ฮีเลียมเราหลายคนคงไม่ตระหนักว่า เอกภพของเรานี้มีธาตุฮีเลียม (helium) มากเป็นอันดับสองรองจากไฮโดรเจน (hydrogen) แต่การรู้ข้อมูลนี้ก็นำมาซึ่งคำถามต่อว่า ถ้าฮีเลียมมีมากจริง แล้วเหตุใดมนุษย์จึงเพิ่งพบฮีเลียมเมื่อ 114 ปีก่อนนี้เอง
คำตอบก็คือ ฮีเลียมเป็นธาตุเฉื่อย ที่ไม่ชอบทำปฏิกิริยาเคมีกับธาตุอื่น ดังนั้นเราจึงไม่พบฮีเลียมในสารประกอบใดๆ นอกจากนี้ฮีเลียมก็มีความหนาแน่นน้อยมากด้วย ดังนั้นเวลาถูกปล่อยเป็นอิสระมันจะลอยขึ้นฟ้า แล้วหนีหายไปในอวกาศ
การศึกษาประวัติความเป็นมาของฮีเลียม แสดงให้เรารู้ว่า มันเป็นธาตุที่มนุษย์พบบนดวงอาทิตย์ก่อนที่จะพบบนโลก เพราะบุคคลที่เห็นฮีเลียมเป็นคนแรกคือ Norman Lockyer นักดาราศาสตร์ชาวอังกฤษ ผู้มีความสามารถหลายด้าน เช่น เขียนกฎการแข่งขันกอล์ฟที่สนาม St. Andrew เป็นผู้จัดตั้งพิพิธภัณฑ์วิทยาศาสตร์ (Science Museum) ที่ลอนดอน และเป็นบรรณาธิการของวารสาร Nature ด้วย
Kamerlingh Onnes
โดยในวันที่ 20 ตุลาคม พ.ศ. 2411 Lockyer ได้ส่องกล้องโทรทัศน์ขนาด 6 นิ้ว ตรงไปที่ดวงอาทิตย์แล้วตรวจสเปกตรัม (spectrum) หรือแถบแสงสีต่างๆ ด้วยอุปกรณ์ spectroscope และ Lockyer ก็รู้สึกประหลาดใจมากที่เห็นเส้นแสงสีเหลืองเส้นหนึ่งปรากฏในสเปกตรัมของแสง อาทิตย์ เพราะเขาไม่เคยเห็นเส้นแสงเหลืองเส้นนั้นในการทดลองใดๆ ก่อนนั้นเลย ต่อมาในปีเดียวกัน Pierre Jules Cesar Janssen นักดาราศาสตร์ชาวฝรั่งเศสก็ได้รายงานการเห็นเหตุการณ์นี้เช่นกัน
จนอีก 2 ปีต่อมา Lockyer จึงได้เสนอความเห็นว่า เส้นแสงเหลืองนั้นคงมาจากธาตุชนิดหนึ่งบนดวงอาทิตย์ที่นักวิทยาศาสตร์บนโลก ไม่รู้จักมาก่อน การคิดเช่นนี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ หัวเราะเยาะเย้ย Lockyer ว่าเพี้ยน และฟุ้งซ่าน สถานการณ์นี้ได้ทำให้ Lockyer ต้องอดทน และคอยการยืนยันนานหลายปี จนกระทั่ง William Ramsay นักเคมีแห่งสกอตแลนด์ ได้ตอกย้ำว่า สิ่งที่ Lockyer เห็นและคิดนั้น คือความจริง เพราะในเดือนมีนาคม พ.