Newsletter subscribe

A Brief History of Time, Universe

ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#36 บทที่ 5 อนุภาคมูลฐานและแรงแห่งธรรมชาติ : แรงพื้นฐานทั้งสี่ – Stronge Nuclear Force

Posted: 25/10/2021 at 12:00   /   by   /   comments (0)

แรงประเภทที่สี่คือแรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม ซึ่งยึดควาร์กไว้ด้วยกันในโปรตอนและนิวตรอน และยึดโปรตอนและนิวตรอนไว้ด้วยกันในนิวเคลียสของอะตอม เชื่อกันว่าแรงนี้ถูกพาโดยอนุภาคที่มีสปิน -1 ที่เรียกว่า กลูออน (gluon) ซึ่งมีปฏิสัมพันธ์กับตัวมันเองและกับควาร์กเท่านั้น

แรงนิวเคลียร์อย่างเข้มมีคุณสมบัติที่น่าสนใจที่เรียกว่า การกักขัง (confinement) : มันมักจะจับอนุภาคเข้าด้วยกันเป็นองค์ประกอบที่ไม่มีสี ควาร์กไม่สามารถอยู่ตัวเดียวโดยอิสระได้ เพราะมันจะมีสี (แดง เขียว หรือน้ำเงิน) ควาร์กสีแดงกับควาร์กสีเขียวและสีน้ำเงินถูกเชื่อมเข้าด้วยกันโดย “สตริง” ของกลูออน (แดง + เขียว + น้ำเงิน = ขาว) กลายเป็นโปรตอนหรือนิวตรอน

ความเป็นไปได้อีกประการหนึ่งคือคู่ที่ประกอบด้วยควาร์กและแอนติควาร์ก (สีแดง + แอนติเรด หรือสีเขียว + แอนติกรีน หรือสีน้ำเงิน + แอนติบลู = สีขาว) การรวมกันของควาร์กและแอนติควาร์กจะสร้างอนุภาคที่ไม่เสถียรที่เรียกว่า มีซอน (mesons) เนื่องจากควาร์กและแอนติควาร์กสามารถทำลายล้างซึ่งกันและกัน ทำให้เกิดอิเล็กตรอนและอนุภาคอื่นๆ

ในทำนองเดียวกัน การกักขังจะป้องกันไม่ให้มีกลูออนอยู่เพียงลำพัง เนื่องจากพวกมันมีสีเช่นกัน และอนุภาคจะต้องมีกลูออนที่มีสีรวมกันเป็น “สีขาว” จึงจะคงที่ คอลเล็กชันดังกล่าวก่อให้เกิดอนุภาคที่ไม่เสถียรที่เรียกว่า กลูบอล (glueball)

 

ความจริงที่ว่าการกักขังป้องกันไม่ให้ควาร์กหรือกลูออนแยกออกกัน อาจดูเหมือนทำให้ควาร์กและกลูออนดูเหมือนเป็นอนุภาคที่ค่อนข้างเลื่อนลอย อย่างไรก็ตาม มีสมบัติอีกประการหนึ่งของแรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม ซึ่งเรียกว่า asymptotic freedom ซึ่งทำให้แนวคิดเกี่ยวกับควาร์กและกลูออนมีความชัดเจนขึ้น ที่พลังงานปกติ แรงนิวเคลียร์อย่างเข้มนั้นแข็งแกร่งจริงๆ และมันผูกมัดควาร์กเข้าด้วยกันอย่างแน่นหนา อย่างไรก็ตาม การทดลองในเครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่บ่งชี้ว่า เมื่อมีพลังงานสูง แรงนิวเคลียร์อย่างเข้มจะอ่อนลงอย่างมาก และควาร์กและกลูออนจะมีพฤติกรรมเหมือนอนุภาคอิสระ

 

 

Walk Off The Earth – Rule the World

 

 

แรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม (Strong nuclear force)

