เอนรีโก แฟร์มี อัจฉริยะผู้เปิดประตูสู่พลังงานนิวเคลียร์

Multiverse | บัญชา ธนบุญสมบัติ

เอนรีโก แฟร์มี

อัจฉริยะผู้เปิดประตูสู่พลังงานนิวเคลียร์

ก่อนหน้านี้ ผมได้เล่าถึงวิธีการอันเรียบง่ายแต่แยบยลที่เอนรีโก แฟร์มี ใช้ประมาณค่าพลังงานของระเบิดอะตอมลูกแรกที่ทรินิตี้ไซต์ไปแล้วในบทความชื่อ ‘Fermi Problem : คิดเรียบง่าย…สไตล์แฟร์มี’ บทความนี้อ่านได้ที่

ครั้งนี้จะขอเล่าประวัติของเขากันบ้าง

หากแบ่งนักฟิสิกส์แบบง่ายๆ ตามความถนัดในการทำงานก็จะมี 2 กลุ่มใหญ่ๆ คือ นักทฤษฎีกับนักทดลอง

นักทฤษฎีเก่งคิดเชิงนามธรรม แก้ปัญหาโดยใช้แนวคิดจากทฤษฎีและการคำนวณทางคณิตศาสตร์ เรียกว่า พวก “บุ๋น” ก็พอได้ – ไอน์สไตน์เป็นตัวอย่างที่เด่นชัดของนักฟิสิกส์กลุ่มนี้

ส่วนนักทดลองเก่งใช้หรือสร้างเครื่องไม้เครื่องมือและอุปกรณ์ต่างๆ เพื่อตรวจวัด จัดการ หรือผลิตสิ่งที่ต้องการ เรียกว่า พวก “บู๊” ก็แล้วกัน – เจ. เจ. ทอมสัน ผู้ค้นพบอิเล็กตรอนเป็นตัวอย่างของนักฟิสิกส์กลุ่มนี้

แม้ว่านักฟิสิกส์จำนวนมากจะทำได้ทั้งสองอย่าง แต่ในทางปฏิบัติคนใดคนหนึ่งนั้นมักจะเด่นด้านหนึ่งมากกว่า อย่างไรก็ดี คนที่เก่งทั้งบุ๋นและบู๊ชนิดลือชื่อก็มี และเอนรีโก แฟร์มี คือตัวอย่างระดับตำนาน

เอนรีโก แฟร์มี ในปี ค.ศ.1943 ที่มา : https://en.wikipedia.org/wiki/Enrico_Fermi

เอนรีโก แฟร์มี เกิดเมื่อวันที่ 29 กันยายน ค.ศ.1901 ที่กรุงโรม ประเทศอิตาลี ในห้วงเวลาที่เขาถือกำเนิดนั้น อิตาลีกำลังเติบโตและปรับตัวเข้าสู่สังคมอุตสาหกรรม พ่อของเขา อัลแบร์โต แฟร์มี (Alberto Fermi) เป็นหัวหน้าผู้ตรวจการกระทรวงคมนาคม ส่วนแม่ อิดา เด กัตติส (Ida de Gattis) เป็นครูสอนภาษา

แฟร์มีแสดงพรสวรรค์ด้านคณิตศาสตร์และฟิสิกส์ตั้งแต่วัยเด็ก โดยเริ่มอ่านตำราวิชาการตั้งแต่อายุยังน้อย และสามารถแก้ปัญหาที่ซับซ้อนได้อย่างน่าทึ่ง

เรื่องที่เขาอ่านตำราวิชาการตั้งแต่เด็กนี้ มีเกร็ดเล็กๆ น่ารู้ก็คือ ตอนเด็กเขาชอบเล่นกับพี่ชายชื่อ จูลีโอ (Giulio) แต่พี่ชายคนนี้เป็นฝีในลำคอ และเสียชีวิตระหว่างการผ่าตัดเมื่ออายุ 15 ปี ในปี ค.ศ.1915

