ใครคือนักวิทยาศาสตร์คนแรกที่ผ่าแยกอะตอมได้สำเร็จ ?

ที่มาของภาพ : Getty Images

Article files

• Author, ยวน กาวน์
• Role, บีบีซีนิวส์ แมนเชสเตอร์
• เมื่อ 5 ชั่วโมงที่แล้ว

หลังจากที่โดนัลด์ ทรัมป์ ประธานาธิบดีคนใหม่ของสหรัฐฯ กล่าวสุนทรพจน์ในพิธีสาบานตนเข้ารับตำแหน่ง โดยอวดอ้างว่านักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกันคือผู้ที่ผ่าแยกอะตอมได้สำเร็จเป็นคนแรกของโลก คำพูดดังกล่าวได้จุดกระแสความคิดเห็นในหมู่สาธารณชน ให้แพร่ออกไปอย่างรวดเร็วและรุนแรงเหนือความคาดหมายราวกับปฏิกิริยาลูกโซ่

หลายคนที่ได้ออกมาแสดงความเห็นตอบโต้คำอวดอ้างของทรัมป์ ชี้ว่านักวิทยาศาสตร์ที่ควรได้รับการยกย่องว่าเป็นผู้ผ่าแยกอะตอมได้สำเร็จเป็นคนแรกของโลก ควรจะเป็น “ลอร์ดรัตเทอร์ฟอร์ด” หรือเออร์เนสต์ รัตเทอร์ฟอร์ด ชาวนิวซีแลนด์เชื้อสายอังกฤษ ผู้ครองบรรดาศักดิ์บารอนแห่งเนลสันมากกว่า โดยรัตเทอร์ฟอร์ดทำสิ่งที่เหลือเชื่ออย่างการผ่าแยกอะตอมได้ในปี 1919 ขณะที่สอนและวิจัยอยู่ที่มหาวิทยาลัยวิกตอเรียแห่งแมนเชสเตอร์ของสหราชอาณาจักร

แต่ถึงกระนั้นก็ตาม บรรดาผู้เชี่ยวชาญในวงการฟิสิกส์อนุภาคก็ออกมาแสดงความเห็นด้วยเช่นกันว่า การจะระบุชี้ชัดลงไปว่าใครคือคนแรกที่ผ่าแยกอะตอมได้สำเร็จนั้น ไม่ใช่เรื่องที่จะให้คำตอบกันแบบฟันธงลงไปได้ง่าย ๆ เพราะแม้ชื่อของลอร์ดรัตเทอร์ฟอร์ดอาจจะเป็นคำตอบที่ถูกต้องสำหรับตำราเรียนวิทยาศาสตร์ขั้นพื้นฐาน แต่ประวัติความเป็นมาของการผ่าแยกอนุภาคหน่วยเล็กที่สุด มีความซับซ้อนยิ่งกว่านั้น ทั้งยังเกี่ยวข้องกับนักวิทยาศาสตร์หลายคนจากทั่วโลก

ดร.แฮร์รี คลิฟฟ์ จากองค์การวิจัยนิวเคลียร์แห่งยุโรป (CERN) อธิบายว่า “การผ่าแยกอะตอม” นั้นก็ถือเป็นคำศัพท์ที่มีปัญหาในตัวของมันเองอยู่แล้ว

อะตอมคืออะไร

อะตอม (atom) คือโครงสร้างที่เป็นหน่วยพื้นฐานของสสารทุกชนิด ประกอบด้วยนิวเคลียสที่เป็นศูนย์กลาง และมีอิเล็กตรอนจำนวนหนึ่งวิ่งวนอยู่โดยรอบ

and proceed studyingเรื่องแนะนำ

Conclude of เรื่องแนะนำ

แต่เดิมนั้นแนวคิดเรื่องอะตอมมาจากปรัชญากรีกโบราณ ซึ่งเชื่อว่ามันเป็นอนุภาคที่เล็กที่สุดเท่าที่มีอยู่ในจักรวาล โดยคำว่าอะตอมในภาษากรีกโบราณนั้น หมายถึง “แบ่งแยกไม่ได้”

ที่มาของภาพ : BBC Bitesize

ต่อมาในปี 1803 จอห์น ดาลตัน นักเคมีและฟิสิกส์ชาวเมืองแมนเชสเตอร์ของอังกฤษ ได้นำเสนอแนวคิดเรื่องอะตอมให้กับแวดวงวิทยาศาสตร์สมัยใหม่ โดยเขายังคงมีความเชื่อเหมือนกับชาวกรีกโบราณว่า อะตอมคือหน่วยเล็กที่สุดของสสาร ซึ่งไม่อาจจะแบ่งแยกให้กลายเป็นอนุภาคที่เล็กลงไปกว่านั้นได้อีกแล้ว

