Newsletter subscribe
A Brief History of Time

ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#33 บทที่ 5 อนุภาคมูลฐานและแรงแห่งธรรมชาติ : แรงพื้นฐานทั้งสี่ – Gravitational Force

Posted: 03/09/2021 at 14:00   /   A Brief History of Time, Universe

ในกลศาสตร์ควอนตัม อนุภาคที่มีการหมุน (spin) 0, 1 หรือ 2 เป็นตัวนำพาแรงหรือปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคสสารทั้งหมด อนุภาคของสสารเช่น อิเล็กตรอนหรือควาร์ก จะปล่อยอนุภาคนำพาแรงต่างๆ ออกมา การปล่อยนี้ทำให้อนุภาคสสารมีการหดตัวและเปลี่ยนความเร็ว อนุภาคนำพาแรง (force-carrying particle) เมื่อชนกับอนุภาคสสารอื่นจะถูกดูดกลืน ซึ่งส่งผลต่อความเร็วของอนุภาคสสารที่สองนี้ด้วย ราวกับว่ามีแรงระหว่างอนุภาคสสารทั้งสอง อนุภาคนำพาแรงเหล่านี้ไม่เป็นไปตามหลักการกีดกันของเพาลี (Pauli exclusion principle) ซึ่งหมายความว่า เป็นอนุภาคที่สามารถแลกเปลี่ยนกันได้โดยไม่จำกัดจำนวน ดังนั้นจึงสามารถก่อให้เกิดพลังที่แข็งแกร่งได้ อย่างไรก็ตาม อนุภาคนำพาแรงที่มีมวลมาก การผลิตและแลกเปลี่ยนอนุภาคดังกล่าวในระยะทางไกลทำได้ยาก ดังนั้นแรงที่พวกมันนำพาจะมีเพียงระยะสั้นเท่านั้น ในทางกลับกัน ถ้าอนุภาคนำพาแรงที่ไม่มีมวล แรงที่พวกมันนำพาจะไปได้ไกล กล่าวกันว่าอนุภาคนำพาแรงเป็นอนุภาคเสมือน (virtual particle) เนื่องจากเครื่องตรวจจับอนุภาคไม่สามารถตรวจจับอนุภาคเหล่านี้ได้โดยตรง อย่างไรก็ตาม นักวิทยาศาสตร์รู้ว่าพวกมันมีอยู่จริง เพราะสามารถวัดผลกระทบที่เกิดจากพวกมันได้ นั่นคือ พวกมันก่อให้เกิดแรงระหว่างอนุภาคของสสาร อนุภาคที่มีการหมุน (spin) 0, 1 หรือ 2 ในบางกรณีเป็นอนุภาคจริง (real particle) เนื่องจากสามารถตรวจจับได้โดยตรง พวกมันปรากฏแก่เราในลักษณะคลื่น เช่น คลื่นแสงหรือคลื่นความโน้มถ่วง […]

No Comments read more

ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#32 บทที่ 5 อนุภาคมูลฐานและแรงแห่งธรรมชาติ : สสารและปฏิสสาร

Posted: 17/08/2021 at 11:52   /   A Brief History of Time, Universe

ความเข้าใจที่ถูกต้องเกี่ยวกับอิเล็กตรอนและอนุภาคที่มีการหมุน (สปิน) -½ อื่นๆ ยังไม่เกิดขึ้น จนกระทั่งปี 1928 เมื่อทฤษฎีหนึ่งได้ถูกเสนอโดย Paul Dirac ซึ่งเป็นผู้ได้รับเลือกให้ดำรงตำแหน่ง Lucasian Professorship of Mathematics ที่เคมบริดจ์ (ตำแหน่งศาสตราจารย์เดียวกันกับที่นิวตันเคยดำรงตำแหน่ง) ทฤษฎีของ Dirac เป็นทฤษฎีแรกที่รวมกลศาสตร์ควอนตัมและทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษเข้าด้วยกัน มันใช้คณิตศาสตร์อธิบายว่าทำไมอิเล็กตรอนถึงมีการหมุน ½; นั่นคือเหตุผลที่มันดูไม่เหมือนเดิมถ้าคุณหมุนมันเพียงรอบเดียว คุณต้องหมุนมันถึงสองรอบเพื่อให้กลับมาเหมือนเดิมอีกครั้ง นอกจากนี้ทฤษฎีของ Dirac ยังทำนายว่าอิเล็กตรอนควรมีคู่แฝด: แอนติอิเล็กตรอน (antielectron) หรือโพซิตรอน (positron) การค้นพบโพซิตรอนในปี 1932 ยืนยันการทำนายของทฤษฎีของ Dirac ซึ่งทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1933 ตอนนี้เรารู้แล้วว่าอนุภาคทุกตัวมีปฏิอนุภาค (antiparticle) ซึ่งสามารถทำลายล้างซึ่งกันและกัน  อาจมีทั้งโลกและแอนติเวิร์ล (antiworld) ที่ประกอบด้วยแอนติพีเพิล (antipeople) ที่ถูกสร้างจากปฏิอนุภาค (antiparticle) อย่างไรก็ตาม หากคุณพบคู่แฝดของคุณ อย่าจับมือ! คุณทั้งคู่จะหายวับไปพร้อมกับแสงจ้า มีคำถามว่า ทำไมถึงมีอนุภาคมากกว่าปฏิอนุภาค ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่ง และฉันจะกลับมากล่าวถึงเรื่องนี้ในบทต่อไป   […]

