ก่อนที่จะเริ่มเร่ืองราวขอกล่าวถึงหลักการและคำศัพท์ฟิสิกส์ที่อยู่ในเรื่องโดยย่อนะครับ หากสนใจสามารถศึกษาเพิ่มเติมได้ด้วยตนเองครับ (นั่นคือจุดประสงค์อยู่แล้ว)
โบซอน (Boson): คืออนุภาคที่มีสปินเป็นจำนวนเต็ม (ไม่สำคัญกับเรื่องนี้เท่าไหร่) ตัวอย่างเช่น โฟตอน และ อะตอมต่างๆ
สถิติแบบโบส-ไอสไตน์ (Bose–Einstein statistics): เป็นสถิติที่ใช้บรรยายพฤติกรรมเมื่อโบซอนหลายๆตัวมาอยู่รวมกัน มีประโยชน์เมื่อตัวอย่างเช่นที่อุณภูมิต่ำเราไม่สามาถใช้สถิติของกลศาสตร์คลาสสิกอธิบายแก๊สพวกนี้ได้ ต้องใช้ผลจากทฤษฎีควอนตั้มมาอธิบาย โดยสถิติจะถือว่าโบซอนทุกตัวเหมือนกันหมด เราไม่สามารถบอกความแตกต่างระว่างโบซอนสองตัวใดๆได้ (indistinguishable) และในสถานะควอนตั้มหนึ่งๆนั้นสามารถมีโบซอนกี่ตัวก็ได้
อุณหภูมิโบซอน (Boson Temperature)
: คืออุณหภูมิต่ำขนาดที่กลศาสตร์คลาสสิกใช้อธิบายแก๊สไม่ได้แล้ว เพราะฟังก์ชั่นคลื่นของโบซอนจะถูกอัดเข้ามาใกล้กันมากจนซ้อนทับกัน ผลจากสถิติแบบโบส-ไอสไตน์นี้บอกว่าที่อุณหภูมิต่ำกว่านี้โบซอนในระบบหนึ่งๆจะไปอยู่ในสถานะพื้น (พลังงานต่ำสุด) ทั้งหมดทุกตัว และเราจะเรียกสารในสถานะนี้ว่าสารควบแน่นโบส-ไอสไตน์ (Bose–Einstein condensate)
เท่านี้หละครับ ได้เวลาที่จะเริ่มเรื่องแล้ว
ย้อนไปเมื่อปี 1924 โบส (Satyendra Nath Bose) เป็นคนเริ่มคิดสถิติดังกล่าวในการอธิบายสารอุณหภูมิต่ำ จากนั้นได้ส่งงานของตัวเองไปยังนักฟิสิกส์ยักษ์ใหญ่หลายคน รวมทั้งไอน์สไตน์ ซึ่งเป็นนักกลศาสตร์สถิติมือฉกาจ (อย่าลืมว่าไอน์สไตน์ได้โนเบลจากการอธิบายการเคลื่อนที่แบบบราวเนียน) ไอน์สไตน์เห็นว่างานของโบสนั้นเข้าท่า จึงขยายผลไปสู่รูปทั่วไปและตีพิมพ์เป็นผลงานร่วมในภาษาเยอรมัน
แต่ถึงแม้นักทฤษฎีจะบอกว่าสารสภาวะนี้เป็นไปได้ นักทดลองในเวลานั้นยังถือว่าห่างไกลนักในการทำให้สารเย็นถึงอุณหภูมิขณะนี้
เรียกได้ว่าการทำสารควบแน่นโบส-ไอสไตน์ในเวลานั้นแทบจะเป็นไปไม่ได้…
กว่าครึ่งศตวรรษต่อมาในปี 1976 การคำนวนโดยสตอลลี่กับโนซารอฟ (Stwally & Nosarov) บ่งว่าไฮโดรเจนที่มีสปินเดียวกันกับทุกอะตอมสามารถอยู่ในสถานะแก๊สได้ที่อุณหภูมิเย็นไปถึง 0 เคลวิน
ค่า
นั้นแปรผกผันกับมวล และในเวลานั้นสิ่งที่เย็นที่สุดโดยฝีมือมนุษย์ก็คือแก๊สไฮโดรเจน ดังนั้นการทำไฮโดรเจนเป็นสารควบแน่นโบส-ไอสไตน์จึงเป็นสิ่งน่าสนใจ เพราะทำง่ายที่สุด (
ของไฮโดรเจน"สูง"ถึงประมาณ 50 ไมโครเคลวิน!!)