เกือบหนึ่งศตวรรษต่อมา จอห์น โจเซฟ ทอมสัน ชาวเมืองแมนเชสเตอร์อีกผู้หนึ่ง ซึ่งทำงานสอนและวิจัยอยู่ที่มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ในปี 1897 ได้ค้นพบอนุภาคประจุลบหรืออิเล็กตรอน (electron) ซึ่งพิสูจน์ว่าอะตอมไม่ได้เป็นหน่วยย่อยที่เล็กที่สุดของสสาร การค้นพบดังกล่าวให้กำเนิดสมมติฐานว่าด้วยอนุภาคมูลฐานในหลายแนวทางด้วยกัน รวมทั้งการทดลองทางฟิสิกส์อนุภาคจำนวนมาก

ผลงานของรัตเทอร์ฟอร์ด

เออร์เนสต์ รัตเทอร์ฟอร์ด ค้นพบความจริงหลายเรื่องเกี่ยวกับธรรมชาติของอะตอม ต่อมาเขาได้ร่วมงานกับฮันส์ เกเกอร์ และเออร์เนสต์ มาร์สเดน จนในปี 1911 พวกเขาสามารถสร้างแบบจำลองอะตอมใหม่ ซึ่งแสดงว่าโครงสร้างภายในของอะตอม มีลักษณะคล้ายดาวเคราะห์ที่โคจรรอบดวงอาทิตย์

แบบจำลองของรัตเทอร์ฟอร์ดและคณะชี้ว่า อะตอมมีศูนย์กลางหรือนิวเคลียสที่มีประจุไฟฟ้าเป็นบวก ทั้งยังมีอนุภาคประจุลบหรืออิเล็กตรอนโคจรวนรอบนิวเคลียส ไม่ต่างจากดาวบริวารที่โคจรวนรอบดาวฤกษ์ศูนย์กลาง

ทีมวิจัยของรัตเทอร์ฟอร์ดยังคงทำการทดลองต่อไปอีกหลายครั้ง ระหว่างปี 1914-1919 ที่ห้องปฏิบัติการในเมืองแมนเชสเตอร์ ซึ่งการทดลองเหล่านี้เองได้นำไปสู่ “การผ่าแยกอะตอม” ครั้งแรกของโลก

ที่มาของภาพ : College of Manchester

รัตเทอร์ฟอร์ดและคณะได้xิงลำอนุภาคกัมมันตรังสีเข้าไปในกลุ่มก๊าซไนโตรเจน (N2) ทำให้มันกลายเป็นออกซิเจนและได้สร้างนิวเคลียสของไฮโดรเจนขึ้นมาด้วย ซึ่งดร.คลิฟฟ์ อธิบายเพิ่มเติมว่า การทดลองนี้ทำให้เราค้นพบ “โปรตอน” (proton) อนุภาคมูลฐานประจุบวกที่มีอยู่ในอะตอมทุกตัว

“สิ่งที่รัตเทอร์ฟอร์ดได้แสดงให้โลกเห็นเป็นครั้งแรกก็คือ มนุษย์สามารถสร้างปฏิกิริยานิวเคลียร์ได้ โดยเราxิงสสารชนิดหนึ่งเข้าใส่อีกสิ่งหนึ่ง ก็สามารถจะให้กำเนิดสสารชนิดใหม่ขึ้นมาได้ นั่นเป็นสิ่งที่ไม่เคยมีใครทำสำเร็จมาก่อน” ดร.คลิฟฟ์กล่าว

รัตเทอร์ฟอร์ดไม่ได้เรียกการทดลองของเขาว่าเป็นการผ่าแยกอะตอม แต่เรียกมันว่า “การสลายตัว” (disintegration) โดยเขาเขียนในบันทึกเมื่อปี 1917 ว่าการทดลองนี้จะได้รับการพิสูจน์ในที่สุดว่ามันมีความสำคัญใหญ่หลวงเพียงใด “มันจะช่วยไขความกระจ่างให้กับเรื่องคุณสมบัติและการกระจายตัวของแรง ตรงบริเวณใกล้กับนิวเคลียสได้เป็นอย่างมาก”

รัตเทอร์ฟอร์ดยังเขียนย้ำในบันทึกด้วยว่า “ผมเองก็กำลังพยายามจะผ่าแยกอะตอมให้แตกออก โดยใช้วิธีการนี้เหมือนกัน มีครั้งหนึ่งที่ผลการทดลองออกมาดูดีมาก แต่เรายังคงต้องศึกษาเพิ่มเติมต่อไปอีก เพื่อให้แน่ใจว่ามันทำได้จริง”