แรงพื้นฐานในธรรมชาติ มีอยู่ด้วยกัน 4 แรง ได้แก่ แรงโน้มถ่วง (gravitational force) แรงแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic force) แรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน (weak nuclear force หรือ weak force) และแรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม (strong nuclear force หรือ strong force)

ตามชื่อของมัน แรงนิวเคลียร์อย่างเข้มเป็นแรงที่ทรงพลังที่สุดในธรรมชาติ (แรงกว่าแรงแม่เหล็กไฟฟ้า 137 เท่า และแรงกว่าแรงนิวเคลียส์อย่างอ่อนถึงล้านเท่า) มีหน้าที่ในการรวมอนุภาคมูลฐานหรืออนุภาคย่อยของอะตอมเข้าด้วยกันเพื่อสร้างอนุภาคขนาดใหญ่ขึ้น แรงนี้ยึดควาร์กเข้าด้วยกันเพื่อสร้างโปรตอนและนิวตรอน และยังจับโปรตอนและนิวตรอนเข้าด้วยกันในนิวเคลียสของอะตอม

หากเราพิจารณานิวเคลียสของอะตอมทั้งหมดยกเว้นไฮโดรเจน จะมีโปรตอนมากกว่าหนึ่งตัว และโปรตอนแต่ละตัวมีประจุบวก ทำไมนิวเคลียสของอะตอมเหล่านี้จึงอยู่ด้วยกัน? โปรตอนในนิวเคลียสจะต้องผลักกันและกัน เนื่องจากมีประจุบวกเหมือนกัน แสดงว่ามีแรงอื่นที่เอาชนะแรงผลักระหว่างโปรตอน แรงนี้ก็คือ “แรงนิวเคลียร์อย่างเข้มตกค้าง (residual strong nuclear force)” ซึ่งจะผูกมัดโปรตอนและนิวตรอนของนิวเคลียสอะตอมไว้ด้วยกันในพื้นที่ขนาดเล็กจนคาดไม่ถึง

Residual strong nuclear force เป็นแรงนิวเคลียร์อย่างเข้มเพียงเล็กน้อยที่ทำงานนอกโปรตอนหรือนิวตรอน แรงนิวเคลียร์อย่างเข้มส่วนใหญ่ถูก “กักขัง” ไว้ภายในโปรตอนหรือนิวตรอน โดยผูกมัดควาร์กสามตัวไว้ด้วยกันเพื่อสร้างโปรตอนและนิวตรอน

 

อย่างไรก็ตาม แรงนิวเคลียร์อย่างเข้มเป็นแรงที่กระทำในระยะทางที่สั้นที่สุด ซึ่งหมายความว่าอนุภาคย่อยของอะตอมจะต้องอยู่ใกล้มาก ก่อนที่จะรู้สึกถึงผลกระทบของแรงนี้ พวกมันต้องอยู่ห่างจากกันไม่เกิน 10-15 เมตร หรือประมาณเส้นผ่านศูนย์กลางของโปรตอน

 

การกักขัง (Confinement)

แรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม (strong nuclear force) ถูกส่งผ่านระหว่างควาร์กโดยโบซอนที่ไม่มีมวลเรียกว่า “กลูออน (gluon)” ทำให้ควาร์กถูก “ติดกาว” ไว้ด้วยกัน เช่นเดียวกับโฟตอน ซึ่งเป็นพาหะนำพาแรงแม่เหล็กไฟฟ้า กลูออนไม่มีมวลและเดินทางด้วยความเร็วแสง แต่พวกมันแตกต่างจากโฟตอนในแง่สำคัญประการหนึ่ง: เนื่องจากโฟตอนมีความเป็นกลางทางไฟฟ้า กล่าวคือ ไม่มีประจุไฟฟ้า โฟตอนจึงไม่โต้ตอบกัน ในทางตรงกันข้าม กลูออนทุกตัวมีประจุที่เรียกว่า “ประจุสี” ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่คล้ายคลึงกับประจุไฟฟ้า ดังนั้นกลูออนจึงไม่เพียงโต้ตอบกับควาร์กเท่านั้น แต่ยังสามารถโต้ตอบกับกลูออนอื่นๆ ภายในระยะใกล้ด้วย คุณสมบัติปฏิสัมพันธ์ในตัวเองของกลูออนนี้เป็นหนึ่งในสาเหตุที่ทำให้แรงนิวเคลียร์อย่างเข้มกระทำเหมือน “กาว” แทนที่จะเป็นแม่เหล็ก

