The Particle at the End of the Universe
อนุภาคสุดขอบจักรวาล เมื่อการตามล่าฮิกส์โบซอนน�ำเราไปพบประตูสู่โลกใหม่
Thai language translation rights belong to Matichon Publishing House arranged with Brocman, Inc., 260 Fifth Avenue, 10th floor, New York, NY1001
The Particle at the End of the Universe
อนุภาคสุดขอบจักรวาล เมื่อการตามล่าฮิกส์โบซอนน�ำเราไปพบประตูสู่โลกใหม่ ฌอน แคร์โรลล์ เขียน เธียรสิน เลี่ยมสุวรรณ แปล
กรุงเทพมหานคร ส�ำนักพิมพ์มติชน 2558
อนุภาคสุดขอบจักรวาล • เธียรสิน เลี่ยมสุวรรณ แปล
จากเรื่อง The Particle at the End of the Universe ของ Sean Carroll Copyright © 2012 by Sean Carroll Publish by arrangement with Brocman, Inc. Thai language translation Copyright © 2015 by Matichon Publishing House All rights reserved including the right of reproduction in whole or in part in any form. พิมพ์ครั้งแรก : สำ�นักพิมพ์มติชน, มิถุนายน 2558
ราคา 285 บาท ข้อมูลทางบรรณานุกรม แคร์โรลล์, ฌอน. อนุภาคสุดขอบจักรวาล.- -กรุงเทพฯ : มติชน, 2558. 328 หน้า. 1. ฟิสิกส์. I. เธียรสิน เลี่ยมสุวรรณ, ผู้แปล. II. ชื่อเรื่อง. 530 ISBN 978 - 974 - 02 - 1407 - 6
ที่ปรึกษาส�ำนักพิมพ์ : อารักษ์ คคะนาท, สุพจน์ แจ้งเร็ว, สุชาติ ศรีสุวรรณ, ปิยชนน์ สุทวีทรัพย์, ไพรัตน์ พงศ์พานิชย์, นงนุช สิงหเดชะ ผู้จัดการส�ำนักพิมพ์ : กิตติวรรณ เทิงวิเศษ • รองผู้จัดการส�ำนักพิมพ์ : รุจิรัตน์ ทิมวัฒน์, อพิสิทธิ์ ธีระจารุวรรณ บรรณาธิการบริหาร : สุลักษณ์ บุนปาน • บรรณาธิการส�ำนักพิมพ์ : พัลลภ สามสี หัวหน้ากองบรรณาธิการ : ทิมา เนื่องอุดม • บรรณาธิการเล่ม : เฉลิมพล แพทยกุล พิสูจน์อักษร : เมตตา จันทร์หอม • กราฟิกเลย์เอาต์ : อรอนงค์ อินทรอุดม ศิลปกรรม : นุสรา สมบูรณ์รัตน์ • ออกแบบปก : ศศิณัฏฐ์ กิจศุภไพศาล ประชาสัมพันธ์ : สุภชัย สุชาติสุธาธรรม
หากท่านต้องการสั่งซื้อหนังสือเล่มนี้จ�ำนวนมากในราคาพิเศษ เพื่อมอบให้วัด ห้องสมุด โรงเรียน หรือองค์กรการกุศลต่างๆ โปรดติดต่อโดยตรงที่ บริษัทงานดี จ�ำกัด โทรศัพท์ 0-2580-0021 ต่อ 3353 โทรสาร 0-2591-9013 www.matichonbook.com บริษัทมติชน จำ�กัด (มหาชน) : 12 ถนนเทศบาลนฤมาล ประชานิเวศน์ 1 เขตจตุจักร กรุงเทพฯ 10900 โทรศัพท์ 0-2580-0021 ต่อ 1235 โทรสาร 0-2589-5818 แม่พิมพ์สี-ขาวดำ� : กองงานเตรียมพิมพ์ บริษัทมติชน จำ�กัด (มหาชน) 12 ถนนเทศบาลนฤมาล ประชานิเวศน์ 1 เขตจตุจักร กรุงเทพฯ 10900 โทรศัพท์ 0-2580-0021 ต่อ 2400-2402 พิมพ์ที่ : โรงพิมพ์มติชนปากเกร็ด 27/1 หมู่ 5 ถนนสุขาประชาสรรค์ 2 ตำ�บลบางพูด อำ�เภอปากเกร็ด จังหวัดนนทบุรี 11120 โทรศัพท์ 0-2584-2133, 0-2582-0596 โทรสาร 0-2582-0597 จัดจำ�หน่ายโดย : บริษัทงานดี จำ�กัด (ในเครือมติชน) 12 ถนนเทศบาลนฤมาล ประชานิเวศน์ 1 เขตจตุจักร กรุงเทพฯ 10900 โทรศัพท์ 0-2580-0021 ต่อ 3350-3353 โทรสาร 0-2591-9012 Matichon Publishing House a division of Matichon Public Co., Ltd. 12 Tethsabannarueman Rd., Prachanivate 1, Chatuchak, Bangkok 10900 Thailand หนังสือเล่มนี้พิมพ์ด้วยหมึกที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม เพื่อปกป้องธรรมชาติ ลดภาวะโลกร้อน และส่งเสริมสุขภาวะที่ดีของผู้อ่าน
