รัฐมนตรีคนแรกของโลกที่เป็นนักวิทยาศาสตร์ระดับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์คือ Steven Chu แห่งมหาวิทยาลัย Stanford สหรัฐอเมริกาซึ่งได้รับรางวัลประจำปี ค.ศ. 1997 ร่วมกับ Claude Cohen-Tannoudji แห่ง College de France และ Ecole Normale Superieure และ William D., Phillips แห่ง National Institute of Standards and Technology ของสหรัฐอเมริกา ด้วยผลงานการคิดสร้างวิธีกักอะตอมให้อยู่นิ่ง ๆ โดยใช้เลเซอร์และสนามแม่เหล็ก

ทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัมที่นักฟิสิกส์ใช้อธิบายพฤติกรรมของอะตอมและนุภาคมูลฐานสามารถใช้ได้ดีที่สุดกับอะตอมและอนุภาคที่อยู่โดดเดี่ยวในสภาพนิ่งสนิท แต่ในความเป็นจริง ะตอมจะเคลื่อนที่ตลอดเวลา แม้ที่อุณหภูมิห้อง ความเร็วของอะตอมก็อาจสูงถึง 1,000 เมตรวินากี การมีความเร็วมากเช่นนี้ทำให้สมบัติชิงกายภาพต่าง ๆ ของอะตอมเปลี่ยนแปลง ดังนั้น ผลการวัดที่ได้จะไม่ตรงกับผลคำนวณอย่างแม่นตรง

            ด้วยเหตุนี้ความพยายามที่จะทำอะตอมให้มีความเร็วน้อย ๆ จึงเป็นสิ่งที่พึงประสงค์เพื่อให้นักฟิสิกส์สามารถตรวจสอบความถูกต้องและสมบูรณ์ของทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัม และความฝันนี้ก็ได้เป็นจริงด้วยความสามารถของ Chu, Cohen-Tannoudji และ Phillips เพราะในปี ค.ศ. 1985 Chu ซึ่งทำวิจัยอยู่ที่ห้องปฏิบัติการ Bell Laboratory ที่เมือง Holmdel รัฐ New Jersey สามารถนำอะตอมโซเดียมจำนวนหนึ่งใส่ในกล่องทดลองที่ภายในถูกทำให้เป็นสุญญากาศแล้วยิงแสงเลเซอร์ 6 ลำให้พุ่งชนอะตอมตามแกน +x, -x, +y, -y, +z และ -z โดยการปรับความถี่ของแสงให้เหมาะสมอะตอมโซเดียมจะดูดกลืนอนุภาค โฟตอนของเลเซอร์ และเคลื่อนที่ช้าลง ๆ จนกระทั่งมีความเร็วโดยเฉลี่ยเท่ากับ 30 เซนติเมตร/วินาที ซึ่งเป็นความเร็วของอะตอมที่มีอุณหภูมิ 240 ไมโครเคลวิน (0.00024 องศาสัมบูรณ์) เพราะเหตุว่า Chu ใช้อะตอมเป็นจำนวนมากดังนั้นอะตอมที่จับกลุ่มกันจะมีลักษณะเป็นวุ้น หรือที่ Chu เรี่ยกว่า optical molass

รูปที่ 1 Steven Chu
ที่มา http://www.dailytech.comus+department+of+energy/

            แต่อะตอมเหล่านี้ไม่สามารถกาะกันเป็นกลุ่มได้นาน เพราะอะตอมแต่ละอะตอมใช่ว่าจะมีความเร็วเดียวกัน ดังนั้นอะตอมที่มีความเร็วน้อยกว่าค่าเฉลี่ยจะถูกแรงโน้มถ่วงของโลกดึงหลุดจากกลุ่ม ภายในเวลาเพียงเสี้ยวของ 1 วินาที จนในที่สุดวุ้นอะตอมก็สลายตัว