ในปีเดียวกันที่สถาบันเทคโนโลยีแห่งแมสซาชูเซตส์ (Massachusetts Institute of Technology) หรือเอ็มไอที ทอมัส เกรแท็ก และ แดเนียล เคลปเนอร์ (Thomas Greytak & Daniel Kleppner) ได้บุกเบิกการทดลองทำให้ไฮโดรเจนเย็น แข่งกับกลุ่มอื่นอีกหลายๆที่เช่น ที่อัมสเตอร์ดัม บริติชโคลัมเบีย คอร์เนล ฮาเวิร์ด และ มอสโคว์
ด้วยเป็นนักทดลองที่เหนือชั้น ศาสตราจารยเกรแท็กและเคลปเนอร์ได้คิดค้นวิธีการทำให้แก๊สเย็นขึ้นมาใหม่สำหรับการทดลองนี้ เช่นวิธีการทำให้เย็นโดยการระเหย (Evaporative cooling) ซึ่งเป็นหลักการเดียวกับการที่น้ำร้อนระเหย นั่นคือการกรองอะตอมที่มีความเร็วสูงออกไป เหลือแต่ส่วนที่เย็นอยู่เท่านั่น แต่อย่าลืมว่าเรากำลังพูดถึงอุณหภูมิเสี้ยวหนึ่งของเคลวินเท่านั้น!
ศาสตราจารย์เกรแท็กและเคลปเนอร์สามารถทำให้แก๊สเย็นถึงอุณหภูมิ
ได้ในปี 1991 นับเป็นเวลา 15 ปีหลังจากเริ่มการทดลอง
ต่อมา ปี 1998 ศาสตราจารย์ทั้งสองพร้อมคณะวิจัยได้ทำไฮโดรเจนจำนวน
อะตอมให้เย็นถึง 50 ไมโครเคลวิน! มีอะตอมจำนวน
อะตอมกลายเป็นสารควบแน่นโบส-ไอสไตน์!!!
ความพยายามนี้ใช้เวลา 22 ปีกว่าจะสำเร็จ ซึ่งในตอนนั้น การทดลองในลักษณะนี้ได้แพร่หลายจนเป็นสาขาหนึ่งของฟิสิกส์แล้ว
แต่เรื่องยังไม่จบเพียงเท่านี้ครับ
ในห้องทดลองฝั่งตรงข้าม เดวิด พริตชาร์ด (David Prtichard) ซึ่งเคยเป็นลูกศิษย์ของเคลปเนอร์ ได้เริ่มทำอะตอมอัลคาไลน์เช่นโซเดียมให้เย็น
โซเดียมนั้นที่จริงเป็นของแข็งที่อุณหภูมิศูนย์เคลวิน แต่ผลปรากฎกว่ามีความเป็นไปได้ที่เราจะเลี้ยงโซเดียมไว้ในสถานะแก๊สเบาบางเป็นเวลาขณะหนึ่ง
ในการทำเช่นนั้นเราต้องการความหนาแน่นที่สูง แต่ไม่สูงเกินไป และแน่นอน อุณหภูมิต่ำเฉียดศูนย์เคลวิน
ศาสตราจารย์พริตชาร์ดได้ประยุกต์การทำความเย็นด้วยเลเซอร์ในการทดลองนี้
ในเวลานี้มีสองแล็บที่แข่งกันทำอะตอมให้เย็นด้วยเลเซอร์ เสริมกับวิธีระเหยที่เกรแท็กและเคลปเนอร์คิดขึ้น ที่เอ็มไอที การทดลองนี้ดำเนินการโดยตัวหลักคือพริตชาร์ดและลูกศิษย์ วูล์ฟกัง เคตเตอร์เร่อ (Wolfgang Ketterle) ที่โบลเดอร์ คาร์ล วีแมน (Carl Wiemann) ซึ่งเป็นศิษย์เก่าของเคลปเนอร์ และ เอริค คอร์เนล (Eric Cornell) ซึ่งเป็นศิษย์เก่าของพริตชาร์ด ก็ได้ใช้วิธีทีนี้เช่นเดียวกัน
ในปี 1993 เอ็มไอทีได้เชิญเคตเตอร์เร่อมาเป็นอาจารย์ และ พริตชาร์ดได้ยกแล็บทั้งหมดของเขาให้กับลูกศิษย์คนนี้!!