No Comments read more

ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#31 บทที่ 5 อนุภาคมูลฐานและแรงแห่งธรรมชาติ : การมองดูอะตอมและการหมุนของอนุภาค

Posted: 01/08/2021 at 11:18   /   A Brief History of Time, Universe

ตอนนี้เรารู้แล้วว่าอะตอมหรือโปรตอนและนิวตรอนภายในอะตอมยังสามารถแบ่งแยกได้อีก ดังนั้นคำถามคือ อะไรคืออนุภาคมูลฐานที่แท้จริง ซึ่งเป็นหน่วยการสร้างพื้นฐานที่ใช้สร้างทุกสิ่งทุกอย่าง เนื่องจากความยาวคลื่นของแสงนั้นใหญ่กว่าขนาดของอะตอมมาก เราจึงไม่สามารถ “มอง” ส่วนต่างๆ ของอะตอมในลักษณะปกติได้ เราจำเป็นต้องใช้สิ่งที่มีความยาวคลื่นน้อยกว่ามาก ดังที่เราเห็นในบทที่แล้ว กลศาสตร์ควอนตัมบอกเราว่าจริงๆ แล้วอนุภาคทั้งหมดเป็นคลื่น และยิ่งพลังงานของอนุภาคสูงเท่าใด ความยาวคลื่นที่สอดคล้องกันก็จะยิ่งเล็กลงเท่านั้น ดังนั้นคำตอบที่ดีที่สุดที่เราสามารถให้สำหรับคำถามของเรานั้น ขึ้นอยู่กับว่าเรามีพลังงานของอนุภาคสูงแค่ไหน เพราะสิ่งนี้เป็นตัวกำหนดว่าเราจะสามารถมองเห็นสิ่งเล็กๆได้ขนาดไหน พลังงานของอนุภาคเหล่านี้มักจะวัดเป็นหน่วยที่เรียกว่า อิเล็กตรอนโวลต์ (ในการทดลองของทอมสันกับอิเล็กตรอน เราเห็นว่าเขาใช้สนามไฟฟ้าเร่งอิเล็กตรอน พลังงานที่อิเล็กตรอนได้รับจากสนามไฟฟ้า 1 โวลต์ เรียกว่า อิเล็กตรอนโวลต์) ในศตวรรษที่ 19 มีเพียงพลังงานของอนุภาคที่ผู้คนรู้วิธีใช้เท่านั้นคือ พลังงานต่ำ 2-3 อิเล็กตรอนโวลต์ที่เกิดจากปฏิกิริยาเคมี เช่น การเผาไหม้ แต่ก่อนเชื่อกันว่าอะตอมเป็นหน่วยที่เล็กที่สุด ในการทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ด อนุภาคแอลฟามีพลังงานเป็นล้านอิเล็กตรอนโวลต์ ไม่นานมานี้เราได้เรียนรู้วิธีใช้สนามแม่เหล็กไฟฟ้าเพื่อให้พลังงานแก่อนุภาคตั้งแต่แรกเริ่มนับล้านอิเล็กตรอนโวลต์ และจากนั้นก็เพิ่มเป็นพันๆ ล้านอิเล็กตรอนโวลต์ ทำให้เรารู้ว่าอนุภาคที่เชื่อว่าเป็น “อนุภาคมูลฐาน” เมื่อสามสิบปีก่อนนั้น อันที่จริงประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กกว่า นักวิทยาศาสตร์ตั้งเป้าที่จะควบคุมพลังงานที่สูงกว่าที่เคย เพื่อดูอนุภาคที่มีขนาดเล็กกว่าที่เคย สิ่งนี้เป็นไปได้อย่างแน่นอน แต่เรามีเหตุผลทางทฤษฎีบางประการที่เชื่อว่าเรามีความรู้เกี่ยวกับองค์ประกอบพื้นฐานของธรรมชาติและได้พบอนุภาคที่เล็กที่สุดแล้ว   การมองดูอะตอม กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง (Optical microscope) มีมานานหลายปีแล้ว […]

