ควาร์ก อนุภาคทางควอนตัมฟิสิกส์ ดูเหมือนจะปฏิบัติตามกฎของไอน์สไตน์ แม้อนุภาคธรรมชาติพื้นฐานเหล่านี้เคยทำให้นักวิทยาศาสตร์ชื่อดังของเราหัวเสียมาก่อน ทว่าข้อมูลปัจจุบันเผยให้เห็นว่า ‘ท็อปควาร์ก’ จะเชื่อฟังทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษแบบที่ไอน์สไตน์หวังไว้
ในโลกของฟิสิกส์อนุภาค คำถามที่ค้างคาใจนักวิทยาศาสตร์มานานนับศตวรรษกำลังจะได้รับคำตอบ เมื่อการทดลองล่าสุดจากเครื่องเร่งอนุภาคที่ทรงพลังที่สุดในโลก Large Hadron Collider (LHC) เผยให้เห็นว่า ท็อปควาร์ก อนุภาคพื้นฐานที่หนักที่สุดในธรรมชาติ ยังคงปฏิบัติตามกฎของไอน์สไตน์อย่างเคร่งครัด
ตามรายงานล่าสุดที่เผยแพร่บนวารสาร Physic Letters B ซึ่งได้กล่าวถึงการทดลองครั้งล่าสุดที่ดำเนินการผ่านเครื่องเร่งอนุภาคที่ทรงพลังที่สุดในโลกอย่าง Large Hadron Collider (LHC) เพื่อตอบคำถามที่สร้างการถกเถียงมาอย่างยาวนานนับร้อยปีในหมู่นักฟิสิกส์ทั่วโลก นั่นก็คือ ‘มีช่วงเวลาใดของวันหรือคืนที่อนุภาคพื้นฐานที่หนักที่สุดในธรรมชาตินี้ จะหยุดทำตามกฎของไอนสไตน์หรือไม่?’
“เศษซากการแตกสลายของสมมาตรลอเรนตซ์ (Lorentz symmetry) อาจสามารถสังเกตได้ในพลังงานที่ต่ำกว่า เช่นที่พลังงานของ LHC แต่ถึงแม้จะมีความพยายามมาก่อนหน้านี้แล้ว ทว่าก็ยังไม่พบที่ LHC หรือเครื่องชนอนุภาคอื่น ๆ” ทีมควบคุมเครื่องตรวจจับคอมแพคมูออนโซเลนอยด์ (Compact Muon Solenoid (CMS) ของ LHC ระบุ
ความขัดแย้งที่มีมาอย่างยาวนาน
นับตั้งแต่ไอน์สไตน์ได้เสนอทฤษฎีของเขาในปี 1905 (ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ) และปี 1915 (ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป) นักวิทยาศาสตร์ก็ได้พบกับสิ่งที่พวกเขาตามหามานานนั่นคือกฎที่คอยควบคุมทุกอย่างในจักรวาลให้ดำเนินไปอย่างเป็นเหตุเป็นผล
ทั้งสองทฤษฎีช่วยอธิบายว่าเหตุใดดวงดาวถึงเคลื่อนที่เช่นนี้และเหตุใดสิ่งต่าง ๆ จึงเป็นเช่นนี้ มันทำงานได้อย่างถูกต้อง แม่นยำ และไม่มีอะไรขัดขืนได้มาอย่างยาวนานซึ่งเชื่อกันว่ากฎนี้จะเป็นจริงในทุก ๆ อย่างตั้งแต่จักรวาลที่กว้างใหญ่ไปจนถึงอะตอมที่เล็กที่สุด แต่อย่างไรก็ตามสิ่งที่เล็กยิ่งกว่าอะตอมดูจะไม่เชื่อฟังระเบียบที่ไอน์สไตน์เสนอไว้
