Newsletter subscribe

A Brief History of Time, Universe

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

Posted: 17/08/2021 at 11:52   /   by   /   comments (0)

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

 

การกำเนิดของสสาร-ปฏิสสารในจักรวาลยุคแรก

ตามทฤษฎีบิกแบง (Big Bang theory) กระบวนการสร้างอนุภาค-ปฏิอนุภาค (particle-antiparticle) หรือ สสาร-ปฏิสสาร (matter-antimatter) จากพลังงานบริสุทธิ์ เกิดขึ้นในช่วงเวลาเพียงเศษเสี้ยววินาทีตั้งแต่ 10-32 ถึง 10-6 วินาที หลังการเกิด Big Bang 

อนุภาคมูลฐาน (elementary particle) ของสสารที่เกิดขึ้นได้แก่ ควาร์ก (quark) กูลออน (gluon) เลปตอน (lepton) รวมทั้งอนุภาคของแสงหรือโฟตอน (photon) สำหรับ quark มีปฏิสสาร คือ antiquark และสำหรับ lepton มีปฏิสสาร คือ antilepton 

มีอนุภาคของสสาร 3 ตัวถูกสร้างในช่วงเริ่มต้นของการกำเนิดจักรวาลนี้ คือ อิเล็กตรอน (electron) โปรตอน (proton) และนิวตรอน (neutron) สำหรับปฏิสสารหายไป 

อิเล็กตรอนซึ่งเป็นชนิดหนึ่งของ lepton เกิดขึ้นที่เวลา 10-32 วินาทีหลังการเกิด Big Bang ส่วนโปรตอนและนิวตรอน ถูกสร้างจากการรวมตัวของ quark สามตัวที่เวลา 10-6 วินาทีหลังการเกิด Big Bang โปรตอนและนิวตรอนเหล่านี้จะรวมกันเป็นนิวเคลียสภายในไม่กี่นาทีหลังการเกิด Big Bang  ในขณะที่จักรวาลยังคงขยายตัวและเย็นลง สิ่งต่างๆ ก็เริ่มเกิดขึ้นช้าลง 380,000 ปีหลังการเกิด Big Bang อิเล็กตรอนถูกดึงเข้าไปอยู่ในวงโคจรของนิวเคลียส ก่อตัวเป็นอะตอมแรกในจักรวาล ส่วนใหญ่เป็นอะตอมของธาตุไฮโดรเจนและฮีเลียม อันเป็นองค์ประกอบที่มีมากที่สุดในจักรวาล

11.8: Evolution of the Early Universe - Physics LibreTexts

 

สสาร (matter) และปฏิสสาร (antimatter) จะถูกสร้างขึ้นเป็นคู่เสมอ ปฏิสสารเป็นเหมือนกระจกเงาของสสาร มีมวลเท่ากัน แต่มีประจุไฟฟ้าที่ตรงข้ามกัน ตัวอย่างเช่น อิเล็กตรอนที่มีประจุลบ มีปฏิสสารที่มีประจุบวกที่เรียกว่า โพซิตรอน (positron) เมื่อสสารและปฏิสสารมาปะทะกันหรือชนกัน จะเกิดการทำลายซึ่งกันและกัน และปลดปล่อยพลังงานบริสุทธิ์ออกมา

Matter and antimatter atom models Royalty Free Vector Image

 

จากการทดลอง นักฟิสิกส์เชื่อมานานแล้วว่าสสาร (matter) และปฏิสสาร (antimatter) ถูกสร้างขึ้นในปริมาณที่เท่ากันในตอนต้นของจักรวาล เมื่อพวกมันมีปฏิสัมพันธ์กัน อนุภาคสสารและปฏิสสารจะทำลายล้างซึ่งกันและกัน เปลี่ยนมวลเป็นพลังงาน ตามสมการอันโด่งดังของไอน์สไตน์ E = mc2 ซึ่งน่าจะทำให้จักรวาลว่างเปล่า มีเพียงพลังงานเท่านั้น แต่สิ่งที่เรามองเห็นอยู่ทุกวันนี้ ตั้งแต่ร่างกายของเราไปจนถึงดวงดาวในกาแล็กซี่อันไกลโพ้นล้วนสร้างจากสสาร แต่ปฏิสสารนั้นหาได้ยากมากในจักรวาล ปฏิสสารจำนวนเล็กน้อยตกลงมาบนโลกอย่างต่อเนื่องในรูปของรังสีคอสมิก นักวิทยาศาสตร์ยังพบหลักฐานการผลิตปฏิสสารเหนือพายุฝนฟ้าคะนอง นอกจากนี้นักฟิสิกส์อนุภาคสามารถสร้างปฏิสสารในเครื่องเร่งอนุภาค