No Comments read more

ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#30 บทที่ 5 อนุภาคมูลฐานและแรงแห่งธรรมชาติ : ควาร์ก

Posted: 20/07/2021 at 16:05   /   A Brief History of Time, Universe

มาถึงตอนนี้ มีข้อสงสัยแล้วว่าอะตอมเหล่านี้ไม่สามารถแบ่งแยกได้ เมื่อหลายปีก่อน เจ. เจ. ทอมสัน (J.J. Thomson) แห่งวิทยาลัยทรินิตีในเคมบริดจ์ ได้สาธิตการมีอยู่ของอนุภาคของสสารที่เรียกว่า “อิเล็กตรอน” ซึ่งมีมวลน้อยกว่าหนึ่งในพันของอะตอมที่เบาที่สุด (อะตอมของธาตุไฮโดรเจน-ผู้เขียน) เจ. เจ. ทอมสัน เริ่มทดลองกับหลอดรังสีแคโทดซึ่งเป็นหลอดแก้วเหมือนหลอดภาพทีวีสมัยใหม่ ไส้หลอดโลหะที่ร้อนจะปล่อยอิเล็กตรอน และเนื่องจากอิเล็กตรอนมีประจุไฟฟ้าเป็นลบ จึงสามารถใช้สนามไฟฟ้าเพื่อเร่งพวกมันไปกระทบหน้าจอที่เคลือบด้วยสารเรืองแสงได้ เมื่ออิเล็กตรอนชนหน้าจอ จะเกิดแสงวาบขึ้น ในไม่ช้า เจ. เจ. ทอมสัน ก็ตระหนักว่าอิเล็กตรอนเหล่านี้ต้องมาจากภายในอะตอมเอง หลังจากที่ เจ.เจ. ทอมป์สัน ได้พิสูจน์การมีอยู่ของอิเล็กตรอนแล้ว ต่อมาในปี 1911 นักฟิสิกส์ชาวนิวซีแลนด์ เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด (Ernest Rutherford) ได้แสดงให้เห็นว่าอะตอมของสสารมีโครงสร้างภายในซึ่งประกอบด้วยนิวเคลียสที่มีประจุบวกขนาดเล็กมาก และมีอิเล็กตรอนจำนวนหนึ่งโคจรรอบนิวเคลียส เขาอนุมานสิ่งนี้โดยการวิเคราะห์วิธีที่อนุภาคแอลฟาซึ่งเป็นอนุภาคที่มีประจุบวกที่อะตอมของธาตุกัมมันตภาพรังสีปล่อยออกมา จะเบี่ยงเบนไปเมื่อชนกับอะตอม   ในตอนแรก เชื่อกันว่านิวเคลียสของอะตอมประกอบด้วยอิเล็กตรอนและอนุภาคที่มีประจุบวกที่เรียกว่า “โปรตอน” ซึ่งมาจากคำภาษากรีกที่แปลว่า “ก่อน” เพราะเชื่อกันว่าเป็นหน่วยมูลฐานที่ประกอบเป็นสสาร อย่างไรก็ตามในปี 1932 เจมส์ แชดวิก (James Chadwick) […]

No Comments read more

ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#29 บทที่ 5 อนุภาคมูลฐานและแรงแห่งธรรมชาติ : การค้นพบการมีอยู่ของอะตอม

