วิศวกร VS ฟิสิกส์ยุคใหม่

(ตอนที่๑)
Download PDF File

     ๑.บทเกริ่นนำ ขอเริ่มต้นด้วยหัวเรื่องที่อาจจะก่อให้เกิดความฉงนแก่บรรดาวิศวกรที่กำลังอ่านว่า เอ๊ะมันเรื่องอะไรกันหว่า  ซึ่งอันที่จริงเราอาจจะมองได้สองแง่ ทั้งในแง่ที่เกี่ยวเนื่องกับอารมณ์ และทางด้านวิชาการ (ชึ่งเราจะได้พูดถึงต่อไปภายหลัง) สำหรับอย่างแรกนั้นตรงไปตรงมา ไม่มีอะไรสลับซับซ้อนมากมาย   เพียงแต่ขอให้พวกเรานึกกลับไปช่วงที่ยังเป็นวัยรุ่น ซึ่งแน่นอนที่ทุกคนที่ฝันจะเรียนวิศวต้องเก่งวิชาฟิสิกส์ และหลีกไม่พ้นที่ต้องสนใจความน่าทึ่งของ ทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์กับทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัมซึ่งถูกจัดเป็นฟิสิกส์ยุคใหม่ (MODERN PHYSICS) แต่เป็นทฤษฎีที่ประหลาดที่ไม่เป็นไปตามสามัญสำนึกของเรา ทำให้เป็นแรงดึงดูดความสนใจสำหรับผู้ที่หลงใหลในวิทยาศาสตร์อยู่เสมอ

          ที่สำคัญในปัจจุบันก็คือเรื่องที่ความก้าวหน้าของทฤษฎีฟิสิกส์ยุคใหม่ ที่ได้สร้างความฮือฮาครั้งใหญ่  เมื่อทฤษฎีโครงสร้างมาตรฐานของอนุภาคทางฟิสิกส์ (STANDARD MODEL OF PARTICLE PHYSICS THEORY) ได้ถูกพิสูจน์ และให้ผลการทดลองที่เป็นไปตามทฤษฎีว่ามี อนุภาคพื้นฐาน“ฮิกส์” (HIGGS PARTICLE) อยู่จริงตามที่ทำนาย โดยมันถึงกับถูกเรียกอย่างให้ความสำคัญยิ่งใหญ่ว่า “อนุภาคพระเจ้า” (GOD PARTICLE)

            ผู้เขียนคาดเอาเองว่าถึงแม้ว่าปัจจุบันวิศวกรส่วนใหญ่จะห่างเหินร้างราจากความน่าทึ่งของฟิสิกส์ยุคใหม่  แต่ความรักและหลงใหลในเรื่องดังกล่าวคงยังคงมีอยู่  โดยเฉพาะถ้าสามารถเข้าใจได้โดยไม่ต้องใช้ความพยายามมากมายจนปวดเฮด (Head) เพิ่มเติมจากงานหนักที่ทำอยู่ประจำ เหตุผลเพราะเป็นที่รู้กันอยู่แล้วว่าเรื่องฟิสิกส์ยุคใหม่นี้มันสลับซับซ้อนซ่อนเงื่อนเหลือจะพรรณนา ดังนั้นบทความนี้จึงมีจุดประสงค์ที่จะทำหน้าที่ช่วยแก้ปัญหาดังกล่าว โดยจะพยายามอธิบายอย่างง่ายๆเพื่อให้เข้าถึงและรู้สึกสนุกเพลิดเพลินเท่าที่จะทำได้ครับ

          อนึ่งก่อนที่จะพูดถึงเรื่อง “อนุภาคพระเจ้า” ตามทฤษฎีโครงสร้างมาตรฐานของอนุภาคทางฟิสิกส์  ผู้เขียนขอเกริ่นก่อนว่าทฤษฎีนี้มีความเป็นมาที่ประหลาดและยืดยาวแต่ก็น่าสนใจ ดังนั้นการอธิบาย(ซึ่งน่าจะเรียกว่าคุยให้ฟังมากกว่า) จึงจะไม่ตามลำดับเหมือนในตำรา  เพราะจะยืดยาดน่าเบื่อหน่ายชวนง่วงนอน  แต่เป็นอย่างไรขอให้ดูต่อไป

