แรงอ่อน (weak force) เป็นแรงในธรรมชาติ เช่นเดียวกับแรงโน้มถ่วงและแรงแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งเกิดขึ้นกับวัตถุต่าง ๆ รอบตัวเรา รวมทั้งภายในร่างกายของเรา ถึงแม้เราจะไม่สามารถสังเกตหรือรับรู้ปรากฏการณ์ต่าง ๆ ที่เกิดจากแรงอ่อนได้ชัดเจน เนื่องจากแรงอ่อนเป็นแรงที่เกี่ยวข้องกับอนุภาคที่เล็กมาก ๆ ในระดับนิวเคลียส แต่ถ้าในธรรมชาติไม่มีแรงอ่อนสิ่งมีชีวิตต่างๆ บนโลกใบนี้จะไม่สามารถดำรงชีวิตอยู่ได้

ภาพ 1 อองรี แบ็กเกอแรล

   แรงอ่อนมีสมบัติอย่างไร และทำให้เกิดปรากฏการณ์ที่ส่งผลกับการดำเนินชีวิตของเราอย่างไร บทความนี้จะช่วยตอบคำถามดังกล่าว

ประวัติการศึกษาค้นคว้าเกี่ยวกับแรงอ่อน

   ในปี พ.ศ. 2439 ภายหลังการค้นพบธาตุกัมมันตรังสีของอองรี แบ็กเกอแรล (Henri Becquerel) นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส นักวิทยาศาสตร์ได้พยายามศึกษาเพิ่มเติมและได้พบว่า รังสีที่แผ่ออกมาจากธาตุกัมมันตรังสีส่วนใหญ่มี 3 ชนิด ได้แก่ รังสีแอลฟา รังสีบีตา และรังสีแกมมา ซึ่งสาเหตุที่ทำให้ธาตุกัมมันตรังสีมีการแผ่รังสีออกมาได้เองนี้ เนื่องจากนิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสี เป็นนิวเคลียสที่ไม่เสถียร จึงมีการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบภายในหรือเปลี่ยนระดับพลังงาน ที่เรียกว่าการสลายกัมมันตรังสี (Radioactive Decay) หรือเรียกสั้น ๆ ว่า การสลาย (Decay) เพื่อเปลี่ยนไปอยู่ในสภาวะที่มีเสถียรภาพมากกว่าเดิมพร้อมกับมีการปล่อยพลังงานออกมาในรูปของรังสี ที่เป็นอนุภาคที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงหรือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่สูงตัวอย่าง เช่น นิวเคลียสของเรเดียม-226  ซึ่งไม่เสถียร จะมีการสลายพร้อมปล่อยรังสีแอลฟา ซึ่งเป็นนิวเคลียสของฮีเลียม-4 ออกมา ทำให้นิวเคลียสของเรดอน-222  ที่มีเสถียรภาพมากขึ้น แต่ยังที่มีเสถียรภาพมากขึ้น แต่ยังอยู่ในสถานะกระตุ้น และต่อมานิวเคลียสของเรดอน-222 ที่อยู่ในสถานะกระตุ้น จะมีการสลายพร้อมกับปล่อยรังสีแกมมา () กลายเป็นนิวเคลียสของเรดอน-222 ที่เสถียร กลายเป็นนิวเคลียสของเรดอน-222 ที่เสถียร (  ) ดังภาพ ซึ่งเขียนแทนได้ด้วยสมการ

ภาพ 2.1 เรเดียม-226 สลายพร้อมปล่อยรังสีแอลฟา

ภาพ 2.2 เรดอน-222 สลายพร้อมปล่อยรังสีแกมมา

ภาพ 2 นิวเคลียสที่ไม่เสถียรมีการสลายเพื่อเปลี่ยนไปอยู่ในสภาวะที่เสถียรกว่าพร้อมปล่อยรังสีออกมา

   เอนริโก แฟร์มี (Enrico Fermi) นักฟิสิกส์ชาวอิตาลี ได้ทำการศึกษากระบวนการแผ่รังสีบีตา ที่นิวเคลียสไม่เสถียรและมีการสลายพร้อมปล่อยรังสีบีตา หรืออนุภาคบีตา (Beta Particle) ซึ่งเป็นอิเล็กตรอนความเร็วสูงออกมา แล้วกลายเป็นนิวเคลียสของธาตุชนิดใหม่ ที่มีจำนวนนิวตรอนลดลง 1 นิวตรอน และจำนวนโปรตอนเพิ่มขึ้น 1 โปรตอน ดังภาพ 4 โดยแฟร์มีได้ตั้งสมมติฐานว่า การสลายให้อนุภาคบีตานี้ มีแรงชนิดหนึ่งเข้ามาเกี่ยวข้อง เขาเรียกชื่อแรงนี้ว่า แรงอ่อน (Weak Force) เนื่องจากเป็นแรงที่มีความเข้มของแรง (Strength) น้อยกว่าแรงแม่เหล็กไฟฟ้า และน้อยกว่าแรงที่ยึดเหนี่ยวอนุภาคในนิวเคลียสมาก