การหายไปของปฏิสสาร (โชคดีมากที่มันหายไป เพราะถ้ามันยังอยู่ ไม่มีเราในทุกวันนี้) นับเป็น “หนึ่งในความลึกลับที่ยิ่งใหญ่ในฟิสิกส์” 

 

 

Mile High feat. Travis Scott and Metro Boomin

 

 

อิเล็กตรอนและโพซิตรอน

ทุกอนุภาค (particle) ที่ประกอบเป็นสสาร เช่น อิเล็กตรอน โปรตอน นิวตรอน มีแฝดที่เกือบจะเหมือนกันยกเว้นว่ามีประจุไฟฟ้าตรงกันข้าม นั่นคือ ปฏิอนุภาคของมัน (antiparticle)

ปฏิอนุภาคหรือปฏิสสารแรก – โพซิตรอน (positron) – ถูกทำนายในทางทฤษฎีในปี 1928 และถูกค้นพบได้เป็นครั้งแรกในปี 1932

 

paul adrien maurice dirac n.

slideserve.com

วิทยาศาสตร์สาขาต่างๆ ต้องอาศัยเครื่องมือในการศึกษาที่แตกต่างกัน ฟิสิกส์อนุภาค (Particle physics) มีข้อจำกัดอย่างมากในวิธีการสังเกตและการทดลอง เนื่องจากวัตถุที่กำลังศึกษามีขนาดเล็กมาก ผลที่ตามมาก็คือ นักฟิสิกส์อนุภาคต้องพึ่งพาทฤษฎีและแบบจำลองทางคณิตศาสตร์อย่างมากเพื่อเป็นตัวแทนของโลกอะตอม ซึ่งมักจะเป็นเรื่องยากที่จะแปลผลทางคณิตศาสตร์ให้เป็นปรากฏการณ์ในโลกแห่งความเป็นจริง แต่การค้นพบทางฟิสิกส์อนุภาคจำนวนมากประสบความสำเร็จในลักษณะนี้ การค้นพบปฏิสสารของอิเล็กตรอน อาจเป็นตัวอย่างที่ดีที่สุดของความเข้าใจในอนุภาคย่อยของอะตอมที่ได้จากสมการทางคณิตศาสตร์

การมีอยู่ของปฏิสสาร (antimatter) ถูกทำนายครั้งแรกในปี 1928 โดยนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ พอล ดิแรก (Paul Dirac) ซึ่งนิตยสาร New Scientist เรียกเขาว่า “นักทฤษฎีชาวอังกฤษที่ยิ่งใหญ่ที่สุดนับตั้งแต่ Sir Isaac Newton” 

Paul Dirac ได้เขียนสมการ “Dirac equation” ที่รวมทฤษฎีควอนตัม (ซึ่งอธิบายสิ่งที่เกิดขึ้นในอะตอม) และทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของไอน์สไตน์ (ซึ่งกล่าวว่าแสงเป็นสิ่งที่เคลื่อนที่เร็วที่สุดในจักรวาล) เพื่ออธิบายพฤติกรรมของอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสง เขาแสดงให้เห็นทางคณิตศาสตร์ว่าสปิน ½ ของอิเล็กตรอนทำงานอย่างไร และทำนายว่าอิเล็กตรอนควรมีคู่แฝด-แอนติอิเล็กตรอน (antielectron)

เฉกเช่นสมการ x2 = 4 สามารถมีคำตอบที่เป็นไปได้สองข้อ (x = 2 หรือ x = −2) สมการของ Dirac ก็สามารถมีคำตอบได้สองคำตอบ คำตอบที่ 1 สำหรับอิเล็กตรอนที่มีพลังงานบวก และอีกคำตอบ สำหรับอิเล็กตรอนที่มีพลังงานลบ

