รางวัลเบรคทรูด้านฟิสิกส์พื้นฐานประจำปี 2561

26 กรกฎาคม 2561

 

 

รูปที่ 1 นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ชาวอเมริกัน 4 คน (เรียงจากซ้ายไปขวา) Norman Jarosik, Lyman Page (อายุ 61 ปี), David Spergel (อายุ 57 ปี), Charles L. Bennett (อายุ 62 ปี), กับชาวแคเนเดียน-อเมริกัน 1 คน คือ Gary Hinshaw (ขวาสุด)ร่วมกันขึ้นรับรางวัล Breakthrough Prize in Fundamental Physics ประจำปีพ.ศ. 2561 มูลค่า 3 ล้านเหรียญสหรัฐ เมื่อวันที่ 3 ธันวาคม พ.ศ. 2560 ที่นครซานฟรานซิสโก(ที่มารูป : http://www.zimbio.com/photos/Norman+Jarosik/2018+Breakthrough+Prize+Backstage/KplNy2TAqFi)

 

        รางวัล Breakthrough Prize in Fundamental Physics ประจำปีพ.ศ. 2561 ได้มอบให้กับนักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ 5 ท่านคือ Norman Jarosik (มหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน), Lyman Page (มหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน), David Spergel (มหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน), Charles L. Bennett (มหาวิทยาลัยจอห์นส์ฮอปกินส์ ซึ่งเป็นหัวหน้าโครงการ) และ Gary Hinshaw (ผู้จัดการโครงการประจำศูนย์ Goddard Space Flight Center ขององค์การนาซ่า(NASA) ที่มลรัฐแมรี่แลนด์ ปัจจุบันย้ายไปอยู่ที่ University of British Columbia ประเทศแคนาดา) ซึ่งเป็นหัวหน้าทีมฝ่ายต่างๆของโครงการ WMAP (ทั้ง 5 ท่านได้ส่วนแบ่งรางวัล 50%) และลูกทีมอีกรวม 22 คน (ได้ส่วนแบ่งรางวัล 50% ที่เหลือ)

 

 

รูปที่ 2 ภาพดาวเทียม  WMAP ขององค์การนาซ่า ที่มีมวล 840 กิโลกรัม ราคา 150 ล้านเหรียญสหรัฐ ถูกส่งขึ้นสู่ห้วงอวกาศ เมื่อวันที่ 30 มิถุนายน พ.ศ. 2544 โดยจรวด Delta 2 จากแหลมคานาเวอรัล มลรัฐฟลอริดา  WMAP เป็นดาวเทียมดวงแรก ที่ใช้จุดสมดุลในอวกาศที่เรียกว่า “Earth-Sun L2” เป็นตำแหน่งสังเกตการณ์ ตัวอักษร L มีที่มาจากนามสกุลของ Joseph-Louis Lagrange นักคณิตศาสตร์และฟิสิกส์คณิตศาสตร์ ชาวอิตาเลี่ยน-ฝรั่งเศสที่ศึกษาเรื่องนี้ไว้ตั้งแต่เมื่อปีพ.ศ. 2315 Lagrange Point (หรือ Lagrangian Point) L2 อยู่ห่างจากโลก 1.5 ล้านกิโลเมตร (รูปที่ 3) WMAP เก็บรวบรวมข้อมูลส่งมายังโลกจนถึงวันที่ 20 สิงหาคม พ.ศ. 2553 คิดเป็นเวลาปฏิบัติงานประมาณ 9 ปี แต่เมื่อแบตเตอรี่จวนหมดอายุขัย ก็ถึงเวลาที่ต้องเกษียณจากภาระหน้าที่ ในวันทื่ 8 กันยายน พ.ศ. 2553 ได้อำลาตำแหน่งปฏิบัติงานโดยการขับดันตัวเองไปยังวงโคจร “parking orbit” ซึ่งเป็นวงโคจรถาวรรอบดวงอาทิตย์ เพื่อตัดปัญหาการตกกลับลงมาชนโลก (ที่มารูป : https://slideplayer.com/slide/7967019/)

 

 

รูปที่ 3 แผนภาพแสดงตำแหน่งปฏิบัติงานของดาวเทียม WMAP ในการเก็บข้อมูลให้ทั่วทรงกลมท้องฟ้า ต้องใช้เวลา 6 เดือน โดยจะหลบตำแหน่งของดวงอาทิตย์ (ดวงจันทร์อยู่ห่างจากโลก 384,400 กิโลเมตร โดยเฉลี่ย) (ที่มารูป : https://en.wikipedia.org/wiki/Wilkinson_Microwave_Anisotropy_Probe#/media/File:WMAP_trajectory_and_orbit.jpg)

 

