทึ่งและทรงคุณค่าทั้งหลาย เป็นการเตือนความจำให้เราท่านทั้งหลายได้ระลึกรู้ เฉกเช่นคนไทยและมนุษย์โลกทั้งหลายที่มีความกตัญญู รู้คุณ โดยจะชวนทุกท่านขึ้นยานท่องกาลเวลา ย้อนรอยกลับไปดูเรื่องราวของการใช้ “รังสีส่องชีวิต”

รังสีเอกซ์เผยภาพความลับของร่างกาย

เริ่มท่องกาลเวลา ณ จุดนี้ครับ พ.ศ. 2438 เมื่อ 116 ปีที่ผ่านมา

วันศุกร์ที่8 พฤศจิกายนพ.ศ. 2438 (ค.ศ.1895) เวลาบ่าย ศาสตราจารย์เรินท์เกน แห่งมหาวิทยาลัย Wurgburg ประเทศเยอรมันค้นพบรังสีเอกซ์ (X-rays) โดยบังเอิญขณะทำการศึกษารังสีแคโทด และได้รับรางวัลโนเบล สาขาฟิสิกส์เป็นคนแรกของโลกใน พ.ศ. 2444

หากจะมองคุณสมบัติของรังสีเอกซ์ ก็พอสรุปได้ว่า รังสีเอกซ์เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า มองไม่เห็นด้วยตาเปล่า ไม่เบี่ยงเบนในสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก เคลื่อนที่ในสุญญากาศด้วยอัตราเร็วเท่ากับแสง มีอำนาจทะลุผ่านสูงมาก ทำให้เกิดรอยดำบนฟิล์มถ่ายรูป เมื่อเคลื่อนที่ผ่านตัวกลางสามารถทำให้อะตอมของตัวกลางแตกตัวได้ คุณสมบัติที่ทำให้อะตอมแตกนี่แหละที่ทำให้เราจัดรังสีเอกซ์เป็นรังสีชนิดที่ทำให้ก่อประจุ

จากคุณสมบัติที่ทำให้เกิดรอยดำบนฟิล์ม จึงทำให้รังสีเอกซ์กลายเป็นกุญแจสำคัญ ที่สามารถเปิดเผยความลี้ลับภายในร่างกายของเราได้ โดยเราไม่รู้สึกเจ็บปวดทรมาน เหมือนใช้มีดผ่าหรือเจาะร่างกายเข้าไปดู

แต่ในระยะแรกๆที่ค้นพบรังสีเอกซ์ใหม่ๆ ผู้คนทั่วไปเกิดความกลัวและต่อต้านการถ่ายภาพเอกซเรย์ เพราะเข้าใจผิดว่า รังสีเอกซ์จะเปิดเผยความลับของพวกเขาซึ่งถือเป็นการล่วงละเมิดสิทธิส่วนตัว ไม่นานเท่าไร ความรู้สึกนั้นจางหายไป ปัจจุบันผู้คนทั่วไปไม่รู้สึกแบบนั้นแล้ว ในทางตรงกันข้าม เมื่อมีอาการเจ็บป่วย หรือสงสัยว่าตัวเองจะเป็นนั่นเป็นนี่ มักจะเรียกร้องให้ถ่ายภาพเอกซเรย์ด้วยซ้ำไป ดังนั้น การค้นพบรังสีเอกซ์จึงเป็นจุดเริ่มต้นแห่งการส่องสำรวจภายในร่างกายมนุษย์ด้วยรังสี