ปี 1995 วีแมนและคอร์แนล ทำรูบิเดียมจำนวนพันอะตอมให้เย็นในช่วงไมโครเคลวิน เป็นสารควบแน่นโบส-ไอสไตน์!
ในปีเดียวกัน เคตเตอร์เร่อได้สารควบแน่นของโซเดียมที่ 2 ไมโครเคลวิน โดยครั้งแรกสำเร็จที่ห้าแสนอะตอม หลังจากนั้นได้ทำสำเร็จไปถึง
อะตอม!
ต่อมา ปี 1998 ศาสตราจารย์เกรแท็กและเคลปเนอร์เจ้าเก่า ได้ทำไฮโดรเจน (ของเดิม) จำนวน
อะตอม! ให้อยู่ในสถานะควบแน่นโบส-ไอสไตน์ ที่ 50 ไมโครเคลวิน
ปี 2000 เคตเตอร์เร่อ วีแมน และ คอร์เนล ได้ถูกเชิญไปที่เวทีอันทรงเกียรติแห่งสตอกโฮล์ม เพื่อขึ้นรับรางวัลโนเบล
ความสำเร็จนี้เป็นผลพวงมาจากความพยายามของคนหลายๆกลุ่ม ตั้งแต่ไอสไตน์ที่บุกเบิกทางทฤษฎี เกรย์แท็ก เคลปเนอร์ และ พริตชาร์ด ที่ใช้เวลากว่า 20 ปีในการคิดเทคนิคการทำความเย็นดังกล่าว
เรียบเรียงและแปลมาจาก ชั้นเรียนกลศาสตร์สถิติ1 ภาคเรียนฤดูใบไม้ผลิปี 2011 ที่สถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ เมืองเคมบริดจ์ มลรัฐแมสซาชูเซตส์ สอนโดย Krishna Rajagopal ตัวหลักแห่ง Quantum Chromodynamics
หาข้อมูลเพิ่มเติมได้ที่
MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms:
http://cuaweb.mit.edu/Pages/Home.aspxโฉมหน้าของนักฟิสิกส์ในเรื่อง
สองคนนี้ที่เริ่มบุกเบิกสาขา
Thomas J. Greytak :
http://web.mit.edu/physics/people/faculty/greytak_thomas.htmlDaniel Kleppner:
http://web.mit.edu/physics/people/faculty/kleppner_daniel.htmlคนที่ยกแล็บให้ลูกศิษย์
David E. Pritchard:
http://web.mit.edu/physics/people/faculty/pritchard_david.htmlคนที่ได้โนเบล
Wolfgang Ketterle:
http://web.mit.edu/physics/people/faculty/ketterle_wolfgang.html
ฟิสิกส์ร่วมสมัยจนถึงปัจจุบัน
