สร้างสสารจากแสง

นักฟิสิกส์ได้เคยแสดงให้โลกประจักษ์เมื่อ 50 ปีก่อนนี้ว่า เราสามารถแปลงสารให้เป็นแสงความร้อน และพลังงานรูปแบบอื่นได้ โดยการสร้างระเบิดปรมาณูขึ้นซึ่งระเบิดมหาประลัยนี้ ทำงานโดยการเปลี่ยนสสารที่ใช้ในการทำระเบิด ไปเป็นพลังงานแสง ความร้อน และเสียง ที่มีอำนาจในการทำลายล้างสูง

มาบัดนี้ คณะนักฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัย Stanford ในสหรัฐอเมริกา ได้ประกาศว่า ได้ประสบความสำเร็จในการแปลงแสง ให้เป็นสารแล้ว โดยใช้แสงเพียง ๆ แต่เพียงอย่างเดียว

เมื่อประมาณ 300 ปีก่อนนี้ Isaac Newton ได้เคยคิดว่าแสงเป็นอนุภาคเล็ก ๆ เคลื่อนที่ในแนวเส้นตรง ซึ่งเมื่อตกกระทบกระจก จะสะท้อนในลักษณะเดียวกับที่ลูกบอลกระดอนจากผิว แต่ในเวลาต่อมาThomas Young ได้ทดลองให้ทุกคนเห็นว่าแสงจริง ๆ แล้วเป็นคลื่นที่สามารถเลี้ยวผ่านขอบของสิ่งต่าง ๆ ได้ ทฤษฎีคลื่นของแสง จึงเป็นที่ยอมรับกันตั้งแต่นั้นมา จนกระทั่งถึงต้นคริสต์ศตวรรษนี้ ได้มีการทดลองมากมายที่แสดงให้เห็นว่า แสงมีคุณสมบัติเป็นได้ทั้งคลื่นและอนุภาค และในทำนองเดียวกัน สสารเช่น อิเล็กตรอน(electron) ก็สามารถแสดงคุณสมบัติเป็นคลื่นได้ หรือจะให้เป็นอนุภาคก็ได้อีกเหมือนกัน แต่จะอย่างไรก็ตามทั้ง สสารและแสงไม่สามารถแสดงคุณสมบัติเป็นทั้งคลื่น และอนุภาคได้พร้อมกัน ทฤษฎี quantum แถลงไว้ชัดเจนว่าในโลกของอะตอม หรือปรมาณูเล็ก ๆ แสง อิเล็กตรอนหรืออนุภาคมูลฐานจะประพฤติตัว เสมือนว่าเป็นอนุภาคหรือเป็นคลื่นอย่างไรก็ขึ้นกับ การทดลองของเรา

ในวารสาร Physical Review Letters ฉบับวันที่ 1 กันยายน ศกนี้ A.Mellissnos และคณะซึ่งประกอบด้วยนักฟิสิกส์ 20 คน ได้ใช้แสงเลเซอร์ ที่มีกำลังสูงถึง 5 แสนล้านวัตต์ โฟกัสผ่านเลนส์ ทำให้เป็นลำแสงที่มีเส้นผ่าศูนย์กลางยาวเพียง 0.001 มิลลิเมตร แล้วพุ่งเข้าชนกระแสอิเล็กตรอน ที่มีพลังงานสูงอย่างเฉียง ๆ เมื่อกระแสอิเล็กตรอนปะทะลำแสง จะเกิดการชนกันระหว่างอนุภาคอิเล็กตรอนกับอนุภาคแสง เหมือนกับลูกฟุตบอลพุ่งชนลูกปิงปองยังไงยังงั้น ดังนั้นลูกปิงปองซึ่งในที่นี้คือแสง จะมีพลังงานสูงขึ้น เมื่อแสงมีพลังงานสูงขึ้น ความยาวคลื่นของแสงจะลดน้อยลง นั่นคือ แสงจะเปลี่ยนสภาพจากการเป็นแสงที่ตาเคยเห็น กลับเป็นรังสีแกมมา (gamma) ที่ตามองไม่เห็น แต่รังสีแกมมาที่เกิดขึ้นนี้ จะถูกอนุภาคแสงจากแสงเลเซอร์ชนอีก ทำให้มันมีพลังงานสูงยิ่งขึ้นไปอีก จนถึงระดับที่สามารถเปลี่ยนสภาพเป็นอนุภาคอิเล็กตรอน ซึ่งมีประจุลบและอนุภาคโพสิตรอน(positron) ซึ่งมีประจุบวก แต่มีคุณสมบัติอื่น ๆ เหมือนอิเล็กตรอนทุกประการ

การทดลองนี้เป็นการทดลองแรก ที่แสดงให้เห็นว่า แสงสามารถทำให้สุญญากาศ (vacuum) เกิดการสปาร์ก (spark) โดยการปลดปล่อยอนุภาค (particle) และปฏิอนุภาค(antiparticle) ออกมาให้เราเห็น

ในอดีตที่ผ่านมา นักฟิสิกส์ได้เคยเห็นอนุภาคอิเล็กตรอน และโพสิตรอนในการทดลอง ที่ใช้เครื่องเร่งอนุภาคต่าง ๆ เสมอมาแต่ในการเกิดอนุภาคเหล่านี้นั้น อนุภาคทั้งสองเกิด เมื่อเราให้แสงผ่านใกล้อนุภาคมูลฐาน ที่มีประจุ แสงจึงถูกสนามแม่เหล็กไฟฟ้าความเข้มสูงกระทำ ทำให้แสงเปลี่ยนสภาพเป็นสารตามสูตร m = E/c² คือสารมวล m เกิดขึ้นเมื่อพลังงาน E หายไป

แต่การทดลองครั้งนี้ อิเล็กตรอนและโพสิตรอนที่เกิดขึ้น เกิดจากแสงล้วน ๆ โดยไม่มีอนุภาคอื่นใดมาข้องเกี่ยว เป็นปัจจัยในการเกิดเลย

คุณประโยชน์ของการทดลองนี้คือ นักฟิสิกส์พบวิธีสร้างกระแสอนุภาคโพสิตรอนวิธีใหม่ ทำให้สามารถนำโพสิตรอน ไปใช้ในการทดลองอื่น ๆ เช่น ในเครื่องตรวจสมองหรือในการวิเคราะห์โลหะ นอกจากนี้ ในการทดลองยิงเลเซอร์ด้วยกระแสอิเล็กตรอน ที่มีพลังงานสูงเช่นนี้ ยังสามารถใช้ทดสอบคำทำนายของทฤษฎี QED (Quantum Electrodynamics) ในเรื่องที่ว่าด้วยพฤติกรรมของแสง ในสภาวะแวดล้อมที่มีสนามแม่เหล็กไฟฟ้าความเข้มสูง เช่นที่ผิวของดาวนิวตรอนได้อีกด้วย

---

ที่มา : ดร.สุทัศน์ ยกส้าน สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (สสวท.)