จากสมการของเขา Dirac ตระหนักว่าทุกอนุภาคในจักรวาลจะมีภาพสะท้อนในกระจกที่มีคุณสมบัติเหมือนกันทุกประการ ยกเว้นมีประจุไฟฟ้าที่ตรงข้ามกัน เขาได้ประกาศในปี 1931 ว่า อิเล็กตรอนซึ่งมีประจุไฟฟ้าเป็นลบควรมีคู่ตรงข้าม “แอนติอิเล็กตรอน (antielectron)” ที่เหมือนกันทุกประการ แต่มีประจุไฟฟ้าเป็นบวก

สมการของ Dirac ยังแสดงว่าอิเล็กตรอนและแอนติอิเล็กตรอนถูกสร้างในปริมาณที่เท่ากันหรือมีสมมาตรกัน (symmetry) ซึ่งทำให้เขาตั้งข้อสงสัยว่าอาจมีจักรวาลกระจกที่สร้างขึ้นจากปฏิสสารทั้งหมด

Dirac ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1933 จากการค้นพบของเขา ขณะมีอายุเพียง 31 ปี เขาเป็นหนึ่งในผู้ก่อตั้งฟิสิกส์ สาขากลศาสตร์ควอนตัม

 

Physics In History on Twitter: "Physics Photo Of the Day: Carl Anderson  with the magnet cloud chamber with which he discovered the positive  electron, or positron (in 2 Aug, 1932) For this

twitter.com

Paul Dirac ได้ประกาศการมีอยู่ของปฏิสสาร “แอนติอิเล็กตรอน (antielectron)” จากสมการของเขาในปี 1931 หนึ่งปีต่อมา มันได้ถูกค้นพบโดยนักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน คาร์ล แอนเดอร์สัน (Carl Anderson) ในปี 1932 ขณะกำลังศึกษารังสีคอสมิกที่มีพลังสูงจากอวกาศที่กระทบชั้นบรรยากาศของโลก เขาได้สังเกตเห็นร่องรอยของอนุภาคที่เกิดจากรังสีคอสมิก ซึ่งดูเหมือนจะเป็น “บางสิ่งที่มีประจุบวก และมีมวลเท่ากันกับอิเล็กตรอน”

Carl Anderson ได้สร้างห้องเมฆ (cloud chamber) เพื่อหาองค์ประกอบของรังสีคอสมิก ซึ่งเป็นอนุภาคพลังงานสูงที่ตกลงมาจากอวกาศ เครื่องมือนี้มีแม่เหล็กล้อมรอบ ทำให้อนุภาคที่มีประจุโค้งงอไปในทิศทางต่างๆ ตามประจุไฟฟ้า ซึ่งอนุญาตให้แอนเดอร์สันตรวจสอบว่าอนุภาคที่ผ่านเข้ามามีประจุบวกหรือลบ และมีแผ่นตะกั่วเพื่อทำให้อนุภาคช้าลง แอนเดอร์สันถ่ายภาพรอยทางที่อนุภาคในรังสีคอสมิกทิ้งไว้หลายร้อยภาพ ภาพถ่ายที่ได้ทำให้แอนเดอร์สันประหลาดใจ “มีอนุภาคสร้างรอยทางเหมือนอิเล็กตรอน แต่ความโค้งของรอยทางในสนามแม่เหล็ก เลี้ยวโค้งไปในทิศทางที่ตรงกันข้ามกับการเลี้ยวโค้งของอิเล็กตรอน” ซึ่งบ่งชี้ว่าอนุภาคนี้ที่ผลิตควบคู่ไปกับอิเล็กตรอน มีประจุบวกและมีมวลเท่ากับอิเล็กตรอน

File:Path cloud chamber answer.svg - Wikimedia Commons

Cosa succede mandando un elettrone indietro nel tempo? - Quora

หลังจากเกือบหนึ่งปีของความพยายามและการสังเกต Carl Anderson ตัดสินใจว่ารอยทางนั้นเป็นแอนติอิเล็กตรอน (antielectron) เขาตั้งชื่ออิเล็กตรอนบวกนี้ว่า “โพซิตรอน (positron)” ต่อมาเขาสร้างข้อพิสูจน์ที่แน่ชัดมากขึ้น โดยการยิงรังสีแกมม่าที่มีพลังงานสูงเข้าใกล้นิวเคลียสของวัสดุแข็งอื่นๆ ซึ่งส่งผลให้เกิดคู่อิเล็กตรอนกับโพซิตรอน เป็นการยืนยันการทำนายของ Paul Dirac ที่ว่าทุกอนุภาคจะมีปฏฺิอนุภาคที่สอดคล้องกัน

schoolphysics ::Welcome::