ปัจจุบันนี้ ในโรงพยาบาลจะมีนักรังสีเทคนิค (สำหรับประเทศไทยมีนักรังสีเทคนิคมานานกว่า 40 ปีแล้ว จำนวนกว่า 3,000 คน) นักรังสีเทคนิคจะต้องมีใบอนุญาตประกอบโรคศิลปะเพราะเป็นผู้ใช้รังสีกับมนุษย์ มีหน้าที่รับผิดชอบหลายอย่าง และอย่างหนึ่งคือ การถ่ายภาพเอกซเรย์ให้ได้ภาพเอกซเรย์ที่มีคุณภาพและผู้ป่วยปลอดภัยจากรังสี โดยใช้รังสีเอกซ์ส่องผ่านเข้าไปในร่างกายผู้ป่วย เมื่อรังสีเอกซ์ที่ทะลุออกมาแล้วไปตกกระทบบนฟิล์ม หรือแผ่นรับภาพแบบดิจิทัล ภาพเงาของอวัยวะภายในร่างกายก็จะถูกเปิดเผยออกมา ภาพเงานี้คือภาพเอกซเรย์ ซึ่งจะช่วยให้รังสีแพทย์สามารถวินิจฉัยโรคได้

ภาพเงาที่เกิดขึ้นนั้น มาจากการดูดกลืนรังสีเอกซ์ของอวัยวะภายในร่างกายที่แตกต่างกัน เช่น กระดูกมีความหนาแน่นสูงจะดูดกลืนรังสีเอกซ์ไว้มากกว่าปอดที่มีความหนาแน่นต่ำกว่า เป็นต้น ทำให้เราเห็นเงาของกระดูกเป็นสีขาวหรือเทาอ่อนๆ ขณะที่ปอดเห็นเป็นสีเทาเข้มหรือดำ ตรงนี้เกี่ยวข้องกับกฎของ Lambert-Beer

นี่เป็นการใช้รังสีเอกซ์ส่องดูอวัยวะภายในร่างกายของมนุษย์เพื่อการวินิจฉัยโรค เป็นการดูภาพเอกซเรย์แบบกายวิภาคครับ แต่ก็มีปัญหาอยู่บ้างเรื่องการซ้อนทับกันของเงาของอวัยวะที่ปรากฏบนภาพเอกซเรย์

ผลึกวิทยารังสีเอกซ์

ยานท่องกาลเวลาพาเราเดินมาถึงห้วงเวลาพ.ศ. 2455 ซึ่งเป็นช่วงของการใช้รังสีเอกซ์กับผลึก เป็นการใช้รังสีเอกซ์ส่องดูโครงสร้างของผลึกครับ แม้ฟังดูจะเป็นเรื่องเกี่ยวกับผลึก อาจจะไม่เกี่ยวกับชีวิตเลย แต่ใจเย็นๆครับ ตามผมมาเรื่อยๆ แล้วจะทราบว่า จุดเริ่มต้นตรงนี้ มันช่วยนำไปสู่การส่องชีวิตได้อย่างละเอียดลึกซึ้งมากขึ้นจริงๆ

แรกทีเดียวที่ศาสตราจารย์เรินท์เกนค้นพบรังสีเอกซ์ใหม่ๆ นักวิทยาศาสตร์ไม่แน่ใจว่า รังสีเอกซ์เป็นคลื่นหรืออนุภาค จนกระทั่งปี พ.ศ. 2455 Max von Laue ตั้งสมมติฐานว่า “รังสีเอกซ์เป็นคลื่นและโครงสร้างของผลึกมีการจัดตัวเป็น lattice (จุดสมมติ) อย่างเป็นระเบียบ” เขาได้แสดงให้เห็นว่า รังสีเอกซ์มีคุณสมบัติเป็นคลื่นจริง และเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าด้วย โดยการยิงรังสีเอกซ์ผ่านเข้าไปในผลึกแล้วเกิดการเลี้ยวเบน (diffraction) ได้แบบคลื่น ทำนองเดียวกับที่เราใช้แสงขาวส่องผ่านเกรตติ้ง แล้วแสงขาวเลี้ยวเบนออกมาเป็นสีรุ้ง 7 สีที่ทราบกันดี นอกจากนั้นยังยืนยันได้ว่า โครงสร้างของผลึกมีการจัดตัวเป็นระเบียบจริงๆ ผลงานนี้ทำให้ Max von Laue ได้รับรางวัลโนเบล สาขาฟิสิกส์ ในปี พ.ศ. 2457

