สรุป 1 เดือนหลังปรากฏการณ์ข่าว "นิวตริโนวิ่งเร็วกว่าแสง": สถานการณ์ยังไม่แน่ชัด, OPERA เริ่มลังเล

By: terminus
Writer
on Sat, 22/10/2011 - 23:25

เมื่อเดือนที่แล้ว วันที่ 22 กันยายน 2011 ทีม OPERA (Oscillation Project with Emulsion-Tracking Apparatus) ของ CERN ได้เผยแพร่ผลการค้นพบของตัวเองอย่างไม่เป็นทางการลงใน arXiv.org ก่อนจะแถลงอย่างเป็นทางการอีกรอบในวันต่อมา จากนั้นข่าวนี้ก็กลายเป็นเรื่องใหญ่โตในวงการวิทยาศาสตร์ บางคนก็วิตกจริตไปใหญ่ กลัวว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพซึ่งเป็นหนึ่งในเสาหลัก (pillar) ของฟิสิกส์ยุคใหม่จะต้องมีอันเป็นไปเสียแล้ว พวกคนที่ดีใจก็แสดงอาการกันออกนอกหน้า จินตนาการเลยเถิดไปจนถึงการสร้างไทม์แมชีนโน่นเลย

การค้นพบของ OPERA นั้นสรุปสั้นๆ ได้ว่า พวกเขาได้ยิงลำนิวตริโนจากห้องทดลองของ CERN ในเจนีวา ประเทศสวิตเซอร์แลนด์ ไปยังเครื่องตรวจจับที่ Gran Sasso ในอิตาลี ผลจากการคำนวณปรากฏว่านิวตริโนเดินทางไปถึงก่อนเวลาที่คาดว่าแสงจะต้องใช้เดินทางในสุญญากาศด้วยระยะทางเท่ากันอยู่ประมาณ 60 นาโนวินาที

เวลา 60 นาโนวินาทีอาจจะน้อยมากๆ สำหรับคนทั่วไป แต่นั่นก็เพียงพอแล้วที่จะทำให้ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ (Theory of Special Relativity) ของไอน์สไตน์มีช่องโหว่หรืออาจถึงขั้นถูกล้มล้างไปเลย เพราะตามทฤษฎีแล้วอนุภาคที่มีมวลไม่ควรเคลื่อนที่ได้เร็วเกินหน้าเกินตาความเร็วแสงในสุญญากาศ แม้นิวตริโนจะมีมวลน้อยนิด แต่มันก็มีมวล

สัปดาห์แรกแห่งความโกลาหล

แน่นอนว่าผลกระเทือนระดับนี้ ต้องเจอแรงต่อต้านมหาศาล แค่ในสัปดาห์แรก ทีม OPERA ก็โดนกระหน่ำจับผิดจากนักฟิสิกส์เกือบทั้งวงการ เริ่มกันตั้งแต่เรื่องง่ายๆ อย่างเช่น ตำแหน่งพิกัดที่ใช้วัดละเอียดพอหรือไม่? คิดชดเชยค่าความเร็วแสงในบรรยากาศหรือยัง? นาฬิกาที่ใช้ตรงหรือเปล่า? เป็นต้น แต่ทีม OPERA ก็มั่นใจว่าตัวเองทำการบ้านมาดี เก็บรายละเอียดยิบย่อยพวกนี้ได้หมด ข้อคัดค้านเหล่านี้เลยหายเข้ากลีบเมฆไป
(อ่านข่าวคำวิจารณ์และคำแก้ต่างของ OPERA เรื่องการวัดตำแหน่งจาก New Scientist, เรื่องการคำนวณชดเชยความเร็วแสงจาก Live Science, เรื่องนาฬิกาที่ใช้วัดจาก New Scientist)

ถึงกระนั้น คนที่คิดว่าผล OPERA ถูกต้อง (คือเชื่อว่านิวตริโนอาจเดินทางได้เร็วกว่าแสงจริงๆ) ก็พอมีอยู่บ้าง กลุ่มนี้ก็พยายามคิดหาทฤษฎีอลังการมาอธิบายผลของ OPERA กันอุตลุด เช่น นิวตริโนหลุดเข้าไปมิติอื่นแล้วทะลุออกไปโผล่ที่อิตาลีแซงหน้าแสง (อ้างอิง Nature News), หรือ นิวตริโนพลังงานสูงอาจคือ tachyon อนุภาคลึกลับที่นักฟิสิกส์เชื่อกันว่าเดินทางได้เร็วกว่าแสง (อ้างอิง Discovery News) เป็นต้น คำอธิบายเหล่านี้ก็สร้างความตื่นเต้นอยู่พักใหญ่ ก่อนจะหายเงียบไปเหมือนสายลมว่าว