ภาพ 3 เอนริโก แฟร์มี

ภาพ 4 นิวเคลียสที่ไม่เสถียรเปลี่ยนไปเป็นนิวเคลียสที่มีเสถียรภาพมากกว่า
โดยการแผ่รังสีหรือปล่อยอนุภาคบีตา

   แฟร์มีได้เปรียบเทียบปรากฏการณ์ที่นิวเคลียสสลายให้อนุภาคบีตา กับปรากฏการณ์ที่อิเล็กตรอนที่อยู่ในสถานะกระตุ้นหรืออยู่ในระดับพลังงานที่สูง มีการเปลี่ยนไปอยู่ในสถานะพื้นหรือระดับพลังงานที่ต่ำกว่า พร้อมปล่อยโฟตอนออกมา ดังภาพ 5 นั่นคือ ในการสลายให้อนุภาคบีตานิวเคลียสที่ไม่เสถียรมีการเปลี่ยนไปเป็นนิวเคลียสที่มีเสถียรภาพมากยิ่งขึ้น พร้อมกับปล่อยอนุภาคบีตาหรืออิเล็กตรอนออกมา อีกทั้งมีอนุภาคที่เป็นกลางอีกหนึ่งอนุภาคเรียกว่า อิเล็กตรอนแอนตินิวทริโนออกมาพร้อมด้วย ซึ่งเป็นผลมาจากการกระทำของแรงอ่อน ดังภาพ 6

ภาพ 5 การเปลี่ยนระดับพลังงานของอิเล็กตรอนในอะตอมทำให้มีการปล่อยโฟตอนออกมา

ภาพ 6 แบบจำลองการเปลี่ยนองค์ประกอบของนิวเคลียสไปเป็นนิวเคลียสที่มีเสถียรภาพมากกว่าเดิม
พร้อมปล่อยอนุภาคบีตาหรืออิเล็กตรอนกับอิเล็กตรอนแอนตินิวทริโนออกมา

   นักวิทยาศาสตร์พบว่า ในระดับองค์ประกอบของนิวเคลียส การสลายให้อนุภาคบีตาเกิดจากการที่นิวตรอนในนิวเคลียสเดิมสลายไปเป็นโปรตอน โดยมีการปล่อยอนุภาคบีตาหรืออิเล็กตรอน และอิเล็กตรอนแอนตินิวทริโนออกมา ซึ่งเป็นผลมาจากแรงอ่อน ดังภาพ 7

ภาพ 7 แบบจำลองนิวตรอนเปลี่ยนไปเป็นโปรตอน
พร้อมกับปล่อยอนุภาคบีตาและอิเล็กตรอนแอนตินิวทริโน

   ในเวลาต่อมา แนวคิดของแฟร์มีได้รับการพัฒนาให้สอดคล้องกับผลการทดลองมากในเวลาต่อมา แนวคิดของแฟร์มีได้รับการพัฒนาให้สอดคล้องกับผลการทดลองมากยิ่งขึ้น และได้กลายมาเป็นรากฐานของทฤษฎีที่ใช้อธิบายแรงอ่อนในปัจจุบัน

สมบัติและปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องกับแรงอ่อน

   แรงอ่อนเป็นแรงที่มีความเข้มของแรงน้อยมาก น้อยกว่าแรงแม่เหล็กไฟฟ้า แต่ยังมากกว่าแรงโน้มถ่วง ซึ่งหมายความว่า ระหว่างวัตถุ 2 ก้อน ที่มีมวล ประจุ และระยะท่างระหว่างกัน เท่า ๆ กัน แรงที่วัตถุทั้ง 2 กระทำซึ่งกันและกัน เรียงลำดับจากมากไปน้อย คือ แรงแม่เหล็กไฟฟ้า แรงอ่อนและแรงโน้มถ่วง ตามลำดับ

   แรงอ่อนเป็นแรงที่กระทำกับอนุภาคขนาดเล็กในระดับ 10 - 18 เมตร หรือน้อยกว่าเท่านั้น ซึ่งเป็นระยะที่น้อยกว่ารัศมีของโปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียส  ถ้าเป็นระยะทางที่มากกว่านี้ แรงอ่อนจะไม่ส่งผลใด ๆ เลย ดังนั้น ปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องกับแรงอ่อน จึงเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นระหว่างอนุภาคขนาดเล็ก เช่น ระหว่างอนุภาคที่อยู่ภายในนิวตรอนหรือโปรตอนในนิวเคลียส