 ในเวลาต่อมา สองพ่อลูกตระกูล Bragg (William Bragg ผู้พ่อและ Lawrence Bragg ผู้เป็นลูก) ร่วมกันศึกษาจนค้นพบกุญแจสำคัญที่สามารถไขไปสู่การหาโครงสร้างของผลึกด้วยการใช้รังสีเอกซ์ คือ สามารถบอกได้อย่างละเอียดถี่ถ้วนว่า การจัดตัวของอะตอมในผลึกเป็นอย่างไร อะตอมตัวไหนอยู่ตรงไหน อะตอมแต่ละตัวทำมุมกันเท่าไรทิศทางไหน

มีการสร้างเครื่องมือที่เรียกว่า Bragg diffractometer และเสนอกฎเกณฑ์ที่สามารถคำนวณหาความยาวคลื่นของรังสีเอกซ์ได้ นั่นคือ nl=2dsinq เมื่อ l คือความยาวคลื่นของรังสีเอกซ์ d คือระยะระหว่างระนาบของอะตอม และ q คือ Bragg angle อันนี้ หลายท่านอาจจะยังพอนึกออกนะครับ

ร่องรอยการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์จากผลึกถูกบันทึกไว้ด้วยฟิล์มเอกซเรย์ เกิดเป็นจุดดำที่มีความดำแตกต่างกันสัมพันธ์กับความเข้มของรังสีเอกซ์ การวัดความดำของจุดเหล่านี้ ทำให้ทราบความเข้มของรังสีเอกซ์ที่เลี้ยวออกมาในทิศทางต่างๆที่สอดคล้องกับกฎของ Bragg คือบอกได้อย่างมั่นใจว่า จุดดำแต่ละจุดเหล่านี้ เลี้ยวเบนมาจากระนาบอะตอมชุดไหน และสามารถนำความเข้มของรังสีเอกซ์ที่วัดได้ทั้งหมดนี้ ไปคำนวณหาตำแหน่งของอะตอมได้อย่างแม่นยำและน่าอัศจรรย์

ดังนั้นในปี พ.ศ. 2458 สองพ่อลูกตระกูล Bragg จึงได้รับรางวัลโนเบล สาขาฟิสิกส์ และถือว่าเป็นผลงานที่เป็นจุดกำเนิดของ “ผลึกวิทยารังสีเอกซ์” (X-rays Crystallography)

โครงสร้าง 3 มิติของโปรตีน

ตอนนี้ ยานท่องกาลเวลากำลังมาถึงพ.ศ. 2469 เป็นเรื่องการใช้รังสีเอกซ์ส่องดูโครงสร้างของโปนตีน

เมื่อมองลึกลงไปในเซลล์ของมนุษย์เราทั้งหลาย แม้ในช่วงเวลาสั้นมากๆ มันก็มีปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้นจำนวนมากมาย ที่ควบคุมหรือเร่งปฏิกิริยาด้วยเอ็นไซม์

 ปรากฏว่าใน พ.ศ. 2469 James Batcheller Sumner สามารถทำในสิ่งที่ไม่น่าจะเป็นไปได้ คือเขาทำให้เอ็นไซม์เป็นผลึกได้ และพิสูจน์ได้ว่า เอ็นไซม์ คือ โปรตีน หมายความว่า โปรตีนทำให้เป็นผลึกได้นั่นเอง

นี่เป็นก้าวแรกที่มีความสำคัญอย่างยิ่ง ที่นำไปสู่การวิเคราะห์โครงสร้างแบบ 3 มิติของโปรตีน ด้วยการใช้การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ตามวิธีการของผลึกวิทยารังสีเอกซ์ หมายความง่ายๆ ย่อๆ ว่า เมื่อเราทำโปรตีนให้เป็นผลึกได้แล้ว (ซึ่งต้องใช้เทคนิคพิเศษจริงๆมิฉะนั้นโปรตีนก็จะสูญเสียสภาพไป) จากนั้นยิงรังสีเอกซ์ผ่านผลึกของโปรตีน ก็จะเกิดการเลี้ยวเบน บันทึกภาพการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ วัดความเข้มของรังสีเอกซ์ที่เลี้ยวเบนออกมาในทิศทางต่างๆ นำไปคำนวณโครงสร้างของโปรตีน