ศ. 2438 ขณะ Ramsay ศึกษาก๊าซที่ clevite (ซึ่งเป็นสารประกอบของยูเรเนียม) ปล่อยออกมา เขาได้เห็นเส้นแสงสีเหลืองนั้นอีก แต่เห็นไม่เด่นชัด เพราะอุปกรณ์ spectroscope ที่เขาใช้มีประสิทธิภาพไม่สูงพอ เขาจึงส่งก๊าซตัวอย่างไปให้ Lockyer และ William Crookes ผู้เป็นนักฟิสิกส์และเคมีที่มีชื่อเสียงในการวิเคราะห์สารดู อีกหนึ่งสัปดาห์ต่อมา Crookes ผู้เชื่อเรื่องโทรจิตก็ได้สรุปว่า ก๊าซที่ให้เส้นแสงสีเหลืองนั้นเป็นก๊าซชนิดเดียวกับที่ Lockyer ได้เคยเห็นเมื่อ 27 ปีก่อน
ทุกวันนี้นักวิทยาศาสตร์ใช้ฮีเลียมในการทำเลเซอร์ และใช้ในเตาอุปกรณ์ปรมาณู อีกทั้งใช้หล่อเลี้ยงให้ความเย็นแก่กล้องโทรทรรศน์ และทำแม่เหล็กตัวนำยวดยิ่ง ฯลฯ ส่วนนักดำน้ำก็ใช้ฮีเลียมปนในออกซิเจนเพื่อหายใจเวลาต้องการดำน้ำลึก
คุณสมบัติที่อัศจรรย์อีกประการหนึ่งของฮีเลียมคือ เวลาอยู่ในสภาพของเหลว และถ้าอุณหภูมิลดต่ำถึง 2.18 องศาสัมบูรณ์ (-271 องศาเซลเซียส) ฮีเลียมเหลวจะกลายเป็นของเหลวยวดยิ่ง (superfluid) ที่สามารถไหลผ่านรูเล็กๆ ได้สะดวกสบายเสมือนไม่มีแรงหนืดใดๆ ต่อต้านเลย หรือจะให้ไหลขึ้นผนังของภาชนะที่เก็บฮีเลียมเหลวก็ทำได้และเพราะฮีเลียมจะ ไม่มีวันเป็นของแข็ง ไม่ว่าอุณหภูมิจะลดเพียงใด ดังนั้น ถ้านรกมีจริง ไฟนรกจะดับก่อนฮีเลียมจะแข็งตัว
ส่วนนักดาราศาสตร์นั้นก็รู้ว่าหลังจากที่ Big Bang ระเบิดได้ 3 นาที ฮีเลียมส่วนใหญ่จะถือกำเนิด และทุกวันนี้ฮีเลียมส่วนมากจะมีพบในดาวฤกษ์ สำหรับฮีเลียมที่พบบนโลก ส่วนใหญ่จะมาจากการสลายตัวของบรรดาธาตุกัมมันตรังสีที่อยู่ลึกลงไปใต้ดิน ครั้นเมื่อปรากฏตัวแล้ว ฮีเลียมที่เบากว่าอากาศก็จะหลุดหนีไปในอวกาศ
ในปี 2501 John Bardeen นักฟิสิกส์ผู้ประดิษฐ์ทรานซิสเตอร์คนหนึ่ง ได้กล่าวเตือนโลกว่า ถ้าไม่มีการควบคุมวันหนึ่งโลกจะไม่มีฮีเลียมใช้ คำเตือนนี้ได้ทำให้รัฐสภาสหรัฐฯ ลงมติอนุมัติเงิน 1,000 ล้านดอลลาร์ สร้างโรงงานผลิตฮีเลียมที่ Amarillo ใน Texas เพื่อให้องค์การบริหารการบินและอวกาศแห่งสหรัฐฯ (NASA) ได้ใช้ในจรวด เพราะจรวดที่ทรงพลังต้องใช้ออกซิเจนและไฮโดรเจนเหลวเป็นเชื้อเพลิง แต่การจะทำให้ก๊าซทั้ง 2 ชนิดนี้เป็นของเหลวได้อย่างยั่งยืน วิศวกรจำเป็นต้องใช้ฮีเลียมเหลวหล่อเลี้ยงมัน ข้อจำกัดนี้จึงทำให้ทุกคนรู้ว่า ถ้าไม่มีฮีเลียมเหลวเชื้อเพลิงไฮโดรเจนเหลวและออกซิเจนเหลวก็จะไม่มี และนั่นก็หมายความว่า มนุษย์อวกาศที่อยู่บนดวงจันทร์ก็จะกลับโลกไม่ได้ ดังนั้นระยะเวลาที่มนุษย์อวกาศจะสามารถอยู่บนดวงจันทร์ได้นานเพียงใด ก็ขึ้นกับปริมาณของฮีเลียมเหลวที่เขานำไป
