แรงเข้ม (Strong Force) เป็นแรงในธรรมชาติเช่นเดียวกับแรงโน้มถ่วงและแรงแม่เหล็กไฟฟ้า ถึงแม้เราจะไม่สามารถสังเกตหรือรับรู้ปรากฏการณ์ต่าง ๆ ที่เกิดจากแรงเข้มได้ชัดเจน แต่ถ้าไม่มีแรงเข้มอะตอมของธาตุต่าง ๆ ที่ประกอบกันเป็นร่างกายของเราและวัตถุรอบตัวเรา จะไม่สามารถคงสภาพเป็นอะตอมอยู่ได้ และคงไม่มีตัวตนของเราอย่างเช่นทุกวันนี้

   แรงเข้มเกี่ยวข้องกับปรากฏการณ์ใดและมีสมบัติอย่างไร ความเข้าใจแรงเข้มเกี่ยวข้องกับปรากฏการณ์ใดและมีสมบัติอย่างไร ความเข้าใจเกี่ยวกับแรงเข้มสามารถนำมาใช้ประโยชน์ในด้านใด บทความนี้จะช่วยตอบคำถามดังกล่าว

ประวัติการศึกษาค้นคว้าเกี่ยวกับแรงเข้ม

   ในช่วงที่นักฟิสิกส์เริ่มได้ภาพองค์ประกอบภายในนิวเคลียสชัดเจน หลังการเรียกนิวเคลียสของไฮโดรเจนว่าโปรตอนโดย เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด (Ernest Rutherford) ในปี พ.ศ. 2462 และการค้นพบนิวตรอนของ เจมส์ แชดวิก (Sir James Chadwick) ในปี พ.ศ. 2475 นักฟิสิกส์ในช่วงเวลานั้นต่างมั่นใจว่า ภายในนิวเคลียสต้องมีแรงอีกชนิดหนึ่งที่มีขนาดมากกว่าแรงผลักทางไฟฟ้าระหว่างโปรตอน ที่สามารถทำให้โปรตอนกับโปรตอนยึดเหนี่ยวให้รวมกันอยู่ โดยได้เรียกแรงดังกล่าวว่าแรงนิวเคลียร์ (Nuclear Force)

ภาพ 1 เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด
ภาพจาก https://www.livescience.com/quarkonium-spectrum-of-strong-nuclear-force-particles.html

ภาพ 2 เจมส์ แชดวิก
ภาพจาก https://www.livescience.com/quarkonium-spectrum-of-strong-nuclear-force-particles.html

   นักฟิสิกส์คนแรกที่ประสบความสำเร็จในการพัฒนาทฤษฎี เพื่ออธิบายธรรมชาติของแรงนิวเคลียร์คือ ฮิเดกิ ยุกะวะ (Hideki Yukawa) นักฟิสิกส์ชาวญี่ปุ่น ทฤษฎีของยุกะวะได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวาง จนกระทั่งในปี พ.ศ. 2512 คณะนักฟิสิกส์ชาวสหรัฐอเมริกาได้ทำการทดลองโดยใช้เครื่องเร่งอนุภาคแนวตรงที่ยาวกว่า 3.2 กิโลเมตร ดังภาพ 4 เร่งอิเล็กตรอนให้มีพลังงานสูงให้เข้าไปชนกับโปรตอนและนิวตรอน พบว่า อิเล็กตรอนบางอนุภาคมีการเบนออกไปจากแนวเดิม คล้ายกับการที่ลูกบอลเคลื่อนที่ไปกระทบกับสิ่งกีดขวาง ทำให้นักฟิสิกส์สรุปได้ว่าโปรตอนและนิวตรอนประกอบด้วยอนุภาคที่เล็กกว่าจำนวน 3 อนุภาค อนุภาคดังกล่าวได้รับการให้ชื่อว่า ควาร์ก (Quark)

