สูญญากาศในควอนตัมฟิสิกส์

...Previously, people have thought of the vacuum as a region of space that is completely empty, a region of space that does not contain anything at all.

Now we must adopt a new picture. We may say that the vacuum is a region of space where we have the lowest possible energy...



P.A.M. Dirac (1978)



ธรรมชาตินั้นมีความซับซ้อนอย่างที่เราคาดไม่ถึง บางครั้งการที่จะทำความเข้าใจปรากฎการณ์หนึ่ง อาจจะเกี่ยวข้องกับอีกหลายๆปรากฎการณ์ ซึ่งต้องใช้ความรู้ทั้งหมดที่เรามีอยู่เพื่อที่จะนำมาอธิบาย ในปัจจุบันค่าคงที่ของจักรวาลหรือ Cosmological constant ถือว่าเป็นหนึ่งในความลับของธรรมชาติ ซึ่งถ้าเราเข้าใจก็อาจจะเป็นกุญแจที่นำนักวิทยาศาสตร์ไปสู่ความความลับของเอกภพทั้งหมดก็ได้



อาศัยเพียงทฤษฎีสัมพัทธภาพโดยลำพังนั้นแทบจะไม่ได้บอกอะไรเราเกี่ยวกับคุณสมบัติของค่าคงที่นี้ มันดูจะอธิบายเพียงแค่ว่า Cosmological constant เทียบได้กับมวลของกาลอวกาศ (space-time) เมื่อไม่มีวัตถุใดๆกดทับมันอยู่ เป็นพลังงานของเอกภพเมื่อไม่มีสสารและพลังงานใดๆอยู่ในเอกภพเลย ในอีกแง่หนึ่ง ค่าคงที่ของจักรวาลก็คือพลังงานของสูญญากาศหรือที่เรียกว่า Vacuum energy นั่นเอง


แต่ก่อนที่จะมาทำความเข้าใจว่าเหตุใดความว่างเปล่าจึงทำให้เกิดพลังงานได้ เราควรจะทำความเข้าใจ กับคำว่าสูญญากาศกันเสียก่อน



ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเรานิยามอวกาศ หรือ(space) ตามหลักของมัค (Mach's Principle) ซึ่งกล่าวว่าอวกาศก็คือเครือข่ายของความสัมพันธ์ระหว่างสิ่งต่างๆที่อยู่ในเอกภพ (อ่านเพิ่มเติมได้ที่นี่) สูญญากาศคือเอกภพไม่มีสิ่งใดอยู่เลยย่อมไม่มีความสัมพันธใดๆเกิดขึ้น ซึ่งไม่เป็นไปตามหลักการของมัค
แต่เหตุใดทฤษฎีของไอน์สไตน์ถึงจึงสามารถกล่าวถึงเอกภพที่ไม่มีสิ่งใดมวลหรือพลังงานใดๆอยู่ในตัวมันได้? ที่เป็นเช่นนั้นก็เพราะว่าไอน์สไตน์อธิบายพฤติกรรมของแรงโน้มถ่วงด้วยโดยใช้ทฤษฎี "สนาม" สนามในทางคณิตศาสตร์หมายถึงปริมาณที่มีค่าแปรผันต่อเนื่องทุกๆตำแหน่งในจักรวาล ผู้อ่านอาจจะนึกถึงคำว่าสนามไฟฟ้า ซึ่งหมายถึงอำนาจไฟฟ้าที่แผ่มาออกมาจากอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า


สนามไฟฟ้าของประจุหนึ่งนั้นแผ่กระจายไปทั่วจักรวาล ถ้าใกล้ประจุไฟฟ้ามากสนามก็จะมีค่าแรงมาก แต่ยิ่งไกลออกไปสนามก็จะอ่อนลงจนวัดไม่ได้ แต่สนามไม่ได้หายไปไหนเพียงแต่มีค่าน้อยจนเข้าใกล้ศูนย์เท่านั้นเอง


ในทำนองเดียวกันแรงโน้มถ่วงก็สามารถอธิบายด้วยสนามโน้มของแรงโน้มถ่วงหรือ Gravitational field ซึ่งแผ่กระจายไปทั่วเอกภพ ก่อให้เกิดความสัมพันธ์ทีสร้างเป็นอวกาศ และโครงสร้างเอกภพทั้งหมด


