ดวงอาทิตย์กับกลศาสตร์ควอนตัม

4 มิถุนายน 2561

 

        ดวงอาทิตย์ปลดปล่อยพลังงานออกมา 3.846 x1026  จูลส์ ทุกวินาที  นี่คือต้นตอของพลังงานที่ทำให้พื้นที่ขนาด 1 ตารางเมตรบนผิวโลกได้รับพลังงานประมาณ 1,000 จูลส์ / วินาที  ถ้าไม่มีพลังงานนี้ ชีวิตบนโลกไหนเลยจะเกิดขึ้นได้ ดวงอาทิตย์ผลิตพลังงานจำนวนมหาศาลออกมาได้อย่างไร  การณ์กลับเป็นว่าดวงอาทิตย์ขนาดมหึมาดำรงบทบาทสำคัญมากนี้อยู่ได้ด้วยผลจากกลศาสตร์ควอนตัม ที่ประสบความสำเร็จอย่างสูงในการใช้อธิบาย / ทำความเข้าใจพฤติกรรมของวัตถุที่มีขนาดเล็กจิ๋วระดับอะตอมหรือเล็กกว่า

 

 

รูปที่ 1 ภาพวาดแสดงให้เห็นโครงสร้างภายในของดวงอาทิตย์ ดวงอาทิตย์มีมวลประมาณ 2x1030 กิโลกรัม โดยมวลประมาณ 34% อยู่ภายในแกนกลาง (core) ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 0.35 ล้านกิโลเมตร บริเวณนี้เป็นพลาสมาร้อนของอนุภาคต่างๆ  ที่มีความหนาแน่นมากกว่าของตะกั่วประมาณ 10 เท่า และมีอุณหภูมิประมาณ 15 ล้านเซลเซียส พลังงานของดวงอาทิตย์จะเกิดขึ้นจากส่วนแกนกลางนี้ แล้วถูกส่งผ่านเป็นระยะทางประมาณ  0.5 ล้านกิโลเมตรออกไปที่ผิวของดวงอาทิตย์ ในระหว่างทางก็จะทำให้มวลอีก 66% ของดวงอาทิตย์ร้อนจนกลายเป็นลูกไฟดวงใหญ่ และหลังจากนั้นก็หลุดรอดออกไปสู่ห้วงอวกาศโดยรอบ รวมทั้งอนุภาคต่างๆด้วย (ที่มารูป :https://www.nasa.gov/mission_pages/sunearth/science/solar-anatomy.html)

 

        ดวงอาทิตย์เป็นก้อนพลาสมาร้อนที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ย 1.39 ล้านกิโลเมตร (โลกมีเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ย12,742 กิโลเมตร)  ธาตุองค์ประกอบสำคัญคือไฮโดรเจนกับฮีเลียม (ประมาณ 71% กับ 27% ตามลำดับ ที่เหลือเป็นธาตุอื่นๆอีกเล็กน้อย) พลังงานความร้อนของดวงอาทิตย์มีต้นตอมาจากปฏิกิริยานิวเคลีย์ฟิวชัน (nuclear fusion) ที่เกิดขึ้นภายในแกนกลางเท่านั้น (รูปที่ 1) โดยมีไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงหลัก กล่าวคือ นิวเคลียสของไฮโดนเจน 1H ซึ่งก็คืออนุภาคโปรตอน (proton หรือ p) จะเข้ามาหลอมรวมกัน (nuclear fusion) ตามขั้นตอนดังแสดงในรูปที่ 2  ซึ่งสุดท้ายแล้วทำให้เกิด 4He หรืออนุภาคแอลฟา (alpha หรือ α) นั่นคือสรุปว่าในกระบวนการนี้ อนุภาคโปรตอน 4 ตัวมารวมกันได้เป็นอนุภาคแอลฟา 1 ตัว และเกิดการปลดปล่อยพลังงาน เพราะ

 

มวลก่อนเริ่มกระบวนการ : 4 x มวลของอนุภาคโปรตอน = 4 x 1.007276 u = 4.029104 u

 

มวลตอนสิ้นสุดกระบวนการ : มวลของอนุภาคแอลฟา = 4.002602 u (ในที่นี้ไม่ได้นำมวลของอนุภาคโพซิตรอนและนิวตริโนมาคิดเพราะถือว่ามีค่าน้อยมาก)