ภาพ 3 ฮิเดกิ ยุกะวะ

ภาพ 4 ภาพถ่ายจากด้านบนแสดงเครื่องเร่งอนุภาคแนวตรง

   จากการค้นพบองค์ประกอบภายในนิวตรอนและโปรตอน ทำให้ความเข้าใจเดิมเกี่ยวกับแรงนิวเคลียร์ต้องมีการแก้ไข และจากการศึกษาเพิ่มเติมนักวิทยาศาสตร์พบว่า จริงแล้วแรงนิวเคลียร์ที่ทำให้นิวตรอนและโปรตอนรวมกันได้อยู่ในนิวเคลียส เป็นผลมาจากแรงชนิดหนึ่งที่ยึดเหนี่ยวควาร์กไว้ นักฟิสิกส์เรียกแรงชนิดนี้ว่า แรงเข้ม (Strong Force) ดังภาพ 5

ภาพ 5 แบบจำลองแรงเข้มที่ยึดเหนี่ยวควาร์กในนิวตรอน

สมบัติและปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องกับแรงเข้ม

   แรงเข้มที่ส่งผลให้เกิดแรงนิวเคลียร์ ทำให้นิวเคลียสของธาตุและไอโซโทปของธาตุประมาณ 270 ชนิด มีเสถียรภาพกล่าวคือ นิวเคลียสเหล่านี้ไม่มีการเปลี่ยนสภาพตามเวลาเรียกว่า นิวเคลียสเสถียร (Stable Nucleus) จากทฤษฎีที่ใช้อธิบายธรรมชาติของแรงนิวเคลียร์ที่เป็นที่ยอมรับในปัจจุบัน เราทราบว่าแรงนิวเคลียร์เป็นแรงดึงดูดระหว่างโปรตอนกับโปรตอน นิวตรอนกับนิวตรอน และโปรตอนกับนิวตรอนในนิวเคลียส โดยแรงนิวเคลียร์ไม่ขึ้นกับประจุและมวล นอกจากนี้ แรงนิวเคลียร์ส่งผลเฉพาะในระยะใกล้มาก (very short-range force) ประมาณ 10 - 15 เมตร จึงเป็นแรงที่กระทำระหว่างนิวตรอนและโปรตอนที่อยู่ติดกันเท่านั้น ไม่ส่งผลต่ออนุภาคอื่นๆ ที่อยู่ถัดออกไป ดังภาพ 6 และไม่ส่งผลต่ออิเล็กตรอนด้วย

ภาพ 6 นิวคลีออนในนิวเคลียสและแรงนิวเคลียร์กระทำระหว่างนิวคลีออน

   แรงเข้มเป็นแรงที่มีความเข้มมากที่สุด ในบรรดาแรงทั้งหมดในธรรมชาติ มากกว่าแรงแม่เหล็กไฟฟ้าหลายร้อยเท่า และมากกว่าแรงโน้มถ่วงมากๆ ซึ่งหมายความว่าระหว่างวัตถุ 2 ก้อน ที่มีมวล ประจุ และระยะห่างระหว่างกันเท่า ๆ กัน แรงที่มากที่สุดที่วัตถุทั้ง 2 กระทำซึ่งกันและกัน คือ แรงเข้ม รองลงมาคือ แรงแม่เหล็กไฟฟ้า และสุดท้ายคือแรงโน้มถ่วง อย่างไรก็ตาม เนื่องจากแรงเข้มเกิดขึ้นในระดับ 10 - 15 เมตร หรือน้อยกว่า ถ้าเป็นระยะทางที่มากกว่านี้ แรงเข้มจะไม่ส่งผลใดๆ เลย แรงเข้มจึงทำให้เกิดปรากฏการณ์ระหว่างอนุภาคขนาดเล็กมาก ๆ เท่านั้น

