ค.ศ. 1932 เป็นปี้ทองของวงการฟิสิกส์ เพราะในเดือนมีนาคมของปี James Chadwick แห่งมหาวิทยาลัย Cambridge ได้พบอนุภาคนิวตรอน ต้าน Carl Anderson แห่งมหาวิทยาลัยCalifornia ที่ Berkley ก็พบ positron ซึ่งเป็นอนุภาคที่มีประจุบวกตรงข้ามกับอิเล็กตรอนที่มีประจุลบ แต่มีมวลเท่ากัน ส่วนที่ห้องปฏิบัติการ Cavendish แห่งมหาวิทยาลัย Cambridge John Cockcroft กับ Ernest Walton ได้ประสบความสำเร็จในการใช้เครื่องเร่งอนุภาคยิงโปรตอนให้พุ่งชนนิวเคลียสของธาตุ Lithium ทำให้ได้อนุภาคแอลฟา 2 อนุภาค และมีพลังงานเกิดขึ้น ตามสมการ

            นี่คือการทดลองครั้งแรกของโลกที่ยืนยันว่า สมการ E=mc² ของ Einstein ถูกต้องทุกประการการทดลองนี้ยังแสดงให้เห็นอีกว่า แม้แรงไฟฟ้าที่นิวเคลียสของ Lithium ใช้ในการผลักโปรตอนที่มีประจุบวกเหมือนกันจะมีค่ามาก แต่สมบัติการเป็นอนุภาคควอนตัมของโปรตอนได้ช่วยให้สามารถทะลวงกำแพงศักย์ของนิวเคลียส Lithium ข้าไปรวมตัวกับนิวคลีออนที่อยู่ภายในนิวเคลียส ทำให้ได้อนุภาคแอลฟาสองอนุภาคการทดลองนี้จึงแสดงให้เห็นเป็นครั้งแรกว่า มนุษย์สามารถเปลี่ยนแปลงธาตุได้ นอกจากนี้ก็ยังทำให้เกิดเทคโนโลยีการเร่งอนุภาคมูลฐานให้มีพลังงานสูงและทำให้ Cockcroft กับ Walton ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี ค.ศ. 1951 ร่วมกัน

ภาพ Cockcroft and Walton accelerator
ที่มา http://scientificsentence.net/Equations/Nuclear_Physics/Cockcroft_Walton_accelerator.png

            John Douglas Cockcroft เกิดเมื่อวันที่ 27 พฤษภาคม ค.ศ.1897 ที่เมือง Todmorden ในอังกฤษ บรรพบุรุษของตระกูลประกอบอาชีพทอฝ้ายในโรงงานอุตสาหกรรม ในวัยเด็ก Cockcroft เรียนที่ Todmorden Secondary School จนสำเร็จขั้นมัธยมศึกษา จึงไปเรียนต่อในสาขาคณิตศาสตร์ที่มหาวิทยาลัย Manchesterเมื่อเกิดสงครามโลกครั้งที่หนึ่ง Cockcroft ต้องเข้ารับราซการทหาร จึงได้ขอลาพักการเรียนชั่วคราว เพื่อข้าประจำการในกองทหารปืนใหญ่ จนสงครามโลกยุติ จึงกลับไปเรียนต่อที่ College of Technology แต่เรียนวิศวกรรมไฟฟ้าแทนคณิตศาสตร์ และถูกส่งไปฝึกงานที่โรงงาน Metropolitan Vickers Electrical Company เป็นเวลา 2 ปี จากนั้นได้ไปเรียนต่อที่ St. John's College แห่งมหาวิทยาลัย Cambridge

ภาพ Sir John Douglas Cockcroft
ที่มา  https://en.wilkpedia.org/wikiJohn_Cockcroft