Posted: 21/06/2021 at 16:18   /   A Brief History of Time, Universe

อริสโตเติล (Aristotle) เชื่อว่าสสารทั้งหมดในจักรวาลประกอบด้วยองค์ประกอบพื้นฐานสี่อย่าง—ดิน อากาศ ไฟ และน้ำ โดยอยู่ภายใต้อิทธิพลของแรง 2 ชนิด: 1) แรงโน้มถ่วง (gravity) ซึ่งทำให้ดินและน้ำจะตกลงมา และ 2) แรงลอยตัว (levity) ซึ่งทำให้อากาศและไฟลอยตัวขึ้นไป การแบ่งองค์ประกอบของจักรวาลออกเป็นสสาร (matter) และแรง (forces) ยังคงใช้มาจนถึงทุกวันนี้ อริสโตเติลเชื่อว่าสสารมีความต่อเนื่อง กล่าวคือ เราสามารถแบ่งสสารเป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อย เล็กลงไปได้เรื่อยๆ โดยไม่มีที่สิ้นสุด อย่างไรก็ตามชาวกรีกบางคน เช่น เดโมคริตุส (Democritus) เชื่อว่าสสารนั้นประกอบด้วยอนุภาคที่เล็กที่สุดที่แตกต่างกันจำนวนมาก และไม่สามารถแบ่งแยกให้เล็กลงกว่านั้นได้อีก เรียกว่า “อะตอม (atom)”  (คำว่าอะตอมในภาษากรีก หมายถึง “แบ่งแยกไม่ได้”) การโต้เถียงระหว่าง 2 แนวคิดนี้ยังคงดำเนินต่อไปเป็นเวลาหลายร้อยปี โดยปราศจากหลักฐานยืนยันความถูกต้องจากทั้งสองฝ่าย จนกระทั่งในปี 1803 นักเคมีและนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ จอห์น ดาลตัน (John Dalton) ค้นพบการมีอยู่ของโมเลกุล (molecules) เขาชี้ให้เห็นข้อเท็จจริงที่ว่าสารประกอบทางเคมีมักจะรวมกันในสัดส่วนที่แน่นอน การรวมตัวของอะตอมสร้างหน่วยที่เรียกว่าโมเลกุล […]

No Comments read more

ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#28 บทที่ 4 หลักความไม่แน่นอน : อินทิเกรตตามเส้นทางของไฟน์แมน

Posted: 06/06/2021 at 10:30   /   A Brief History of Time, Universe

วิธีที่ดีในการมองเห็นทวิภาคของคลื่น/อนุภาค คือ sum over histories ที่ถูกเสนอโดย Richard Feynman นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกัน ในแนวทางนี้อนุภาคไม่ควรมีการเดินทางเส้นทางเดียวใน อวกาศ – เวลาเหมือนในทฤษฎีคลาสสิก อนุภาคควรเดินทางจาก A ไป B ทุกเส้นทางที่เป็นไปได้ ในแต่ละเส้นทางจะมีตัวเลขสองตัวที่เชื่อมโยงกัน: หนึ่งแทนขนาดของคลื่น และอีกหนึ่งแสดงถึงตาแหน่งบนคลื่น (ไม่ว่าจะอยู่ที่ยอดหรือท้องคลื่น) ความน่าจะเป็นที่อนุภาคเดินทางจาก A ไป B พบได้จากการเพิ่มคลื่นในทุกเส้นทาง โดยทั่วไปหากเปรียบเทียบชุดของเส้นทางใกล้เคียง ระยะหรือตำแหน่งในวงจรจะแตกต่างกันอย่างมาก นั่นหมายความว่าคลื่นที่เกี่ยวข้องกับเส้นทางเหล่านี้แทบจะหักล้างกัน อย่างไรก็ตามสำหรับเส้นทางใกล้เคียง เฟสจะไม่แตกต่างกันมากนักระหว่างเส้นทาง คลื่นสำหรับเส้นทางเหล่านี้จะไม่ถูกยกเลิก เส้นทางดังกล่าวสอดคล้องกับวงโคจรที่อนุญาตของ Boh   ด้วยแนวคิดเหล่านี้ในรูปแบบทางคณิตศาสตร์ที่เป็นรูปธรรม จึงค่อนข้างตรงไปตรงมาในการคำนวณวงโคจรที่อนุญาตในอะตอมที่ซับซ้อนกว่า และแม้แต่ในโมเลกุลซึ่งประกอบด้วยอะตอมจำนวนหนึ่งที่จับกันโดยอิเล็กตรอนในวงโคจรที่วนรอบนิวเคลียสมากกว่าหนึ่งนิวเคลียส เนื่องจากโครงสร้างของโมเลกุลและปฏิกิริยาของพวกมันซึ่งกันและกันเป็นพื้นฐานของเคมีและชีววิทยา กลศาสตร์ควอนตัมทำให้เราสามารถทำนายเกือบทุกสิ่งที่เราเห็นรอบตัวเรา โดยหลักการภายในขอบเขตที่กำหนดโดยหลักการความไม่แน่นอน (อย่างไรก็ตามในทางปฏิบัติ การคำนวณที่จำเป็นสำหรับระบบที่มีอิเล็กตรอนมากกว่าสองสามตัวนั้นซับซ้อนมาก จนเราไม่สามารถทำได้)   ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ดูเหมือนจะควบคุมโครงสร้างขนาดใหญ่ของจักรวาล ถือเป็นทฤษฎีคลาสสิก เพราะไม่คำนึงถึงหลักการความไม่แน่นอนของกลศาสตร์ควอนตัม แม้ว่าแรงโน้มถ่วงจะอ่อนแอมากเมื่อเทียบกับแรงอื่นๆ แต่แรงโน้มถ่วงจะแข็งแกร่งมากในหลุมดำและบิกแบง และด้วยเหตุนี้จึงต้องรวมทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเข้ากับกลศาสตร์ควอนตัม ในแง่หนึ่ง ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปแบบคลาสสิก ทำนายการล่มสลายจนกลายเป็นจุดที่มีความหนาแน่นเป็นอนันต์ […]