  เมื่อพิจารณาความสัมพันธ์ระหว่างขนาดของแรงเข้มที่ยึดเหนี่ยวควาร์กต่าง ๆ เข้าด้วยกันกับระยะทาง เราสามารถเปรียบเทียบได้กับแรงสปริงหรือหนังยางที่มีวัตถุติดอยู่ที่ปลายทั้งสองข้าง โดยแรงสปริงเปรียบได้กับแรงเข้ม และวัตถุทั้งสองเปรียบได้กับควาร์ก เมื่อลองดึงวัตถุให้ออกห่างจากกัน ถ้าระยะห่างระหว่างวัตถุทั้งสองมีค่าน้อย แรงสปริงที่ดึงวัตถุทั้งสองเข้าด้วยกันก็จะมีค่าน้อย ถ้าระยะห่างระหว่างวัตถุทั้งสองมีค่ามาก แรงสปริงที่ดึงวัตถุทั้งสองเข้าด้วยกันก็จะมีค่ามากตามไปด้วย เมื่อเปรียบเทียบกับแรงเข้มและระยะห่างของควาร์กจะอยู่ในลักษณะคล้ายกันคือ แรงเข้มมีค่ามากขึ้นเมื่อระยะห่างระหว่างควาร์กมีค่ามากขึ้น ความสัมพันธ์ระหว่างขนาดของแรงกับระยะทางระหว่างควาร์กสำหรับแรงเข้มนี้ ตรงข้ามกับความสัมพันธ์ดังกล่าวสำหรับแรงโน้มถ่วงและแรงแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งขนาดของแรงจะมีค่ามากขึ้นเมื่อระยะทางระหว่างอนุภาคลดลง

ประโยชน์และความสำคัญของแรงเข้ม

   ถึงแม้ว่าแรงเข้มจะเกี่ยวข้องกับอนุภาคในระดับนิวเคลียส แต่ถ้าไม่มีแรงเข้ม อนุภาคในนิวเคลียสอย่างนิวตรอนและโปรตอนจะไม่สามารถรวมกันอยู่ได้ และจะไม่มีอะตอมที่เป็นองค์ประกอบพื้นฐานของสิ่งมีชีวิตและวัตถุต่างๆ อย่างเช่นทุกวันนี้

ภาพ 7 โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ที่อาศัยพลังงานจากปฏิกิริยานิวเคลียร์

   นอกจากนี้ จากการพยายามศึกษาแรงภายในนิวเคลียสนักวิทยาศาสตร์พบว่า แรงเข้มได้กักเก็บพลังงานไว้มหาศาลภายในนิวเคลียส ถ้านิวเคลียสของธาตุบางชนิดได้รับการกระตุ้นที่เหมาะสมจะทำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่สามารถปลดปล่อยพลังงานที่แรงเข้มกักเก็บไว้นี้ออกมา ซึ่งสามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้ เช่น การนำมาผลิตไฟฟ้าของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ หรือการผลิตไฟฟ้าสำหรับการขับเคลื่อนเรือขนาดใหญ่

   จะเห็นได้ว่า แรงเข้มเป็นแรงที่ทำให้องค์ประกอบพื้นฐานของสิ่งมีชีวิตและวัตถุต่าง ๆ สามารถรวมกันอยู่ได้อย่างมีเสถียรภาพ ทำให้เกิดสสารต่างๆ บนโลกและในเอกภพ และมีสภาพอย่างที่เป็นอยู่ทุกวันนี้ ไม่กระจายหรือสลายไป และด้วยสมบัติที่แตกต่างจากแรงอื่นๆ แรงเข้มจึงได้รับการจัดให้เป็น 1 ใน 4 แรงพื้นฐานในธรรมชาติ

บทความนี้เป็นส่วนหนึ่งของนิตยสาร สสวท. ปีที่ 50 ฉบับที่ 237 กรกฎาคม - สิงหาคม 2565

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

บรรณานุกรม

Halliday, D. & Resnick, R. & Walker, J. (2013). Fundamentals of Physics. 10th ed. John Wiley & Sons, Inc.Halliday, D. & Resnick, R. & Walker, J. (2013). Fundamentals of Physics. 10th ed. John Wiley & Sons, Inc.

Serway, R. A. & Jewett, Jr. & J. W. (2014). Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics. 9th ed. Brooks: Cole.

Young, H. D.& Freedman, R. A. (2015). Sears and Zemansky’s University Physics with Modern Physics. 14th ed. Pearson.