นักบินอวกาศจีนบันทึกสถิติ ‘อุณหภูมิต่ำสุด’ จนใกล้ศูนย์สัมบูรณ์

วิทยาศาสตร์ของโลกได้ก้าวข้ามขีดจำกัดครั้งใหม่ เมื่อทีมนักวิทยาศาสตร์และนักบินอวกาศชาวจีนประสบความสำเร็จในการสร้าง ‘อุณหภูมิที่เย็นที่สุดเท่าที่เคยบันทึกไว้ในประวัติศาสตร์’ บนสถานีอวกาศเทียนกง ซึ่งนับเป็นครั้งแรกที่มีการทำลายสถิตินี้ในอวกาศ โดยทำอุณหภูมิได้ต่ำกว่าสถิติเดิมบนโลกถึงเกือบ 4 เท่า

มนุษย์สร้างอุณหภูมิที่ติดลบจนท้าทายธรรมชาติได้อย่างไร?

ในทางฟิสิกส์ ‘ความร้อน’ เกิดจากการที่อะตอมวิ่งชนกันไปมา ยิ่งอะตอมวิ่งเร็ว ข้อมูลก็ยิ่งร้อน แต่ในทางกลับกัน ถ้าเราทำให้อะตอมหยุดวิ่ง อุณหภูมิก็จะยิ่งเย็นลง จนเข้าใกล้จุดที่เรียกว่า ‘ศูนย์สัมบูรณ์’ (Absolute Zero) หรืออุณหภูมิที่ต่ำที่สุดในทางทฤษฎีที่เป็นไปได้ของจักรวาล โดยมีค่าเท่ากับ 0 เคลวิน (K) หรือคิดเป็น -273.15 องศาเซลเซียส (°C) (ลองนึกภาพดูได้ว่าจุดที่หนาวที่สุดของโลก มีอุณหภูมิต่ำสุดราว -93.2 องศาเซลเซียสเท่านั้น)

ทีมวิจัยจีนจึงขนอุปกรณ์ขึ้นไปทดลองบนสถานีอวกาศเทียนกง เพื่อหลบแรงโน้มถ่วงของโลก แล้วใช้เทคนิคสร้างความเย็นเป็น 2 ขั้นตอน:

1. ใช้เลเซอร์ยิงดักหน้าอะตอม เพื่อตรึงและสกัดไม่ให้อะตอมรูบิเดียม 20,000 ตัวเคลื่อนไหว เมื่อพวกมันโดนยิงจนเกือบหยุดนิ่ง พลังงานความร้อนก็วูบลงเหลือแค่ 6 นาโนเคลวิน (0.000000006 เคลวิน หรือ -273.149999994 องศาเซลเซียส)
2. ปล่อยให้ขยายตัวในสภาวะไร้น้ำหนักของอวกาศ เมื่ออนุภาคคลี่ตัวออกช้าๆ นาน 7 วินาที พลังงานที่เหลืออยู่ก็กระจายตัวออกไปอีก จนอุณหภูมิดิ่งลงไปแตะ 9.7 พิโคเคลวิน (0.0000000000097 เคลวิน หรือ 273.14999999999026 องศาเซลเซียส) ซึ่งเป็นระดับที่เกือบจะหยุดนิ่งสมบูรณ์แบบ และหนาวเย็นที่สุดเท่าที่มนุษย์เคยทำได้ในประวัติศาสตร์

ทำไมต้องพยายามสร้างอุณหภูมิที่ ‘เย็นสุดขั้ว’ ขนาดนี้?

การเฉียดเข้าใกล้ ‘ศูนย์สัมบูรณ์’ ไม่ได้เป็นเพียงเรื่องของการทำลายสถิติโลก แต่มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อวงการฟิสิกส์สมัยใหม่ เพราะเมื่อแก๊สถูกทำให้เย็นจัด อนุภาคจะรวมตัวกันเกิดสภาวะพิเศษที่เรียกว่า ‘ควบแน่นโบส-ไอน์สไตน์’ (Bose-Einstein Condensate: BEC) ซึ่งเป็นสถานะที่อะตอมนับล้านแสดงพฤติกรรมทางควอนตัมร่วมกันเหมือนเป็นอะตอมขนาดใหญ่เพียงตัวเดียว

สภาวะดังกล่าว เปิดโอกาสให้นักวิทยาศาสตร์สามารถศึกษากฎเกณฑ์ทางควอนตัมในระดับที่มองเห็นและตรวจวัดได้ง่ายขึ้นอย่างที่ไม่เคยทำได้มาก่อน นอกจากนี้ เทคโนโลยีความเย็นสุดขั้วยังถูกคาดหวังว่าจะกลายเป็นกุญแจสำคัญในการไขปริศนา ‘พลังงานมืด’ (Dark Energy) ที่ครอบคลุมจักรวาล รวมถึงการยกระดับการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงในอวกาศให้มีความแม่นยำสูงขึ้นอีกด้วย

ก้าวข้ามข้อจำกัด ‘แรงโน้มถ่วงโลก’ สู่ชัยชนะในอวกาศ

ยามที่นักวิจัยพยายามทดลองเรื่องนี้บนพื้นโลก แรงโน้มถ่วงของโลกกลับกลายเป็นอุปสรรคสำคัญในการรักษาสภาพความเย็น เพราะการดึงอะตอมไม่ให้ร่วงหล่นจำเป็นต้องใช้สนามแม่เหล็กหรือคลื่นดักจับ ซึ่งส่งผลให้เกิดความเร่งและความโค้งมนสะสม จนจำกัดความเย็นบนโลกไว้ที่ราว 350 พิโคเคลวิน แม้จะพยายามแก้ปัญหาโดยการปล่อยอะตอมดิ่งลงมาจากหอสูง หรือทดลองบนเครื่องบินที่บินด้วยสภาวะไร้แรงโน้มถ่วง แต่วิธีเหล่านั้นก็รักษาอุณหภูมิระดับ 38 พิโคเคลวิน ไว้ได้เพียง 2 วินาทีเท่านั้นก่อนจะตกถึงพื้น

สภาพแวดล้อมไร้น้ำหนักบนวงโคจรของสถานีอวกาศ จึงกลายเป็นห้องทดลองที่สมบูรณ์แบบที่สุดในการดักจับและหน่วงการเคลื่อนที่ของอะตอมในระยะเวลานานขึ้น แม้ว่าในปี 2022 ห้องปฏิบัติการอะตอมเย็นบนสถานีอวกาศนานาชาติ (ISS) จะเคยทำความเย็นได้ถึง 52 พิโคเคลวินเป็นเวลา 1 วินาที แต่สถิติใหม่ 9.7 พิโคเคลวิน นาน 7 วินาทีของจีนในครั้งนี้ ก็นับเป็นการทุบสถิติโลกอย่างทรงพลัง

ดังนั้น การค้นพบครั้งนี้จึงไม่แค่การตอกย้ำความก้าวหน้าอย่างก้าวกระโดดด้านเทคโนโลยีอวกาศและฟิสิกส์ควอนตัมของจีน แต่ยังเป็นการเปิดประตูสู่ยุคใหม่ของการสำรวจความลับแห่งจักรวาลผ่านมิติของสภาวะควอนตัมสุดขั้วในอวกาศอีกด้วย