หากเรามองดูทราย เราจะเห็นมันเป็นเม็ดเล็กๆ แต่ถึงจะเล็กเพียงใด ทรายแต่ละเม็ดก็ยังประกอบ ด้วยอะตอม (atom) อีกมากมายนับล้าน ล้าน ล้าน อะตอม อะตอมเหล่านี้ทุกตัวยึดโยงกันด้วยแรง ทำให้มันสามารถ คงรูปเป็นเม็ดทรายได้

คุณผู้อ่านคงจะไม่เชื่อ หากผมบอกว่าเพียงเมื่อ 100 ปีก่อนนี้เอง นักวิทยาศาสตร์ได้เคยถกเถียงกัน อย่างเอาเป็นเอาตายว่าอะตอมมีจริงหรือไม่มี หรืออะตอมเป็นเรื่องที่นักฟิสิกส์ได้นั่งเทียนนึกขึ้นมา แต่ขณะนี้ คนทุกคนก็ยอมรับแล้วว่า อะตอมนั้นมีจริง และนักฟิสิกส์สามารถจับอะตอมมาเล่นมาโยน มาเตะ มาระดมยิง มันด้วยแสง ได้ “สบายๆ”

คณะนักฟิสิกส์ที่สามารถจับอะตอมมา “เล่น” ได้เป็นคนแรก คือผู้พิชิตรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ ประจำปีนี้ บุคคลทั้งสามคือ S. Chu แห่งมหาวิทยาลัย Stanford ในสหรัฐอเมริกา E. Phillips แห่ง National Institute of Standards and Technology ของสหรัฐอเมริกาเช่นกัน และ C. Cohen- Tannoudji แห่ง Ecole Normale Superieure ของฝรั่งเศส

คณะกรรมการรางวัลโนเบลได้กล่าวสดุดี การค้นพบของนักฟิสิกส์ ทั้งสามว่า ได้ทำคุณประโยชน์ อเนกอนันต์ให้แก่มนุษย์ คือ นอกจากจะทำให้เรามีเทคโนโลยีใหม่ในการสร้างนาฬิกาปรมาณู ที่สามารถเดินได้ อย่างไม่ผิดพลาดแม้แต่วินาทีเดียวในเวลาล้าน ล้านปีแล้ว กระบวนวิธีที่นักวิจัยทั้งสามคิด ยังทำให้ เราสามารถสร้างสสารใหม่ๆ ที่มีคุณสมบัติประหลาดๆ อีกทั้งยัง ทำให้เรามีอุปกรณ์ตรวจวัดแรงโน้มถ่วง ที่มีประสิทธิภาพสูงยิ่งอีกด้วย

อะตอมที่มีในธรรมชาติทุกอะตอม ไม่เคยอยู่นิ่งคือมันจะมีความเร็วตลอดเวลา ถึงแม้อุณหภูมิจะ ลดต่ำถึง -250 องศาเซลเซียสก็ตาม มันก็ยัง มีความเร็วประมาณ 100 เมตร/วินาที นักฟิสิกส์ทั้งสามได้พบวิธี ที่สามารถ ทำให้อะตอมลดความเร็วลง จนกระทั่งเป็น 1 เซนติเมตร/วินาที

โดยอาศัยความจริงที่ว่า อะตอมสามารถดูดกลืนแสงได้แต่อะตอมจะดูดแสงได้ก็ต่อเมื่อแสงมีความถี่ ความถี่หนึ่งเท่านั้น (หาได้ดูดทุกความถี่ไม่) ดังนั้นหากเราใช้แสงเลเซอร์ ที่มีความถี่ต่ำกว่าความถี่ของแสงที่อะตอม จะดูดได้เล็กน้อยมายิงอะตอม อะตอมที่อยู่นิ่งเมื่อเห็นแสงเลเซอร์ความถี่ต่ำมันจะไม่ดูด และมันจะปล่อยแสงเลเซอร์ ผ่านไปโดยไม่รบกวนใดๆ แต่อะตอมที่เคยเคลื่อนที่และมีทิศการเคลื่อนที่พุ่งเข้าหาแสงมันจะ “เห็น” แสงเลเซอร์มี ความถี่เพิ่มขึ้นถึงระดับที่อะตอม สามารถดูดกลืนได้พอดี ดังนั้นเวลาอะตอมดูดกลืนแสงเข้าไป อะตอมก็จะวิ่งช้าลง ในทำนองเดียวกับที่ลูกบาสเกตบอล จะพุ่งช้าลงเมื่อถูกลูกเทนนิสชนสวน เวลาอะตอมวิ่งช้าลง พลังงานของมันก็จะลด และอุณหภูมิก็จะลดตาม เมื่อความเร็วของอะตอมลดลงแล้ว นักวิทยาศาสตร์ก็จะปรับความถี่ของแสงเลเซอร์ใหม่ เพื่อใช้ในการยิงทำให้อะตอมวิ่งช้าลงๆ อีก