        WMAP เป็นโครงการขององค์การนาซ่า อุปกรณ์หลักของโครงการคือดาวเทียมกล้องโทรทรรศน์อวกาศคลื่นไมโครเวฟ (รูปที่ 2) ที่มีภารกิจตรวจวัดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่ช่วง 22,000 90,000 MHzในย่านไมโครเวฟ(ความถี่ที่ใช้กับเตาไมโครเวฟในครัวคือ 2,450 MHz) ซึ่งเป็นพื้นหลังของเอกภพในปัจจุบันที่เป็นปูมหลังของเอกภพเมื่อตอนยังเยาว์วัย มีอายุเพียง 380,000 ปี หลังการเกิด “บิกแบง (Big Bang)” จึงเป็นที่มาของชื่อ “Cosmic Microwave Background (CMB)” หรือ “คลื่นไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล”

 

        CMB มีที่มาที่เล่าอย่างสรุปในที่นี้ได้ว่า เมื่อเอกภพถือกำเนิดขึ้นนับหมื่นล้านปีมาแล้ว (รูปที่ 4) เริ่มแรกเอกภพอยู่ในสภาพของพลาสมาร้อนของอนุภาคต่างๆที่ส่วนใหญ่เป็นอนุภาคโปรตอน, นิวตรอน, อิเล็กตรอน และ โฟตอน (อนุภาคของแสง หรือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า) ภายในช่วงเวลาประมาณ 380,000 ปีแรก อนุภาคโฟตอนมักวิ่งไปชนเข้ากับอนุภาคอิเล็กตรอนอิสระ ทำให้อนุภาคโฟตอนวิ่งไปไหนไม่ได้ไกล เอกภพในยุคนั้นจึงทึบแสง แต่หลังจากนั้นเอกภพขยายตัวออก ส่งผลให้เอกภพเย็นลง เพราะพลังงานปริมาณเท่าเดิมแผ่กระจายไปในปริมาตรที่โตขี้น ตอนนั้นเอกภพมีอุณหภูมิลดลงเหลือประมาณ 3,000 เคลวิน (ประมาณ 2,700 เซลเซียส) ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่ต่ำพอที่จะไม่ทำให้เมื่ออนุภาคอิเล็กตรอนเข้ารวมตัวกับอนุภาคโปรตอนกลายเป็นอะตอมไฮโดรเจนแล้วต้องกลับแยกกออกจากกันอีก     เมื่ออนุภาคอิเล็กตรอนอิสระหายไป อนุภาคโฟตอนก็สามารถท่องไปได้ทั่วเอกภพ เอกภพทึบแสงได้เปลี่ยนไปเป็นเอกภพโปร่งแสง เมื่อเวลาผ่านไปนับร้อยนับพันล้านปี เอกภพได้ขยายและเย็นตัวลงอย่างมาก การขยายตัวของเอกภพดังกล่าวส่งผลให้ความยาวคลื่นของโฟตอนยืดออกประมาณ 1 มิลลิเมตร ซึ่งเทียบเท่ากับอุณหภูมิประมาณ 2.7 เคลวิน หรือก็คือประมาณ -270 เซลเซียส  เอกภพ ณ เวลาปัจจุบัน มีอนุภาคโฟตอนเหล่านี้อยู่ทั่วทุกหัวระแหง โดยประมาณว่าทุกๆปริมาตร  1 ลูกบาศก์เซนติเมตรในอวกาศ มีอนุภาคโฟตอนเหล่านี้อยู่ 400 ตัว

 

 

รูปที่ 4 ภาพวาดแสดงประวัติย่อของเอกภพนับตั้งแต่เกิดบิกแบงจนถึงปัจจุบัน อ่านรายละเอียดเพิ่มเติมได้ที่เอกสารอ้างอิงหมายเลข [1]และ [2] (ที่มารูป : http://the-mysterious-universe.blogspot.com/2011/09/wmap-how-does-it-work.html)

 