No Comments read more

กำเนิดและวิวัฒนาการของจักรวาล#32 ความขัดแย้งของข้อมูลหลุมดำ

Posted: 02/06/2021 at 10:08   /   A Brief History of Time, Universe

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (Theory of general relativity) ซึ่งอธิบายว่าความโน้มถ่วงทำงานอย่างไร เป็นแนวคิดที่ว่าวัตถุขนาดใหญ่ของจักรวาล เช่น ดาวเคราะห์ ดาวฤกษ์ และกาแล็กซี่ จะทำให้อวกาศ-เวลารอบตัวโค้งงอ และนั่นเป็นตัวกำหนดว่าวัตถุเหล่านี้มีปฏิสัมพันธ์กันอย่างไรในอวกาศ ส่วนกลศาสตร์ควอนตัม (Quantum mechanics) เป็นข้อมูลเกี่ยวกับการทำงานของจักรวาลในระดับที่เล็กที่สุด นั่นคืออนุภาคขนาดเล็ก เช่น อิเล็กตรอนและโพซิตรอน เคลื่อนที่และเชื่อมต่อกันอย่างไร หากคุณต้องการทราบว่าอะตอมเกาะกันอย่างไร หลักการสำคัญของกลศาสตร์ควอนตัมคือหากคุณรู้สถานะปัจจุบันของระบบใดๆ คุณก็จะรู้ทุกสิ่งที่ควรรู้เกี่ยวกับอดีตและอนาคตของมัน ทั้งสองทฤษฎีมีความแข็งแกร่งซึ่งได้รับการสนับสนุนจากวิทยาศาสตร์และการสังเกตมากมาย นี่คือสองเสาหลักที่ฟิสิกส์วางอยู่ในขณะนี้ แต่ดูเหมือนทฤษฎีทั้งสองจะขัดแย้งกัน แต่สตีเฟน ฮอว์คิง (Stephen Hawking) พบวิธีที่จะนำ “ใหญ่” และ “เล็ก” มารวมกัน เขามองดูสิ่งที่เกิดขึ้นรอบๆ วัตถุขนาดมหึมาซึ่งเป็นวัตถุที่มีความโน้มถ่วงมากมาย ในระดับที่เล็กมาก Hawking วิเคราะห์ว่าอนุภาคมีปฏิกิริยาอย่างไรที่ขอบหลุมดำหรือที่เรียกว่า ขอบฟ้าเหตุการณ์ (Event horizon)  เขตแดนนี้มักเรียกกันว่า “จุดไม่หวนกลับ” เมื่อคุณข้ามเขตแดนนี้ไป คุณจะเข้าไปในหลุมดำโดยไม่สามารถย้อนกลับขึ้นมา เว้นแต่คุณจะหาวิธีเดินทางได้เร็วกว่าแสง   cosmological.in ในปี 1974 สตีเฟน ฮอว์คิง […]

No Comments read more

ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#27 บทที่ 4 หลักความไม่แน่นอน : แบบจำลองอะตอม