เห็นไหมครับว่า รังสีเอกซ์ส่องเห็นการจัดตัวอะตอมที่เป็นองค์ประกอบของโปรตีนในสถานะผลึก ทำให้เข้าใจโปรตีนได้ดีขึ้นอย่างมาก ดังนั้นใน พ.ศ. 2489 James Batcheller Sumner พร้อมคณะได้แก่ John Howard Northrop และ Wendell Meredith Stanley จึงได้รับรางวัลโนเบล สาขาเคมี

การสั่นพ้องแม่เหล็กของนิวเคลียส (NMR)

ยานท่องกาลเวลาพาเรามาถึงจุดสำคัญอีกจุดหนึ่ง พ.ศ. 2488 คือ การสั่นพ้องแม่เหล็กของนิวเคลียส หรือ NMR ย่อมาจาก Nuclear Magnetic Resonance

พ.ศ. 2488 ทีมวิจัย 2 ทีม ทีมหนึ่งนำโดย Felix Bloch นักฟิสิกส์ชาวสวิตเซอร์แลนด์จากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด อีกทีมหนึ่งนำโดย Edward Mills Purcell นักฟิสิกส์ชาวอเมริกันจากมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด ค้นพบการสั่นพ้องแม่เหล็กของนิวเคลียส และทั้งสองทีมได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ร่วมกันจากผลงานนี้ใน พ.ศ. 2495

NMR หรือการสั่นพ้องแม่เหล็กของนิวเคลียสคืออะไร

ลองดูที่นิวเคลียสของอะตอมไฮโดรเจนซึ่งมีแม่เหล็กอ่อนๆ เมื่อวางระบบนิวเคลียสไฮโดรเจนไว้ในสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอ ระบบนิวเคลียสไฮโดรเจนจะมีความถี่ธรรมชาติหรือความถี่ลาร์มอร์ (Larmor Frequency) ค่าหนึ่งขึ้นกับความแรงของสนามแม่เหล็กจากภายนอก ระบบนิวเคลียสไฮโดรเจนนี้จะสามารถดูดกลืนคลื่นวิทยุที่มีความถี่ตรงกับความถี่ธรรมชาติของระบบนิวเคลียสได้ เมื่อดูดกลืนคลื่นวิทยุจนหมดแล้ว ระบบนิวเคลียสก็คายพลังงานออกมา นี่แหล่ะครับคือ NMR อย่างง่ายที่สุด

การค้นพบนี้ นำไปใช้ประโยชน์ในทางเคมี เช่น การหาโครงสร้างของสารประกอบ เป็นต้น และที่สำคัญอีกอย่างหนึ่งคือ การนำไปใช้ในการสร้างภาพอวัยวะภายในร่างกายมนุษย์เพื่อวินิจฉัยโรคที่เรารู้จักกันดีคือ MRI (Magnetic Resonance Imaging)

รังสีเอกซ์เผยโครงสร้างรหัสลับของชีวิต

ยานท่องกาลเวลามาจอดที่ พ.ศ. 2495 เป็นปีที่ โรซาลินด์ แฟรงคลิน (Rosalind Franklin) และมอรีส วิลคินส์ (Maurice Wilkins) ชาวอังกฤษ เปิดข้อมูลภาพความลับของรหัสลับแห่งชีวิต เขาได้ใช้หลักการผลึกวิทยารังสีเอกซ์ ด้วยการใช้รังสีเอกซ์ส่องผ่านไปยัง DNA (Deoxyribonucleic acid ซึ่งเป็นกรดที่พบในใจกลางของเซลล์ บรรจุรหัสพันธุกรรมของชีวิตเราไว้) ของมนุษย์ และสามารถบันทึกภาพการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์จาก DNA ได้ชัดเจนที่สุดเป็นครั้งแรกของโลก