สงครามอภิปรายรอบสอง

ชุมชนนักฟิสิกส์ต้องใจเต้นตุ้มๆ ต่อมๆ เป็นสัปดาห์กว่าที่คำโต้แย้งผลการวิจัยของ OPERA ที่พอมีน้ำหนักจะเริ่มดาหน้ากันออกมา คนแรกที่เปิดฉากรบในรอบสอง คือ Carlo R. Contaldi แห่ง Imperial College London ซึ่งเขียนอธิบายคำโต้แย้งของตนเองลงใน arXiv.org เมื่อวันที่ 28 กันยายน 2011

ข้อโต้แย้งของ Carlo Contaldi อ้างอิงจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (Theory of General Relativity) ที่ว่าแรงโน้มถ่วงทำให้กาล-อวกาศบิดเบี้ยว และเนื่องจากเครื่องปล่อยนิวตริโนที่ CERN และเครื่องตรวจรับที่ Gran Sasso อยู่ห่างจากใจกลางโลกไม่เท่ากัน จึงทำให้ได้รับผลกระทบจากแรงโน้มถ่วงไม่เท่ากัน ดังนั้นนาฬิกาทั้งสองจุดก็จะต้องเดินไม่ตรงกันตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป

Carlo Contaldi มั่นใจมากว่าหากคำนวณผลของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเข้าไปแล้ว ค่าความเชื่อมั่นของผล OPERA จะต้องลดลงเหลือต่ำกว่า 5 sigma แน่นอน (5 sigma คือระดับความเชื่อมั่นที่นักฟิสิกส์อนุภาคให้การยอมรับว่าเป็นการค้นพบ หากต่ำกว่านี้ก็ต้องไปทำการบ้านมาใหม่ ผลของทีม OPERA มีค่าความเชื่อมั่นที่ 6 sigma)

แต่ อนิจจา Carlo Contaldi กลับตกม้าตายง่ายๆ เนื่องจากทีม OPERA ไม่ได้เอานาฬิกาสองเรือนไปตั้งเฉยๆ โดยที่ไม่ทำอะไรเลย ทีม OPERA ได้ทำการเชื่อมสัญญาณนาฬิกาทั้งสองจุดไว้กับนาฬิกาซีเซียมที่อยู่บนดาวเทียม GPS ดังนั้นเวลาที่ OPERA วัดได้จึงไม่คลาดเคลื่อนจากการบิดเบี้ยวของกาล-อวกาศตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ยกนี้ OPERA เลยชนะน็อคไปอย่างสบายๆ
(อ่านข่าวเรื่องนี้ได้จาก Life's Little Mysteries และ Nature News)

อีกคำโต้แย้งที่ตามมาติดๆ เป็นของ Andrew Cohen และ Sheldon Glashow แห่ง Boston University ที่คิดว่านิวตริโนที่เครื่องจับที่ Gran Sasso วัดได้ไม่น่าจะเป็นนิวตริโนจาก CERN (รายงานฉบับเต็มที่ arXiv.org)

Andrew Cohen และ Sheldon Glashow เชื่อว่าอนุภาคอะไรก็ตามที่เดินทางได้เร็วกว่าแสงในตัวกลางหนึ่งๆ จะต้องมีการปลดปล่อยอนุภาคออกมาตามเส้นทางการเคลื่อนที่ของมัน คล้ายๆ กับ Sonic Boom ของการเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเหนือเสียง ปรากฏการณ์แผ่อนุภาคของความเร็วเหนือแสงนี้เรียกว่า "Cherenkov radiation" (ตัวอย่างเช่น ที่เราเห็นน้ำในเตาปฏิกรณ์เรืองแสงสีอมฟ้าๆ ก็เพราะอิเล็กตรอนในบ่อน้ำนั้นวิ่งเร็วกว่าความเร็วที่แสงวิ่งในน้ำและปล่อยโฟตอนหรืออนุภาคของแสงออกมา)