            Cockcroft สำเร็จการศึกษาระดับปริญญาตรีเมื่ออายุ 27 ปี และได้งานเป็นผู้ช่วยวิจัยของ Ernest Rutherford เพราะ Rutherford มีความเห็นว่า Cockcroft เป็นคนมีประสบการณ์หลากหลายรูปแบบมีความสามารถใช้เครื่องมือในห้องปฏิบัติการและมีความรู้ฟิสิกส์กับคณิตศาสตร์ในระดับดีมาก นอกจากนี้ Rutherford ยังมีเหตุผลส่วนตัวอีกประการหนึ่งในการรับ Cockcroft เข้าทำงาน คือ คนทั้งสองจบจากมหาวิทยาลัย Manchester เดียวกัน

            ขณะทำงานที่ห้องปฏิบัติการ Cavendish Cockcroft มีเพื่อนร่วมงานชื่อ Peter Kapitza (รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี ค.ศ. 1978 คนทั้งสองได้พยายามสร้างแม่เหล็กที่ให้สนามที่มีความเข้มสูง แต่Cockcroft ไม่รู้สึกตื่นเต้นกับงานชิ้นนี้จึงเบนความสนใจไปศึกษาผลที่เกิดเวลามีการยิงโปรตอนที่มีพลังงานสูงไปชนนิวเคลียสของธาตุต่าง ๆ และหัวข้อวิจัยนี้เองที่ทำให้ Cockcroft ได้เพื่อนร่วมงานคนใหม่เป็นชาวไอริช คือ E.T.S. Walton

            ในปี ค.ศ. 1932 ทั้งสองประสบความสำเร็จในการใช้โปรตอนที่มีพลังงานสูงระดมยิงนิวเคลียสของ Lithium และเปลี่ยนนิวเคลียสนั้นเป็นอนุภาคแอลฟา ผลที่เกิดตามมาคือ นักฟิสิกส์มีเทคนิคการเปลี่ยนแปลงธาตุ โดยใช้อนุภาค เช่น โปรตอนหรือ deuteron ยิงนิวเคลียส ความสำเร็จนี้ทำให้ Cockcroft ได้รับการแต่งตั้งเป็นหัวหน้าห้องปฏิบัติการ Mond Laboratory แห่งมหาวิทยาลัย Cambridge

            ในปี ค.ศ. 1939 Cockcroft ได้รับตำแหน่งศาสตราจารย์ฟิสิกส์ แต่ในเวลานั้นสงครามโลกครั้งที่สองใกล้จะอุบัติ Cockcroft จึงหวนกลับไปรับราชการทหารอีกครั้งหนึ่ง ในสังกัดหน่วยเรดาร์ซึ่งมีจุดมุ่งหมายจะพัฒนาเทคโนโลยีชนิดนี้เพื่อป้องกันประเทศ งานวิจัยนี้ทำให้มีโอกาสเดินทางไปทำงานในต่างประเทศหลายแห่ง เช่น อเมริกา และแคนาดา

            หลังสงครามโลก  Cockcroft ได้เดินทางกลับอังกฤษเพื่อรับตำแหน่งผู้อำนวยการศูนย์วิจัยนิวเคลียร์เพื่อสันติของอังกฤษที่ Harwell ถึงปี ค.ศ. 1951 Cockcroft และ Walton ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ร่วมกันด้วยผลงาน"การเปลี่ยนแปลงนิวเคลียสของธาตุโดยการยิงด้วยอนุภาคพลังงานสูง"

            Cockcroft แต่งงานเมื่ออายุ 28ปี ครอบครัวมีลูกสาว 4 คน และ ลูกชาย 1 คน และเสียชีวิตเมื่อวันที่ 18 กันยายน ปี ค.ศ. 1967 สิริอายุ 70 ปี

            ด้าน Ernest Walton เกิดเมื่อวันที่ 6 ตุลาคม ค.ศ. 1903 ที่เมือง Dungarvan ในไอร์แลนด์ บิดาเป็นนักเทศน์ที่ต้องเดินทางไกลบ่อย ดังนั้นในวัยเด็ก Walton จึงต้องย้ายบ้าน และเปลี่ยนโรงเรียนตามบิดาทุก 2-3 ปี สุดแท้แต่บิดาจะไปทำงานที่ใด