เจมส์ วัตสัน (James Watson) และฟราซิส คริก (Francis Crick) ใช้ข้อมูลที่ได้จากการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์จาก DNA นำทางไปสู่การค้นพบว่า DNA มีโครงสร้างเป็นเกลียวคู่ รหัสลับของชีวิตถูกเฉลย ทำให้เราสามารถค้นหาคำตอบของชีวิตได้มากยิ่งขึ้น

พ.ศ. 2505 เจมส์ วัตสัน, ฟราซิส คริก และมอรีส วิลคินส์ ได้รับรางวัลโนเบล สาขาการแพทย์ ซึ่งก่อนหน้านั้น 4 ปี โรซาลินด์ แฟรงคลิน เสียชีวิตด้วยโรคมะเร็งรังไข่ด้วยวัยเพียง 37 ปีเท่านั้น มีความเป็นไปได้ว่าเป็นผลจากการได้รับปริมาณรังสีมากเกินไป เพราะเหตุที่เธอมีความมุ่งมั่นอย่างสูงในการทำการทดลอง ตอนที่รับรางวัลโนเบลนั้นก็น่าแปลใจ ที่สุภาพบุรุษทั้งสามท่านไม่กล่าวถึง โรซาลินด์ แฟรงคลิน เลยเหมือนถูกทิ้งไว้เบื้องหลังให้ถูกลืม ทั้งที่ผลงานของเธอนั้นชี้ขาดว่า DNA มีโครงสร้างเป็นเกลียวคู่ เธอจึงถูกขนานนามว่า “Dark Lady of DNA”

ทุกวันนี้  นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่ ยอมรับแล้วว่า ความสำเร็จของ เจมส์ วัตสัน, ฟราซิส คริก และมอรีส วิลคินส์ มีพื้นฐานที่ฟันธงมาแล้วจากผลงานของ โรซาลินด์ แฟรงคลิน

ภาพตัดเป็นชิ้นบางๆด้วยรังสีเอกซ์

ยานท่องกาลเวลามาจอดที่ พ.ศ. 2514

หากย้อนกลับไปดูการถ่ายภาพเอกซเรย์แบบธรรมดา ซึ่งได้ภาพเอกซเรย์ที่มีประโยชน์ต่อการวินิจฉัยโรค จากอดีตจนถึงปัจจุบันโดยส่วนใหญ่ยังใช้วิธีนี้ ซึ่งเราท่านทั้งหลายคุ้นเคยดีเมื่อไปถ่ายภาพเอกซเรย์ที่โรงพยาบาล อย่างไรก็ตาม เราพบปัญหาสำคัญคือ ภาพเอกซเรย์แบบธรรมดาที่ได้ มีการซ้อนทับกันของเงาของอวัยวะภายในร่างกายของเรา เช่น ภาพเอกซเรย์ทรวงอก เราจะเห็นเงาของเนื้อปอดและกระดูกซ้อนกัน ทำให้การวินิจฉัยโรคต้องใช้ความชำนาญและความพยายามสูง

พ.ศ.2514  เป็นปีที่ จี. เอ็น. เฮานสฟิลด์ (G.N. Hounsfield) วิศวกรของบริษัทอีเอ็มไอ ประเทศอังกฤษ ซึ่งได้รับแรงกระตุ้นจากผู้บริหารบริษัท ในฐานะที่เป็นคนชอบประดิษฐ์อุปกรณ์วิทยาศาสตร์ตั้งแต่วัยเยาว์ เขามองเห็นโอกาสความเป็นไปได้ ในการสร้างภาพเอกซเรย์จากการใช้ความเข้มของรังสีเอกซ์มาคำนวณ ในที่สุด เขาประสบความสำเร็จในการสร้างเครื่องมือรังสีเอกซ์ทางการแพทย์ ที่สามารถสร้างภาพตัดขวางของร่างกายมนุษย์ออกมาเป็นชิ้นบางๆ ซึ่งเรารู้จักกันดีในนาม CT หรือ Computed Tomography หรือเอกซเรย์คอมพิวเตอร์ หรือซีทีสแกน ด้วยการใช้รังสีเอกซ์ลำแคบเป็นเส้นดินสอยิงผ่านไปในระนาบที่ต้องการดูภาพ ในทิศทางต่างๆที่มากพอ เมื่อนำค่าความเข้มของรังสีเอกซ์ที่ทะลุผ่านออกมาไปคำนวณ จะสามารถสร้างภาพชิ้นบางๆนั้นได้ เป็นภาพที่เสมือนหั่นร่างกายออกมาเป็นชิ้นบางๆ