การสูญเสียพี่ชายที่สนิทกันมากนี้มีส่วนสำคัญที่ทำให้แฟร์มีอ่านหนังสืออย่างหนักเพื่อจะได้ลืมความเจ็บปวด

เมื่ออายุได้ 17 ปี ในปี ค.ศ.1918 แฟร์มีได้รับทุนเข้าเรียนที่สกูโอลา นอร์มาเล ซูเปรีโอเร (Scuola Normale Superiore) ในเมืองปิซา สถาบันแห่งนี้โดดเด่นด้านวิทยาศาสตร์และมนุษยศาสตร์ เขาสำเร็จการศึกษาระดับปริญญาเอกด้านฟิสิกส์ในปี ค.ศ.1922

หลังจากนั้นแฟร์มีได้เดินทางไปศึกษาต่อกับนักฟิสิกส์ระดับโลกคือ มักซ์ บอร์น (Max Born) ที่มหาวิทยาลัยเกิททิงเงินในเยอรมนี แต่พบว่าไม่ถูกจริตกับตนเองนัก แฟร์มีจึงได้เปลี่ยนไปศึกษาต่อกับพอล เออเรนเฟสต์ (Paul Ehrenfest) ที่เมืองไลเดน ในเนเธอร์แลนด์ ช่วงเวลานี้เองที่ทำให้แฟร์มีได้เข้าถึงแนวคิดฟิสิกส์ควอนตัมที่กำลังเฟื่องฟูในยุโรป

ในปี ค.ศ.1926 แฟร์มีได้เผยแพร่ผลงานชิ้นสำคัญเกี่ยวกับสถิติของอนุภาคที่เรียกว่า เฟอร์มิออน (fermion) ซึ่งเป็นรากฐานของสถิติเฟอร์มี-ดิแรก (Fermi-Dirac statistics)

หากพูดแบบง่ายๆ เฟอร์มิออนเป็นอนุภาคที่ประกอบเป็นสสาร ตัวอย่างเช่น อิเล็กตรอน โปรตอน และนิวตรอน

แต่หากนิยามให้แม่นยำ เฟอร์มิออนมีสปิน (spin) เป็นเลขครึ่ง เช่น 1/2 หรือ 3/2 และทำตัวตามหลักการกีดกันของเพาลี (Pauli exclusion principle) อันหมายถึงว่า ในระบบหนึ่งๆ จะไม่มีอนุภาคควอนตัมที่มีสถานะทางควอนตัมเหมือนกับเปี๊ยบ

ผลลัพธ์สำคัญของสถิติเฟอร์มี-ดิแรกก็คือ เมื่ออุณหภูมิลดลง อิเล็กตรอนในอะตอมจะไม่สามารถอยู่ในระดับพลังงานต่ำสุดทั้งหมดพร้อมๆ ได้ แต่มันจะเรียงตัวขึ้นไปตามระดับพลังงานที่ยังว่างอยู่ หากเปรียบง่ายๆ ก็เหมือนการเติมน้ำลงในแก้วน้ำ โดยระดับน้ำจะเริ่มจากก้นแก้วสูงขึ้นไปเรื่อยๆ นั่นเอง (ย้ำว่าเป็นการเปรียบเทียบแบบง่ายๆ เท่านั้น)

น่ารู้ด้วยว่า พอล ดิแรก (Paul Dirac) ก็คิดสถิติแบบนี้ได้เช่นเดียวกันในเวลาใกล้เคียงกัน แต่ต่างคนต่างคิด ชื่อสถิตินี้จึงมีทั้ง ‘แฟร์มี’ และ ‘ดิแรก’ อยู่คู่กันนั่นเอง