 

มวลที่หายไป : 4.029104 u - 4.002602 u = 0.026502 u = 4.4 x 10-29 กิโลกรัม

 

ในทางฟิสิกส์แล้วมวลจะหายไปเฉยๆไม่ได้ ในที่นี้มวลได้กลายไปเป็นพลังงาน ตามสมการ E = mc2 ของไอน์สไตน์ ดังนั้นในกระบวนการดังรูปที่ 2 สุทธิแล้วจะทำให้เกิดพลังงาน (E) ขึ้นทั้งสิ้นเท่ากับ

 

                        E = (4.4 x 10-29 kg) x (3 x 108 m/s)2 =  3.9 x 10-12 จูลส์  =  24.3 ล้านอิเล็กตรอนโวลต์ (MeV)

 

แต่จากที่กล่าวไว้ตอนต้นว่า ดวงอาทิตย์ปลดปล่อยพลังงานออกมาอย่างต่อเนื่อง 3.8x1026  จูลส์ ทุกวินาที ก็แปลว่าภายในแกนกลางของดวงอาทิตย์จะต้องเกิดการฟิวชันของอนุภาคโปรตอนประมาณ 4 x 1038 ตัว ในทุกวินาที

 

      

 

รูปที่ 2 แผนภาพแสดงกระบวนการนิวเคลียร์ฟิวชันแบบ p-p chain ที่เกิดขึ้นเป็นส่วนใหญ่ในแกนกลางของดวงอาทิตย์ของเรา (รวมถึงพวกดาวฤกษ์ที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า) ในที่นี้ 1H คือไอโซโทปตัวที่ 1 ของไฮโดรเจน ซึ่งนิวเคลียสของมันก็คืออนุภาคโปรตอน (p) นั่นเอง,  2H คือไอโซโทปตัวที่ 2 ของไฮโดรเจน มีชื่อเรียกว่าดิวเทอเรียม แต่ถ้าหมายถึงเฉพาะส่วนนิวเคลียส จะเรียกว่าดิวเทอรอน, 4He คือฮีเลียม ซึ่งเฉพาะส่วนนิวเคลียสจะเรียกว่าอนุภาคแอลฟาก็ได้ ส่วน 3He คือไอโซโทปตัวหนึ่งของฮีเลียม จะเห็นได้ว่าในกระบวนการนี้นอกจากจะเกิดพลังงานขึ้นไม่น้อยแล้ว ยังผลิตอนุภาคนิวตริโน (neutrino, ν), อนุภาคโพซิตรอน (positron, e+) และรังสีแกมมา (gamma, γ) ออกมาด้วย อนุภาคโพซิตรอนมีมวลเท่ากับอนุภาคอิเล็กตรอน ซึ่งน้อยกว่าโปรตอน 1,837 เท่า  ส่วนนิวตริโนมีมวลน้อยมากๆ ซึ่งปัจจุบันยังไม่ทราบค่าที่แน่นอน (ที่มารูป : [1])

 

        ถ้าคิดอย่างฟิสิกส์แบบฉบับ (Classical Physics) ว่าโปรตอนเป็นอนุภาคที่เป็นวัตถุคล้ายลูกบิลเลียดหรือก้อนหิน คือมีขนาดที่แน่นอน แต่เล็กมากๆ (เส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 0.84 fm หรือ 0.84 x 10-13 ซม.) เมื่อให้อนุภาคโปรตอน 2 ตัววิ่งเข้าชนกัน มันจะไม่เหมือนลูกบิลเลียด 2 ลูกชนกันเสียทีเดียว เพราะลูกบิลเลียดแต่ละลูกมีประจุไฟฟ้าลัพธ์เป็นศูนย์  ตอนชนกันจึงเข้าไปสัมผัสกันโดยตรงได้อย่างง่ายดาย  แต่โปรตอนมีประจุไฟฟ้าบวก ยิ่งพุ่งเข้าใกล้กันมากเท่าใด ยิ่งเกิดแรงผลักคูลอมบ์ (Coulomb repulsion) รุนแรงเพิ่มมากขึ้นเท่านั้น  โดยทั่วไปการชนกันของอนุภาคโปรตอน 2 ตัวจึงเป็นการชนแบบการกระเจิงอย่างยืดหยุ่น ดังแสดงในรูปที่ 3