การค้นพบปฏิสสารของอิเล็กตรอน – โพซิตรอน เป็นหนึ่งในการค้นพบทางฟิสิกส์ที่น่าตื่นเต้นที่สุดแห่งศตวรรษที่ 20 ทำให้ Carl Anderson ได้รับรางวัลโนเบล สาขาฟิสิกส์ ในปี 1936 ขณะมีอายุเพียง 31 ปี (อายุเท่ากับ Paul Dirac ที่ได้รับรางวัลนี้เมื่อสามปีก่อน)

หลังการค้นพบปฏิสสาร (antimatter) ของอิเล็กตรอน – โพซิตรอน (positron) นักฟิสิกส์หลายคนพยายามค้นหาปฏิสสารของอนุภาคชนิดอื่นๆ โดยเฉพาะโปรตอน (proton) และต้องใช้เวลาถึง 23 ปีหลังการค้นพบโพซิตรอน มีการค้นพบปฏิสสารของโปรตอน – แอนติโปรตอน (antiproton) ขณะทำการทดลองกับเครื่องเร่งอนุภาคในปี 1955 โดยนักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน โอเว่น แชมเบอร์เลน (Owen Chamberlain) และฟิสิกส์ชาวอเมริกัน-อิตาเลียน เอมิลิโอ เซเกร (Emilio Segre) ซึ่งทำให้พวกเขาได้รับรางวัลโนเบล สาขาฟิสิกส์ ในปี 1959

การค้นพบปฏิสสารของนิวตรอน ที่มีชื่อว่า แอนตินิวตรอน (antineutron) เกิดขึ้นหนึ่งปีหลังการค้นพบแอนติโปรตอน โดย antineutron ถูกค้นพบจากการชนกันของ proton-antiproton ในเครื่องเร่งอนุภาค ทำให้เกิด neutron และ antineutron

 

 

Years & Years – Starstruck

 

 

ความไม่สมมาตรระหว่างสสาร-ปฏิสสาร

CP violation | symmetry magazine

symmetrymagazine.org

กระบวนการสร้างสสาร-ปฏิสสาร (matter-antimatter) เกิดขึ้นในช่วงเวลาเพียงเศษเสี้ยววินาทีตั้งแต่ 10-32 ถึง 10-6 วินาทีหลังการเกิดบิกแบง (Big Bang) อยู่ในช่วงเวลาของจักรวาลยุคแรก 

นักฟิสิกส์เรียนรู้จากผลการทดลองในเครื่องเร่งอนุภาคที่จำลองสภาวะของจักรวาลยุคแรกหลังการเกิดบิกแบงว่า ในจักรวาลยุคแรกมีการสร้างสสารและแฝดของมัน-ปฏิสสารในปริมาณที่เท่ากัน เมื่อพวกมันมาปะทะกันหรือชนกัน ควรจะเกิดการทำลายล้างพวกมันไปจนหมดสิ้น ทำให้จักรวาลมีแต่พลังงาน

แต่ทุกวันนี้ ทุกสิ่งที่เราเห็นตั้งแต่รูปแบบของสิ่งมีชีวิตที่เล็กที่สุดบนโลกไปจนถึงวัตถุที่ใหญ่ที่สุด ล้วนสร้างมาจากสสารเกือบทั้งหมด เราพบปฏิสสารในธรรมชาติน้อยมาก นี้แสดงว่าในจักรวาลยุคแรก มีปริมาณของสสารมากกว่าปฏิสสาร ทำให้มีสสารบางจำนวนรอดพ้นจากขบวนการทำลายล้าง สร้างเป็นดวงดาว กาแล็กซี่ สิ่งต่างๆ รวมทั้งตัวเรา แล้วปฏิสสารบางจำนวนของมันหายไปได้อย่างไร ต้องมีอะไรบางอย่างเกิดขึ้น เหตุใดเราจึงเห็น “ความไม่สมมาตรระหว่างสสารและปฏิสสาร (matter-antimatter asymmetry)” ปัญหานี้เป็นหนึ่งในความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในจักรวาลวิทยาที่ยังไม่มีใครสามารถเฉลยถึงสาเหตุการหายไปของปฏิสสารได้

 

 

Hunter Hayes – Invisible