จากการคำนวณของทั้งสอง ทำให้คาดได้ว่า หากนิวตริโนของ OPERA เคลื่อนที่ได้เร็วกว่าแสงจริงๆ ลำนิวตริโนจะต้องเกิด Cherenkov radiation เป็นคู่ของอิเล็กตรอน-โพสิตรอนออกมาเป็นทาง แต่ผลของ OPERA กลับไม่มีรายงานการเกิดอนุภาคดังกล่าวเลย ซึ่งไม่น่าจะเป็นไปได้

คำโต้แย้งของ Andrew Cohen และ Sheldon Glashow ได้รับการสนับสนุนจากนักฟิสิกส์อีกหลายคน และผลจากเครื่องตรวจวัดอีกเครื่องใน Gran Sasso ที่ชื่อว่า ICARUS (Imaging Cosmic And Rare Underground Signals) ซึ่งตรวจจับนิวตริโนจาก CERN เหมือนกัน ก็ไม่พบว่ามีนิวตริโนที่เดินทางได้เร็วกว่าแสงเข้ามาชนเลยและก็ไม่มี Cerenkov radiation ด้วย

แม้ว่าทีม OPERA จะยังหาหลักฐานมางัดข้อกับสมมติฐานของ Andrew Cohen และ Sheldon Glashow ไม่ได้ แต่ทว่าคำโต้แย้งเรื่อง Cherenkov radiation ก็ยังสรุปไม่ได้ว่าการทดลองของ OPERA ผิดพลาดตรงไหน หากเปรียบเป็นมวย ยกนี้ก็ต้องถือว่าเสมอกัน
(อ่านข่าวเรื่องนี้ได้จาก New Scientist, และ Scientific American)

และเร็วๆ นี้ คำโต้แย้งล่าสุดก็กลับหันไปพึ่งไอน์สไตน์อีกรอบ แต่คราวนี้ไม่ใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปมาช่วยกู้ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษแล้ว Ronald A. J. van Elburg แห่ง University of Groningen ใช้ทฤษฎีสัมพัทธพิเศษอันเดียวนี่แหละอธิบายว่า OPERA ผิดพลาดตรงไหน (รายงานฉบับเต็มอยู่ที่ arXiv.org)

ข้อผิดพลาดที่ van Elburg ชี้ คือ OPERA ใช้นาฬิกาบนดาวเทียม GPS เป็นตัวจับเวลา และเนื่องจากดาวเทียมเคลื่อนที่สัมพัทธ์กับเครื่องตรวจจับทั้งสองบนผิวโลก ทำให้ หากสังเกตในกรอบอ้างอิงของดาวเทียม ผู้สังเกต(นาฬิกา)บนดาวเทียมจะ "เห็น" ว่านิวตริโนใช้เวลาเดินทางน้อยกว่าเวลาที่วัดได้ในกรอบอ้างอิงบนผิวโลก ด้วยเหตุผลที่ว่าผู้สังเกตบนดาวเทียมเห็นระยะทางระหว่างเครื่องตรวจจับทั้งสองบนโลกหดลงตามทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ ดังนั้น พอ OPERA เอาเวลาที่สั้นกว่าเวลาจริงนี้มาใช้ในการคำนวณหาความเร็ว จึงได้ค่าความเร็วของนิวตริโนเกินจริง

van Elburg คำนวณได้ว่าเวลาที่ OPERA คิดได้น้อยกว่าความจริงไป 64 นาโนวินาที ซึ่งใกล้เคียงกับเวลาที่ OPERA อ้างว่านิวตริโนเร็วล้ำหน้าแสงเลย

มาถึงตรงนี้ OPERA ก็เริ่มจะเสียงอ่อยแล้ว แต่ก็ยังแก้ต่างข้อโต้แย้งของ van Elburg ว่าดาวเทียม GPS ทุกดวงต้องคิดผลจากทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษรวมเข้าไปด้วยอยู่แล้ว ดังนั้น OPERA จะเอาค่าเวลาที่อ่านได้มาใช้ก็ไม่น่าจะมีปัญหาอะไร
(อ่านข่าวนี้ได้จาก JuSci.net (1), JuSci.net (2) และ Life's Little Mysteries)