ในปี ค.ศ.1927 เอนรีโก แฟร์มี ได้รับตำแหน่งศาสตราจารย์ฟิสิกส์ทฤษฎีที่มหาวิทยาลัยโรม เขาสร้างกลุ่มนักฟิสิกส์อิตาลีที่รู้จักกันในนาม “เดอะ เวีย ปานิสเปร์นา บอยส์” (The Via Panisperna boys) กลุ่มนี้มีชื่อเรียกตามถนนที่ตั้งของสถาบันฟิสิกส์ และเป็นกำลังสำคัญในการขับเคลื่อนงานวิจัยด้านฟิสิกส์นิวเคลียร์ สมาชิกบางคนเป็นนักฟิสิกส์ระดับโลกในเวลาต่อมา และบางคนมีบทบาทในโครงการแมนฮัตตันในช่วงสงครามโลกครั้งที่ 2 อีกด้วย

กลุ่มเดอะ เวีย ปานิสเปร์นา บอยส์ ตั้งฉายาให้เอนรีโก แฟร์มี ด้วยความยกย่องและศรัทธาว่า “Pope” เนื่องจากแฟร์มีมีความรู้รอบด้านและสามารถแก้ปัญหาทางฟิสิกส์ได้อย่างถูกต้องแม่นยำอยู่เสมอ ส่วนบรรยากาศการทำงานก็เป็นไปอย่างกันเองและเปี่ยมด้วยมิตรภาพ

ผลงานที่โดดเด่นที่สุดชิ้นหนึ่งของพวกเขาเกี่ยวข้องกับ นิวตรอนช้า (slow neutrons) โดยพบว่าเมื่อนิวตรอนถูกชะลอความเร็วด้วยพาราฟิน ก็จะกระตุ้นให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น การค้นพบนี้เป็นรากฐานสำคัญในการพัฒนาเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ในเวลาต่อมา

แฟร์มีและทีมงานสร้างเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ตัวแรกของโลก เรียกว่า ชิคาโก ไพล์-1 (Chicago Pile-1) ที่มหาวิทยาลัยชิคาโก และสามารถควบคุมอัตราการเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบลูกโซ่ได้เป็นครั้งแรกในประวัติศาสตร์เมื่อวันที่ 2 ธันวาคม ค.ศ.1942

เมื่อการทดลองอันยิ่งใหญ่สำเร็จ อาร์เธอร์ คอมป์ตัน (Arthur Compton) ผู้อำนวยการห้องปฏิบัติการของ Met Lab ได้ส่งข้อความเชิงสัญลักษณ์ถึงเจมส์ โคแนนต์ (James Conant) ประธานคณะกรรมการวิจัยเพื่อการป้องกันประเทศแห่งชาติ ข้อความดังกล่าวเรียบง่ายและได้รับการบันทึกไว้ในประวัติศาสตร์ของวิทยาศาสตร์ นั่นคือ

“The Italian navigator has just landed in the new world.”

“นักเดินเรือชาวอิตาเลียนเพิ่งเข้าเทียบท่าในโลกใหม่”

โคแนนต์ตอบกลับว่า “ชาวพื้นเมืองเป็นอย่างไรบ้าง?”

คอมป์ตันตอบว่า “เป็นมิตรดีมาก”

ข้อความนี้เป็นการเปรียบเปรยถึงเอนรีโก แฟร์มี-นักฟิสิกส์ชาวอิตาลี-ที่ประสบความสำเร็จในการควบคุมปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ได้เป็นครั้งแรกในประวัติศาสตร์ ถือเป็นจุดเริ่มต้นของยุคพลังงานนิวเคลียร์นั่นเอง!