สารบัญ
ค�ำน�ำส�ำนักพิมพ์ ค�ำน�ำผู้แปล บทน�ำ 11. เหตุผล 12. ใกล้เคียงความเป็นพระเจ้า 13. อะตอมและอนุภาค 14. เรื่องราวของเครื่องเร่งอนุภาค 15. เครื่องเร่งอนุภาคที่ใหญ่ที่สุดเท่าที่เคยมีมา 16. ความเข้าใจที่มาจากการชน 17. อนุภาคในคลื่น 18. ด้วยกระจกที่แตกสลาย 19. เรียกเสียงปรบมือจากผู้ชม 10. กระจายข่าว 11. โนเบลดรีมส์ 12. เลยเส้นขอบฟ้านี้ไป 13. ท�ำให้มันควรค่าแก่การได้รับการปกป้อง บทส่งท้าย พฤษภาคม 2013
7 9 15 21 31 47 63 81 97 117 141 165 189 207 245 269 281
ภาคผนวก 1 มวลและสปิน ภาคผนวก 2 อนุภาคของแบบจ�ำลองมาตรฐาน ภาคผนวก 3 อนุภาคและอันตรกิริยาของพวกมัน
291 299 305
เอกสารเพิ่มเติม เอกสารอ้างอิง กิตติกรรมประกาศ
316 318 327
ค�ำน�ำส�ำนักพิมพ์
นับตั้งแต่ทดสอบการเดินเครื่องเป็นครั้งแรกในปี 2008 ทั้งโลกต่างให้ความสนใจกับ “ฮิกส์โบซอน” หรือที่นิยมเรียกกันติดปากในหมู่คนทั่วๆ ไปว่า “อนุภาคพระเจ้า” และ เมื่อปี 2012 เซิร์นออกมาประกาศว่าพบอนุภาคนี้แล้ว และเพิ่งเดินเครื่องรอบใหม่ไปเมื่อ 5 เมษายน 2015 เพื่อปรับปรุงและเพิ่มประสิทธิภาพ ครั้งนี้หวังที่จะตามหา “สสารมืด” อนุภาคแบบใหม่ๆ และองค์ประกอบพื้นฐานของเอกภพอื่นๆ ต่อไป แต่...ตกลงแล้วฮิกส์ที่ว่านี้คืออะไร? หาเจอแล้วจะเกิดอะไรขึ้น? เราเข้าใกล้พระเจ้า มากขึ้นอย่างนั้นหรือ? ในเมื่ออนุภาคมูลฐานที่ว่าสังเกตด้วยตาก็ไม่ได้ แถมยังสลายตัวใน เสี้ยวพริบตา แล้วจะเอามาใช้งานอะไรได้? ค�ำถามเหล่านี้น่าจะยังค้างคาใจของสาธารณชน จ�ำนวนมาก ท�ำไมเซิร์นจึงทุ่มเงินนับพันๆ ล้านไปกับมัน คนทั่วไปจ�ำนวนมากอาจจะยังไม่ ทราบข่าวการค้นพบอนุภาคฮิกส์เสียด้วยซ�้ำ แม้การค้นพบฮิกส์โบซอนจะยังไม่มีประโยชน์ใช้สอยอย่างเป็นรูปธรรมชัดเจนใน ปัจจุบัน ก็ไม่ได้หมายความว่าเงินนับพันล้านโดนผลาญเพื่อสนองความสงสัยของเหล่านัก วิชาการหอคอยงาช้าง เพราะความเข้าใจพื้นฐานในธรรมชาติและจักรวาลของเรายังคงเป็น พื้นฐานส�ำคัญของการพัฒนาความรู้อื่นๆ ในอนาคต เรื่องนี้ไม่ต่างจากกรณีโคเปอร์นิคัสค้นคว้าการโคจรของดาวบนฟ้า แล้วชี้ว่าดวง อนุภาคสุดขอบจักรวาล 7
อาทิตย์ต่างหากที่เป็นศูนย์กลางของระบบสุริยะ ไม่ใช่โลกตามความเชื่อดั้งเดิม ซึ่งต่อมา ได้รับการพิสูจน์โดยกาลิเลโอในอีกหลายสิบปีให้หลัง กระทั่งน�ำพาเขาเข้าสู่วังวนความ ขั ด แย้ ง ระหว่ า งวิ ท ยาศาสตร์ กั บ ความเชื่ อ ทางศาสนา ลงเอยด้ ว ยการโดนสอบสวนและคุ ม ขั ง ในบ้านพักตลอดชีวิต แน่นอนว่าในสายตาคนทั่วไป การเอาชีวิตเข้าแลกกับการปกป้องและพิสูจน์เรื่อง วงโคจรของวัตถุในอวกาศนั้นคงไม่ค่อยคุ้มค่าเท่าไหร่ และยิ่งในสมัยของกาลิเลโอด้วย แล้ว คงไม่มีใครนึกออกว่ามันจะมีประโยชน์อะไรต่อคนเดินดินธรรมดา แต่ความรู้ที่น�ำ มาประยุกต์ใช้ไม่ได้ในตอนนั้น กลายเป็นรากฐานส�ำคัญของการพัฒนาวิทยาศาสตร์และ เทคโนโลยีในวันนี้ นี่ยังไม่นับสิ่งประดิษฐ์อีกหลายชิ้นที่ก าลิเลโอคิดค้นขึ้นเพียงเพราะ จ�ำเป็นต้องใช้ในการทดลอง ถึงฮิกส์โบซอนจะยังไม่สามารถน�ำมาใช้ประโยชน์เป็นรูปธรรมได้ในปัจจุบัน การ ค้นพบครั้งนี้ก็ถือเป็นความส�ำเร็จครั้งส�ำคัญไม่แพ้กรณีของกาลิเลโอ เพราะฮิกส์โบซอน เป็นกุญแจสุดท้ายในการเติมเต็มแบบจ�ำลองพื้นฐาน ที่เป็นโครงสร้างส�ำคัญและประตูสู ่ การท�ำความเข้าใจกลไกอื่นๆ ของจักรวาลของเรา ความส�ำคัญของการตามหาฮิกส์โบซอนไม่ใช่เพราะเล็งเห็นประโยชน์ใช้สอย แต่เป็น ความร่วมมือครั้งยิ่งใหญ่ของเหล่านักวิทยาศาสตร์และผู้เกี่ยวข้องจากวงการอื่นๆ ที่ช่วยกัน เติมเต็มความใฝ่ฝันอันเป็นธรรมชาติของมนุษย์ เพื่อเข้าใจและชื่นชมยินดีกับความงดงาม ของสรรพสิ่งรอบข้างเราอย่างแท้จริง ส�ำนักพิมพ์มติชน