        อันที่จริง CMB ถูกค้นพบอย่างบังเอิญโดยนักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน 2 คนคือ A. Penzias กับ R. Wilson เมื่อปีพ.ศ. 2507 โดยการใช้กล้องโทรทรรศน์วิทยุภาคพื้นดิน ตั้งอยู่ที่มลรัฐนิวเจอร์ซีย์ จากผลงานนี้ ทั้งสองท่านได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปีพ.ศ. 2521 ส่วนความไม่สม่ำเสมอ (anisotropy) ในอุณหภูมิของ CMB ถูกตรวจพบเป็นครั้งแรกเมื่อปีพ.ศ. 2535 โดยดาวเทียม Cosmic Background Explorer (COBE) ขององค์การนาซ่า (มูลค่า 350ล้านเหรียญสหรัฐ) ที่ถูกส่งขึ้นไปปฏิบัติงานระหว่างปีพ.ศ. 2532 2536  การค้นพบนี้ทำให้นักฟิสิกส์ชาวอเมริกันที่ทำงานกับโครงการนี้สองท่านคือ J. C. Mather กับ G. F. Smoot ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ ประจำปีพ.ศ. 2549 WMAP เป็นโครงการที่รับไม้ต่อจาก COBE ทำหน้าที่วัดลักษณะความไม่สม่ำเสมอดังกล่าวของ CMB ให้ละเอียดและแม่นยำยิ่งขึ้น ในตอนเริ่มแรกโครงการมีชื่อว่า MAP (Microwave Anisotropy Probe) แต่ต่อมาเปลี่ยนชื่อเป็น WMAP ซึ่งตัวอักษร W มีที่มาจากคำว่า Wilkinson ถูกเติมเข้าไปเพื่อเป็นเกียรติและที่ระลึกถึง ศาสตราจารย์ David T. Wilkinson (รูปที่ 5)

 

 

รูปที่ 5 ศาสตราจารย์ David T. Wilkinson นักฟิสิกส์ด้านจักรวาลวิทยา(Cosmology) แห่งมหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน เป็นทั้งนักวิทยาศาสตร์และครูที่ได้รับความเคารพนับถือจากคนในวงการและลูกศิษย์ลูกหา ท่านเป็นกำลังสำคัญที่ทำให้เกิดโครงการ COBE และ WMAP เสียชีวิตด้วยโรคมะเร็งในปีพ.ศ. 2545 อายุ 67 ปี (ที่มารูป :http://phy-page-imac.princeton.edu/~page/)

 

ตัวอย่างผลสัมฤทธิ์บางส่วนของโครงการ WMAP

 

ก) WMAP วัดได้ว่า CMB มีอุณหภูมิโดยทั่วไปเท่ากับ 2.726 เคลวิน (2.726 องศาเหนือศูนย์องศาสัมบูรณ์) หรือก็คือประมาณ -270 เซลเซียส แต่มิได้เป็นไปอย่างสม่ำเสมอ รูปที่ 6 แสดงความไม่สม่ำเสมอในอุณหภูมิของ CMBในช่วง ± 200 ไมโครเคลวิน

 

ข) WMAP ได้รับการบันทึกโดย Guinness Book of World Records ว่าเป็นเครื่องมือวัดอายุของเอกภพที่แม่นยำที่สุดกว่าเครื่องมือใดๆที่เคยมีมา WMAP เฉลยว่าเอกภพมีอายุ 13.75 พันล้านปี โดยมีความคลาดเคลื่อน 0.11 พันล้านปี หรือก็คือมีความคลาดเคลื่อนเพียง 1 เปอร์เซ็นต์

 

ค) WMAP ยังให้ผลการวัดที่แน่นอนของตัวแปรพื้นฐานอื่นๆอีกที่ช่วยทำให้เข้าใจเอกภพดียิ่งขึ้น เช่น การขยายตัวของเอกภพในยุคปัจจุบันมีอัตราเร่ง 71.0 ± 2.5 กิโลเมตร ต่อ วินาที ต่อ เมกะพาร์เซค (1 Megaparsec= 3.26156 x 106 ปีแสง), องค์ประกอบหลักของเอกภพมี 3 ส่วนคือ 4.6% เป็นมวลสารทั้งหลายบนโลกและดวงดาวต่างๆที่ตาคนเรามองเห็น (สสารที่เกิดมาจากอะตอมทั่วๆไป), อีก 24% เป็นสสารมืด (dark matter) สสารที่ไม่ได้เกิดมาจากอะตอมทั่วๆไป  ซึ่งนักฟิสิกส์กำลังทดลองค้นหาอยู่อย่างขะมักเขม้นในห้องปฏิบัติการต่างๆ  ส่วนที่เหลืออีก 71.4% เป็นพลังงานมืด (dark energy) ผลการวัดของ WMAP ได้ปัดเป่าให้ความเคลือบแคลงสงสัยในเรื่องการมีอยู่จริงของพลังงานมืดมลายหายไป เหลือแต่การที่ต้องทำงานค้นคว้ากันต่อไปว่าพลังงานมืดคืออะไรกันแน่

 

ง) ผลการวัดของ WMAP สนับสนุนแนวคิดเรื่องการพองตัวของเอกภพ (inflation) คือการที่เอกภพขยายตัวอย่างมโหฬารพันลึก ขยายใหญ่ขึ้นกว่าเดิมนับล้านๆเท่า ภายในช่วงเวลาเพียงแวบเดียว คือประมาณ 10-34 วินาทีเท่านั้น (ดูรูปที่ 4 ประกอบ) ศาสตราจารย์ Stephen Hawking [3] เคยให้สัมภาษณ์วารสาร New Scientist ไว้ว่า การยืนยันแนวคิดเรื่องการพองตัวของเอกภพของ WMAP เป็นพัฒนาการทางฟิสิกส์ที่น่าตื่นเต้นที่สุดในงานอาชีพของท่าน