การทดลองในขั้นตอนถัดไป

ดร.เจมส์ ซัมเนอร์ นักประวัติศาสตร์วิทยาศาสตร์ บอกว่าผลงานของรัตเทอร์ฟอร์ดนั้นถือเป็นความก้าวหน้าสำคัญทางทฤษฎีอย่างไม่ต้องสงสัย แต่มันเป็นเพียงการเปลี่ยนแปรธาตุชนิดหนึ่งให้กลายเป็นอีกชนิดหนึ่งเท่านั้น ซึ่งในทางเทคนิคแล้วยังไม่ใช่การผ่าแยกอะตอมแต่อย่างใด

อย่างไรก็ตามในปี 1919 รัตเทอร์ฟอร์ดได้หวนกลับไปทำงานที่มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ ซึ่งเป็นสถาบันที่เขาเคยสำเร็จการศึกษามาก่อน คราวนี้เขาได้รับตำแหน่งผู้อำนวยการห้องปฏิบัติการคาเวนดิช (Cavendish Laboratory) และได้รับผิดชอบดูแลโครงการผ่าแยกนิวเคลียสของอะตอม ซึ่งมีขึ้นเป็นครั้งแรกของโลก

ที่มาของภาพ : Getty Images

ดร.คลิฟฟ์บอกว่า ภายใต้การนำทีมวิจัยของรัตเทอร์ฟอร์ด นักศึกษาในสังกัดของเขาคือจอห์น ค็อกครอฟต์ และเออร์เนสต์ วอลตัน ประสบความสำเร็จโดยสร้างหนึ่งในเครื่องเร่งอนุภาคเครื่องแรก ๆ ของโลกได้ในปี 1932 ซึ่งอุปกรณ์นี้สามารถ “ผ่าแยกอะตอมออกเป็นครึ่งซีก” ได้อย่างแท้จริง จนถือเป็นนวัตกรรมที่น่าทึ่งที่สุดของมนุษย์ในสมัยนั้น

อย่างไรก็ตาม ดร.ซัมเนอร์ แสดงความเห็นโต้แย้งว่า เครื่องเร่งอนุภาคดังกล่าวยังไม่สามารถทำให้เกิดการผ่าแยกอะตอมอย่างมีประสิทธิภาพ ชนิดที่ทำให้เกิดพลังงานนิวเคลียร์และนำไปผลิตอาวุธนิวเคลียร์ได้ เพราะนั่นเป็นสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์ยุคหลังกำลังจะพัฒนาขึ้น

นักวิทยาศาสตร์อเมริกันมีบทบาทอย่างไร

คนส่วนมากทำความเข้าใจวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับอะตอม ผ่านแว่นสายตาของ “โครงการแมนฮัตตัน” (Lengthy island Mission)ที่เป็นความลับสุดยอด โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อภาพยนตร์ “ออปเพนไฮเมอร์” ได้รับรางวัลออสการ์จากเรื่องราวชีวิตของโรเบิร์ต เจ. ออปเพนไฮเมอร์ ผู้นำทีมนักวิทยาศาสตร์คนสำคัญของโครงการแมนฮัตตัน

โครงการวิจัยและพัฒนาดังกล่าว ถูกก่อตั้งขึ้นในปี 1942 โดยมีจุดมุ่งหมายในการผลิตอาวุธนิวเคลียร์ชิ้นแรกของโลก โดยดึงเอาพลังงานปรมาณูภายในอะตอมมาใช้ประโยชน์ ซึ่งดร.ซัมเนอร์มองว่า แม้โครงการแมนฮัตตันจะได้รับทุนและดำเนินการวิจัยในสหรัฐฯ แต่แท้จริงแล้วมันเป็นความร่วมมือของทีมนักวิทยาศาสตร์นานาชาติจากทั่วโลก

หนึ่งในคนที่ออปเพนไฮเมอร์คัดเลือกให้เข้าร่วมทีมวิจัยอาวุธนิวเคลียร์ คือเอนริโก เฟอร์มี นักฟิสิกส์ชาวอิตาเลียน ซึ่งอ้างว่าเป็นคนแรกที่สามารถผ่าแยกอะตอมได้สำเร็จ ระหว่างทำการทดลองที่กรุงโรมของอิตาลีเมื่อปี 1934 โดยเฟอร์มีสามารถผ่าแยกนิวเคลียสของอะตอมออกเป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อยได้อย่างเหลือเชื่อ