“อย่างไรก็ตาม ผมเชื่อมั่นว่าพระเจ้าจะไม่ทอยลูกเต๋าหรอก” อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ เขียนในจดหมายถึงแม็กซ์ บอร์น (Max Born) เมื่อปี 1926 หนึ่งในผู้สนับสนุนหลักของทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัม
ในช่วงเวลาก่อนหน้านั้นไม่นานนัก นักฟิสิกส์ที่เก่งกาจบางคนในยุคบังเอิญไปพบเข้ากับความแปลกประหลาดของธรรมชาติของอนุภาคที่เล็กยิ่งกว่าอะตอมนั่นคือภายในโปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอน ว่าพวกเขาไม่สามารถทราบข้อมูลของสิ่งเหล่านี้ได้ 100% จนกำเนิดเป็น หลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก
กล่าวคือ อนุภาคดังกล่าวสามารถครอบครองตำแหน่งและ/หรือความเร็วที่เป็นไปได้หลายค่า หรือก็คือหากเราทราบตำแหน่ง เราจะไม่สามารถทราบความเร็ว และหากเราทราบความเร็ว เราก็จะไม่สามารถทราบตำแหน่งได้เช่นกัน ซึ่งสร้างความตกใจในหมู่นักวิทยาศาสตร์
สิ่งนี้ทำให้ความแน่นอนทางคณิตศาสตร์พังทลายและเราจะไม่สามารถคาดการณ์พฤติกรรมของอนุภาคได้เลย กลายเป็นทฤษฎีสัมพัทธภาพที่สามารถระบุได้ว่าหลุมดำจะประพฤติตัวเช่นใด กลับไม่สามารถทำนายอนุภาคที่เล็กยิ่งกว่าอะตอมได้ และไอน์สไตน์ก็ต่อต้านเรื่องนี้อย่างสุดกำลัง
“ความไม่แน่นอนของสิ่งพื้นฐานนั้นหมายถึงการสิ้นสุดของวิทยาศาสตร์” แอนดรูว์ เอส. ฟรีดแมน (Andrew S. Friedman) นักจักรวาลวิทยาจากสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ กล่าว
แต่สิ่งเหล่านั้นกลับพบได้ในกลศาสตร์ควอนตัม และสิ่งที่ตามหลอกหลอนไอน์สไตน์มากที่สุดก็คือสิ่งที่เรียกว่า ‘การเชื่อมโยงกันอย่างแน่นหนา’ หรือ Entanglement ไอน์สไตน์ขนานนามว่าเป็นสิ่งที่น่ากลัว กล่าวคือ อนุภาคสามารถสื่อสารกันได้ในทันทีแม้จะอยู่ห่างไกลกันมาก็ตาม
ตัวอย่างเช่นหากเราจับอนุภาคที่เป็นคู่กันและจับมันแยกไปอยู่กันคนละฟากโลก เมื่อเราหมุนอนุภาคแรกให้ไปทางขวา อีกอนุภาคหนึ่งจะหมุนไปทางซ้ายทันทีราวกับทั้งคู่รับรู้กันได้อัตโนมัติ แต่ทว่ามันดูเหมือนจะขัดหลักการสำคัญของทฤษฎีสัมพัทธภาพที่ว่า ไม่มีอะไรเร็วกว่าแสง (ในบริบทนี้คือไม่สามารถถ่ายโอนข้อมูลการหมุนได้เร็วกว่าความเร็วแสง)
เจ้านายแห่งควาร์ก
เช่นเดียวกัน แนวคิดหลักหนึ่งที่ใช้สร้างทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษที่เรียกว่า ‘สมมาตรลอเรนซ์’ ซึ่งกล่าวว่ากฎของฟิสิกส์นั้นควรจะเหมือนกันสำหรับผู้สังเกตการณ์ทุกคนที่ไม่ได้เร่งความเร็ว กล่าวคือ ความเร็วของแสงควรจะเท่ากันทุกทิศทุกทางไม่ว่ามองจากทางไหน