 

จ) ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (General Theory of Relativity) ของไอน์สไตน์บอกว่าเฉพาะบริเวณรอบๆวัตถุ อวกาศ-กาลจะบิดโค้ง (curved space-time) ซึ่งเป็นที่มาของแรงโน้มถ่วง (gravity) ของวัตถุนั้น (รูปที่ 7) แต่อวกาศ (space) บริเวณอื่นๆมีลักษณะอย่างไร โค้งแบบปิดเหมือนลูกบอล(closed universe) หรือโค้งแบบเปิดเหมือนอานม้า (open universe) หรือราบเรียบเหมือนแผ่นกระดาษ (flat universe) ต่อข้อสงสัยนี้ WMAP ให้คำตอบว่าความโค้งของอวกาศมีค่า 0.4% ของความราบเรียบ  นั่นคือเอกภพดูจะราบเรียบมากทีเดียว  อย่างไรก็ตาม เอกภพที่ WMAP สัมผัสได้อาจไม่ใช่เอกภพทั้งหมด

 

 

รูปที่ 6 ภาพ2 มิติ ที่เกิดจากการรวบรวมข้อมูลทั่วทั้งทรงกลมท้องฟ้า (3 มิติ) เป็นเวลา 9ปี ของ WMAP เผยให้เห็นรายละเอียดความไม่สม่ำเสมอของอุณหภูมิ (แสดงด้วยสีต่างกัน) ของเอกภพวัยเยาว์ เมื่อประมาณ 13.7 พันล้านปีที่แล้ว ซึ่งส่อนัยถึงจุดกำเนิดของแกแลกซีต่างๆ (ที่มารูป : https://en.wikipedia.org/wiki/Wilkinson_Microwave_Anisotropy_Probe)

 

 

รูปที่ 7 ไอน์สไตน์ทำนายเรื่องความโค้งของอวกาศ-กาลรอบวัตถุไว้เมื่อปีพ.ศ. 2458 ต่อมาได้รับการยืนยันโดยการทดลองของ Sir Arthur Eddington นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ ในตอนที่เกิดสุริยุปราคาเต็มดวงเมื่อวันที่ 29 พฤษภาคม พ.ศ. 2462 ซึ่งพิสูจน์ถึงความโค้งของอวกาศรอบดวงอาทิตย์ (ที่มารูป : http://physicalworld.org/restless_universe/html/ru_lrgfig1_24.html)

 

        ศาสตราจารย์ Bennett หัวหน้าโครงการ WMAP ได้เคยให้สัมภาษณ์ไว้ว่า “ผลกระทบสำคัญของโครงการนี้ก็คือการโบกมือลาจากข้อสรุปหลากหลายที่มีก่อนหน้านี้ และตัวเลขต่างๆที่เป็นแต่เพียงการประมาณ ไปสู่การมีทฤษฎีหรือแบบจำลองเดียวที่สามารถบอกได้อย่างแน่ชัดว่าเกิดอะไรขึ้น แบบที่มีตัวเลขยืนยันได้”  นั่นคือเปลี่ยนให้จักรวาลวิทยาเป็นวิทยาศาสตร์ที่แม่นตรง เป็นทฤษฎีเชิงปริมาณ ไม่ใช่เป็นแต่เพียงเชิงคุณภาพ เป็นรากฐานที่แข็งแกร่งขึ้นมากสำหรับการศึกษาจักรวาลวิทยาของคนรุ่นต่อไป

 

เอกสารอ้างอิง

 

[1] บุรินทร์ กำจัดภัย, “การขยายตัวของเอกภพนับจากบิกแบง 13.7 พันล้านปี”, วารสารฟิสิกส์ไทย, ปีที่ 23 ฉบับที่ 4 (ธค. 2549 กพ. 2550), หน้า 8.

[2] คัมภีร์ ค้าแหวน, “รางวัลโนเบลฟิสิกส์ประจำปี 2549”, วารสารฟิสิกส์ไทย, ปีที่ 23 ฉบับที่ 4 (ธค. 2549 กพ. 2550), หน้า 9-13.

[3] “การแผ่รังสีฮอว์คิง”, ในคอลัมน์ “ข่าวพิเศษ”, วันที่ 25 เมษายน 2561, ศูนย์ความเป็นเลิศด้านฟิสิกส์, www.thep-center.org