เอนรีโก แฟร์มี ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี ค.ศ.1938 โดยคณะกรรมการตัดสินรางวัลให้เหตุผลว่า “จากการแสดงให้เห็นถึงการมีอยู่ของธาตุกัมมันตรังสีชนิดใหม่ที่เกิดจากการฉายรังสีด้วยนิวตรอน และจากการค้นพบปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่เกิดจากนิวตรอนช้า”

นิวตรอนช้าที่ว่านี้ก็คือสิ่งที่แฟร์มีและกลุ่มเดอะ เวีย ปานิสเปร์นา บอยส์ นำมาใช้ในการทดลอง และค้นพบว่ามีประสิทธิภาพสูงในการกระตุ้นให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์

ถึงตรงนี้มีเกร็ดประวัติศาสตร์เล็กๆ ที่อยากเล่าไว้สักหน่อยครับ

ในปี ค.ศ.1936 มุโสลินี ซึ่งปกครองอิตาลีด้วยระบอบฟาสซิสต์ได้แท็กทีมร่วมกับฮิตเลอร์ ซึ่งเป็นแกนนำระบบนาซีเยอรมัน เกิดเป็น อักษะโรม-เบอร์ลิน (Rome-Berlin Axis) ซึ่งต่อมาในปี ค.ศ.1940 ญี่ปุ่นเข้ามาร่วมด้วยเป็น 3 ประเทศหลักในฝ่ายอักษะ (Axis Powers) ในสงครามโลกครั้งที่ 2 นั่นเอง (อย่างไรก็ดี อิตาลี ‘ข้ามขั้ว’ ในวันที่ 25 กรกฎาคม ค.ศ.1943 มุสโสลินีถูกจับกุมหลังจากถูกถอดถอนโดยพระเจ้า วิกเตอร์ เอ็มมานูเอลที่ 3 และสภาใหญ่แห่งฟาสซิสต์)

ช่วงปี ค.ศ.1938 ที่มุโสลินีครองอำนาจอยู่นั้น เขาสมาทานแนวคิดจากนาซีเยอรมัน โดยเฉพาะความรังเกียจชาวยิว ทีนี้เนื่องจากภรรยาของเขาคือ ลอรา กาปอน แฟร์มี (Laura Capon Fermi) มีเชื้อสายยิว ครอบครัวแฟร์มีจึงโดนผลกระทบเข้าไปเต็มๆ

ผลก็คือพวกเขาจึงใช้จังหวะที่เอนรีโก แฟร์มี ได้รับรางวัลโนเบล ในการเดินทางออกนอกประเทศอิตาลี โดยไปที่สวีเดนเพื่อรับรางวัล และเดินทางต่อไปยังสหรัฐอเมริกา ภายหลัง ภรรยาของแฟร์มียังเขียนไว้ในหนังสือชื่อ Atoms in the Family : My Life with Enrico Fermi ว่าการได้รับรางวัลโนเบลของแฟร์มีครั้งนั้นคือ ตั๋วสู่อิสรภาพ (Ticket to Freedom)

เอนรีโก แฟร์มี กับภรรยามีลูกด้วยกันสองคนคือ ลูกสาวชื่อ เนลลา (Nella) เกิดในปี ค.ศ.1931 และลูกชายชื่อ จูลีโอ (Giulio) เกิดในปี ค.ศ.1936 น่าสังเกตว่าชื่อลูกชายคือ จูลีโอ นั้นตั้งชื่อตามพี่ชายของแฟร์มีที่เขารักมากและจากเขาไปในช่วงยังเป็นวัยรุ่นนั่นเอง

ที่สหรัฐอเมริกาแฟร์มีได้เข้าร่วมในโครงการแมนฮัตตัน (Manhattan Project) ซึ่งเป็นโครงการพัฒนาระเบิดอะตอม แฟร์มี เป็นหัวหน้าทีมวิจัยที่สร้างและควบคุมปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ครั้งแรกของโลกด้วยเตาปฏิกรณ์ Chicago Pile-1 นอกจากนี้ เขายังให้คำปรึกษาด้านฟิสิกส์นิวเคลียร์ และประเมินพลังงานของการทดสอบระเบิดอะตอมลูกแรกอย่างที่ผมเล่าไว้ในบทความที่กล่าวถึงตอนต้น