 

 

 

รูปที่ 3  การชนกันของอนุภาคโปรตอน 2 ตัวแบบที่มีโอกาสเกิดขึ้นสูงสุดคือการกระเจิงอย่างยืดหยุ่น (elastic scattering) ซึ่งอนุภาคทั้งสองไม่จำเป็นต้องเข้าสัมผัสกันชนิดถึงตัว หลังการชน อนุภาคโปรตอนทั้งสองยังคงมีตัวตนอยู่เหมือนเดิม เพียงแต่เส้นทางเบี่ยงเบนไปจากเดิม

 

        เพื่อเอาชนะแรงผลักคูลอมบ์จากการที่มีประจุไฟฟ้าบวกหมือนกันจนเข้าไปใกล้ชิดกันมากพอที่จะเกิดการฟิวชันขึ้นได้ อนุภาคโปรตอนแต่ละตัวต้องมีความเร็วไม่ต่ำกว่า 1 x 107 เมตร / วินาที หรือ 10,000 กิโลเมตร / วินาที (รูปที่ 4) ซึ่งอุณหภูมิภายในแกนกลางดวงอาทิตย์ดังกล่าวแล้วข้างต้น ยังสูงไม่มากพอที่จะทำให้อนุภาคโปรตอนมีความเร็วระดับนี้ได้ ดังนั้นถ้าคิดอย่างฟิสิกส์แบบฉบับ กระบวนการนิวเคลียร์ฟิวชันดังรูปที่ 2 ...... ไม่สามารถจะเกิดขึ้นได้เลย

 

 

รูปที่ 4 การที่อนุภาคโปรตอน 2 ตัวจะเข้ามาใกล้กันมากพอ (ประมาณไม่เกิน 1 fm) จนสามารถหลอมรวมกันเป็นอนุภาคดิวเทอรอน (2H) ได้ ต้องเอาชนะกำแพงพลังงานศักย์ U(r) ที่สูงประมาณ 1.1 MeV ให้ได้เสียก่อน กำแพงพลังงานศักย์นี้เป็นผลมาจากแรงผลักคูลอมบ์เพราะโปรตอนทั้งสองตัวมีประจุไฟฟ้าบวกเหมือนกัน นั่นคืออนุภาคโปรตอนแต่ละตัวต้องพุ่งเข้าชนกันด้วยพลังงานจลน์มากกว่า 0.55 MeV หรือแต่ละตัวต้องมีความเร็วไม่ต่ำกว่า 1 x 107 เมตร / วินาที หรือ 10,000 กิโลเมตร / วินาที ในที่นี้ r คือระยะห่างระหว่างโปรตอนทั้งสองตัว ส่วน fm คือหน่วยระยะทางเป็นเฟอร์มิ (Fermi) โดย 1 fm = 10-13 ซม. (ที่มารูป : http://burro.cwru.edu/academics/Astr221/StarPhys/coulomb.html)

 

            ซึ่งถ้าว่ากันตามนี้ ไม่ใช่แต่เพียงดวงอาทิตย์ของเราเท่านั้นที่จะเย็นยะเยียบ ดาวฤกษ์อีกมากมายในจักรวาลก็จะไม่เปล่งแสงให้เห็นเลย เพราะดาวฤกษ์ที่มีมวลน้อยกว่าและมีอุณหภูมิต่ำกว่าดวงอาทิตย์ของเรามีอยู่ถึงประมาณ 95% (รูปที่ 5) แต่ในความเป็นจริงดาวฤกษ์เหล่านั้นก็ยังคงเปล่งแสงอยู่ ซึ่งแปลว่ากระบวนการนิวเคลียร์ฟิวชันแบบ p-p chain ดังกล่าวข้างต้นเกิดขึ้นได้ เหมือนกับที่กำลังเกิดอยู่ในดวงอาทิตย์ของเรา........ดังนั้นคงต้องมีกลไกสำคัญอื่นที่มีอิทธิพลอยู่เบื้องหลัง

 

 