8 เธียรสิน เลี่ยมสุวรรณ แปล
ค�ำน�ำผู้แปล
อนุภาคสุดขอบจักรวาลโดยฌอน แคร์โรลล์ เป็นหนังสือที่บอกเล่าเรื่องราวการค้นหา อนุภาคฮิกส์หรือ “อนุภาคพระเจ้า” หนึ่งในงานที่ท้าทายที่สุดของฟิสิกส์อนุภาคในศตวรรษ ที่ 21 ฮิกส์เป็นจิ๊กซอว์ชิ้นสุดท้ายของแบบจ�ำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาคแบบจ�ำลอง ที่อธิบายการมีอยู่ของ “อนุภาคมูลฐาน” ซึ่งเป็นองค์ประกอบพื้นฐานของสรรพสิ่งต่างๆ ในจักรวาล อนุภาคชนิดอื่นๆ ของแบบจ�ำลองมาตรฐานถูกค้นพบไปหมดแล้วตั้งแต่ปี 1995 แต่การค้นพบอนุภาคฮิกส์เพิ่งได้รับการประกาศเป็นครั้งแรกเมื่อวันที่ 4 กรกฎาคม 2012 ที่ห้องปฏิบัติการเซิร์น ประเทศสวิตเซอร์แลนด์ สถานที่ตั้งของเครื่องเร่งอนุภาค ขนาดยักษ์ชื่อ “แอลเอชซี” แม้อนุภาคฮิกส์จะมีความส�ำคัญในฐานะที่เป็นชิ้นส่วนสุดท้ายของแบบจ�ำลองมาตร ฐาน แต่สนามฮิกส์ซึ่งเป็นต้นก�ำเนิดของอนุภาคฮิกส์นั้นพิเศษยิ่งกว่า สนามฮิกส์มีอิทธิพล ต่อคุณสมบัติของอนุภาคมูลฐานชนิดอื่นๆ และจักรวาลของเรา มันท�ำให้อิเล็กตรอนและ ควาร์กมีมวล ถ้าไม่มีสนามฮิกส์แล้วอนุภาคเหล่านี้คงเคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสงและ จักรวาลคงดูแปลกออกไปมาก กลไกที่สนามฮิกส์ท�ำให้อนุภาคมูลฐานมีมวลเรียกว่า “การ ท�ำลายสมมาตร” เพราะอิทธิพลของสนามชนิดนี้ท�ำให้คู่ของอนุภาคมูลฐานที่น่าจะมีคุณ สมบัติเหมือนกันทุกประการ (หรือมีสมมาตร) กลายเป็นอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าและมวล อนุภาคสุดขอบจักรวาล 9
ต่างกัน การค้นพบอนุภาคฮิกส์ซึ่งเป็นหลักฐานส�ำหรับการมีอยู่ของสนามฮิกส์จึงเป็นการ ไขความลับส�ำคัญข้อหนึ่งของธรรมชาติ การค้นหาอนุภาคฮิกส์เองก็มีความเฉพาะตัว ทฤษฎีแรกๆ ที่ชี้ให้เห็นการมีอยู่ของ ฮิกส์ถูกน�ำเสนอขึ้นในช่วงทศวรรษ 1960 ตลอดระยะเวลาหลายสิบปีที่ผ่านมามีผู้คนนับ หมื่นจากทั่วทุกมุมโลกเข้าไปเกี่ยวข้องกับการตามหาฮิกส์ งบประมาณส�ำหรับแอลเอชซี เพียงโครงการเดียวถูกประเมินไว้ที่ประมาณเก้าพันล้านดอลลาร์ อีกทั้งเครื่องเร่งอนุภาค แอลเอชซีและสถานีตรวจวัดอนุภาคของแอลเอชซีก็ถือเป็นสิ่งประดิษฐ์ขนาดมหึมาที่ใช้ เทคโนโลยีล�้ำหน้าที่สุดเท่าที่พัฒนาขึ้นมาได้ในขณะนั้น ไม่น่าแปลกใจเลยที่การตามหาฮิกส์ จะได้รับความสนใจจากผู้คนและสื่อสาธารณะทั่วโลก หนังสือเล่มนี้จะพาผู้อ่านไปส�ำรวจการเดินทางที่น�ำไปสู่การค้นพบอนุภาคฮิกส์ ผ่าน การเรียบเรียงของ ดร.