ผลงานเด่นอีกชิ้นหนึ่งคือ ทฤษฎีเชิงควอนตัมที่อธิบายการแผ่กัมมันตรังสีโดยการสลายตัวแบบบีตา (beta decay) แฟร์มีพัฒนาทฤษฎีนี้ขึ้นในช่วงทศวรรษ 1930 โดยอิงตามสมมุติฐานของ ว็อล์ฟกัง เพาลี (Wolfgang Pauli) เกี่ยวนิวตริโน

เรื่องราวเกี่ยวกับว็อล์ฟกัง เพาลี นี่ ผมเคยเล่าไว้ในบทความชื่อ ว็อล์ฟกัง เพาลี นักฟิสิกส์ผู้น่าพิศวงไม่แพ้กลศาสตร์ควอนตัม อ่านได้ที่ https://www.matichon.co.th/weekly/column/article_856639

เอนรีโก แฟร์มี ยังมีผลงานเด่นอีกหลายอย่าง ดูง่ายๆ จากการที่ชื่อของเขาถูกนำไปใช้ตั้งเป็นหน่วยทางฟิสิกส์ แนวคิดทางทฤษฎี และชื่อสถาบันวิจัย ตัวอย่างเช่น

หน่วยแฟร์มี (fermi) หน่วยวัดความยาวขนาดเล็กมาก เท่ากับ 10 ยกกำลัง -15 เมตร เป็นหน่วยใช้วัดขนาดของนิวเคลียสอะตอม

พลังงานแฟร์มี (Fermi energy) พลังงานสูงสุดของอิเล็กตรอนในโลหะที่อุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์

พื้นผิวแฟร์มี (Fermi surface) พื้นผิวในปริภูมิโมเมนตัมที่แสดงขอบเขตของสถานะควอนตัมที่ถูกเติมเต็ม

แก๊สแฟร์มี (Fermi gas) แบบจำลองของอนุภาคเฟอร์มิออนจำนวนมาก (เช่น อิเล็กตรอน) ที่ไม่ทำปฏิกิริยากัน แต่ต้องปฏิบัติตามหลักสถิติแฟร์มี-ดิแรก

กฎทองของแฟร์มี (Fermi golden rule) สูตรที่ใช้คำนวณอัตราการเปลี่ยนสถานะควอนตัมจากหนึ่งไปยังอีกสถานะหนึ่งภายใต้การรบกวนเล็กน้อย

ในสหรัฐอเมริกา ในมหาวิทยาลัยชิคาโกมี สถาบันเอนรีโก แฟร์มี (Enrico Fermi Institute) ในรัฐอิลลินอยส์ มีสถาบันวิจัยฟิสิกส์อนุภาคชื่อ ห้องปฏิบัติการแฟร์มี (Fermi Lab) ส่วนในอวกาศ ก็มีกล้องโทรทรรศน์อวกาศรังสีแกมมาแฟร์มี (Fermi Gamma-ray Space Telescope) และแม้แต่ธาตุเคมีก็มีธาตุเฟอร์เมียม (fermium) ด้วยเช่นกัน

ตัวอย่างผลงานและชื่อเฉพาะต่างๆ ที่ยกมานี้คงช่วยให้เข้าใจได้ไม่ยากกว่า ยอดนักฟิสิกส์ผู้เก่งทั้งบุ๋นและบู๊คนนี้มีอิทธิพลต่อวงการฟิสิกส์มากเพียงใด

เอนรีโก แฟร์มี เสียชีวิตด้วยโรคมะเร็งกระเพาะอาหารที่เมืองชิคาโก เมื่อวันที่ 28 พฤศจิกายน ค.ศ.1954 ขณะอายุเพียง 53 ปี หลุมฝังศพของเขาเรียบง่าย ไม่โดดเด่น ต่างจากผลงานอันยิ่งใหญ่ที่เขาฝากไว้ให้กับโลก

อ่านข่าวต้นฉบับได้ที่ : เอนรีโก แฟร์มี อัจฉริยะผู้เปิดประตูสู่พลังงานนิวเคลียร์

ติดตามข่าวล่าสุดได้ทุกวัน ที่นี่
– Website : https://www.matichon.co.th/weekly