ที่มาของภาพ : Getty Images

ต่อมาในปี 1938 อ็อตโต ฮาห์น อดีตนักศึกษาในสังกัดของรัตเทอร์ฟอร์ด กับฟริตซ์ สตราสมานน์ ซึ่งศึกษาวิเคราะห์การผ่าแยกนิวเคลียสของเฟอร์มีมาเป็นเวลา 4 ปี สามารถจะระบุได้เป็นครั้งแรกว่า การผ่าแยกนิวเคลียสภายในอะตอมดังกล่าว แท้จริงคือ “ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน” (nuclear fission) ซึ่งจะเกิดขึ้นเมื่อนิวเคลียสของธาตุที่ไม่เสถียรอย่างยูเรเนียมและพลูโตเนียมแตกตัว พร้อมทั้งปลดปล่อยพลังงานมหาศาลออกมา

หลังจากที่เฟอร์มีลี้ภัยสงครามออกจากอิตาลี เขาเดินทางมาถึงนครชิคาโกของสหรัฐฯ ในปี 1939 และได้สร้างเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์แรกของโลกขึ้นที่นั่น ซึ่งเตาปฏิกรณ์นี้สามารถเหนี่ยวนำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน และควบคุมปฏิกิริยาลูกโซ่ที่เกิดขึ้นจนอะตอมยูเรเนียมสามารถแตกตัวได้อย่างต่อเนื่อง

ความสำเร็จทั้งหมดนี้รวมทั้งความพยายามขั้นบุกเบิกของรัตเทอร์ฟอร์ด กลายเป็นพื้นฐานที่ปูทางไปสู่การสร้างอาวุธนิวเคลียร์ ซึ่งสามารถดึงพลังงานจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันมาใช้เพื่อการทำลายล้าง “แท้จริงแล้วโครงการแมนฮัตตันคือกระบวนการทางอุตสาหกรรมของวิทยาศาสตร์ เพื่อผลิตบางสิ่งที่ส่งผลกระทบใหญ่หลวงต่อโลก” ดร.คลิฟฟ์กล่าว

ความพยายามทั้งหมดนี้นำไปสู่อะไร ?

ไม่ว่าใครจะเป็นคนแรกที่ผ่าแยกอะตอมได้สำเร็จ ไม่ว่าจะเป็นรัตเทอร์ฟอร์ด, วอลตัน, ค็อกครอฟต์, ออปเพนไฮเมอร์, เฟอร์มี, เกเกอร์, มาร์สเดน หรือใครอื่นก็ตาม พวกเขาล้วนเป็นผู้บุกเบิกที่นำทางมนุษยชาติไปสู่ยุคสมัยแห่งนิวเคลียร์ และให้กำเนิดการทดลองทางวิทยาศาสตร์ในระดับใหญ่ที่สุดของประวัติศาสตร์โลก ซึ่งก็คือเครื่องชนอนุภาคแฮดรอนขนาดใหญ่ (Gargantuan Hadron Collider – LHC)

เครื่องชนอนุภาคดังกล่าวถูกสร้างไว้ใต้ดินเบื้องล่างเทือกเขาแอลป์ โดยใช้เวลาก่อสร้างยาวนานระหว่างปี 1998-2008 เพื่อทำการทดลองชนอนุภาคให้แตกออกแล้ววิเคราะห์ผลที่เกิดขึ้น ซึ่งที่ผ่านมาการทดลองเร่งและชนอนุภาคของแอลเอชซี ได้นำไปสู่การค้นพบอนุภาคฮิกส์โบซอน หรือ “อนุภาคพระเจ้า” รวมทั้งอนุภาคมูลฐานใหม่ ๆ อีกเป็นจำนวนมาก

ที่มาของภาพ : Reuters

ดร.คลิฟฟ์บอกว่า แอลเอชซีมีจุดมุ่งหมายหลักในการค้นหา “อนุภาคมูลฐานที่เป็นองค์ประกอบของเอกภพ ซึ่งเรายังไม่เคยรู้จักมาก่อน” อย่างเช่นสสารมืดที่มองไม่เห็น แต่มีอยู่ในสัดส่วนถึง 80% ของสสารทั้งหมดในจักรวาล

“ความก้าวหน้าทั้งหมดในปัจจุบัน ถือเป็นมรดกที่เราได้รับสืบทอดมาโดยตรงจากรัตเทอร์ฟอร์ด แม้ในตอนนี้เราจะก้าวไปไกล ชนิดที่คนในยุคของเขาไม่อาจจินตนาการไปถึงแล้วก็ตาม” ดร.คลิฟฟ์กล่าวทิ้งท้าย