รูปที่ 5 นักดาราศาสตร์แบ่งดาวฤกษ์ออกเป็น 7 ชนิด ตามสีและอุณหภูมิผิว ดวงอาทิตย์ของเราเป็นชนิด G มีดาวฤกษ์อยู่เพียง 5%ในจักรวาลที่เปล่งแสงสุกสว่างกว่าดวงอาทิตย์ และย่อมมีอุณหภูมิสูงกว่า นอกนั้นจะเปล่งแสงน้อยกว่าดวงอาทิตย์ของเรา ซึ่งแปลว่ามีอุณหภูมิต่ำกว่า (ที่มารูป : [1])

 

            เคล็ดลับของธรรมชาติก็คือต้องเลิกคิดอย่างฟิสิกส์แบบฉบับ เปลี่ยนไปใช้มุมมองของฟิสิกส์ควอนตัม กล่าวคือโปรตอนไม่ได้มีสถานะอนุภาค(particle) แต่เพียงอย่างเดียว แต่มีสถานะคลื่น (wave) ด้วย ตามหลักทวิภาวะของคลื่น-อนุภาค (Wave-particle Duality Principle) ของทฤษฎีควอนตัม  ทีนี้เมื่อพูดถึงคลื่นก็หมายถึงว่าไม่สามารถระบุตำแหน่งที่แน่นอนได้ ตรงข้ามกับการเป็นอนุภาค ดังนั้นถึงแม้แรงผลักคูลอมบ์ จะขัดขวางไม่ให้โปรตอนทั้งสองตัวเข้ามาสัมผัสกันโดยตรง แต่ถ้ามองในแง่คลื่นแล้ว ถึงจะอยู่ห่างกันก็มีโอกาสที่ปลายคลื่นของโปรตอนทั้งสองจะซ้อนทับกัน แม้เพียงเล็กน้อยก็เปิดโอกาสให้มีการมุดลอดอุโมงค์เชิงควอนตัม (quantum tunneling) ผ่านกำแพงพลังงานศักย์ (โดยไม่ต้องข้าม) เข้าไปเกิดนิวเคลียร์ฟิวชัน ที่ได้ผลลัพธ์เป็นดิวเทอรอนและอนุภาคนิวตริโนกับโพซิตรอน (รูปที่ 6) ปรากฏการณ์quantum tunneling ดังกล่าวมีโอกาสเกิดเพียงประมาณ 10-26 เปอร์เซ็นต์เท่านั้นที่เหลืออีก 99.9999999….. เปอร์เซ็นต์ เป็นการเกิดการชนแบบการกระเจิงอย่างยืดหยุ่นเป็นส่วนใหญ่   แต่เมื่อคิดว่าโปรตอนในดวงอาทิตย์มีอยู่เป็นจำนวนมหาศาล คือประมาณ 1057 ตัว  ดังนั้นเมื่อคิดเหมารวมแล้วจึงเป็นว่า โอกาสที่ว่าน้อยนิดของการเกิด “โปรตอน-โปรตอนฟิวชัน” แต่ละครั้งนี้เองที่กลับเป็นคำตอบของการเปล่งแสงได้ของดาวฤกษ์ส่วนใหญ่ในจักรวาล

 

    

 

รูปที่ 6 ตามแนวคิดของทฤษฎีควอนตัมที่มองว่าอนุภาคแต่ละตัวเป็นกลุ่มคลื่น การชนกันของโปรตอนสองตัวมีโอกาสจะเกิดผลลัพธ์เป็นดังรูปที่ 3 เป็นส่วนใหญ่ ดังกล่าวแล้วก็จริง  แต่กระนั้นก็ยังมีโอกาส 1 ใน 1028 ที่จะเกิดผลลัพธ์เป็นนิวเคลียร์ฟิวชันดังรูปที่ 2 ซึ่งต่างกับกรณีฟิสิกส์แบบฉบับ ที่มีโอกาสเป็นศูนย์ (ที่มารูป : ดัดแปลงจาก [1])

 