 

                      

โดยปกติเราจะไม่พบควาร์กอิสระตามธรรมชาติ แต่มันจะรวมตัวกันเป็นกลุ่ม โดยมีกลูออนทำหน้าที่เหมือนกาวเชื่อมให้ควาร์กเหล่านั้นติดกัน ควาร์กและกลูออนเป็นอนุภาคที่มีประจุสี ปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคที่มีประจุสีทั้ง 2 ชนิดนี้ทำให้เกิดแรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม ประจุสีของควาร์กมี 3 ชนิด ได้แก่ แดง น้ำเงิน และเขียว (ค่าสีเหล่านี้ไม่มีส่วนเกี่ยวข้องกับสีของแสง มันเป็นเพียงรูปแบบการตั้งชื่อเท่านั้น)

ควาร์กแต่ละตัวสามารถมีประจุสีใดก็ได้จากสามสี เมื่อควาร์กตั้งแต่สองตัวขึ้นไปอยู่ใกล้กันจะแลกเปลี่ยนกลูออนอย่างรวดเร็ว ทำให้เกิดแรงนิวเคลียร์อย่างเข้มอันทรงพลังซึ่งผูกควาร์กไว้ด้วยกัน กลูออนจึงเป็นเสมือน “กาวตราช้าง” ที่ยึดควาร์กเข้าด้วยกัน และควาร์กจะเปลี่ยนประจุสีอย่างต่อเนื่องในขณะที่แลกเปลี่ยนกลูออนกับควาร์กตัวอื่นๆ

 

 แบริออน (baryons) ได้แก่ โปรตรอนหรือนิวตรอนใดๆ ต้องประกอบด้วยควาร์กสามตัว หนึ่งตัวที่มีประจุสีแดง หนึ่งตัวที่มีประจุเป็นสีเขียว และหนึ่งตัวที่มีประจุเป็นสีน้ำเงิน เมื่อควาร์กสามตัวมารวมกัน จะได้อนุภาคผสม (โปรตรอนหรือนิวตรอน) ที่ “ไม่มีสี” หรือ “สีขาว” (แดง + เขียว + น้ำเงิน = ขาว) โดยมีประจุสีสุทธิเป็นศูนย์ 

ควาร์กอาจรวมกับแอนติควาร์ก (quark-antiquark) เพื่อสร้างมีซอน (mesons) เช่น pi mesons และ K mesons แอนติควาร์กมีประจุสี คือ แอนติเรด (หรือสีฟ้า) แอนติกรีน (หรือสีม่วงแดง) และแอนตี้บลู (หรือสีเหลือง) การรวมกันของควาร์กและแอนติควาร์กจะสร้างมีซอนที่ไม่เสถียร ที่ “ไม่มีสี” หรือ “สีขาว” (สีแดง + แอนติเรด, สีเขียว + แอนติกรีน, สีน้ำเงิน + แอนติบลู = สีขาว) โดยมีประจุสีสุทธิเป็นศูนย์เช่นกัน

มีเพียงอนุภาคที่มีประจุสีสุทธิเป็นศูนย์เท่านั้นที่ได้รับอนุญาตให้อยู่ในสถานะอิสระ และสิ่งนี้อธิบายได้ว่าทำไมไม่พบควาร์กและแอนติควาร์กอยู่อย่างอิสระในธรรมชาติ (เนื่องจากพวกมันมีประจุสี) การกักขังควาร์กภายในฮาดรอนเรียกว่า “confinement” 