ฌอน แคร์โรลล์ นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีที่สามารถถ่ายทอดเนื้อหาให้ ผู้อ่านทั่วไปเข้าใจได้โดยง่ายแต่ยังคงไว้ซึ่งความถูกต้อง รายละเอียดเชิงฟิสิกส์ส่วนหนึ่ง ถูกรวบรวมไว้ในภาคผนวกส�ำหรับผู้ที่ต้องการท�ำความเข้าใจฟิสิกส์อนุภาคให้ลึกกว่าใน เนื้อหาหลัก นอกจากนี้ผู้เขียนจะแนะน�ำให้เราได้รู้จักกับฟิสิกส์นอกเหนือแบบจ�ำลอง มาตรฐาน และชี้ให้เห็นว่าการค้นพบฮิกส์อาจเป็นประตูไปสู่แบบจ�ำลองอื่นๆ เช่น สสารมืด สมมาตรยิ่งยวด มิติพิเศษ ฯลฯ ตลอดทั้งเล่มผู้อ่านยังจะได้รับรู้ถึงความพยายามแสน อุตสาหะของบรรดาผู้เกี่ยวข้อง ความคาดหวังและแรงกดดันต่อการค้นหาอนุภาคชนิดนี้ รวมไปถึงบทบาทของหลายบุคคลส�ำคัญที่ช่วยให้ฮิกส์กลายเป็นอนุภาคที่น่าค้นหาที่สุดแห่ง ยุคและผลักดันภารกิจนี้จนประสบความส�ำเร็จ เหนือสิ่งอื่นใด ผู้อ่านจะพบกับค�ำตอบ ส�ำหรับค�ำถามที่เข้ามากวนใจอย่าง ท�ำไมเราต้องสนใจอนุภาคชนิดนี้? ท�ำไมเราต้องใช้เงิน และคนจ�ำนวนมหาศาลในการตามหาอนุภาคเล็กๆ ที่ดูไม่มีความส�ำคัญในชีวิตประจ�ำวัน? ก้าวต่อไปหลังการค้นพบฮิกส์คืออะไร? ฯลฯ ในขณะที่แปลหนังสือเล่มนี้แล้วเสร็จ แอลเอชซีได้เริ่มเดินเครื่องอีกครั้งเมื่อวันที่ 5 เมษายน 2015 หลังจากหยุดเดินเครื่องเป็นเวลา 2 ปีเพื่อซ่อมบ�ำรุงและปรับปรุงชิ้นส่วน ต่างๆ ให้เหมาะสมกับพลังงานที่สูงขึ้น การเริ่มเดินเครื่องครั้งใหม่ด้วยพลังงานที่สูงขึ้นนี ้ อาจท�ำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถศึกษาคุณสมบัติอื่นๆ ของฮิกส์ที่ยังไม่เป็นที่รู้จัก หรือแม้ แต่ค้นพบฮิกส์ชนิดใหม่ๆ หรืออนุภาคอื่นๆ ที่อยู่นอกเหนือแบบจ�ำลองมาตรฐาน หวังว่า หนังสือเล่มนี้จะเป็นจุดเริ่มต้นที่ดีส�ำหรับผู้อ่านที่สนใจเรื่องราวเหล่านี้ ดร.เธียรสิน เลี่ยมสุวรรณ 19 เมษายน 2015
10 เธียรสิน เลี่ยมสุวรรณ แปล
แด่แม่ผู้น�ำพาผมไปห้องสมุด
ผู้คนประเมินผลกระทบของความจริงใหม่ๆ ต�่ำเกินไป - โจ อินแคนเดลา, โฆษกของกลุ่มความร่วมมือซีเอ็มเอสของแอลเอชซี
The Particle at the End of the Universe
อนุภาคสุดขอบจักรวาล เมื่อการตามล่าฮิกส์โบซอนน�ำเราไปพบประตูสู่โลกใหม่
บทน�ำ
โจแอนน์ ฮิวเอตต์ (Joanne Hewett) รู้สึกวิงเวียน เธอยิ้มกว้างในขณะที่พูดด้วยความ กระตือรือร้นต่อหน้ากล้องวิดีโอ อาการตื่นเต้นถูกส่งต่อๆ กันมาจากผู้ร่วมงานเลี้ยงที่ สถานกงสุลสวิตเซอร์แลนด์ ณ เมืองซานฟรานซิสโก มันเป็นงานเลี้ยงพิเศษที่เฉลิมฉลอง ให้กับการที่อนุภาคโปรตอนกลุ่มแรกเริ่มโคจรภายในอุโมงค์ใต้ดินของเครื่องเร่งอนุภาค แอลเอชซี (Large Hadron Collider หรือ LHC) บริเวณนอกเมืองเจนีวา เครื่องเร่ง อนุภาคขนาดมหึมาที่อยู่บริเวณชายแดนฝรั่งเศสและสวิตเซอร์แลนด์เครื่องนี้ได้เริ่มภารกิจ ไขปริศนาของจักรวาลแล้ว แน่นอนว่าแชมเปญถูกรินเสิร์ฟอย่างต่อเนื่อง เสียงของฮิวเอตต์ ดังขึ้น เธอเน้นว่า “ฉันรอคอยวันนี้มา ยี่-สิบ-ห้า-ปี” มันเป็นช่วงเวลาที่ยิ่งใหญ่ ตอนนั้นในปี 2008 นักฟิสิกส์ได้พิสูจน์ให้เห็นแล้วว่า สิ่งที่พวกเขายืนยันมาตลอดว่าจ�ำเป็นต่อการพัฒนาครั้งส�ำคัญของวงการฟิสิกส์คือการสร้าง เครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่ซึ่งท�ำให้โปรตอนชนกันด้วยพลังงานสูง พวกเขาเคยคิดว่า สหรัฐอเมริกาจะสร้างเครื่องเร่งอนุภาคลักษณะดังกล่าว แต่ไม่เป็นไปตามที่คิด ในปี 1983 ขณะที่ฮิวเอตต์ก�ำลังเริ่มศึกษาต่อในระดับปริญญาเอก รัฐสภาของสหรัฐอเมริกาลงมติให้ มีการสร้างเครื่องเร่งอนุภาคเอสเอสซี (Superconducting Super Collider หรือ SSC) ในรัฐเทกซัส โดยมีก�ำหนดการเริ่มเดินเครื่องก่อนปี 2000 เอสเอสซีจะกลายเป็นเครื่อง อนุภาคสุดขอบจักรวาล 15