            เพื่อแก้ปัญหานี้ ในปี ค.ศ. 1988 Wiliam D. Phillips จึงใช้สนามแม่เหล็กความเข้มน้อยที่ไม่สม่ำเสมอ กระทำวุ้นแสง ณ ตำแหน่งที่เหนือกว่าและต่ำกว่าตำแหน่งวุ้นอะตอมเล็กน้อย Phillips ได้พบว่า อะตอมจะถูกกักให้อยู่นิ่ง ๆได้เป็นเวลานานขึ้นและวุ้นอะตอมมีอุณหภูมิต่ำลงถึง 40 ไมโครเคลวิน (หรือ 0.00004 องศาสัมบูรณ์)

            ด้าน Cohen-Tannoudji ซึ่งทดลองโดยใช้กลุ่มอะตอมฮีเลียมก็ได้พบว่า สามารถทำให้อุณหภูมิลดต่ำถึง 0.18 ไมโครเคลวิน (หรือ 0.00000018 องศาสัมบูรณ์) ที่อุณหภูมิที่ต่ำมากเช่นนี้ อะตอมฮีเลียมจะอยู่ในสถานะมืด (dark state) คือ เกือบนิ่งและไม่ทำปฏิกิริยาใด ๆ กับแสงอีกต่อไป

            เทคนิคการทำอุณหภูมิของสสารให้ต่ำมากของนักฟิสิกส์ทั้ง 3 ท่านนี้ ได้ถูกนำไปใช้ในการสร้างชูเปอร์ไฮเทคโนโลยีใหม่มากมาย เช่น ทำนาฬิกาปรมาณูที่เดินผิดพลาดไม่เกิน 1 วินาทีใน 300 ล้านปี เพราะแสงที่ถูกปล่อยออกมาจากกลุ่มอะตอมที่มีความเร็วต่ำจะมีความยาวคลื่นที่นักทดลองสามารถวัดได้อย่างละเอียดแม่นยำ และแทบไม่ผิดเลย เทคนิคนี้ยังถูกนำไปสร้างสสารชนิดใหม่แบบ Bose-Einstein Condensate (BEC) และสร้างอุปกรณ์แทรกสอดที่ใช้อะตอมและโมเลกุลแสดงปรากฏการณ์แทรกสอด และเลี้ยวเบนได้ด้วย

            Steven Chu เกิดเมื่อวันที่ 28 กุมภาพันธ์ ค.ศ. 1948 ที่เมือง St. Louis รัฐ Missouri สหรัฐอเมริก ในครอบครัวนักวิชาการบิดาเป็นอาจารย์สอนวิศวกรรมเคมีที่มหาวิทยาลัย Washingtonแห่ง St. Louis ส่วนมารดาจบการศึกษาด้านเศรษฐศาสตร์ ตาของ Chu ได้รับปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัย Cornell สำหรับลุงเรียนฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัย Sorbonneในฝรั่งเศส พี่ชายของ Chu ชื่อ Gilbert เป็นศาสตราจารย์ชีวเคมีที่มหาวิทยาลัย Stanford ด้านน้องชาย ชื่อ Morgan สำเร็จปริญญาเอกด้านกฎหมาย Steven Chu กล่าวว่า นอกจากพี่ชายและน้องชายแล้ว ลูกพี่ลูกน้องของ Chu เป็นแพทย์ และจบการศึกษาระดับปริญญาเอกทุกคน

รูปที่ 2 Steven Chu
ที่มา http://www.greengarageblog.org/tag/dr-steven-chu/

            ด้วยเหตุที่ญาติ ๆ ของ Chu ทุกคนเรียนเก่ง บิดาจึงขอร้องไม่ให้ Chu มีครอบครัวจนกระทั่งเรียนจบการศึกษาระดับปริญญาเอกในสมัยที่ยังเป็นเด็ก Chu เรียนหนังสือได้ไม่ดีเด่น คือ แค่ A จึงดูมีความสามารถด้อยกว่าสมาชิกคนอื่น ๆ ของตระกูลดังนั้นจึงไม่คิดจะเรียนระดับปริญญาที่มหาวิทยาลัย Ivy League แต่ขอไปเรียนที่มหาวิทยาลัย Rochester แทน และสำเร็จปริญญาตรี เมื่ออายุ 22 ปี จากนั้นได้ไปเรียนระดับปริญญาเอกที่มหาวิทยาลัย California วิทยาเขต Berkeley ด้วยทุนของ National Science Foundation จนสำเร็จในปี ค.ศ. 1976 แล้วได้ไปฝึกงานหลังปริญญาเอกต่ออีก 2 ปี ก่อนย้ายไปทำงานที่ Bell Labs เพื่อทำวิจัยเรื่องการทำสสารให้มีอุณหภูมิต่ำสุดด้วยการใช้แสงเลเซอร์ (laser cooling)

