การทดลองที่อุณหภูมิต่ำที่สุดในเอกภพ

สถานีอวกาศนานาชาติที่ตั้งของ Cold Atom Laboratory 
(ภาพจาก https://www.flickr.com/photos/nasa2explore/31763901878)

สถานที่หนาวที่สุดที่คุณนึกถึงคืออะไร นึกถึงตอนไปดอยอินทนนท์จังหวัดเชียงใหม่ช่วงหน้าหนาว 0-7 องศาเซลเซียส (273.15-280.15 เคลวิน)  ชมเหมยขาบหรือแม่คะนิ้ง  หรือนึกถึงหน้าหนาวในแอนตาร์กติกาที่อุณหภูมิลดไปถึง -85 องศาเซลเซียส (188 เคลวิน) หรือจะหนาวแบบสุดขั้วไปเลยคือด้านมืดของดวงจันทร์ที่อุณหภูมิลดต่ำไปถึง -173 องศาเซลเซียส  (100.15 เคลวิน) แต่อุณหภูมิเหล่านี้ยังเทียบไม่ได้กับความหนาวเย็นที่ใช้ในการทดลองของนักวิทยาศาสตร์ ใน Cold Atom Laboratory หรือใช้ตัวย่อ CAL มันตั้งอยู่ที่สถานีอวกาศนานาชาติ
 

(ภาพจาก https://en.wikipedia.org/wiki/File:Pia22562-16.jpg)

Cold Atom Laboratory คืออุปกรณ์ทางการทดลองที่เดิมทีถูกพัฒนาขึ้นเพื่อส่งไปยังสถานีอวกาศนานาชาติในเดือนมิถุนายน ค.ศ. 2017 แต่เกิดความล่าช้า สุดท้ายมันถูกส่งไปเมื่อวันที่ 21 พฤษภาคม ค.ศ. 2018 CAL สามารถสร้างกลุ่มของอะตอมที่เย็นจัดได้ โดยอุณหภูมิใกล้เคียงกับศูนย์สัมบูรณ์มาก (Absolute zero) มันคืออุณหภูมิเป็นไปได้ที่ต่ำที่สุด มีค่าเท่ากับ 0 เคลวินหรือ -273.15 องศาเซลเซียส ไม่มีอะไรสามารถจะมีอุณหภูมิต่ำไปกว่านี้ได้ และมันไม่มีพลังงานความร้อนหลงเหลืออยู่เลยที่อุณหภูมินี้ เป็นอุณหภูมิที่เอนทัลปี (Enthalpy) และเอนโทรปี (entropy) ของแก๊สในอุดมคติเย็น (cooled ideal gas) มีค่าต่ำที่สุด ศูนย์สัมบูรณ์คือจุดที่อนุภาคมูลฐานในธรรมชาติมีการสั่นน้อยที่สุด หลงเหลืออยู่แค่พลังงานจากกลศาสตร์ควอนตัมที่เรียกว่า zero-point energy ในธรรมชาติเราไม่พบสถานที่ใดที่มีอุณหภูมินี้เลย ซึ่งนั่นหมายความว่า CAL เป็นสถานที่ที่มีอุณหภูมิต่ำที่สุดในเอกภพ


แต่ทำไมนักวิทยาศาสตร์ถึงต้องสร้างกลุ่มของอะตอมที่มีอุณหภูมิใกล้เคียงกับศูนย์สัมบูรณ์มาก สูงกว่า 0 เคลวินเพียงแค่เป็นเศษส่วนที่น้อยมากของ 1 เคลวิน และทำไมต้องไปทำการทดลองบนอวกาศ ณ สถานีอวกาศนานาชาติด้วย คำตอบก็คือ เรื่องนี้มันเกี่ยวข้องกับ กลศาสตร์ควอนตัม


ที่อุณหภูมิห้องอะตอมต่างๆจะวิ่งเร็วมาก ซุกซนอย่างกับลิง แต่วิ่งด้วยความเร็ว 1,239 กิโลเมตรต่อชั่วโมง แต่อะตอมที่อุณหภูมิเย็นจัด (ultracold atoms) จะเคลื่อนที่ช้ามาก ช้ากว่าอะตอมที่อุณหภูมิห้องประมาณ 200,000 เท่า ฉะนั้นอะตอมที่อุณหภูมิเย็นจัดจึงเปิดหนทางใหม่ๆให้เราศึกษาอะตอมได้ดีขึ้น หน้าที่หลักของการใช้ 
CAL จึงมีเพื่อเข้าใจการทำงานของธรรมชาติในระดับรากฐาน


ส่วนเหตุผลที่ต้องไปทำการทดลองที่สถานีอวกาศนานาชาติก็เพราะเรื่อง แรงโน้มถ่วง การทดลองบนโลกก็สามารถสร้างอะตอมที่อุณหภูมิเย็นจัดได้ แต่แรงโน้มถ่วงจะดึงกลุ่มของอะตอมให้ตกลงมาอย่างรวดเร็ว นักวิทยาศาสตร์สามารถแก้ปัญหานี้ได้โดยให้อะตอมเหล่านั้นถูกกักในสนามแม่เหล็กและหยุดนิ่ง แต่การทำแบบนั้นจะไปจำกัดการเคลื่อนไหวอย่างธรรมชาติของอะตอม ซึ่งในอวกาศเป็นสภาวะเกือบไร้น้ำหนัก (microgravity) กลุ่มของอะตอมจะสามารถลอยได้นานกว่า เพื่อให้เวลานักวิทยาศาสตร์ในการศึกษาพฤติกรรมของมัน

ภาพจำลองการทำงานของ Cold Atom Laboratory
(ภาพจาก https://www.space.com/40631-nasa-coldest-spot-universe-laser-box.html)

กระบวนการสร้างกลุ่มอะตอมที่อุณหภูมิเย็นจัดเริ่มด้วยการใช้เลเซอร์ไปลดอุณหภูมิโดยการลดความเร็วของอะตอม จากนั้นก็ใช้คลื่นวิทยุตัดสมาชิกที่อุ่นที่สุดของกลุ่มอะตอมออกไปเพื่อลดอุณหภูมิลงไปอีก  สุดท้ายอะตอมถูกปล่อยจากการกักของสนามแม่เหล็กและปล่อยให้ขยายออกไปซึ่งตรงนี้จะทำให้ความดันลดลงไปและตามธรรมชาติอุณหภูมิก็จะลดลงไปด้วยอีก สุดท้ายอุณหภูมิจะลดลงไปถึงที่ 1 ใน หมื่นล้านส่วนของ 1 เคลวินที่สูงกว่าศูนย์สัมบูรณ์


ถึงหน้าหนาวปีนี้ ค.ศ. 2018 กรุงเทพฯ จะไม่หนาวก็ไม่เป็นไร เพราะเมื่อเรารู้ว่าปีนี้นักวิทยาศาสตร์สามารถสร้างการทดลองที่ต้องใช้อุณหภูมิที่ต่ำ หนาวเย็นมากที่สุดในเอกภพบนสถานีอวกาศนานาชาติเพื่อไขปริศนาของธรรมชาติและเราเข้าใจหลักการทำงานของมันคร่าวๆ แค่นี้เราก็พอใจแล้ว

 

เรียบเรียงโดย

ณัฐพล โชติศรีศุภรัตน์
ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ

• [1] https://phys.org/news/2018-12-coolest-universe.html
• [2] https://physicsworld.com/a/nasa-to-launch-cold-atom-lab-in-space/
• [3] https://coldatomlab.jpl.nasa.gov/