Posted: 25/05/2021 at 16:12   /   A Brief History of Time, Universe

ปรากฏการณ์การแทรกสอดระหว่างอนุภาค มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อความเข้าใจของเราเกี่ยวกับโครงสร้างของอะตอม ซึ่งเป็นหน่วยพื้นฐานของเคมีและชีววิทยาและโครงสร้างพื้นฐานที่เราและทุกสิ่งรอบตัวถูกสร้างขึ้น ในตอนต้นของศตวรรษนี้มีแนวคิดว่าอะตอมเป็นเหมือนดาวเคราะห์ที่โคจรรอบดวงอาทิตย์โดยมีอิเล็กตรอน (อนุภาคที่มีกระแสไฟฟ้าลบ) โคจรรอบนิวเคลียสกลางซึ่งมีกระแสไฟฟ้าบวก แรงดึงดูดระหว่างกระแสไฟฟ้าบวกและลบควรจะทำให้อิเล็กตรอนอยู่ในวงโคจรในลักษณะเดียวกับที่แรงดึงดูดระหว่างดวงอาทิตย์และดาวเคราะห์ที่ทำให้ดาวเคราะห์อยู่ในวงโคจร ปัญหานี้คือกฎของกลศาสตร์และไฟฟ้า ก่อนที่กลศาสตร์ควอนตัมทำนายว่าอิเล็กตรอนจะสูญเสียพลังงานและหมุนวนเข้าด้านในจนกว่าจะชนกับนิวเคลียส นั่นหมายความว่าอะตอมและสสารทั้งหมดควรยุบตัวลงอย่างรวดเร็วจนมีความหนาแน่นสูงมาก Niels Bohr นักวิทยาศาสตร์ชาวเดนมาร์กพบวิธีแก้ปัญหาบางส่วนในปี 1913 เขาเสนอว่าบางทีอิเล็กตรอนสามารถโคจรในระยะทางที่กำหนดเท่านั้นซึ่งจะทำให้สมดุลทั้งหมด ถ้าเราคิดว่าอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียวหรือสองตัวสามารถโคจรที่ระยะทางใดระยะหนึ่งได้ สิ่งนี้จะช่วยแก้ปัญหาการยุบตัวของอะตอมได้ เนื่องจากอิเล็กตรอนไม่สามารถหมุนวนในระยะที่ไกลกว่า เพื่อเติมเต็มวงโคจรด้วยระยะทางและพลังงานที่น้อยที่สุด   แบบจำลองนี้อธิบายโครงสร้างของอะตอมที่ง่ายที่สุดคือ ไฮโดรเจน ซึ่งมีอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียวที่โคจรรอบนิวเคลียส แต่ก็ไม่ชัดเจนว่าเราควรจะขยายไปสู่อะตอมที่ซับซ้อนกว่านี้ได้อย่างไร ยิ่งไปกว่านั้นความคิดเกี่ยวกับวงโคจรที่อนุญาตที่จำกัดนั้นดูเหมือนจะเป็นไปตามอำเภอใจมาก ทฤษฎีใหม่ของกลศาสตร์ควอนตัมแก้ไขปัญหานี้ได้ มันแสดงให้เห็นว่าอิเล็กตรอนที่โคจรรอบนิวเคลียสสามารถคิดได้ว่าเป็นคลื่น โดยมีความยาวคลื่นที่ขึ้นอยู่กับความเร็วของมัน สำหรับวงโคจรบางวง ความยาวของวงโคจรจะสอดคล้องกับจำนวนเต็ม (ตรงข้ามกับจำนวนเศษส่วน) ของความยาวคลื่นของอิเล็กตรอน สำหรับวงโคจรเหล่านี้ยอดคลื่นจะอยู่ในตำแหน่งเดียวกันในแต่ละรอบ ดังนั้นคลื่นจะรวมกัน: วงโคจรเหล่านี้จะสอดคล้องกับวงโคจรที่อนุญาตของ Bohr อย่างไรก็ตามสำหรับวงโคจรที่มีความยาวคลื่นไม่ใช่จำนวนเต็ม ยอดคลื่นตรงกับท้องคลื่น คลื่นจะหักล้างกัน เมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปรอบๆ วงโคจรเหล่านี้จะไม่ได้รับอนุญาต   ความเป็นมาของแบบจำลองอะตอม วิทยาศาสตร์ระดับมัธยมศึกษาบอกเราว่าสสารทั้งหมดประกอบด้วยอะตอม และอะตอมประกอบด้วยอนุภาคหลักสามตัวคือ โปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนหมุนรอบศูนย์กลางหรือนิวเคลียส นิวเคลียสประกอบด้วยนิวตรอนและโปรตอน แล้วแบบจำลองอะตอมมีความเป็นมาอย่างไร?   การค้นพบอิเล็กตรอนและแบบจำลองขนมพุดดิ้งพลัม เป็นเวลานานที่นักวิทยาศาสตร์คิดว่าอะตอมเป็นหน่วยที่เล็กที่สุดของสสารที่ไม่สามารถแบ่งแยกได้อีก ทฤษฎีนี้ตั้งขึ้นในปี […]