แรงอ่อนกับการดำรงชีวิต

   ถึงแม้ว่าแรงอ่อนจะเกี่ยวข้องกับอนุภาคที่มีขนาดเล็กมาก ๆ แต่ผลของแรงอ่อนทำให้เกิดการสลายของนิวเคลียส ไฮโดรเจนที่เป็นกลไกสำคัญของการเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบฟิวชันบนดวงอาทิตย์ ดังภาพ 8 ถ้าไม่มีแรงอ่อน กระบวนการที่ทำให้มีการปลดปล่อยพลังงานบนดวงอาทิตย์ จะไม่สามารถเกิดขึ้นได้ และคงไม่มีแสงและพลังงานจากดวงอาทิตย์ มาหล่อเลี้ยงสิ่งมีชีวิตบนโลก

ภาพ 8 แรงอ่อนทำให้เกิดการสลายให้บีตาที่เป็นกลไกสำคัญ
ของปฏิกิริยานิวเคลียร์เกิดฟิวชันบนดวงอาทิตย์

ภาพ 9 แรงอ่อนทำให้เกิดการแผ่รังสีบีตา
ที่ทำให้พื้นผิวโลกส่วนใหญ่ไม่มีสภาพเป็นน้ำแข็ง

ภาพ 10 สนามแม่เหล็กโลกที่เกิดขึ้นได้เพราะแรงอ่อน
ช่วยป้องกันรังสีอันตรายที่มาจากดวงอาทิตย์ (ที่มา: NASA)

   แรงอ่อนยังเป็นสาเหตุหลักที่ทำให้ธาตุกัมมันตรังสีที่อยู่บริเวณชั้นแมนเทิล (mantle) และชั้นเปลือกโลก (crust) มีการแผ่รังสีบีตาตลอดเวลา ซึ่งรังสีที่แผ่ออกมาทำให้ใต้ผิวโลกมีอุณหภูมิสูงหลายพันองศาเซลเซียส และเกิดการถ่ายโอนความร้อนไปยังชั้นต่าง ๆ ของโลก ช่วยให้พื้นผิวโลกส่วนใหญ่ไม่มีสภาพเป็นน้ำแข็ง ซึ่งเป็นสภาวะที่ไม่เหมาะสมต่อการดำรงชีวิตของสิ่งมีชีวิตหลายชนิด อีกทั้งความร้อนใต้ผิวโลกมีส่วนทำให้เกิดสนามแม่เหล็กโลกที่ช่วยป้องกันรังสีจากนอกโลกที่เป็นอันตรายต่อสิ่งมีชีวิตด้วย

   นอกจากนี้ แรงอ่อนยังช่วยให้นักโบราณคดีและนักธรณีวิทยา สามารถหาอายุของวัตถุโบราณ หิน และซากดึกดำบรรพ์ต่าง ๆ เพื่อศึกษาความเป็นมาในอดีต และการสำรวจพื้นที่ต่าง ๆ ทางธรณีวิทยาได้เป็นอย่างดี เนื่องจากแรงอ่อนเป็นสาเหตุที่ทำให้ไอโซโทปกัมมันตรังสี เกิดการสลายให้บีตา เช่น คาร์บอน-14 หรือ ยูเรเนียม-235 ซึ่งการสลายให้บีตามีอัตราการสลายที่คงตัว การวัดปริมาณไอโซโทปกัมมันตรังสีที่เหลืออยู่ในวัตถุโบราณ หิน หรือ ซากดึกดำบรรพ์ ช่วยให้ทราบอายุของวัตถุเหล่านั้นได้

ภาพ 11 การหาอายุของซากดึกดำบรรพ์ของไดโนเสาร์
โดยอาศัยการสลายกัมมันตรังสีที่มีแรงอ่อนมาเกี่ยวข้อง
(ภาพจาก : Aline Dassel จาก Pixabay)

   จะเห็นได้ว่าแรงอ่อนที่กระทำเฉพาะกับอนุภาคขนาดเล็กมาก ๆ ส่งผลให้เกิดปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องกับการดำรงชีวิตของสิ่งมีชีวิตบนโลกมาก และด้วยสมบัติที่แตกต่างจากแรงพื้นฐานอื่น ๆ ในธรรมชาติ นักวิทยาศาสตร์จึงจัดให้แรงอ่อนเป็น 1 ใน 4 แรงพื้นฐานในธรรมชาติ

บทความนี้เป็นส่วนหนึ่งของนิตยสาร สสวท. ปีที่ 50 ฉบับที่ 235 มีนาคม - เมษายน 2565

ผู้อ่านสามารถติดตามบทความที่น่าสนใจเพิ่มเติมได้ที่ https://emagazine.ipst.ac.th/

บรรณานุกรม

Lee, T.D. (1987). History of the Weak Interaction. CERN Courier. 27(1): 7-12.Lee, T.D. (1987). History of the Weak Interaction. CERN Courier. 27(1): 7-12.

Rajasekaran, G. (2014). Fermi and the Theory of Weak Interactions. Resonance. 19(1): 18-44.