ผลงานนี้เป็นก้าวสำคัญของวงการรังสีทางการแพทย์ เป็นการปฏิวัติการถ่ายภาพเอกซเรย์ทางการแพทย์ครั้งสำคัญนับจากที่มีการค้นพบรังสีเอกซ์ สามารถแก้ปัญหาการซ้อนทับกันของภาพเงาของอวัยวะภายในร่างกายได้อย่างมีประสิทธิภาพ  และนำไปสู่เทคนิคการสร้างภาพรังสีเอกซ์ที่ทันสมัยตามมาอีกมากมาย เช่น การสร้างภาพ 3 มิติของหัวใจที่ใช้เวลาสั้นมากๆ เป็นต้น

พ.ศ. 2522 จี. เอ็น. เฮานสฟิลด์ และ เอ.เอ็ม. คอร์แม็ก (A.M. Cormack) จึงได้รับรางวัลโนเบลสาขาการแพทย์ หลายท่านอาจแปลกใจว่า เอ.เอ็ม. คอร์แม็ก คือใคร มีบทบาทเกี่ยวพันกับเรื่องนี้อย่างไร

เอ.เอ็ม. คอร์แม็ก เป็นนักฟิสิกส์นิวเคลียร์ ชาวอัฟริกาใต้ เมื่อพ.ศ. 2506 ได้ศึกษาในเชิงทฤษฎีเกี่ยวกับการคำนวณค่าการกระจายสัมประสิทธิ์การดูดกลืนรังสีเอกซ์ของตัวกลางที่รังสีเอกซ์เคลื่อนที่ผ่านไปในทิศทางต่างๆ ผลงานของเขาถือเป็นผลงานจุดกำเนิดของเรื่องนี้

แนวความคิดของ จี. เอ็น. เฮานสฟิลด์ และ เอ.เอ็ม. คอร์แม็ก คล้ายคลึงกับหลักการของผลึกวิทยารังสีเอกซ์ ต่างกันตรงที่  หลักการของผลึกวิทยารังสีเอกซ์ใช้การเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ แต่หลักการของซีทีสแกนใช้การดูดกลืนของรังสีเอกซ์ ซึ่งเป็นการส่องชีวิตที่น่าอัศจรรย์ยิ่ง

นิวเคลียสตื่นเต้นส่องชีวิตชัดเจน

ยานท่องกาลเวลาร่อนมาจอดที่สถานีสุดท้ายที่ พ.ศ. 2515 ณ จุดเวลานี้ เป็นจุดเริ่มของการใช้คลื่นวิทยุส่องชีวิต

พ.ศ. 2515 เลาเตอร์เบอร์ (Lauterbur) เป็นคนแรกที่พยายามสร้างภาพชิ้นบางๆของแฟนตอมที่ทำเป็นหลอดบรรจุน้ำขนาดเล็กโดยอาศัยการสั่นพ้องของแม่เหล็กนิวเคลียส (NMR) จนสำเร็จ และเขาเรียกวิธีการสร้างภาพแบบนี้ว่า เซียกมาโตกราฟฟี่ (Zeugmatography) แต่ไม่นิยมเรียกกัน เรานิยมเรียกว่า MRI (Magnetic Resonance Imaging) หรือ การสร้างภาพการสั่นพ้องแม่เหล็กของนิวเคลียส เป็นการทำการกระตุ้นนิวเคลียสของอะตอมเป้าหมายในที่นี้คือไฮโดรเจนให้ตื่นเต้นด้วยคลื่นวิทยุ เมื่อนิวเคลียสคลายความตื่นเต้น มันจะคลายพลังงานออกมาซึ่งตรวจจับได้และสามารถนำไปคำนวณสร้างภาพได้