เร่งอนุภาคที่ใหญ่ที่สุดเท่าที่เคยมีมา เช่นเดียวกับนักฟิสิกส์ที่เต็มไปด้วยความหวังคนอื่นๆ ในยุคนั้นฮิวเอตต์เชื่อว่า การค้นพบที่เอสเอสซีจะเป็นรากฐานให้กับอาชีพนักวิจัยของตน แต่โครงการเอสเอสซีได้ถูกยกเลิกไป ท�ำลายความหวังของนักฟิสิกส์ที่เชื่อว่าเครื่อง เร่งอนุภาคเครื่องนี้จะช่วยก�ำหนดเส้นทางงานวิจัยในสาขาของตนในอีกหลายทศวรรษ ข้างหน้า การเมือง ระบบราชการ และความขัดแย้งเข้ามาแทนที่ ตอนนี้เครื่องเร่งอนุภาค แอลเอชซีซึ่งมีความคล้ายคลึงกับเครื่องเร่งอนุภาคเอสเอสซีก�ำลังเริ่มเดินเครื่องเป็นครั้ง แรก ฮิวเอตต์และนักฟิสิกส์คนอื่นๆ พร้อมแล้วส� ำหรับการเริ่มต้นครั้งใหม่นี้ “สิ่งที่ฉัน ท�ำมาตลอดยี่สิบห้าปีที่ผ่านมาคือ ใช้ทฤษฎีประหลาดๆ ทั้งหลายที่ใครสักคนเคยคิดค้น ในการค�ำนวณหาสัญญาณ (หรืออนุภาคชนิดใหม่) ที่จะเกิดขึ้นในเอสเอสซีหรือแอลเอชซี” ยังมีอีกสาเหตุที่ท�ำให้ฮิวเอตต์รู้สึกวิงเวียน สาเหตุนี้มาจากตัวเธอเอง ในวิดีโอเรา จะเห็นผมสีแดงของเธอที่สั้นกุดจนแทบจะเหมือนผู้ชาย เธอไม่ได้เลือกทรงผมนั้นตาม แฟชั่น แต่เมื่อต้นปีเธอเพิ่งได้รับการวินิจฉัยว่าเป็นมะเร็งเต้านมชนิดร้ายแรงซึ่งมีโอกาส หนึ่งในห้าที่จะเป็นระยะสุดท้าย เธอเลือกเข้ารับการรักษาแบบโหม ไม่ว่าจะเป็นการใช้ เคมีบ�ำบัดแบบออกฤทธิ์แรง หรือการผ่าตัดแทบนับครั้งไม่ถ้วน โดยปกติแล้วผมสีแดง อันเป็นเอกลักษณ์ของเธอจะยาวจนถึงเอว แต่ตอนนี้มันหายไปอย่างรวดเร็ว บางครั้งเธอ ยอมรับพร้อมกับหัวเราะว่า ที่เธอยังรักษาจิตวิญญาณของเธอไว้ได้ เพราะคิดเรื่องอนุภาค ชนิดใหม่ๆ ที่จะได้รับการค้นพบที่แอลเอชซี โจแอนน์รู้จักกับผมมาหลายปี เราเป็นทั้งเพื่อนและเพื่อนร่วมงาน ความเชี่ยวชาญ อันดับต้นของผมคือจักรวาลวิทยา หรือการศึกษาจักรวาลอย่างเป็นองค์รวม ซึ่งเพิ่งก้าว เข้าสู่ยุคทองของการมีข้อมูลใหม่ๆ และการค้นพบที่น่าอัศจรรย์ใจหลายผลงาน ในขณะ เดียวกัน ฟิสิกส์อนุภาคซึ่งไม่สามารถแยกออกมาจากจักรวาลวิทยายังคงรอคอยผลการ ทดลองใหม่ๆ ที่จะพลิกแนวคิดเชิงทฤษฎีและน�ำเราไปสู่แนวคิดใหม่ๆ ความกดดันที่จะ ค้นพบสิ่งใหม่ๆ ในฟิสิกส์อนุภาคเกิดขึ้นมาเป็นระยะเวลานานแล้ว กอร์ดอน วัตต์ส (Gordon Watts) จากมหาวิทยาลัยวอชิงตัน ซึ่งเป็นนักฟิสิกส์อีกคนที่มาร่วมงานเลี้ยง ถูกถามว่าเขาเครียดกับการรอคอยเครื่องเร่งอนุภาคแอลเอชซีหรือเปล่า “แน่นอนที่สุด เลยละ มันท�ำให้ผมมีผมขาวยุ่งเหยิงอย่างที่เป็นอยู่ทุกวันนี้ ภรรยาผมบอกว่า มันเป็น แบบนี้เพราะลูกของเรา แต่จริงๆ แล้วมันเป็นเพราะแอลเอชซี” ฟิสิกส์อนุภาคก�ำลังก้าวเข้าสู่ยุคใหม่ ทฤษฎีบางทฤษฎีก�ำลังจะถูกล้มล้าง ในขณะที่ บางทฤษฎีก�ำลังจะได้รับการพิสูจน์ว่าถูกต้อง นักฟิสิกส์ทุกคนในงานเลี้ยงต่างมีแบบจ�ำลอง ที่ตนชื่นชอบ ไม่ว่าจะเป็นฮิกส์โบซอน สมมาตรยิ่งยวด เทคนิคัลเลอร์ มิติพิเศษ สสารมืด ซึ่งล้วนแล้วแต่เป็นแนวคิดที่แสนประหลาด และแฝงไปด้วยความหมายที่น่าอัศจรรย์ “ฉันหวังว่าสิ่งที่แอลเอชซีค้นพบจะไม่ใช่สิ่งต่างๆ เหล่านั้น” ฮิวเอตต์พูดด้วยความ 16 เธียรสิน เลี่ยมสุวรรณ แปล