William Ramsay
เมื่อวันที่ 10 กรกฎาคม พ.ศ. 2551 ถึงวันที่ 10 พฤษภาคม พ.ศ. 2552 ที่ Boerhaave Museum ในเมือง Leiden ประเทศเนเธอร์แลนด์ ได้มีการจัดงานแสดงเรื่อง “The Quest for Absolute Zero” เพื่อเฉลิมฉลองการครบหนึ่งศตวรรษแห่งการทำก๊าซฮีเลียมให้เป็นของเหลวได้ สำเร็จ โดย Heike Kamerlingh Onnes แห่งมหาวิทยาลัย Leiden ในเนเธอร์แลนด์ และความสำเร็จครั้งนั้นได้ทำให้ Onnes พิชิตรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ ประจำปี 2456 เพราะในสมัยนั้นก๊าซทุกชนิด (นอกจากฮีเลียม) เช่น ไนโตรเจน ไฮโดรเจน นีออน ออกซิเจน อาร์กอน ฯลฯ ต่างก็สามารถกลายสภาพเป็นของเหลวได้เมื่ออุณหภูมิลดต่ำมากๆ เช่น แก๊สไฮโดรเจนจะกลายเป็นของเหลวที่อุณหภูมิ 20 องศาสัมบูรณ์ (-253 องศาเซลเซียส) แต่ฮีเลียมในอุณหภูมินั้นยังเป็นก๊าซอยู่ Onnes ซึ่งเป็นศาสตราจารย์ฟิสิกส์จึงเริ่มการวิจัยสร้างฮีเลียมเหลว หลังจากที่ได้ประสบความสำเร็จในการทำไฮโดรเจนเหลวแล้ว โดยได้นำฮีเลียม 7 ลิตร ที่อุณหภูมิ 14 องศาสัมบูรณ์ (-259 องศาเซลเซียส) และมีความดัน 100 บรรยากาศ มาปล่อยให้ผ่านรูพรุนออกสู่ภาชนะที่มีความดัน 1 บรรยากาศ การขยายตัวของก๊าซอย่างรวดเร็ว ทำให้อุณหภูมิของก๊าซลดต่ำ
และนี่ก็คือปรากฏการณ์ Joule-Kelvin ดังนั้นเมื่อ Onnes นำก๊าซฮีเลียมที่อุณหภูมิต่ำมากมาผ่านรูพรุนซ้ำแล้วซ้ำอีกร่วม 20 ครั้ง ในที่สุดเขาก็ได้ฮีเลียมเหลวปริมาตร 60 มิลลิลิตร ที่อุณหภูมิ 4 องศาสัมบูรณ์ (-269 องศาเซลเซียส) ซึ่งมากพอจะรินลงถ้วยชาได้ แต่มีคุณค่ามหาศาลมากเพราะ Onnes ได้บุกเบิกวิทยาการด้าน cryogenics หรือวิชาความเย็นยวดยิ่งที่ทำให้สสารต่างๆ มีพฤติกรรมประหลาดๆ มากมาย เช่น เป็นตัวนำยวดยิ่ง (superconductor) ซึ่งปล่อยให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านโดยไม่มีความต้านทานใดๆ ต่อต้านเลย หรือของเหลวยวดยิ่ง (superfluid) ที่ของเหลวไหลไปโดยไม่มีแรงหนืดต่อต้านเลย เป็นต้น