ภาพ Ernest Walton
ที่มา  https://en.wikipedia.org/wiki/Ernest_Walton

            เมื่ออายุ 12 ปี Walton เข้าโรงเรียน Methodist College ในเมืองBelfast และพบว่า สามรถเรียนคณิตศาสตร์กับวิทยาศาสตร์ได้ดี จนอายุ 19 ปีจึงไปเรียนต่อที่ Trinity College ในเมือง Dublin โดยได้ทุนการศึกษา ไปเรียนฟิสิกส์กับคณิตศาสตร์เป็นวิชาเอก Walton สำเร็จการศึกษระดับปริญญาตรีเมื่ออายุ 23 ปีด้วยคะแนนเกียรตินิยมอันดับหนึ่ง ในปีต่อมาได้รับปริญญาโท และได้ทุนวิจัยของมหาวิทยาลัย Cambridge เพื่อทำงานวิจัยภายใต้ความดูแลของ Ernest Rutherfordจนสำเร็จปริญญาเอก แล้วเดินทางกลับไปเป็นอาจารย์ที่ Trinity College ที่เคยเรียน

            งานวิจัยชิ้นแรกของ Walton เป็นงานทางด้านอุทกศาสตร์ แต่เมื่อมาทำงานที่ห้องปฏิบัติการ Cavendish  ก็หันไปสนใจการผลิตอนุภาคความเร็วสูงโดยใช้เครื่องเร่งอนุภาคแบบเชิงเส้นที่ใช้ความต่างศักย์ไฟฟ้าสูงมากเป็นตัวเร่ง การทดลองของ Cockcroft กับ Walton ได้แสดงให้เห็นว่า นิวเคลียสของธาตุมวลเบาหลายชนิดสามารถเปลี่ยนชนิดได้ เวลาถูกยิงด้วยโปรตอนพลังงานสูง

            ในปี ค.ศ. 1938 Walton กับ Cockcroft ได้รับเหรียญ Hughes ของสมาคม Royal Society แห่งอังกฤษ ครอบครัวของ E.T.S Walton มีบุตรชาย 2 คน และบุตรสาว 2 คน Walton เสียชีวิตเมื่อวันที่ 25 มิถุนายน ค.ศ. 1995 สิริอายุ 91 ปี

            ในปาฐกถาที่ Cockcroft บรรยายเนื่องในโอกาสที่ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ เขาเล่าว่า ในปี ค.ศ. 1928 หลังจากที่ George Gamow ได้ไปเยือนสถาบัน Bohr ในกรุง Copenhagen ที่เดนมาร์ก และแวะเยื่อน Rutherford ที่ห้องปฏิบัติการ Cavendish ขณะพักอยู่ที่ Cambridge Gamow ได้ให้สัมภาษณ์เรื่อง ทฤษฎีการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี โดยการปล่อยอนุภาคแอลฟา ซึ่ง Gamow ได้นำทฤษฎีควอนตัมมาประยุกต์เพื่ออธิบายว่า แม้อนุภาคแอลฟาที่อยู่ภายในนิวเคลียสจะมีพลังงานน้อยกว่ากำแพงศักย์โดยรอบ และตามหลักการของกลศาสตร์นิวต้น อนุภาคแอลฟาจะไม่มีวันทะลุกำแพงศักย์ออกมาได้ แต่ในกลศาสตร์ควอนตัมอนุภาคแอลฟาสามารถทะลุกำแพงศักย์ออกมาได้ เพราะอนุภาคแอลฟามีสมบัติคลื่น ดังนั้นเวลากระทบกำแพงศักย์มันจะมีโอกาสทะลุกำแพงศักย์ออกมาได้ดังที่เห็น Cockcroft จึงพิจารณาในแนวย้อนกลับว่าถ้าอนุภาคแอลฟาสามารถเล็ดรอดออกจากนิวเคลียสได้อนุภาคอื่นก็ต้องสามารถทะลุกำแพงศักย์เข้าไปภายในนิวเคลียสได้เช่นกัน

