หากถามถึงสถานที่ “หนาวเย็นที่สุด” ใน “เอกภพ” หลายคนอาจนึกถึงสถานที่อันห่างไกลจากแสงสว่างและหนาวเย็น แต่ใครจะรู้ว่าแท้จริงแล้วสถานที่ที่หนาวเย็นที่สุดในเอกภพ กลับตั้งอยู่บนโลกใบนี้

หากนึกถึงสภาพอากาศที่หนาวเย็นที่สุดบนโลก เราคงนึกถึง “ขั้วโลกใต้” สถานที่ที่เต็มไปด้วยน้ำแข็งอันหนาวเหน็บ หิมะเหล่านี้ตกกองกันมานานนับหลายสิบล้านปี ก่อตัวเป็นชั้นหิมะและน้ำแข็งสูงหลายกิโลเมตรจากพื้นดิน อุณหภูมิเฉลี่ยของใจกลางขั้วโลกใต้อยู่ที่ -40 องศาเซลเซียส ความหนาวเย็นของขั้วโลกใต้นั้นสามารถนับได้ว่าคือหนึ่งในสถานที่ที่หนาวเย็นที่สุดแห่งหนึ่งบนโลก แต่ถึงกระนั้นที่อุณหภูมิ -40 องศาเซลเซียสนั้นก็ยังคงห่างไกลจากจุดที่เรียกว่า “อุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์” อยู่ดี

ภาพการทำการทดลองของตู้เย็น CUORE ในปี 2017 ภาพจาก CUORE

อุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์ (Absolute Zero) คืออุณหภูมิที่ -273.15 องศาเซลเซียส หรือ 0 เคลวิน ไม่มีจุดไหนเลยในเอกภพที่มีอุณหภูมิเย็นยะเยือกได้เทียบเท่ากับค่านี้ หนาวเย็นแม้กระทั่งว่าอิเล็กตรอนจะหยุดสั่นที่อุณหภูมิเท่านี้ ดังนั้นความสามารถในการวัดอุณหภูมิที่ต่ำกว่านี้ย่อมไม่สามารถเกิดขึ้นได้อีกแล้ว เพราะไม่มีสสารหรือสมบัติของอนุภาคใด ๆ ใน “เอกภพ” นี้ จะสามารถสั่นในอุณหภูมิที่ต่ำกว่านี้ได้อีก นี่จึงเป็นอุณหภูมิที่ต่ำที่สุดที่จะเป็นไปได้ในเอกภพนี้

และหากถามว่าจุดที่หนาวเย็นที่สุดในเอกภพนั้นอยู่ที่ไหน แล้วอุณหภูมิเท่าไร หลายคนอาจจะแปลกใจหากคำตอบไม่ใช่สถานที่อันห่างไกลในเอกภพที่ยากต่อการเข้าถึงของมนุษย์ แต่กลับคือสถาบันวิจัยวิทยาศาสตร์บนโลกของเรา และอุณหภูมิของมันไม่ใช่อุณหภูมิหนาวเย็นปกติทั่วไป แต่มันคืออุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์

ในปี 1993 ทีมวิจัย YKI ได้สร้างตู้เย็นที่สามารถลดอุณหภูมิภายในตู้ให้ลดต่ำลงไปจนถึง -273.1499999972 องศาเซลเซียส หรือเพียง 0.28 นาโนเคลวินเท่านั้น ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่ต่ำอย่างยิ่งยวด ถึงแม้ว่าพื้นที่ภายในตู้เย็นมันจะเล็กมากแต่นั่นก็เป็นเป้าหมายที่ดีสำหรับการลดอุณหภูมิให้ต่ำใกล้เคียงศูนย์สัมบูรณ์ได้สำเร็จ และต่อมาในปี 2000 ทีมวิจัยนี้ก็สามารถลดอุณหภูมิของตู้เย็นให้ต่ำลงกว่าเดิมอีกจนเหลือเพียง 0.1 นาโนเคลวินซึ่งเป็นการท้าทายขีดจำกัดของงานวิจัยตัวเอง อีกทั้งยังเป็นครั้งแรกที่พวกเขาได้ทดลองการลดอุณหภูมิของโลหะอิริเดียม (Iridium) จนลดต่ำลงจนถึงอุณหภูมิระดับพิโคเคลวิน (ต่ำกว่าระดับนาโนเคลวิน 1,000 เท่า) ได้สำเร็จ ทำให้สามารถศึกษาพฤติกรรมการแข็งตัว สมบัติทางแม่เหล็ก และสมบัติความเป็นตัวนำยิ่งยวดของโลหะอิริเดียมได้

การศึกษาวิธีการสร้างตู้เย็นเพื่อเป้าหมายในการเข้าใกล้อุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์ใช่ว่าจะจบหลังจากทีมวิจัย YKI ทำได้ แต่ทำให้เกิดการแข่งขันในการหาวิธีที่จะสร้างตู้เย็นที่ใหญ่ขึ้น ใช้งานได้ง่ายขึ้น และดีขึ้น เพื่อทำการทดลองใหม่ ๆ ที่มีความท้าทายมากยิ่งขึ้น หนึ่งในงานวิจัยที่มีความต้องการใช้งานตู้เย็นอุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์นี้คือการศึกษาสัญญาณของสสารมืด

CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events) หนึ่งในตู้เย็นอุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์ที่ศึกษางานด้านฟิสิกส์อนุภาค เจ้าตู้เย็นตู้นี้ติดตั้งอยู่ในเมือง Assergi ประเทศอิตาลี งานของ CUORE ออกแบบมาเพื่อการลดอุณหภูมิของอุปกรณ์ตรวจจับและสสารที่ใช้ในการศึกษา เช่น การแผ่รังสีแบบ Double-Beta Decay ของสารกัมมันตรังสีบางประเภท หรือ การตรวจจับสสารมืดที่ต้องใช้อุณหภูมิที่เย็นยิ่งยวดเพื่อลดปัญหาการสั่นของอะตอมของอุปกรณ์ตรวจวัดสสารมืด

ภาพถ่ายเนบิวลาบูมเมอแรง วัตถุอวกาศที่มีอุณหภูมิต่ำที่สุดที่มนุษย์เคยรู้จัก

ส่วนหากถามว่าแล้วสถานที่ที่เย็นที่สุดที่เกิดขึ้นเองธรรมชาติไม่ได้มาจากที่มนุษย์สร้างขึ้นนั้น อยู่ที่ไหนในเอกภพ คำตอบคือ เนบิวลาบูมเมอแรง (Boomerang Nebula) มันเป็นสถานที่ที่หนาวเย็นที่สุดที่มนุษย์รู้จักมา อุณหภูมิพื้นหลังของอวกาศนั้นจะอยู่ที่ 2.73 เคลวินหรือ -270.42 องศาเซลเซียส แต่ก๊าซที่อยู่ภายในเนบิวลาบูมเมอแรงนี้กลับมีอุณหภูมิที่ต่ำกว่าอวกาศภายนอกมาก เพียงแค่หนึ่งเคลวิน เท่านั้น และที่น่าประหลาดคือก๊าซที่ไหลวนอยู่ภายในเนบิวลานี้กลับมีความเร็วมากถึง 500,000 กิโลเมตรต่อชั่วโมง

เครื่อง Q ควอนตัมคอมพิวเตอร์ของบริษัท IBM คือหนึ่งในสิ่งประดิษฐ์ชั้นสูงที่มีความจำเป็นต้องทำงานในอุณหภูมิที่ต่ำยิ่งยวดเพื่อรักษาสภาพของความพัวพันทางควอนตัมเพื่อประกอบการประมวลผลการคำนวณเชิงตรรกะ ภาพจาก Lars Plougma

คำถามสุดท้ายคือ เหตุใดเราต้องศึกษาการสร้างตู้เย็นที่สามารถทำอุณหภูมิที่เย็นยิ่งยวดจนเข้าใกล้เคียงกับอุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์ด้วย ซึ่งสิ่งที่ได้จากการทำตู้เย็นอุณหภูมิต่ำนั้นคือความสามารถในการศึกษาพฤติกรรมของสสารที่ไม่มีทางเกิดในอุณหภูมิปกติได้เลย เช่น สสารที่อยู่ในสถานะเย็นยิ่งยวด สสารควบแน่นโบส-ไอสไตน์ (Bose–Einstein Condensate) การศึกษาพฤติกรรมการเคลื่อนที่ที่ช้าลงของแสงในกลุ่มหมอกที่เย็นยิ่งยวด สมบัติการนำไฟฟ้ายิ่งยวดของโลหะที่มีอุณหภูมิต่ำจัด หรือแม้แต่การศึกษาการสร้างควอนตัมคอมพิวเตอร์ เพื่อคงสภาพสมบัติการพัวพันทางควอนตัม ทีมนักวิจัยจึงจำเป็นต้องสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมภายในตู้เย็นขนาดใหญ่

การสร้างตู้เย็นที่มีความเย็นยิ่งยวดเปรียบเสมือนการสร้างโครงสร้างพื้นฐานให้กับงานวิจัยต่าง ๆ ที่จะเกิดขึ้นอนาคตที่จะต่อยอดจากงานวิจัยเหล่านี้ ซึ่งสุดท้ายแล้วการสร้างตู้เย็นที่เย็นเจี๊ยบเหล่านี้เป็นเหมือนฐานไหล่ของยักษ์ที่จะทำให้เราสามารถเหยียบเพื่อสานต่อองค์ความรู้ของมนุษยชาติได้สืบไป

เรียบเรียงโดย : จิรสิน อัศวกุล

🎧 อัปเดตข้อมูลแวดวงวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี รู้ทันโลกไอที และโซเชียลฯ ในรูปแบบ Audio จาก AI เสียงผู้ประกาศของไทยพีบีเอส ได้ที่ Thai PBS

“รอบรู้ ดูกระแส ก้าวทันโลก” ไปกับ Thai PBS Sci & Tech

ที่มาข้อมูล: engineering, ltl.tkk, hypertextbook, archive, aalto

สรุปประเด็นให้โดย Generative AI

สถานที่ “หนาวเย็นที่สุด” ใน “เอกภพ” คือที่ไหน ?