ภาพที่เลาเตอร์เบอร์ใช้การสั่นพ้องแม่เหล็กของนิวเคลียสสร้างขึ้น ต่อมาเรียกว่า ภาพเอ็มอาร์ไอ เป็นภาพที่แสดงการกระจายของความหนาแน่นของโปรตอน และเวลาการผ่อนคลาย (relaxation time) ซึ่งกระจายอยู่ในหลอดน้ำปริมาณ 1 มิลลิลิตร จำนวน 2 หลอด ซึ่งในเวลาเดียวกันนั้น จี. เอ็น. เฮานสฟิลด์ ประสบความสำเร็จในการสร้าง CT แล้ว ทำให้นักวิทยาศาสตร์หลายกลุ่มหันมาสนใจผลงานของเลาเตอร์เบอร์กันมาก คงเพราะเห็นว่า เป็นวธีการสร้างภาพแบบที่ไม่ต้องใช้รังสีเอกซ์ โดยคาดหมายกันว่า หากวิธีการนี้ใช้ได้กับมนุษย์จะเป็นการดีทีเดียวเพราะอันตรายที่มีต่อมนุษย์แบบเดียวกับที่เกิดจากรังสีเอกซ์ไม่เกิดขึ้น

พ.ศ. 2519 แมนส์ฟิลด์ (Mansfield) และแมดส์เลย์ (Maudsley) ใช้การสั่นพ้องของแม่เหล็กนิวเคลียสเพื่อสร้างภาพอวัยวะภายในร่างกายมนุษย์ได้เป็นครั้งแรก และพัฒนาจนกระทั่งสามารถสร้างภาพได้ตลอดทั้งลำตัว

และในปีพ.ศ. 2546 เลาเตอร์เบอร์และแมนส์ฟิลด์ ได้รับรางวัลโนเบลสาขาการแพทย์ร่วมกัน

การส่องชีวิตด้วยรังสีที่ยานท่องกาลเวลาพาเราไปชมนั้น เป็นจุดเวลา (milestone) สำคัญๆที่เลือกมาเท่านั้น ความจริงแล้ว ยังมีการส่องชีวิตด้วยรังสีแบบอื่นๆอีก เช่น การใช้คลื่นเสียงความถี่สูงมากที่เราเรียกว่า Ultrasonography การใช้สารเภสัชรังสีเพื่อส่องดูหน้าที่การทำงานของอวัยวะต่างๆทางด้านเวชศาสตร์นิวเคลียร์ ส่องกันในระดับโมเลกุล เป็นต้น

ปัจจุบันนี้ การส่องชีวิตด้วยรังสีได้ถูกพัฒนาไปอย่างมากมาย เพิ่มประสิทธภาพในการส่องชีวิตมากยิ่งขึ้น ได้เห็นในสิ่งที่คลุมเครือหรือไม่เคยเห็นมาก่อน เกิดวิธีการแบบใหม่ มีการรวมภาพรังสีที่เกิดจากกระบวนการที่แตกต่างกัน ทำให้เราสามารถมองเห็นภาพเชิงกายวิภาคและหน้าที่การทำงานของอวัยวะต่างๆในเวลาเดียวกัน และยังเป็นประโยชน์ในการวางแผนการรักษาด้วยรังสีที่มีความเที่ยงตรงและแม่นยำมากยิ่งขึ้น การพัฒนายังไม่สิ้นสุด บอกไม่ได้ว่าจะไปสุดที่ใด เส้นทางนี้ยังอีกยาวไกลครับ  
จำนวนผู้อ่านบทความนี้ 538 ครั้ง (8พย2554-30พย2555)