            ในอดีตเมื่อ 40 ปีก่อน Otto Frisch เคยใช้เทคนิคกระเจิงแสงในการทำให้สสารมีอุณหภูมิเย็นจัด โดยการยิงอะตอมโชเดียมด้วยแสงโซเดียม และพบว่า แสงสามารถทำให้อะตอมโซเดียมเบี่ยงเบนทิศได้ เพราะเมื่ออนุภาคโฟตอนของแสงปะทะอะตอม โมเมนตัมของอะตอมจะเปลี่ยน คือมีความเร็วส่วนหนึ่งในทิศของแสง และอุณหภูมิของอะตอมจะลดลง ดังนั้นเมื่อโฟตอน หลายอนุภาคพุ่งชนอะตอมช้ำ ๆ แม้โมเมนตัมของโฟตอน จะมีค่าน้อย แต่ถ้าจำนวนครั้งของการชนมีมากผลกระทบจะมีค่ามากในทำนองเดียวกับ การระดมยิงลูกบาสเก็ตบอลที่กำลังเคลื่อนที่ด้วยกระสุนที่ทำด้วยลูกปิงปองจำนวนมาก ก็สามารถชะลอความเร็วของลูกบาสเก็ตบอลได้เช่นกัน Frisch ได้ตั้งข้อสังเกตว่า ถ้าใช้แสงเลเชอร์ในการทดลอง นักทดลองจะต้องปรับความถี่ของแสงตลอดเวลาเพื่อให้โฟตอน ของแสงมีพลังงานพอดีสำหรับการถูกอะตอมดูดกลืน ซึ่งความถี่นี้ขึ้นกับชนิด ทิศและความเร็วของอะตอมนั้น เพราะถ้าไม่ปรับความถี่ของแสงให้พอเหมาะ แสงเลเซอร์ก็จะเคลื่อนที่ผ่านอะตอมไปโดยไม่ทำให้อะตอมมีความเร็วลดลง

            เหตุการณ์ที่เกิดขึ้นในเวลาต่อมา คือ เมื่ออะตอมดูดกลืนโฟตอนเข้าไปแล้ว มันจะปลดปล่อยโฟตอนออกมาในทิศต่าง ๆ อย่างสะเปะสะปะ ทำให้อะตอมที่เคลื่อนที่ในทิศของแสงพุ่งเข้าหาแสงด้วยความเร็วที่น้อยลง แต่ในขณะเดียวกันอะตอมเองก็มีการเคลื่อนที่แบบ Brownian ด้วย คือสะเปะสะปะอันเป็นผลที่เกิดจากการที่อะตอมชนกันเอง ซึ่งทำให้อะตอมมีอุณหภูมิสูงขึ้น การหักล้างระหว่างปัจจัยทั้งสองนี้คือข้อเสียที่ทำให้นักฟิสิกส์ไม่สามารถทำให้อะตอมมีอุณหภูมิลดต่ำมากได้

            ดังนั้น เพื่อให้กลุ่มอะตอมมีอุณหภูมิซูเปอร์ต่ำ นักฟิสิกส์จำต้องอาศัยเทคนิคอื่นเสริม นั่นคือ อาศัยกระบวนการระเหย(evaporative cooling) ซึ่งเป็นวิธีที่เราใช้เวลาต้องการจะทำให้กาแฟเย็นลง คือ เป่าลมไปเหนือผิวน้ำกาแฟ การทำเช่นนี้จะช่วยให้โมเลกุลน้ำที่มีอุณหภูมิสูงถูกกำจัดออกจากกาแฟออกมาเป็นไอน้ำ ซึ่งมีผลทำให้โมเลกุลน้ำที่เหลือมีพลังงานน้อยลง คือเย็นลงดังนั้น เมื่อใดที่มีกลุ่มอะตอมอุณหภูมิสูง กระบวนการระเหยจะทำให้กลุ่มอะตอมที่เหลือมีอุณหภูมิลดลง ๆ