OPERA เริ่มลังเล

ล่าสุด ScienceInsider ก็ได้ข่าววงในมาว่า ตอนนี้ทีม OPERA เริ่มแตกคอกันเองแล้ว ฝ่ายที่ยังมั่นใจในผลของตัวเองอยู่ต้องการที่จะเผยแพร่ผลลงในวารสารวิชาการแบบ peer-reviewed อย่างเป็นทางการให้เร็วที่สุด ขณะที่อีกฝ่ายเริ่มจะลังเลว่าควรรอไปอีกสักนิดดีหรือไม่

ผลสรุป ณ เวลานี้ ดูเหมือนว่าฝ่ายที่ต้องการให้รอจะชนะ ทีม OPERA จะทำการทดลองใหม่อีกครั้ง แล้วค่อยตีพิมพ์ผลงานลงในวารสารในเดือนหน้า

การทดลองใหม่ที่ทีม OPERA วางแผนไว้จะมีการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยที่เครื่องยิงนิวตริโน โดยในการทดลองรอบใหม่นี้ ลำนิวตริโนจะถูกยิงออกมาเป็นจังหวะที่แน่นอน คือ เป็นกลุ่มนิวตริโนวิ่งออกมา 1-2 นาโนวินาที คั่นด้วยช่องว่าง 500 นาโนวินาที วิธีนี้จะทำให้ทีม OPERA รู้แน่นอนว่านิวตริโนชุดไหนวิ่งออกมาจาก CERN เมื่อเวลาเท่าไร ซึ่งผลที่ได้น่าจะแม่นยำกว่าแบบเดิมที่ใช้การคำนวณทางสถิติกะเอา

การทดลองใหม่นี้จะเริ่มได้เร็วที่สุดสัปดาห์หน้า และจะใช้เวลาเก็บข้อมูล 10 วัน

สรุปหนึ่งเดือนแรก

ฉะนั้นตอนนี้อะไรๆ ก็เกิดขึ้นได้สำหรับนิวตริโน (และทฤษฎีของไอน์สไตน์) การยืนยันที่แน่ชัดอาจจะไม่ได้มาเร็วๆ นี้อย่างที่คาดหวังกันไว้ตั้งแต่ต้น เพราะ MINOS เองก็ต้องใช้เวลาอย่างต่ำ 4-5 ปีในการรวบรวมข้อมูล (ถ้าไม่โดนตัดงบไปเสียก่อน), ญี่ปุ่นก็ยังไม่ฟื้นตัวดีนักจากภัยพิบัติแผ่นดินไหวและสึนามิเมื่อตอนต้นปี

ใครที่พนันหรือคิดจะพนันกับผลของ OPERA ผมขอแนะนำว่าดึงทุนออกไปลงทุนทำอะไรอย่างอื่นดีกว่า คุ้มกว่ากันเยอะ เอ๊ย ผมลืมไป! Jusci ไม่สนับสนุนการพนันอยู่แล้ว...แล้วผมจะมาเตือนทำไมเนี่ย????

9 Comments

Thaina's picture

อ้าว

ไม่เอาความเห็นเรื่องนาฬิกาบนดาวเทียมช้ากว่านาฬิกาบนโลกมาลงด้วย เหรอครับ?

terminus's picture

ใจเย็นครับ ผมยังเขียนไม่เสร็จเลย ผมเอาขึ้นก่อน เพราะกลัวเน็ตเสีย ต้องพิมพ์ใหม่หมด (ผมเคยต้องพิมพ์ใหม่หมดมา 4-5 ข่าวแล้ว)

อัพเดต: ตอนนี้เขียนเสร็จแล้วครับ

Thaina's picture

อ่อครับ

ตอนแรกก็รู้สึกเหมือนกันว่ามันเหมือนตัดจบแบบขาดๆ

mementototem's picture

เดี๋ยวความจริงก็ปรากฏแล้ว

"เพราะอิเล็กตรอนในบ่อน้ำนั้นวิ่งเร็วความเร็วแสง" น่าจะตกอะไรไปสักตัวนะครับ

echo's picture

ไม่แน่หากนิวตริโนเคลื่อนที่เร็วกว่าแสง อาจไม่เกิดปรากฎการณ์
Cerenkov radiotion ก้อได้ เพราะมันอยู่นอกเหนือทฤษฎีสัมพันธภาพไปแล้วนะลุงแอนดรูว

lingjaidee's picture

เรียบเรียงได้อ่านสนุกมากครับ รอดูผลของ OPERA แบบไม่ต้องพนันก็แล้วกัน 55 ^^