ในกรณีที่ไม่มีวัตถุ สสาร หรือพลังงานใดๆอยู่ในเอกภพ ก็ไม่ได้หมายความว่าไม่มีสนามโน้มถ่วงอยู่ ดังนั้นเอกภพที่ไม่มีสสารอยู่เลยจึงสามารถเกิดขึ้นได้โดยไม่ขัดแย้งกับหลักการของทฤษฎีสัมพัทธภาพ




การศึกษาเรื่องของสูญญากาศในอีกสาขาหนึ่งของฟิสิกส์ คือควอนตัมฟิสิกส์ก็ให้ผลน่าสนใจไม่แพ้กัน ในขณะที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพอธิบายปรากฎการณ์ธรรมชาติในระดับใหญ่ๆเช่นการเคลื่อนที่ของดวงดาว ปรากฎการณ์ธรรมชาติในระดับเล็กๆระดับอะตอมและโมเลกุล กลับตกอยู่ใต้อิทธิพลของควอนตัมฟิสิกส์ เทคโนโลยีต่างๆที่เราใช้กับอยู่ในปัจจุบันส่วนใหญ่ล้วนเป็นผลมาจากความสำเร็จของทฤษฎีควอนตัมทั้งสิ้น



ความคิดเกี่ยวกับ Vacuum energy หรือบางครั้งเรียกว่า Zero-point energy เริ่มเกิดขึ้นมาครั้งแรก โดยผลงานของ แม็กซ พลังค์ (Max Planck) และผลงานของไอนสไตน์กับ อ็อตโต สเตอร์น (Otto Stern)
เพื่อที่จะอธิบายปัญหาการแผ่รังสีของวัตถุดำซึ่งเป็นจุดเริ่มต้นของทฤษฎีควอนตัม และจากนั้นเป็นต้นมา Zero-point energy นั้นอยู่คู่กับการพัฒนาของทฤษฎีควอนตัมมาโดยตลอด รูปแบบปัจจุบันของทฤษฎี ซึ่งใช้อธิบายธรรมชาติของอนุภาคพื้นฐานนั้นรู้จักกันในชื่อของ ทฤษฎีสนามควอนตัม หรือ Quantum field theory ซึ่งอธิบายอนุภาคมูลฐานที่ประกอบขึ้นเป็นสสารและพลังงานในเอกภพด้วย "สนาม" 2ชนิด สสารต่างๆประกอบมาจากอนุภาคเฟอร์มี (หรือสนามเฟอร์มี) ซึ่งได้แก่ อิเล็กตรอน คว๊าก นิวตริโน ฯลฯ ส่วนอีกชนิดคืออนุภาคโบซอน ซึ่งจะทำหน้าที่ที่เป็นสื่อนำแรง ทำให้เกิดอัตรกริยาระหว่างอนุภาคต่างๆ

ยกตัวอย่างเช่น โฟตอนซึ่งเป็นอนุภาคของแสงสว่างทำหน้าที่เป็นสื่อนำแรงแม่เหล็กไฟฟ้า สนามเหล่านี้ล้วนแล้วแต่มี Zero-point energy ซึ่งเกิดขึ้นได้แม้ว่าจะไม่มีอนุภาคเหล่านี้อยู่เลย



สาเหตุที่ความว่างเปล่าเช่นสูญญากาศสามารถทำให้เกิดพลังงานได้นั้นมาจากหลักการสำคัญของทฤษฎีที่เรียกว่า หลักความไม่แน่นอนของไฮเซนบอร์ก หรือ Uncertainty principle ที่เสนอโดยนักฟิสิกส์ ชาวเยอรมัน เวอร์เนอร์ ไฮเซนเบอร์ก ซึ่งกล่าวถึงความคลาดเคลื่อนในการวัดตำแหน่งและโมเมนตัมของวัตถุเล็ก ไฮเซนเบอร์ก เสนอว่าเราไม่สามารถที่จะรู้ทั้งตำแหน่งและโมเมนตัม(ปริมาณที่เกี่ยวข้องกับ ความเร็วของอนุภาค)ได้อย่างถูกต้อง 100เปอร์เซนต์ ถ้าเราทราบตำแหน่งที่แน่นอนของอนุภาค เราก็จะไม่สามารถที่จะทราบโมเมนตัมของมันได้เลย