            คณะบุคคลผู้บุกเบิกเทคนิคเช่นนี้คือ Chu, Cohen-Tan-noudji และ Phillips ซึ่งสามารถทำให้อะตอมเย็นจัดจนใกล้ถึงอุณหภูมิศูนย์องศาสัมบูรณ์ได้เป็นเวลานานหลายวินาทีและอะตอมที่ถูกกักนี้จะเคลื่อนที่ไป-มาเสมือนตกอยู่ในวุ้นเหนียว เมื่ออะตอมมีความเร็วต่ำ นักฟิสิกส์ก็สามารถศึกษาและวัดสมบัติของอะตอมได้อย่างแม่นยำ จนสามารถนำไปสร้างนาฬิกาปรมาณูที่เดินได้เที่ยงที่สุดในโลก และใช้ในกระบวนการ atomic lithography เพื่อทำคอมพิวเตอร์ชิพให้มีขนาดเล็กยิ่งกว่าเทคนิคธรรมดาหลายพันเท่า

            หลังจากที่ประสบความสำเร็จในการทำวิจัยระดับรางวัลโนเบลแล้ว Chuได้ย้ายไปเป็นอาจารย์ที่มหาวิทยาลัย Stanfordในปี ค.ศ. 1987 และเริ่มโครงการ Bi-X ซึ่งเป็นโครงการวิจัยที่เชื่อมโยงชีวิวิทยากับแพทยศาสตร์ โดย Chu เป็นตัวตั้งตัวตีในการหาแหล่งทุนวิจัยจากภายนอกมหาวิทยาลัย

            ถึงเดือนสิงหาคม ค.ศ.2004 Chu ได้รับการแต่งตั้งเป็นผู้อำนวยการของห้องปฏิบัติการ Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) ซึ่งมีจุดประสงค์จะวิจัยและพัฒนาด้านพลังงาน เช่น พลังนิวเคลียร์ พลังงานแสงอาทิตย์ และพลังงานชีวมวล เพราะได้พบว่าในการต่อสู้กับภัยโลกร้อนอเมริกาจำต้องลดปริมาณการใช้เชื้อเพลิงฟอสซิล เช่น ถ่านหินและน้ำมัน Chu ได้เคยเสนอให้หลังคาบ้าน และถนนทุกสายในโลกทาสีขาว หรือสีอ่อนเพื่อให้สามารถสะท้อนแสงอาทิตย์กลับออกไปสู่อวกาศ ซึ่งจะทำให้อุณหภูมิของโลกลดลงได้ และผลที่เกิดขึ้นนี้ Chu คิดว่า จะมีค่าเท่ากับการที่โลกไม่ใช้รถยนต์เลยเป็นเวลานาน 11 ปี

รูปที่ 3 Steven Chu
ที่มา http://www.ideastream.org/news/npr/170878703

           Chu ยังเป็นนักเคลื่อนไหวคนสำคัญในการเตือนสังคมให้ตระหนักภัยโลกร้อนด้วย เมื่อได้รับเลือกเป็นกรรมการคนหนึ่งของกรรมาธิการ Copenhagen Climate Council ซึ่งเป็นองค์กรที่มีนักวิทยาศาสตร์ และนักธุรกิจทำงานร่วมกัน

            ด้วยผลงานการพยายามสร้างพลังงานสะอาดในปี ค.ศ.2008ประธานาธิบดี Barack Obama แห่งสหรัฐจึงเลือก Steven Chu นักฟิสิกส์รางวัลโนเบลให้เป็นรัฐมนตรีกระทรวงพลังงานเพราะ Obama ต้องการส่งสัญญาณให้ประชาชนอเมริกันรู้ว่าสหรัฐฯ ต้องการแก้ปัญหาโลกร้อนโดยให้นักวิทยาศาสตร์ค้นหาเทคโนโลยีรูปแบบใหม่ที่เป็นพลังงานสะอาดและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม Chu จึงเป็นนักวิทยาศาสตร์รางวัลโนเบลคนแรกที่เข้ารับตำแหน่งรัฐมนตรีในคณะรัฐบาลของ Obama และนั่นหมายความว่าในการประชุม คณะรัฐมนตรีทุกครั้งจะมีนักฟิสิกส์รางวัลโนเบลเข้าร่วมประชุมด้วย