ปัจจุบันนี้หยดของฮีเลียมเหลวที่มีอุณหภูมิต่ำใกล้ศูนย์องศาสัมบูรณ์ กำลังมีบทบาทในการศึกษาเอกภพเพราะ Grigory Volovik แห่ง Helsinki University of Technology ได้พบว่าฮีเลียมของเหลวชนิด 3He (เลข 3 ใช้บอกว่า นิวเคลียสของ ฮีเลียมมีโปรตอน 2 ตัว และนิวตรอน 1 ตัว ส่วน 4He นั้น นิวเคลียสมีโปรตอนและนิวตรอนอย่างละ 2 ตัว) ตามปกติ 3He จะมี 2 รูปแบบคือ แบบ A และ B และ Volovik ได้พบว่าเฉพาะ 3He -A เท่านั้นที่มีคุณสมบัติของเอกภพ 4 มิติ ดังนั้นจึงสามารถนำมาทดลองศึกษาธรรมชาติของแรงโน้มถ่วงและหลุมดำหรือเอกภพใน ขณะถือกำเนิดใหม่ๆ รวมถึงที่มาของกฎต่างๆ ในวิชาฟิสิกส์ ฯลฯ ได้ โดยเฉพาะเรื่องหลุมดำ เพราะทฤษฎีเอกภพในอดีตเคยระบุว่า หลุมดำจะกักเก็บสสารทุกรูปแบบ ไม่เว้นแม้แต่แสงให้อยู่ภายในขอบฟ้าของเหตุการณ์ (event horizon)
แต่เมื่อ 30 ปีก่อนนี้ Stephen Hawking ได้แสดงให้ทุกคนเห็นว่า เมื่อเขานำทฤษฎีควอนตัมมาใช้กับหลุมดำ พลังงานบางส่วนสามารถเล็ดลอดจากหลุมดำได้ เพราะเมื่ออนุภาคกับปฏิอนุภาค (antiparticle) ถือกำเนิดใกล้ขอบฟ้าของเหตุการณ์ อนุภาคส่วนหนึ่งจะถูกดูดลงหลุมดำและอีกส่วนหนึ่งจะหนีไปเพราะอนุภาคเหล่านี้ มีมวล ดังนั้นหลุมดำจึงสูญเสียมวลโดยการแผ่รังสี Hawking แต่รังสีนี้มีความเข้มน้อยมาก ด้วยเหตุนี้ หลุมดำที่หนักจึงต้องใช้เวลานานเป็นหมื่นล้านปี จึงจะสลายตัวหมด ความเนิ่นนานของเวลาเช่นนี้ ทำให้นักดาราศาสตร์ทุกคนแทบไม่คาดหวังจะเห็นรังสี Hawking ด้วยตาเลย
แต่บัดนี้ความหวังนั้นได้ใกล้เข้ามาแล้วเพราะ Volovik และเพื่อนวางแผนจะสร้างหลุมดำ โดยให้ฮีเลียมเหลวไหลสวนกันจนทำให้เกิดอนุภาคพิเศษที่บริเวณรอยต่อระหว่าง ของเหลวทั้งสอง และอนุภาคพิเศษนี้สามารถนำพลังงานออกไปจากฮีเลียมของเหลวได้ในลักษณะเดียว กับที่หลุมดำระเหิด
ฮีเลียมเหลว
ดังนั้นเราจึงเห็นได้ว่าในอนาคต หยดฮีเลียมจะสามารถไขความลับบางประการของเอกภพได้ เช่น จะสามารถอธิบายได้ว่า เหตุใดในอวกาศจึงมีสนามแม่เหล็ก และค่าคงตัวอะไรบ้างในเอกภพนี้ที่ไม่มีวันเปลี่ยนแปลงตามกาลเวลา ซึ่งถ้าอธิบายได้และเห็นจริงได้ มันก็เป็นเรื่องที่แทบไม่น่าเชื่อว่า ความรู้เกี่ยวกับเอกภพแทบทั้งหมดได้แฝงอยู่ในสสารชนิดหนึ่งชื่อ ฮีเลียม
สุทัศน์ ยกส้าน เมธีวิจัยอาวุโส สกว.
อ่านต่อกด..จ๊ะ.