          ๒.ทฤษฎีโครงสร้างมาตรฐานของอนุภาคทางฟิสิกส์ (STANDARD MODEL OF PARTICLE PHYSICS THEORY) ตามรูปข้างล่างซึ่งเป็นภาพโดยรวมอย่างคร่าวๆของทฤษฎีนี้ เห็นรูปแล้วผู้อ่านอย่าเพิ่งตกใจร้องว่าตายล่ะหว่าตูจะเข้าใจได้หรือ ใจเย็นๆครับ อันที่จริงมันไม่ยากอย่างที่คิด และเพื่อให้มองเห็นภาพและเข้าใจง่ายจึงขออธิบายไดอาแกรมในรูปโดยสรุปดังนี้

         ในแถวบนของรูปแสดงส่วนประกอบของสสาร โดยเริ่มจากมุมบนด้านซ้ายมือในด้วยก้อน“วัตถุ”สี่เหลี่ยม (จะเป็นอะไรก็ได้ครับ) ซึ่งประกอบด้วยอะตอมจำนวนมหาศาลโดยแสดงอยู่ถัดไปด้านซ้าย และแต่ละอะตอมก็ประกอบด้วยนิวเคลียสตรงกลางซึ่งถูกล้อมรอบด้วยอีเล็กตรอน  แล้วก็โปรตอนกับนิวตรอนที่ประกอบเป็นนิวเคลียสตามลำดับ ซึ่งเป็นที่รู้กันดีอยู่แล้วใช่ไหมครับ

           ถัดลงมาเป็นกลุ่มลูกกลมๆ ๕ ชุด รวมทั้งหมดมี ๑๘ ลูก เป็น(ส่วนหนึ่งของ)อนุภาคพื้นฐาน (FUNDAMENTAL PARTICLE) ทั้งหมดที่มีในธรรมชาติของทฤษฎีนี้ โดยสองชุดแรกเป็นลูกสีส้ม๒ลูกที่วางบนฐานสีส้มบวกกับลูกสีเขียวอีก๒ลูกที่วางบนฐานสีเขียวรวมเป็น๔ลูก ซึ่งสองชุดนี้เป็นอนุภาคของสสารที่อยู่บนโลกเรา ส่วนอีก๔ลูกบนฐานสีส้มเป็นอนุภาคที่มาจากรังสีคอสมิกนอกโลก

        วกกลับไปยังชุดลูกสีเขียวอีก๒ลูกที่วางบนฐานสีเขียว (ซึ่งส่วนประกอบของโปรตอนกับนิวตรอน) และเมื่อคิดรวมกับชุดลูกสีส้ม๔ลูกที่วางบนฐานสีเขียว ทั้งหมดรวมเป็นอนุภาคพื้นฐาน๖ลูกเรียกว่า“ควาก” (QUARK PARTICLE) ซึ่งเราจะพูดถึงในเวลาต่อไป

           สำหรับ๖ลูกสุดท้ายที่เหลือบนฐานสีขาว เป็นชุดอนุภาคที่ทำหน้าที่เป็นพาหะของ“แรง”(FORCE CARRIER PARTICLE) ที่กระทำระหว่างอนุภาคต่างๆ เช่นลูกสีเหลืองเป็นอนุภาค “โฟตอน, แสง” (PHOTON, LIGHT PARTICLE) ที่เกิดขึ้นในปฏิกิริยาระหว่างอนุภาคประจุไฟฟ้า ถัดลงมาลูกสีดำ๓ลูก (ที่ต่อจากลูกสีเหลือง) เป็นอนุภาค “แรงอ่อน” (WEAK FORCE PARTICLE) ที่เกิดขึ้นในปฏิกิริยาระหว่างที่นิวตรอนสลายตัวกลายเป็นโปรตอนกับอีเล็กตรอน พร้อมกับอนุภาค“อีเล็กตรอนนิวตริโน” (ELECTRON NEUTRINO PARTICLE) ที่ได้เป็นของแถม (และได้แสดงไว้ในรูปติดกับอนุภาคอีเล็กตรอน) 