No Comments read more

ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#26 บทที่ 4 หลักความไม่แน่นอน : ทวิภาคของคลื่น-อนุภาคของแสงและสสาร

Posted: 29/04/2021 at 14:51   /   A Brief History of Time, Universe

โดยทั่วไปกลศาสตร์ควอนตัมไม่ได้ทำนายผลลัพธ์ที่แน่นอนเพียงอย่างเดียวสำหรับการสังเกต แต่จะคาดการณ์ผลลัพธ์ที่เป็นไปได้ที่แตกต่างกันจำนวนหนึ่งและบอกให้เราทราบว่าแต่ละอย่างมีความเป็นไปได้มากน้อยเพียงใด กล่าวคือถ้ามีการวัดแบบเดียวกันในระบบที่คล้ายคลึงกันจำนวนมากซึ่งแต่ละระบบเริ่มต้นด้วยวิธีเดียวกัน เราจะพบว่าผลลัพธ์ของการวัดจะเป็น A ในบางกรณีเป็น B เราสามารถคาดเดาจำนวนครั้งโดยประมาณว่าผลลัพธ์จะเป็น A หรือ B แต่ไม่สามารถทำนายผลลัพธ์เฉพาะของการวัดแต่ละครั้งได้ กลศาสตร์ควอนตัมจึงนำองค์ประกอบที่ไม่อาจหลีกเลี่ยงได้ของ “ความไม่สามารถคาดเดาได้ (Unpredictability)” หรือ “การสุ่ม (Randomness)” เข้ามาในวิทยาศาสตร์ ไอน์สไตน์คัดค้านเรื่องนี้อย่างรุนแรงแม้ว่าเขาจะมีบทบาทสำคัญในการพัฒนาแนวคิดเหล่านี้ก็ตาม ไอน์สไตน์ได้รับรางวัลโนเบลจากผลงานทฤษฎีควอนตัม อย่างไรก็ตามไอน์สไตน์ไม่เคยยอมรับว่าจักรวาลถูกปกครองโดยบังเอิญ ความรู้สึกของเขาถูกสรุปไว้ในคำพูดที่มีชื่อเสียงของเขา“ พระเจ้าไม่เล่นลูกเต๋า” อย่างไรก็ตามนักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ ส่วนใหญ่เต็มใจที่จะยอมรับกลศาสตร์ควอนตัม เพราะมันเห็นด้วยอย่างสมบูรณ์กับการทดลอง อันที่จริงมันเป็นทฤษฎีที่ประสบความสำเร็จอย่างโดดเด่นและอยู่ภายใต้วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีสมัยใหม่เกือบทั้งหมด ควบคุมพฤติกรรมของทรานซิสเตอร์และวงจรรวมซึ่งเป็นส่วนประกอบสำคัญของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เช่น โทรทัศน์และคอมพิวเตอร์ และยังเป็นพื้นฐานของเคมีและชีววิทยาสมัยใหม่ พื้นที่เดียวของวิทยาศาสตร์กายภาพที่กลศาสตร์ควอนตัมยังไม่ได้รวมเข้าด้วยกันอย่างเหมาะสมคือความโน้มถ่วงและโครงสร้างขนาดใหญ่ของจักรวาล   ในช่วงปลายศตวรรษที่ 18 มีความก้าวหน้าอย่างมากในวงการฟิสิกส์ ฟิสิกส์คลาสสิกแบบนิวตันในเวลานั้นได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางในวงการวิทยาศาสตร์ว่ามีความสามารถในการอธิบายและทำนายปรากฏการณ์ต่างๆได้อย่างแม่นยำ อย่างไรก็ตามในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 นักฟิสิกส์พบว่ากฎของกลศาสตร์คลาสสิกใช้ไม่ได้ในระดับอะตอมและการทดลอง เช่น ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก ผลจากการสังเกตเหล่านี้นักฟิสิกส์ได้สรุปชุดของทฤษฎีที่ปัจจุบันรู้จักกันในชื่อ กลศาสตร์ควอนตัม (Quantum mechanics) ซึ่งเปลี่ยนวิธีที่นักฟิสิกส์มองจักรวาลโดยสิ้นเชิง และยังเป็นจุดสิ้นสุดของความคิดที่ว่าจักรวาลสามารถคาดเดาได้ ทฤษฎีทางกายภาพทั่วไปบอกคุณว่าระบบคืออะไรและวิวัฒนาการไปอย่างไรเมื่อเวลาผ่านไป กลศาสตร์ควอนตัมก็ทำเช่นกัน แต่ยังมาพร้อมกับชุดกฎใหม่ทั้งหมดซึ่งควบคุมสิ่งที่จะเกิดขึ้นเมื่อสังเกตหรือวัดระบบ โดยเฉพาะอย่างยิ่งผลการวัดไม่สามารถทำนายด้วยความมั่นใจอย่างสมบูรณ์แบบ สิ่งที่ดีที่สุดที่เราทำได้คือคำนวณ “ความน่าจะเป็น […]