นอกจากตำแหน่งและโมเมนตัมแล้ว พลังงานกับเวลาก็ปฎิบัติตามกฎของไฮเซนเบอร์กอย่างเช่นเดียวกัน ถ้าหากเราต้องการวัดพลังงานของอนุภาคให้มีความแม่นยำมากๆ เราก็จะต้องใช้เวลาวัดนานมาก
ถ้าต้องการให้มีความแม่นยำไม่ผิดพลาดเลย ทฤษฎีบอกว่าเวลาที่ใช้ในการวัดจะยาวนานชั่วกัลปาวสาน


ด้วยหลักการนี้เองในที่ๆไม่มีอะไรเลยเช่นสูญญากาศจึงมีพลังงานที่ไม่เป็นศูนย์



จากสมการของไอนสไตน์ E = mc2 ซึ่งแสดงถึงความสัมพันธ์ระหว่างมวลสารกับพลังงาน ชี้ให้เห็นว่าเมื่อพลังงานของสูญญากาศไม่เป็นศูนย์ก็น่าจะมีอนุภาคกำเนิดขึ้นจากความว่างเปล่า อนุภาคและปฎิอนุภาคจะกำเนิดขึ้นมาจากความว่าเปล่า และจะสลายตัวภายในเวลาอันรวดเร็ว เนื่องจากผลของหลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบอร์ก ดังที่แสดงไว้ในรูปข้างล่างนี้ การที่มันเกิดขึ้นและสลายตัวอย่างรวดเร็วนี้ทำให้เราไม่สามารถสังเกตุเห็นได้ ชีวิตประจำวัน ปรากฎการณ์นี้ในบางครั้งถูกกล่าวถึงในชื่อ การสั่นทางควอนตัม หรือ Quantum fluctuation



ในเมื่อปรากฎการณ์การสั่นทางควอนตัมนั้นเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว จนเราไม่สามารถที่จะสังเกตุได้ง่ายๆ ผู้อ่านอาจจะไม่แน่ใจว่าพลังงานสูญญากาศนั้นจะมีอยู่จริงหรือเป็นเพียงแค่จินตนาการในแผ่นกระดาษ แต่สำหรับนักฟิสิกส์นั้นปรากฎการที่เกี่ยวข้องกับ Vacuum energy เป็นที่ทราบกันมาหลายสิบปีแล้ว เช่นการเปลี่ยนแปลงระดับพลังงานของอะตอมไฮโดรเจนที่เรียกว่าปรากฎการณ์ Lamb shift ซึ่งเกี่ยวข้องกับพลังงานสูญญากาศของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า



หลักฐานสำคัญที่ยืนยันการมีอยู่ของ Vacuum energy คือ ปรากฎการณ์คาซิเมียร์ หรือ Casimir effect ซึ่งทำนายเอาไว้โดยนักฟิสิกส์ชาวฮอลันดา เฮนริก คาซิเมียร์ ( H.B.G. Casimir) ในปี ค.ศ. 1948
คาซีเมียร์ได้คำนวนพบว่าเมื่อนำเอาแผ่นตัวนำที่ไม่มีประจุขนาดใหญ่ 2 แผ่นมาวางไว้ไกล้กันในสูญญากาศ จะปรากฎว่ามีแรงดึงดูดแผ่นทั้งสองให้เคลื่อนเข้าหากัน ทั้งๆที่ไม่มีประจุไฟฟ้าหรืออนุภาคใดๆอยู่เลย


สาเหตุที่มีแรงดึงดูดระหว่างแผ่นตัวนำทั้งสองก็เนื่องมาจากสถานะสูญญากาศของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งอยู่รอบๆแผ่นตัวนำทั้งสอง เนื่องจากว่าตัวนำทั้งสองแผ่นนั้นอยู่ชิดกันมากทำให้มีแต่เฉพาะคลื่นสูญญากาศ ที่ความถี่สั้นๆเท่านั้นที่จะสามารถอยู่ระหว่างแผ่นตัวนำทั้งสองได้ (ดังรูปข้างล่าง) ในขณะที่ภายนอกแผ่นตัวนำ สถานะสูญญากาศของคลื่นแม่แหล็กไฟฟ้าสามารถมีได้ทุกๆความยาวคลื่น ทำให้มีแรงดันภายนอกมากกว่า แรงดันที่อยู่ระหว่างแผ่นตัวนำทั้งสอง จึงมีแรงผลักให้แผ่นตัวถูกดูดเข้าหากัน

http://www.vcharkarn.com/varticle/117/4