อย่างไรก็การทดลองบางอย่างชี้ให้เห็นว่า เมื่อมีพลังงานสูงมากสมมาตรนี้จะถูกทำลายซึ่งหมายความว่าเมื่อนักวิทยาศาสตร์ทำการทดลอง พวกเขากลับสังเกตผลลัพธ์ที่ได้แตกต่างกันไปตามทิศทางหรือช่วงเวลาที่การทำลองดำเนินไป
เพื่อค้นหาและยืนยันสิ่งที่เกิดขึ้น ทีมวิจัยจากเครื่องเร่งอนุภาค LHC จึงได้ทดลองกับสิ่งที่เรียกว่า ควาร์ก หรือก็คืออนุภาคในแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์ ซึ่งรวมกันประกอบเป็นโปรตอนและนิวตรอน ควาร์กเองก็แบ่งเป็นประเภทต่าง ๆ โดยควาร์กที่หนักที่สุดเรียกว่า ‘ท็อปควาร์ก’
“กล่าวอย่างแม่นยำยิ่งขึ้น เนื่องจากโลกหมุนรอบแกนของมันเอง ทิศทางของลำแสงโปรตอนของ LHC และทิศทางเฉลี่ยของท็อปควาร์กที่สร้างขึ้นในการชนกันของการทดลอง CMS ก็ควรจะเปลี่ยนแปลงไปตามกาลเวลา(อย่างคาดเดาได้ตามสมมาตรลอเรนตซ์)” ทีมวิจัยกล่าวในแถลงการณ์
เพื่อให้เข้าใจง่ายขึ้น หากอนุภาคทำตามกฎของไอน์สไตน์ ทิศทาง ความเร็ว และอัตรการสร้างควาร์ก (ที่ชนกันแตกออกมา)ควรจะคาดเดาได้ตามกาลเวลาที่เปลี่ยนแปลงไปในการทดลอง ซึ่งทีมวิจัยพบว่าเป็นเช่นนั้น พวกเขาไม่พบการเบี่ยงเบนใด ๆ เกิดขึ้นซึ่งชี้ว่าท็อปควาร์กเป็นไปตามสมมาตรลอเรนตซ์
“ผลลัพธ์ใหม่ของ CMS ซึ่งอิงตามข้อมูลจากการทำงานครั้งที่ 2 ของ LHC นั้นสอดคล้องกับอัตราคงที่ ซึ่งหมายความว่าสมมาตรลอเรนตซ์ไม่ถูกทำลาย และทฤษฏีสัมพัทธภาพพิเศษของไอน์สไตน์ยังคงถูกต้อง” ทีมวิจัยกล่าวเสริม
ดังนั้นดูเหมือนว่าไอน์สไตน์ยังคงคิดถูกอย่างน้อยก็กับท็อปควาร์กที่เป็นอนุภาคพื้นฐานในกลศาสตร์ควอนตัม และแน่นอนว่าการถกเถียงยังไม่จบลง นักวิทยาศาสตร์จะยังคงศึกษาต่อไปในอนุภาคอื่น ๆ ว่าเป็นเช่นนั้นจริงทั้งหมดหรือไม่
“ผลลัพธ์ดังกล่าวจะปูทางไปสู่การค้นหาการทำลายสมมาตรลอเรนทซ์ในอนาคตโดยอาศัยข้อมูลควาร์กท็อปจากการทำงานครั้งที่สามของ LHC” ทีม CMS เขียน “นอกจากนี้ยังเปิดประตูสู่การตรวจสอบกระบวนการต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้องกับอนุภาคหนักอื่น ๆ ที่สามารถตรวจสอบได้ที่ LHC เท่านั้น เช่น โบซอนฮิกส์ โบซอน W และ Z”
สืบค้นและเรียบเรียง : วิทิต บรมพิชัยชาติกุล
Photo by courtesy Maximilien Brice, CERN
ที่มา
อ่านเพิ่มเติม : รังสีคอสมิกจากซูเปอร์โนวาทำให้ไวรัสในแอฟริกากลายพันธุ์