ในปี พ.ศ. 2528 Chu ได้ใช้วิธีการที่จะทำให้อะตอม มีอุณหภูมิ 0.00024 องศาสัมบูรณ์ (บทบัญญัติหนึ่งของวิชาฟิสิกส์แถลงว่า มนุษย์หรือเทวดาก็ตาม จะไม่สามารถทำให้ อุณหภูมิของสสารลดต่ำถึงศูนย์องศาสัมบูรณ์ได้) ดังนั้นอุณหภูมิที่ Chu ลดถึงนี้จึงถือว่าเป็นความสำเร็จที่ยิ่งใหญ่มาก ต่อมาอีก 4 ปี Phillips ได้ลดอุณหภูมิลงไปอีกถึง 0.00004 องศา สัมบูรณ์ และ Cohen-Tannoudji ได้ใช้สนาม แม่เหล็ก และแสงเลเซอร์สกัดกักอะตอมให้ตกอยู่ในแอ่งคลื่นของแสง ทำให้อะตอมไม่สามารถหลบหนีออกจากแอ่งคลื่น ได้ อะตอมจึงเย็นลงไปอีกจนมีอุณหภูมิ 0.000000001 องศาสัมบูรณ์ อะตอม ที่มีอุณหภูมิระดับนี้จะมีความเร็ว ประมาณ 1 เซ็นติเมตร/วินาที

ความสำเร็จในการทำให้อะตอมเย็นยะเยือก ถึงระดับที่มนุษย์ ไม่เคยเห็นมาก่อนนี้ได้บุกเบิกวิทยาการใหม่ๆ มากมาย เช่น เมื่อประมาณ 2 ปีก่อนนี้ E. Cornell ได้ใช้เทคนิคที่นักฟิสิกส์ทั้งสาม พบสร้างสสารชนิดใหม่ขึ้นมา ซึ่งรู้จักกันในนามของ Bose Einstein Condensate โดยที่อะตอมทุกตัวในสารนี้มีคุณสมบัติทาง quantum เหมือนกันหมด ส่วน P. Gould ก็กำลังใช้อะตอมต่างบิลเลียด ศึกษาการชนระยะทางอะตอม ที่มีความเร็วต่ำ Chu กับคณะกำลังสร้างน้ำพุอะตอม (atomic fountain) โดยใช้อะตอมต่างน้ำในการลอยขึ้น - ลง สำหรับ วัดแรงโน้มถ่วงของโลก และบริษัทขุดเจาะน้ำมันก็กำลังใช้น้ำพุ อะตอมค้นหาแหล่งน้ำมันต่างๆ ในสหรัฐฯ และที่สถาบันมาตรวิทยาแห่งชาติของสหรัฐฯ ก็กำลังพัฒนานาฬิกาปรมาณู ที่สามารถเดินได้ไม่ผิดพลาด แม้แต่วินาทีเดียว ในการเดิน 100 ล้านล้านปี โดยใช้เทคโนโลยี ของนักฟิสิกส์ทั้งสามเช่นกัน

ภายในเวลาเพียงแค่ 12 ปี นับจากที่พบ ซูเปอร์ไฮเทคโนโลยี วิธีนี้ได้เปลี่ยนโฉมมนุษย์โลก และบุกเบิกความเข้าใจของมนุษย์ เกี่ยวกับธรรมชาติมากแสนมาก ใครจะคิดหรือคาดว่าในอนาคตข้างหน้า รูปแบบการประยุกต์การค้นพบใหม่ๆ นี้จะทำให้มนุษยชาติพัฒนาไปมากแค่ไหน

---

ที่มา : ดร.สุทัศน์ ยกส้าน สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (สสวท.)