        ปรากฏการณ์ quantum tunneling ถูกสังเกตเห็นเป็นครั้งแรกในปีพ.ศ. 2470 หลังการค้นพบทฤษฎีควอนตัมประมาณ 27 ปี ในตอนแรกถูกนำไปประยุกต์ใช้แก้ปัญหาทางด้านฟิสิกส์นิวเคลียร์เป็นส่วนใหญ่ เช่นการที่นิวเคลียสบางชนิดปลดปล่อยรังสีแอลฟาเป็นต้น แต่ต่อมาพบว่าสามารถนำไปใช้กับปัญหาประเภทอื่นได้อีกด้วย อุปกรณ์ต่างๆที่อาศัยประโยชน์จากปรากฏการณ์ quantum tunneling ก็ได้แก่ tunnel diode หรือ Esaki diode (เป็นอุปกรณ์ไดโอดชนิดหนึ่งที่ถูกประดิษฐ์ขึ้นในปีพ.ศ. 2500 โดย กลุ่มนักฟิสิกส์ชาวญี่ปุ่นนำโดย Leo Esaki ซึ่งบริษัท Sony ได้ผลิตออกจำหน่ายในปีเดียวกัน Esaki ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปีพ.ศ. 2516), tunnel field-effect transistor หรือ TFET (เป็นทรานซิสเตอร์ชนิดหนึ่งที่เหมาะกับวงจรอิเล็กทรอนิกส์ในอนาคตที่ใช้กำลังไฟฟ้าต่ำและมีความเร็วสูง ได้รับการพัฒนาขึ้นโดย Toshio Baba แห่งบริษัท NEC ประเทศญี่ปุ่น เมื่อปีพ.ศ. 2535) และ scanning tunneling microscope หรือ STM (เป็นกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนประเภทหนึ่งที่ทำให้สามารถเห็นภาพ 3 มิติของผิวสารตัวอย่างได้ดี ถูกประดิษฐ์ขึ้นโดยนักฟิสิกส์ 2 คน คือ Heinrich Rohrer กับ Gerd Binnig แห่งศูนย์วิจัย IBM ที่ประเทศสวิตเซอร์แลนด์  ทั้งสองได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปีพ.ศ. 2529) เป็นต้น

 

        ไอน์สไตน์เคยกล่าวไว้ว่า“God does not play dice with the universe.”  แต่ตอนนี้ท่านคงเห็นแล้วว่าเพราะธรรมชาติแบบการทอยลูกเต๋าหรือตามครรลองของทฤษฎีควอนตัมนี่เองที่ทำให้ดวงอาทิตย์สามารถป้อนพลังงานให้กับชีวิตบนโลกนับร้อยนับพันล้านปีมาแล้ว  และยังจะให้ความกรุณาแบบนี้ต่อไปในอนาคตอีกนับล้านๆปี

 

เอกสารอ่านประกอบ

 

  1. Ethan Siegel, “It's The Power of Quantum Mechanics that Allows the Sun to Shine”, 22 June 2015, https://www.forbes.com/sites/ethansiegel/2015/06/22/its-the-power-of-quantum-mechanics-that-allow-the-sun-to-shine/#1e6b8d3043f7.
  2. “The Physics of Fusion in Stars”,https://www.astro.princeton.edu/~gk/A403/fusion.pdf.
  3. “The Solar Interior”, https://solarscience.msfc.nasa.gov/interior.shtml.

บทความย้อนหลัง

หน้ากากผ้า


ฟิสิกส์ของการผัดข้าวผัด


ภาวะโลกร้อน: มุมมองเชิงฟิสิกส์


สนามแม่เหล็กโลก – สลับขั้ว?


ไฟฟ้ากับแมลง


กราฟีน : วัสดุมหัศจรรย์ประโยชน์อนันต์


การกำจัดขยะด้วยพลาสมาร้อน


คาร์บอน-14


ดวงอาทิตย์กับกลศาสตร์ควอนตัม


กลศาสตร์ควอนตัมในชีวิตประจำวัน


การบำบัดรักษาด้วยลำอนุภาคโปรตอน (Proton Therapy)


เรื่องของหลอดไส้


เตาอบไมโครเวฟ


เรื่องน่ารู้เกี่ยวกับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ารอบตัวเราที่ชื่อว่าไวฟาย (WiFi)


ประกวดออกแบบตราสัญลักษณ์ ศูนย์ความเป็นเลิศด้านฟิสิกส์


ฟิล์มกันความร้อนติดรถยนต์


ฟิสิกส์ของรถจักรยาน


วิธีคลายร้อนให้เมือง


ทำไมคนเราถึงเดินแกว่งมือ


แอลอีดีความเข้มสูง (High Brightness LED)


บทความทั้งหมด