นักวิทยาศาสตร์ยืนยัน “ปฏิสสาร” ร่วงหล่นตามแรงโน้มถ่วง อย่างที่ไอน์สไตน์เคยทำนายไว้

นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบครั้งสำคัญเกี่ยวกับปฏิสสาร ซึ่งเคยมีอยู่ในปริมาณมาก ในช่วงแรกเริ่มของจักรวาล

ปฏิสสาร หรือ Anti-matter เป็นคู่ตรงข้ามของสสาร ซึ่งเชื่อว่าเกิดขึ้นในการระเบิดครั้งใหญ่ หรือบิ๊กแบง และเคยมีปริมาณมากเท่ากับสสาร แต่ปัจจุบัน กลับแทบไม่เหลือปฏิสสารในจักรวาลอยู่เลย

ผลการศึกษาล่าสุด ได้ค้นพบว่า ปฏิสสารและสสาร ตอบสนองต่อแรงโน้มถ่วงในลักษณะเดียวกัน นั่นคือทั่งคู่ร่วงหล่นสู่พื้นดิน

ตลอดหลายปีมานี้ นักฟิสิกส์พยายามค้นหาความแตกต่างและความเหมือน ระหว่างปฏิสสารและสสาร เพื่อหาคำตอบว่าจักรวาลถือกำเนิดได้อย่างไร

หากค้นพบว่า ปฏิสสารตอบสนองต่อแรงโน้มถ่วง ด้วยการลอยตัวขึ้น แทนที่จะตกลงสู่พื้นดิน (สสารร่วงหล่นลงพื้นดิน ตามแรงโน้มถ่วง) อาจเปลี่ยนความเข้าใจเกี่ยวกับฟิสิกส์ไปอย่างสิ้นเชิง

แต่นี่ถือเป็นครั้งแรก ที่นักวิทยาศาสตร์ยืนยันว่า อะตอมของปฏิสสารร่วงลงสู่พื้นดินตามแรงโน้มถ่วง เหมือนกับสสาร แต่นี่ไม่ใช่ทางตันทางวิทยาศาสร์ เพราะมันเปิดประตูสู่แนวทางการทดลองและทฤษฎีใหม่ ๆ อาทิ แล้วปฏิสสารร่วงหล่นสู่พื้นดินด้วยความเร็วเท่ากับสสารหรือไม่ เป็นต้น

ในช่วงเกิดการระเบิดครั้งใหญ่ หรือบิ๊กแบง สสารและปฏิสสารควรจะผสมรวมกัน หรือหักล้างกันเอง จนไม่เหลือสิ่งอื่นใดนอกจากแสงสว่าง ซึ่งเป็นแรงบันดาลใจสู่พล็อตหนังสือเรื่อง เทวากับซาตาน ของแดน บราวน์ ที่ชี้ว่า ปฏิสสาร 1 กรัม สร้างแรงเท่าไดนาไมท์ 5,000 ตัน เมื่อปล่อยให้ปฏิสสารสัมผัสกับสสาร จนหักล้างกันเอง

ทั้งนี้ การที่สสารและปฏิสสารไม่ได้มีปฏิกิริยาระหว่างกันเช่นนั้น ถือเป็นปริศนายิ่งใหญ่ที่สุดของวงการฟิสิกส์ ทำให้การค้นหาความแตกต่างระหว่างสสารกับปฏิสสาร เป็นหัวใจสำคัญต่อการไขปริศนา

ตอนที่จักรวาลถือกำเนิดขึ้น กลายเป็นว่าสสารมีชัยเหนือปฏิสสาร ดังนั้น ดร.แดเนียลเอล ฮอดก์คินตัน ซึ่งเป็นสมาชิกทีมวิจัยองค์การวิจัยด้านนิวเคลียร์และฟิสิกส์อนุภาคแห่งยุโรป หรือ เซิร์น จึงเชื่อว่า การค้นพบว่าปฏิสสารตอบสนองต่อแรงโน้มถ่วงอย่างไรนั้น อาจเป็นกุญแจสำคัญ

“เรายังไม่เข้าใจว่า สสารมีอำนาจเหนือกว่าในจักรวาลของเราได้อย่างไร ซึ่งเป็นสิ่งที่กระตุ้นให้เราทำการวิจัย” เธอบอกกับบีบีซี

ปฏิสสารส่วนใหญ่ดำรงอยู่เพียงชั่วครู่ เพียงเศษเสี้ยวของวินาทีในจักรวาลช่วงแรกกำเนิดเท่านั้น ทีมวิจัยเซิร์นจึงต้องสร้างปฏิสสารขึ้นมา และทำให้มันมีความเสถียรและดำรงอยู่ได้เป็นเวลานาน

ศาสตราจารย์ เจฟฟรีย์ แฮงส์ต ใช้เวลานานกว่า 30 ปี เพื่อสร้างศูนย์ทดลองที่สร้างอะตอมของปฏิสสารหลายพันตัว จากอะตอมย่อยของอนุภาค ก่อนจะกักเก็บมันไว้ และปล่อยให้มันร่วงหล่นตามแรงโน้มถ่วง

“ปฏิสสารถือเป็นสิ่งที่น่าทึ่ง และเต็มไปด้วยปริศนาที่สุดเท่าที่คุณจะจินตนาการได้” เขาบอกกับบีบีซี

“เท่าที่เราเข้าใจ คุณอาจสร้างจักรวาลเหมือนของเราได้ แต่เป็นจักรวาลที่เต็มไปด้วยปฏิสสาร” ศ.แฮงส์ต กล่าวต่อ

ปฏิสสารคืออะไร ?

