วันก่อนเรียนฟิสิกส์ อาจารย์ถามว่าสสารมีกี่สถานะ เพิ่งรู้เหมือนกันว่าตอนนี้มีสถานะที่ 5 ด้วย (ตกข่าวรึป่าวเนี่ย) อยากทราบรายละเอียดของสถานะที่ 5 น่ะค่ะ ฟังมาจากอาจารย์คร่าว ๆ ว่า ที่อุณหภูมิต่ำ ๆ ๆ ๆ ๆ อะตอมจะสามารถอยู่ด้วยกันในอะตอมเดียวได้ ฟังแล้วงงนะคะ เรียกว่า โบน-ไอสไตล์ หรืออะไรซักอย่าง ใครรู้ช่วยบอกทีนะคะ
เป็นสถานะที่แยกออกมาจากพลาสมา (plasma) อีกทีหนึ่งครับ เพื่ออธิบายปรากฏการณ์โคโรนา (corona) ของดวงอาทิตย์ ส่วนที่บอกว่าเป็นอันเดียวกับ Bose-Einstein condensate นั้นอาจจะไม่ใช่ครับ จริง ๆ แล้วเราอาจจัดแบ่งสถานะของสสารได้เป็น 6 สถานะ คือ
สถานะ 0 : Bose-Einstein condensate
สถานะ 1 : ของแข็ง (solid)
สถานะ 2 : ของเหลว (liquid)
สถานะ 3 : ก๊าซ (gas)
สถานะ 4 : พลาสมา (plasma)
สถานะ 5 : ฟิลาเมนต์ (filament)
ข้อแตกต่างระหว่างสถานะ 0 กับ 5 ก็คือ การเคลื่อนที่ครับ
สสารในสถานะ 0 ไม่มีการเคลื่อนที่เลย
แต่ในสถานะ 5 ยังเคลื่อนที่ แต่ในทิศทาง 1 มิติ เท่านั้น ไม่ใช่ใน 3 มิติ อย่างสถานะที่ 1 3
ข้อแตกต่างอีกประการก็คือระดับพลังงานของสถานะที่ 0 จะประมาณศูนย์
แต่ในกรณีของฟิลาเมนต์นั้น จะอยู่ในระดับที่น้อยกว่า 1026 อิเล็คตรอนโวลต์ครับ
อ่านเอกสารอ้างอิงเพิ่มเติม ที่นี่ครับ ^ ^
ไอเดียเรื่องของสถานะที่ศูนย์นั้น คิดกันมาตั้งแต่ ค.ศ. 1920 แล้วครับ โดยที่ ไอน์สไตน์ช่วยพัฒนาความคิดของ Satyendra Nath Bose ว่าก๊าซที่อุณหภูมิต่ำมาก ๆ จะประพฤติตนอย่างไร ซึ่งที่ทำนายกันไว้ก็คือ เราจะไม่ สามารถแยกความแตกต่างระหว่างอะตอมของธาตุต่างชนิดกันได้เลย ซึ่ง Eric Cornell และ Carl Wieman พิสูจน์ให้เห็นในปี ค.ศ. 1995 โดยใช้เทคนิคที่มีชื่อว่า evaporative cooling จนอุณหภูมิของก๊าซลดต่ำลง ถึง หนึ่งในล้านเคลวิน (1/1,000,000 K) โดยใช้อะตอมของรูบิเดียม (Rb) ครับ คุณสามารถหาอ่านเรื่องนี้ เพิ่ิมเติมได้จากเวปไซต์ฟิสิกส์ทั่วไป ^ ^
ผมจะอธิบายในส่วนของสถานะที่ 0 (ฺBose Einstein Condensate) ครับ เนื้อหาส่วนใหญ่ได้มาจากเวปไซต์ของมหาวิทยาลัยโคโรลาโด สหรัฐอเมริกา ครับ
จากการศึกษาการประพฤติตนของอะตอมที่อุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์ (absolute zero temperature) นักฟิสิกส์สองท่านจากมหาวิทยาลัยโคโรลาโด (Boulder) คือ Cornell & Wieman พิสูจน์ว่าสถานะที่ศูนย์นั้นมีอยู่จริง ตามทฤษฎีที่ไอนสไตน์ และโบส เสนอไว้เมื่อ 80 ปีก่อนหน้านั้นการลดอุณหภูมิให้ต่ำลงขนาดนั้น ต้องใช้เครื่องมือชนิดพิเศษ (ราคาประมาณ 4 ล้านบาท),ซึ่งเครื่องมือนี้มีการประยุกต์ใช้แสงเลเซอร์ และสนามแม่เหล็กด้วยครับ
เขาตรวจสอบการจัดเรียงตัวของอะตอมด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็คตรอนครับ ดังภาพประกอบข้างล่างในการทดลองเขาลดอุณหภูมิจาก 500 นาโนเคลวิน จนถึง 40 นาโนเคลวิน แล้วจับภาพกลุ่มหมอกของอะตอมออกมา (ไม่ใช่เป็นภาพของอะตอมจริง ๆ ครับ แต่ใช้วิธีวัดแสงที่อะตอมสะท้อนออกมาสู่เครื่องวัดอีกทีหนึ่ง ก่อนจะแสดงผลออกมา) จะเห็นว่าที่อุณหภูมิต่ำมี peak เกิดขึ้น ซึ่งแสดงให้เห็นว่าเกิดBose-Einstein Condensate ขึ้นครับ การแปลผลต้องใช้ความรู้เรื่องหลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบอร์ก (Heisenberg's uncertainty principle) ด้วย ^ ^