ในมีซอน (mesons) และแบริออน (baryons) ควาร์กและแอนติควาร์ก (quark-antiquark) ถูกผูกไว้ด้วยกันโดยกลูออน (gluon) ซึ่งเป็นพาหะนำพาแรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม (nuclear strong force) กลูออนยังสามารถโต้ตอบกันเองได้ เนื่องจากกลูออนไม่มีประจุสีสุทธิเป็นศูนย์เช่นกัน ดังนั้นจึงไม่หนีจากการมีปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่ง การกักขังจะป้องกันไม่ให้มีกลูออนอยู่เพียงลำพัง และอนุภาคที่ไม่เสถียรที่เกิดจากกลูออนที่มีประจุสีรวมกันเป็น “สีขาว” เรียกว่า กลูบอล (glueball) หรือก้อนกาว อย่างไรก็ตาม การทดลองของนักวิทยาศาสตร์ไม่เคยยืนยันอย่างชัดเจนถึงการมีอยู่ของวัตถุสมมุตินี้ 

 

 

SHAED – Trampoline

 

 

Asymptotic Freedom

ในช่วงต้นทศวรรษ 1970 นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน เดวิด กรอส (David J. Gross), แฟรงก์ วิลเชค (Frank Wilczek) และ ฮิว เดวิด โพลิตเซอร์ (Hugh David Politzer) ค้นพบว่าแรงนิวเคลียส์อย่างเข้มระหว่างควาร์กจะอ่อนลงเมื่อควาร์กอยู่ใกล้กันมากขึ้น แต่หากเราพยายามดึงควาร์กที่อยู่ใกล้กันให้ห่างกันมากขึ้น และแรงนิวเคลียส์อย่างเข้มจะแข็งแกร่งขึ้น ดึงให้ควาร์กกลับมาเกาะกลุ่มกัน พฤติกรรมนี้ป้องกันการแยกตัวของควาร์กแต่ละตัว ดังนั้น ควาร์กจึงไม่ปรากฏเป็นอนุภาคเดี่ยวๆ ในธรรมชาติ สิ่งนี้ไม่เหมือนกับพฤติกรรมของแรงแม่เหล็กไฟฟ้าโดยสิ้นเชิง โดยแรงแม่เหล็กไฟฟ้าจะอ่อนลงเมื่ออนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าอยู่ห่างกันมากขึ้น

ควาร์กถูกนำไปเปรียบเทียบกับนักโทษที่ถูกผูกมัดด้วยโซ่ตรอน เมื่ออยู่ใกล้กัน พวกมันจะเคลื่อนไหวได้อย่างอิสระและไม่รู้สึกถึงโซ่ที่ผูกมัดพวกมัน อย่างไรก็ตาม หากควาร์ก/นักโทษคนหนึ่งพยายามจะขยับหนี จะรู้สึกถึงความแข็งแกร่งของโซ่ซึ่งป้องกันการหลบหนีได้ พฤติกรรมนี้เกิดจากการที่กลูออนที่เคลื่อนที่ไปมาระหว่างควาร์ก ยิ่งควาร์กเคลื่อนที่ออกไปไกลเท่าใด กลูออนก็จะยิ่งปรากฏมากขึ้น แต่ละตัวมีส่วนทำให้เกิดแรงนิวเคลียส์อย่างเข้ม เมื่อควาร์กอยู่ใกล้กัน พวกมันจะแลกเปลี่ยนกลูออนน้อยลง และแรงนิวเคลียส์อย่างเข้มก็อ่อนลง ซึ่งเป็นเอฟเฟกต์ที่เรียกว่า “Asymptotic freedom” การค้นพบส่งผลให้ Gross, Wilczek และ Politzer ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี 2004

 

 

Skillet – Surviving the Game