            การคำนวณโดยประมาณแสดงให้เห็นว่า โปรตอนที่ถูกเร่งด้วยความต่างศักย์เพียง 300 กิโลโวลต์สามารถพุ่งเข้าถึงนิ้วเคลียสของธาตุ boron ได้ แต่ถ้าใช้นิวเคลียสของ Lithium เป็นเป้า การทะลวงจะง่ายขึ้น ทันทีที่เข้าใจวิธีคิดของ Cockcroft Rutherford ได้อนุญาตให้ Cockcroft เดินหน้า โดยมี Walton เป็นผู้ช่วย ทั้งสองได้สร้างเครื่องเร่งอนุภาคขึ้น เพื่อเร่งโปรตอนให้มีพลังงานสูง สำหรับยิงนิวเคลียสของ Lithium และความสำเร็จก็บังเกิด ในวันที่ 13 เมษายน ค.ศ.1932 เมื่อโปรตอนพลังงานสูงพุ่งชนนิวเคลียสของ Lithium และเห็นแสงวับเกิดขึ้นที่จอรับอนุภาค เมื่อ Walton หยุดเครื่อง แสงวับก็หายไป ทั้งสองได้ทดลองซ้ำจนแน่ใจว่าแสงวับเป็นผลที่เกิดจากการยิงโปรตอน และมีอนุภาคสึกลับพุ่งมาปะทะจอรับ ทั้งสองจึงโทรศัพท์ถึง Rutherford  เพื่อรายงานเหตุการณ์ที่เห็น และ Rutherford ได้เสนอแนะให้เพิ่มศักย์ไฟฟ้า เพื่อเพิ่มพลังงานให้แก่โปรตอน แต่แสงวับก็ยังปรากฏ Rutherford จึงบอกว่าแสงวับเกิดจากอนุภาคแอลฟาพุ่งชนจอที่ถูกฉาบด้วย zinc sulfide นั่นคือ Cockcroft และ Walton ได้ประสบความสำเร็จในการเร่งอนุภาคเบาให้พุ่งชนนิวเคลียสหนัก ทำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ นี่จึงเป็นการเปลี่ยนแปลงธาตุใดยมนุษย์เป็นครั้งแรกการทดลองนี้ได้ชี้นำนักฟิสิกส์ให้หันมาสนใจเทคโนโลยีการสร้างเครื่องเร่งอนุภาคพลังงานสูง เพื่อใช้ศึกษาธรรมชาติของนิวเคลียส

ภาพ Beam time - the Cockcroft-Walton accelerator
ที่มา  http://www.lindahall.org/john-cockroft/

            ปัจจุบันนี้โลกมีเครื่องเร่งอนุภาค Large Hadron Collider (LHC) ที่ CERN ในปี ค.ศ. 2028 จีนจะสร้างโรงงานผลิตอนุภาค Higgs ที่มีเส้นรอบวงยาว 52 กิโลเมตร เพื่อเร่งอิเล็กตร้อน และโพชิตรอนให้ขนกัน และจะใช้อุปกรณ์นี้ศึกษาสมบัติของอนุภาค Higgs อย่างละเอียดเพื่อจะวิเคราะห์ว่า Higgs เป็นอนุภาคมูลฐานจริง (คือมิได้ประกอบด้วยอนุภาคอื่นใดที่เล็กกว่า) หรือไม่ ซึ่งการใช้เครื่องเร่งอนุภาค Supercolliderทั้งหลายในอนาค ล้วนเป็นผลที่เกิดจากงานบุกเบิกของ Cockcroft และ Watton ทั้งสิ้น

ภาพ The Large Hadron Collider
ที่มา   http://news.unl.edu/sites/default/files/media/20110822cms.jpg

         บทความนี้เป็นส่วนหนึ่งของนิตยสาร สสวท. ผู้อ่านสามารถติดตามบทความที่น่าสนใจเพิ่มเติมได้ที่ https://magazine.ipst.ac.th/

บรรณานุกรม

Cathcart, Brian. (2005), The Fly in the Cathedral. Penguin.