ตื่นเต้น “จริงๆ แล้วฉันคิดว่ามันจะต้องเป็นอะไรที่ท�ำให้เราประหลาดใจ เพราะฉันเชื่อว่า ธรรมชาติฉลาดกว่าพวกเรา และธรรมชาติยังมีเรื่องน่าประหลาดใจรอคอยเราอยู่อีกเยอะ เราจะมีช่วงเวลาที่สนุกสุดๆ ไปกับการไขปริศนาเหล่านั้น มันจะเป็นอะไรที่เยี่ยมมากๆ” นั่นคือเมื่อปี 2008 ในปี 2012 งานเลี้ยงในเมืองซานฟรานซิสโกที่เฉลิมฉลองให้ กับการเริ่มเดินเครื่องแอลเอชซีได้สิ้นสุดลงแล้ว และยุคแห่งการค้นพบได้เริ่มขึ้นอย่างเป็น ทางการ ผมของฮิวเอตต์ยาวขึ้น แม้การรักษาจะสร้างความเจ็บปวดให้กับเธอ แต่ก็ดู เหมือนว่าได้ผลเป็นอย่างดี และการทดลองที่เธอรอคอยมาทั้งชีวิตการท�ำงานได้สร้าง ประวัติศาสตร์หน้าใหม่ หลังจากคิดค้นทฤษฎีมากว่าสองทศวรรษครึ่ง ในที่สุดแนวคิด ของเธอก็ได้รับการพิสูจน์โดยใช้ข้อมูลจริงที่เกิดจากอนุภาคและอันตรกิริยาซึ่งยังไม่เคยมี ใครเคยเห็นมาก่อน นับเป็นเรื่องน่าประหลาดใจที่ธรรมชาติซ่อนเอาไว้จนถึงปัจจุบัน ข้ามไปยังวันที่ 4 กรกฎาคม 2012 ในวันเปิดงานประชุมวิชาการนานาชาติว่าด้วย ฟิสิกส์พลังงานสูง งานประชุมนี้มีขึ้นทุก 2 ปี โดยจะย้ายไปจัดที่เมืองต่างๆ ทั่วโลก และ ในปีนั้นงานประชุมดังกล่าวถูกจัดขึ้นที่เมืองเมลเบิร์น ประเทศออสเตรเลีย นักฟิสิกส์ อนุภาคหลายร้อยคนรวมทั้งฮิวเอตต์เข้าไปในหอประชุมเพื่อร่วมฟังบรรยายในสัมมนาพิเศษ การลงทุนทั้งหมดในแอลเอชซีและการรอคอยอันยาวนานก�ำลังจะสัมฤทธิผล การบรรยายในสัมมนาพิเศษครั้งนั้นได้รับการถ่ายทอดสดตรงมายังเมลเบิร์นจาก ห้องปฏิบัติการเซิร์น (CERN) ในเมืองเจนีวา ซึ่งเป็นที่ตั้งของเครื่องเร่งอนุภาคแอลเอชซี ตามก�ำหนดการเดิม จะมีการบรรยายทั้งหมด 2 เรื่องที่เมลเบิร์น แต่ในท้ายที่สุด กลุ่ม ผู้มีอ�ำนาจได้ตัดสินใจที่จะแบ่งปันช่วงเวลาที่ส�ำคัญนี้ให้กับคนจ�ำนวนมากที่ร่วมกันท�ำให้ แอลเอชซีมีความส�ำเร็จแบบนี้ การตัดสินใจครั้งนั้นได้รับการตอบรับเป็นอย่างดี นัก ฟิสิกส์หลายร้อยคนที่เซิร์นเข้าแถวร่วมชั่วโมงเพื่อเข้าฟังการบรรยาย ซึ่งเริ่มขึ้นตอน 9 โมง เช้าตามเวลาของเจนีวา บางคนนอนค้างคืนรอในถุงนอนด้วยความหวังที่จะได้ที่นั่งดีๆ รอล์ฟ ฮอยเออร์ (Rolf Heuer) ผู้อ�ำนวยการของเซิร์น กล่าวแนะน�ำการบรรยาย ของโจ อินแคนเดลา (Joe Incandela) ซึ่งเป็นนักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน และฟาบิโอลา จิอาน็อตติ (Fabiola Gianotti) ซึ่งเป็นนักฟิสิกส์ชาวอิตาเลียน ทั้งคู่เป็นโฆษกของสถานี ทดลองส�ำคัญทั้ง 2 สถานี ซึ่งรวบรวมและวิเคราะห์ผลการทดลองที่ได้จากเครื่องเร่ง อนุภาคแอลเอชซี สถานีทดลองแต่ละสถานีมีผู้ร่วมโครงการมากกว่าสามพันคน โดยผู้ ร่วมโครงการส่วนใหญ่นั่งแช่อยู่หน้าจอคอมพิวเตอร์ซึ่งกระจายอยู่ในหลายประเทศทั่วโลก การบรรยายครั้งนั้นไม่เพียงแต่ได้รับการถ่ายทอดสดไปยังเมลเบิร์นเท่านั้น แต่ทุกคน สามารถร่วมรับฟังผลการทดลองได้ตามเวลาจริง ถือว่าใช้สื่อได้อย่างเหมาะสมกับการ เฉลิมฉลองให้กับวิทยาศาสตร์ร่วมสมัยที่ยิ่งใหญ่ ซึ่งเป็นความร่วมมือด้านเทคโนโลยีขั้นสูง ในระดับนานาชาติที่มาพร้อมกับเดิมพันที่สูงและผลตอบแทนที่ท�ำให้เบิกบานใจ อนุภาคสุดขอบจักรวาล 17