No Comments read more

ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#25 บทที่ 4 หลักความไม่แน่นอน : การแผ่รังสีของวัตถุดำ

Posted: 14/04/2021 at 13:13   /   A Brief History of Time, Universe

บทที่ 4 หลักความไม่แน่นอน ความสำเร็จของทฤษฎีทางวิทยาศาสตร์โดยเฉพาะทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของนิวตัน ทำให้ Marquis de Laplace นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศสในช่วงต้นศตวรรษที่สิบเก้าโต้แย้งว่า จักรวาลถูกการกำหนดไว้อย่างสมบูรณ์ Laplace แนะนำว่าควรมีกฎทางวิทยาศาสตร์ชุดหนึ่งที่จะช่วยให้เราสามารถทำนายทุกสิ่งที่จะเกิดขึ้นในจักรวาลได้ หากเรารู้สถานะที่สมบูรณ์ของจักรวาลในเวลาเดียวกัน ตัวอย่างเช่น ถ้าเรารู้ตำแหน่งและความเร็วของดวงอาทิตย์และดาวเคราะห์ในคราวเดียว เราก็สามารถใช้กฎของนิวตันเพื่อคำนวณสถานะของระบบสุริยะได้ตลอดเวลา ความมุ่งมั่นดูเหมือนจะค่อนข้างชัดเจนในกรณีนี้ แต่ Laplace ยังถือว่ามีกฎที่คล้ายกันที่ควบคุมทุกสิ่งทุกอย่างรวมถึงพฤติกรรมของมนุษย์   แนวคิดเรื่องการกำหนดปัจจัยทางวิทยาศาสตร์ได้รับการต่อต้านอย่างมากจากหลายๆ คน ซึ่งรู้สึกว่ามันละเมิดเสรีภาพของพระเจ้าที่จะเข้ามาแทรกแซงโลก แต่ก็ยังคงเป็นข้อสันนิษฐานมาตรฐานของวิทยาศาสตร์จนถึงช่วงต้นศตวรรษนี้ หนึ่งในข้อบ่งชี้แรกที่แสดงให้เห็นว่าความเชื่อนี้จะต้องถูกละทิ้ง เมื่อการคำนวณโดยลอร์ดเรย์ลีห์ (Lord Rayleigh) และเซอร์เจมส์ ยีนส์ (Sir James Jeans) นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษชี้ให้เห็นว่าวัตถุหรือร่างกายที่ร้อน เช่น ดาว ต้องแผ่พลังงานในอัตราที่ไม่สิ้นสุด ตามกฎที่เชื่อในเวลานั้น ร่างกายที่ร้อนควรจะปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (เช่น คลื่นวิทยุ แสงที่มองเห็น หรือรังสีเอกซ์) เท่าๆกันในทุกความถี่ ตัวอย่างเช่น ร่างกายที่ร้อนควรแผ่พลังงานในปริมาณเท่ากันในคลื่นที่มีความถี่ระหว่างหนึ่งถึงสองล้านล้านคลื่นต่อวินาทีเช่นเดียวกับคลื่นที่มีความถี่ระหว่างสองถึงสามล้านล้านคลื่นต่อวินาที เนื่องจากจำนวนคลื่นต่อวินาทีไม่จำกัด จึงหมายความว่าพลังงานทั้งหมดที่แผ่ออกมาจะไม่มีที่สิ้นสุด   วัตถุดำ (Black Body) วัตถุทุกชนิดที่มีอุณหภูมิสูงกว่าศูนย์สัมบูรณ์ (Absolute […]

No Comments read more