การอธิบายปฏิสสาร ต้องเริ่มจากการทำความเข้าใจว่า สสาร คืออะไร

โลกของเราสร้างขึ้นจากสสาร กำเนิดจากอนุภาคขนาดเล็กเรียกว่า อะตอม

อะตอมที่เรียบง่ายที่สุด คือ ไฮโดรเจน ซึ่งเป็นส่วนประกอบสำคัญของดวงอาทิตย์ อะตอมของไฮโดรเจนเกิดจากโปรตอนประจุบวกตรงกลาง และมีโปรตอนประจุลบโคจรอยู่โดยรอบ

นั่นคืออะตอมไฮโดรเจนของสสาร แต่หากเป็นปฏิสสาร โปรตอนประจุลบจะอยู่ตรงกลาง และประจุบวกโคจรอยู่รอบ กล่าวคือประจุบวกประจุลบสลับกัน เรียกว่าเป็น ปฏิไฮโดรเจน หรือแอนติไฮโดรเจน ซึ่งเป็นสิ่งที่ถูกนำมาใช้ในการทดลองของเซิร์น

ทีมวิจัยของเซิร์นสร้าง “แอนติโปรตอน” ขึ้นด้วยการทำให้อนุภาคชนกันภายในอุโมงค์ด้วยความเร็วสูงใกล้เคียงกับความเร็วแสง ซึ่งเป็นระดับความเร็วที่นักวิจัยควบคุมไม่ได้

ขั้นตอนแรกที่นักวิจัยทำ คือทำให้พวกมันเคลื่อนที่ช้าลง ด้วยการส่งพวกมันเข้าไปวิ่งในวงแหวนจนสูญเสียพลังไป จนกระทั่งพวกมันเคลื่อนไหวด้วยความเร็วเพียงพอที่จะควบคุมได้

จากนั้น ทีมวิจัยจะส่งแอนติโปรตอน และโพซิตรอน เข้าไปในแม่เหล็กขนาดยักษ์ เพื่อให้พวกมันผสมรวมกันจนสร้างอะตอมของปฏิไฮโดรเจนหลายพันอะตอมออกมา

แม่เหล็กนี้จะสร้างสนามแม่เหล็กที่จะคงปฏิไฮโดรเจนให้อยู่ในอากาศ เพราะหากมันสัมผัสเข้ากับบรรจุภัณฑ์ (ที่เป็นสสาร) มันก็จะถูกทำลาย จากการหักล้างกันเอง

การทดลองล่าสุด คือการปลดปล่อยสนามแม่เหล็ก ให้เซนเซอร์ตรวจจับว่า ปฏิไฮโดรเจน (ปฏิสสาร) ร่วงหล่นหรือลอยขึ้น ตามแรงโน้มถ่วงโลก

นักทฤษฏีบางคนคาดการณ์ว่า หากกระทำเช่นนี้ ปฏิสสารจะลอยขึ้น แต่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ทำนายไว้ตั้งแต่กว่า 100 ปีก่อนแล้วว่า ปฏิสสารควรจะมีคุณลักษณะเหมือนกับสสาร นั่นคือร่วงลงสู่พื้นดิน

จากทฤษฎีนั้น มาวันนี้ ทีมวิจัยของเซิร์นได้ยืนยันแล้วด้วยความมั่นใจสูงสุดว่า สิ่งที่ไอน์สไตน์ทำนายไว้นั้นถูกต้อง

แต่เพียงเพราะปฏิสสารไม่ได้ลอยขึ้น ไม่ได้หมายความว่า ปฏิสสารร่วงหล่นด้วยความเร็วเท่ากับสสาร

ขั้นตอนวิจัยต่อไป ทีมวิจัยจะยกระดับการทดลองให้มีความละเอียดยิ่งขึ้นไปอีก เพื่อตรวจจับระดับความเร็วการร่วงหล่นของปฏิสสาร

หากการทดลองสำเร็จ ก็อาจนำไปสู่การตอบคำถามสำคัญได้ว่า จักรวาลถือกำเนิดได้อย่างไร โดยผลการวิจัยล่าสุดนี้ ได้ตีพิมพ์ในวารสารเนเจอร์ (Nature) แล้ว