เราสามารถมองเห็นร่องรอยของความประหม่าในการบรรยายโดยจิอาน็อตติและ อินแคนเดลา แต่เนื้อหาที่ทั้งคู่น�ำเสนอนั้นเห็นชัดอยู่แล้วว่าน่าจะก่อความประหม่ามาก เพียงใด ทั้งคู่กล่าวขอบคุณวิศวกรและนักวิทยาศาสตร์ที่ช่วยกันท�ำให้สถานีทดลองทั้ง 2 สถานีเกิดขึ้นได้ จากนั้นก็อธิบายอย่างระมัดระวังให้เราเข้าใจถึงเหตุผลที่เราควรเชื่อใน ผลการทดลองที่พวกเขาก�ำลังจะน�ำเสนอ ทั้งสองแสดงให้เห็นว่าพวกเขาเข้าใจกระบวนการ ท�ำงานของเครื่องมือที่พวกเขาใช้เป็นอย่างดี และการวิเคราะห์ผลการทดลองมีความแม่นย�ำ น่าเชื่อถือ หลังจากเกริ่นน�ำเป็นที่เรียบร้อยแล้ว ทั้งคู่ก็แสดงสิ่งที่ค้นพบให้เราเห็น นั่นอย่างไรล่ะ กราฟจ�ำนวนมากที่ดูไม่สลักส�ำคัญอะไรในสายตาของผู้ที่ไม่คุ้นเคย กับงานด้านนี้ แต่สิ่งหนึ่งที่กราฟเหล่านั้นมีเหมือนกันคือ จ�ำนวนเหตุการณ์ (จ�ำนวนอนุภาค ที่เกิดจากการชน 1 ครั้ง) ที่พลังงานค่าหนึ่งมีจ�ำนวนมากเหนือความคาดหมาย นักฟิสิกส์ ทุกคนที่เข้าฟังการบรรยายรู้โดยทันทีว่ามันหมายถึงอนุภาคชนิดใหม่ แอลเอชซีท�ำให้เรา เห็นเสี้ยวหนึ่งของธรรมชาติที่ไม่มีใครเคยเห็นมาก่อน อินแคนเดลาและจิอาน็อตติอธิบาย ขั้นตอนการวิเคราะห์ทางสถิติที่ซับซ้อนซึ่งใช้แยกเหตุการณ์จริงออกจากเหตุการณ์ที่เกิด จากความคลาดเคลื่อนทางสถิติ และผลการทดลองที่ทั้งคู่แสดงยืนยันตรงกันว่ามีอนุภาค ชนิดใหม่เกิดขึ้นจริงๆ เสียงปรบมือดังขึ้นทั่วหอประชุม ทั้งในเจนีวา เมลเบิร์น และที่อื่นๆ ทั่วโลก ข้อมูล ที่น�ำเสนอมีความแม่นย�ำและชัดเจน จนแม้แต่นักวิทยาศาสตร์ที่ท�ำการทดลองมาเป็นระยะ เวลาหลายปียังตกตะลึง ลิน อีวานส์ (Lyn Evans) นักฟิสิกส์ชาวเวลส์ ผู้รับผิดชอบ น�ำพาแอลเอชซีผ่านพ้นอุปสรรคต่างๆ ไปจนส�ำเร็จลุล่วง ถึงกับประหลาดใจที่สถานีทดลอง ทั้งสองมีผลการทดลองที่สอดคล้องกันอย่างยอดเยี่ยม ในวันนั้นผมก็อยู่ที่เซิร์น ผมปลอมตัวเป็นนักข่าวและนั่งอยู่ในห้องนักข่าวถัดจาก หอประชุมหลัก โดยปกติแล้วนักข่าวมักจะไม่ปรบมือแสดงความยินดีกับข่าวใหม่ๆ แต่ นักข่าวที่อยู่ในห้องนั้นต่างร่วมแสดงความยินดีกับการค้นพบนี้อย่างท่วมท้น นี่ไม่ใช่ความ ส�ำเร็จของเซิร์นหรือวงการฟิสิกส์เท่านั้น แต่มันคือความส�ำเร็จของมนุษยชาติ เราคิดว่าเรารู้ว่าสิ่งที่ถูกค้นพบคืออะไร มันคืออนุภาคมูลฐานที่มีชื่อว่า “ฮิกส์โบซอน” (Higgs boson) : ซึ่งเป็นชื่อที่ถูกตั้งขึ้นตามปีเตอร์ ฮิกส์ (Peter Higgs) นักฟิสิกส์ชาว อังกฤษ ฮิกส์เองก็อยู่ในหอประชุมนั้น ชายวัย 83 และมีทีท่าปลาบปลื้มชัดเจนกล่าวว่า “ผมไม่คิดว่าจะได้เห็นมันเกิดขึ้นในช่วงชีวิตผม” นักฟิสิกส์รุ่นใหญ่คนอื่นๆ ที่น�ำเสนอ ทฤษฎีคล้ายๆ กับฮิกส์ในปี 1964 ต่างก็รวมตัวอยู่ที่นั่น แม้ธรรมเนียมปฏิบัติเกี่ยวกับ การตั้งชื่อทฤษฎีจะไม่ยุติธรรมเสมอไป แต่ช่วงเวลานั้นคือช่วงเวลาที่ทุกคนสามารถเฉลิม ฉลองให้กับการค้นพบนี้ 18 เธียรสิน เลี่ยมสุวรรณ แปล
แล้วฮิกส์โบซอนคืออะไรกันแน่ ฮิกส์โบซอนเป็นอนุภาคมูลฐานในธรรมชาติที่มี อยู่ไม่กี่ตัว นอกจากนี้ฮิกส์ยังเป็นอนุภาคประเภทพิเศษ ในฟิสิกส์อนุภาคยุคใหม่ เรา รู้จักอนุภาค 3 ประเภทด้วยกัน ประเภทแรกคือ อนุภาคของสสารอย่างอิเล็กตรอนและ ควาร์กที่เป็นองค์ประกอบของอะตอม หรือส่วนประกอบของทุกสิ่งทุกอย่างที่เราสามารถ มองเห็น ต่อมาคืออนุภาคของแรงที่เป็นสื่อน�ำแรงโน้มถ่วง แรงแม่เหล็กไฟฟ้า และแรง นิวเคลียร์ซึ่งท�ำให้อนุภาคของสสารยึดอยู่ด้วยกันได้ จากนั้นก็คืออนุภาคฮิกส์ซึ่งถูกจัด อยู่ในประเภทเฉพาะของมันเอง ฮิกส์ไม่ได้มีความส�ำคัญเพียงเพราะว่าเป็นอนุภาคมูลฐานเท่านั้น แต่ยังเป็นเพราะ สิ่งที่มันท�ำให้เกิดขึ้น อนุภาคฮิกส์เกิดจากสนามที่แผ่กระจายไปทั่วอวกาศ ซึ่งถูกเรียกว่า “สนามฮิกส์” เมื่อทุกสิ่งทุกอย่างในจักรวาลที่เรารู้จักเดินทางล้วนเคลื่อนที่ผ่านสนามฮิกส์ ซึ่งมีอยู่ตลอดเวลาและซ่อนตัวอยู่ไม่ให้เรามองเห็นในพื้นหลัง แต่มันส�ำคัญมาก ถ้าไม่มี ฮิกส์ อนุภาคอิเล็กตรอนและควาร์กจะไม่มีมวลเช่นเดียวกับที่โฟตอนหรืออนุภาคแสงไม่มี มวล อิเล็กตรอนและควาร์กจะเดินทางด้วยความเร็วแสง และคงเป็นไปไม่ได้ที่จะรวมตัว กันเป็นอะตอมหรือโมเลกุล และโอกาสที่จะเกิดสิ่งมีชีวิตอย่างที่เรารู้จักกันก็ยิ่งน้อยลง สนามฮิกส์ไม่ใช่สนามเชิงรุกในทางกลศาสตร์ของสสารทั่วไป แต่การมีอยู่ของสนามฮิกส์ ในพื้นหลังมีความส�ำคัญเป็นอย่างยิ่ง ถ้าไม่มีสนามฮิกส์ โลกของเราคงแตกต่างไปจากที่ เห็นมาก และในตอนนี้เราก็ได้พบมันแล้ว มีค�ำเตือนบางอย่างที่ควรรู้ไว้ สิ่งที่เรามีอยู่ในมือตอนนี้คือหลักฐานส�ำหรับการมี อยู่ของอนุภาคที่มีความคล้ายคลึงกับฮิกส์เป็นอย่างมาก มีมวลเหมือนอนุภาคฮิกส์ เกิดขึ้น และสลายตัวตามที่เราคาดการณ์ไว้อย่างคร่าวๆ แต่ยังเร็วเกินไปที่จะด่วนสรุปว่า อนุภาค ที่เราค้นพบนั้นคืออนุภาคฮิกส์ซึ่งได้รับการท�ำนายโดยทฤษฎีดั้งเดิม มันอาจจะเป็นอะไร ที่ซับซ้อนกว่านั้น หรืออาจจะเป็นส่วนหนึ่งของเครือข่ายที่ซับซ้อนของอนุภาคที่เกี่ยวข้อง แต่เราสามารถยืนยันได้ว่า เราได้ค้นพบอนุภาคชนิดใหม่ซึ่งประพฤติคล้ายกับอนุภาคฮิกส์ ที่เราคิดไว้ ส�ำหรับหนังสือเล่มนี้ ผมจะถือว่าวันที่ 4 กรกฎาคม 2012 คือวันที่การค้นพบ อนุภาคฮิกส์ได้ถูกประกาศขึ้นเป็นครั้งแรก ถ้าความจริงซับซ้อนกว่านั้นก็ให้ถือว่าเป็นเรื่อง ดีส�ำหรับทุกคน เพราะนักฟิสิกส์มีชีวิตเพื่อที่จะพบกับเรื่องน่าประหลาดใจ มีความหวังกันสูงว่าการค้นพบฮิกส์จะเป็นตัวแทนการเริ่มต้นยุคใหม่ของฟิสิกส์ อนุภาค เรารู้ว่ายังมีฟิสิกส์ที่เรายังไม่เข้าใจในตอนนี้ การศึกษาฮิกส์ท�ำให้เราเปิดประตู ไปสู่โลกใหม่ซึ่งยังไม่เคยมีใครเห็น นักฟิสิกส์เชิงทดลองอย่างจิอาน็อตติหรืออินแคนเดลา มีตัวอย่างใหม่ๆ ให้ทดลอง นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีอย่างฮิวเอตต์มีข้อมูลส�ำหรับใช้ในการ สร้างแบบจ�ำลองที่ดียิ่งขึ้น ความเข้าใจของเราเกี่ยวกับจักรวาลได้ก้าวไปข้างหน้าอย่างยิ่ง ใหญ่อีกขั้นหลังจากที่รอคอยเป็นระยะเวลานาน อนุภาคสุดขอบจักรวาล 19
นี่คือเรื่องราวของผู้คนที่ทุ่มเทชีวิตให้กับการค้นพบธรรมชาติขั้นสูงสุดของความจริง โดยมีฮิกส์เป็นองค์ประกอบส�ำคัญ เรามีนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีที่นั่งอยู่กับดินสอและกระดาษ เติมพลังด้วยกาแฟเอสเปรสโซ โต้เถียงอย่างเผ็ดร้อนกับเพื่อนร่วมงาน และเริ่มต้นแนวคิด ที่เป็นนามธรรมในสมองของพวกเขา เรามีวิศวกรที่พยายามสร้างเครื่องมือและอุปกรณ์ อิเล็กทรอนิกส์ให้ดีกว่าเทคโนโลยีที่มีในปัจจุบัน เหนือสิ่งอื่นใด เรามีนักฟิสิกส์เชิงทดลอง ที่ใช้อุปกรณ์เครื่องมือและแนวคิดทางทฤษฎีในการค้นหาสิ่งใหม่ๆ เกี่ยวกับธรรมชาติ ฟิสิกส์ยุคใหม่ขั้นสูงเกี่ยวข้องกับโครงการที่มีมูลค่าหลายพันล้านดอลลาร์ ซึ่งใช้เวลาหลาย ทศวรรษในการท�ำให้ส�ำเร็จ ต้องใช้ทั้งความทุ่มเทอย่างแรงกล้าและความเต็มใจที่จะวาง เดิมพันสูงๆ ส�ำหรับผลตอบแทนที่มีความพิเศษ เมื่อทุกอย่างที่กล่าวมานี้มารวมกันโลก ก็จะเปลี่ยนไป ชีวิตเรานั้นช่างดี...มาดื่มแชมเปญกันอีกซักแก้วดีกว่า
20 เธียรสิน เลี่ยมสุวรรณ แปล