            ดังนั้นจากตำแหน่งผู้อำนวยการที่ LBNL ซึ่งได้รับงบประมาณปีละ 600 ล้านดอลลาร์ และมีบุคลากรใต้บังคับบัญชา 4,000 คน มาดำรงตำแหน่ง รัฐมนตรีทำให้ Chu ต้องบริหารเงินงบประมาณ 24,000 ล้านดอลลาร์/ปี และควบคุมการทำงานของห้องปฏิบัติการระดับชาติ 17 แห่งเพื่อหาพลังงานทดแทนพัฒนาพลังงานนิวเคลียร์ เสือกวิธีกำจัดกากกัมมันตรังสี วิจัยฟิสิกส์ของอนุภาคมูลฐาน พัฒนาจุลินทรีย์ที่สามารถแปลง Cellulose เป็นเชื้อเพลิง และสร้างเทคโนโลยีที่ทำให้เชื้อเพลิงชีวภาพมีประสิทธิภาพมากขึ้นด้วย

            ตามปกติ คนที่จะมาดำรงตำแหน่งรัฐมนตรีพลังงานมักเป็นนักการเมืองหรือนักธุรกิจที่ไม่มีภูมิหลังด้านวิทยาศาสตร์ ดังนั้นเมื่อ Obama ตัดสินใจเลือก Chu มาทำงานบริหารและการเมือง หลายคนจึงกังวลว่า ความเก่งในห้องปฏิบัติการของ Chu อาจไม่เพียงพอที่จะทำให้งานการเมืองลุล่วงเพราะรัฐมนตรีต้องทำหน้าที่ทุกเรื่องอย่างประนีประนอม และชักจูงให้ฝ่ายอื่น ๆ เห็นคล้อยตาม ต้องพยายามอธิบายข้อจำกัดของวิทยาศาสตร์ให้สมาชิกสภาผู้แทนราษฎรเข้าใจ ต้องพบปะสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรและวุฒิสมาชิกอย่างสม่ำเสมอ อีกทั้งต้องใช้เหตุผลหักล้างความเห็นของคนที่ไม่เห็นด้วย ซึ่ง Chu ก็เชื่อว่ารางวัลโนเบลของเขาคงมีน้ำหนักทำให้ผู้คนเชื่อคำอธิบาย และคำชี้แนะบ้าง เพราะการสนทนากันจะทำให้นักการเมืองคิดอะไร ๆ ในเชิงวิทยาศาสตร์มากขึ้น แทนที่จะยึดติดอุดมการณ์ส่วนตัวโดยไม่ฟังเหตุผลในมุมมองของวิทยาศาสตร์เลย

รูปที่ 4 Steven Chu
ที่มา https://www.youtube.com/watch?v=JKYNnmVBcY4

            หลังจากที่เวลาผ่านไป 4 ปี Chu ก็ได้ประกาศอำลาตำแหน่งรัฐมนตรี โดยไม่เข้าร่วมกับคณะรัฐบาลของ Obamaในวาระที่สอง และได้ลาออกเมื่อวันที่ 22 เมษายน ค.ศ. 2013 เพื่อกลับไปทำงานที่มหาวิทยาลัย Stanford ในด้านชีวิตส่วนตัว เมื่ออายุ 49 ปี Chu ได้แต่งงานใหม่กับ Jean Fetter นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน และมีบุตรชาย 2 คนซึ่งเกิดจากภรรยาคนแรก Lisa Chu-Thielbar

            นอกจากวิทยาศาสตร์แล้ว Chu ยังสนใจเบสบอล ว่ายน้ำ เทนนิส กระโดดน้ำ และจักรยาน แต่ Chu พูดภาษาจีนไม่ได้เลยเพราะพ่อแม่ไม่เคยสนทนากับ Chu และพี่น้องเป็นภาษาจีน

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

บรรณานุกรม

Chu, Steven. (1992). Laser Trapping of Neutral Particles.  Scientific American. February.