ถัดลงมาเป็นสีดำลูกที่๔ (ติดกับลูกสีน้ำเงิน) เป็นอนุภาค “แรงเข้ม” (STRONG FORCE - GLUON PARTICLE) ที่เกิดขึ้นในปฏิกิริยาระหว่างกันเองของอนุภาคควาก  สุดท้ายเป็นลูกสีน้ำเงิน – อนุภาคฮิกส์ ที่นักฟิสิกส์ฝันหา และเราก็สนใจอยากจะรู้ว่ามันคืออะไร สำคัญอย่างไรถึงถูกเปรียบเทียบว่าเป็นจอกศักสิทธิ์ของพระเจ้า

          (หมายเหตุ  มีอนุภาคในทฤษฎีนี้ที่ไม่ได้แสดงอยู่ในรูป ซึ่งเป็นปฎิสสาร (ANTI PARTICLE) ของทุกอนุภาคที่มีสีส้ม แดงและเขียว  โดยที่อนุภาคเหล่านี้ก็น่าทึ่งจึงเป็นที่สนใจ และเราจะพูดถึงในโอกาสต่อไป)

       ถึงจุดนี้เราอาจจะสรุปได้อย่างคร่าวๆว่า ปัจจุบันนักฟิสิกส์ต่างก็เชื่อว่า ทฤษฎีนี้สามารถอธิบายปรากฏการทุกสิ่งทุกอย่างในโลกนี้ได้ ยกเว้นแรงโน้มถ่วง (GRAVITATION FORCE) ซึ่งดึงดูดทุกสิ่งทุกอย่างในจักรวาลให้รวมกันอยู่ได้  และจากการที่มีข้อยกเว้นนี้ทำให้บางคนฉุกคิดขึ้นมาว่า ไหนคุยว่า สามารถอธิบายทุกอย่างได้ แต่กลับไม่สมารถอธิบายแรงโน้มถ่วงที่รู้กันตั้งแต่ยุคเซอร์ไอแซคนิวตันได้

           อันที่จริงแล้วในแวดวงนักฟิสิกส์ด้วยกัน ก็มีบางส่วนที่ไม่เห็นด้วยกับทฤษฎีนี้ และบางส่วนยังวิจารณ์อย่างรุนแรง  สำหรับตัวผู้เขียนเองในฐานะที่เป็นวิศวกร (ซึ่งได้ศึกษาเรื่องนี้มานานพอสมควร) มีความเห็นว่าสิ่งสำคัญอย่างหนึ่งที่ทฤษฎีนี้ขาดคือ  การที่ไม่มีการอธิบายถึงกลไกการทำงาน (MECHANISM) ของปรากฏการบางอย่างในทฤษฎี ทำให้การตีความหมายผิดไป   แต่ถ้ามีการปรับปรุงเพิ่มเติมส่วนนี้เข้าไป ก็จะทำให้ทฤษฎีนี้สมบูรณ์ยิ่งขึ้น ซึ่งเรื่องในลักษณะนี้ จะชี้ให้เห็นในโอกาสต่อไป

           โดยสรุปท้ายนี้ เราได้พูดถึงความสัมพันธ์ระหว่างวิศวกรกับฟิสิกส์ยุคใหม่ เกริ่นถึงทฤษฎีโครงสร้างมาตรฐานของอนุภาคทางฟิสิกส์  ที่ให้กำเนิดอนุภาคฮิกส์ที่กล่าวถึง  ซึ่งในตอนต่อไปเราจะมาดูกันในรายละเอียดว่ามันคืออะไร ทำไมคนถึงสนใจนัก โปรดติดตามในตอนหน้า และถ้ามีความเห็นอย่างไร บอกกล่าวกันด้วยทาง NIMIT@VACUUM-MECHANICS.COM นะครับ.