ความสมมูลมวล-พลังงาน (Mass-Energy Equivalence) หรือที่เรารู้จักกันในชื่อ “E = mc ยกกำลังสอง” นั้นเป็นทฤษฎีความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานและมวลในระบบที่อยู่นิ่ง (Rest Frame) อธิบายโดยนักวิทยาศาสตร์แห่งยุค อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์
ความสมมูลมวล-พลังงาน หมายถึงอะไร ?
ก่อนอื่นเราต้องเข้าใจความสัมพันธ์ขั้นพื้นฐานของมวลและพลังงานก่อน มวลและพลังงานในระบบนั้น ๆ เปรียบเสมือนเหรียญสองด้าน เมื่อระบบสูญเสียมวล ระบบจะได้พลังงานขึ้นมา เมื่อระบบได้พลังงาน มันก็จะสูญเสียมวล เป็นไปตามกฎการอนุรักษ์พลังงาน ซึ่งกล่าวไว้ว่า “สสารไม่สามารถถูกทำลายหรือสร้างขึ้นมาใหม่ได้แต่สามารถเปลี่ยนรูปได้” ในกรณีนี้ มวลและพลังงานสามารถเปลี่ยนรูประหว่างกันได้
การเปลี่ยนรูปของมวลเป็นพลังงานนั้น ให้พลังงานสูงมาก ตามค่าคงที่ความเร็วแสง (ประมาณ 300,000 กิโลเมตร/วินาที) เราจึงได้ขึ้นมาเป็นสมการ E = mc ยกกำลังสอง ที่หมายความว่า พลังงาน เท่ากับ มวลที่สูญเสียไปในระบบคูณค่าคงที่ของความเร็วแสงยกกำลังสอง หากจะอธิบายให้เข้าใจได้ง่ายยิ่งขึ้น “E = mc ยกกำลังสอง” หมายความว่า มวลเพียงเล็กน้อยที่สูญเสียไปในระบบจะให้พลังงานกับระบบมหาศาล
หากอ่านมาถึงตรงนี้แล้วก็อาจจะสงสัยว่า ทำไมการเผาเชื้อเพลิงฟอสซิลอย่างถ่านหินเพื่อผลิตพลังงานถึงได้พลังงานเพียงน้อยนิด เหตุผลเป็นเพราะว่าการเผาเชื้อเพลิงฟอสซิลอย่างถ่านหินนั้นแทบไม่เสียมวลเลย ปฏิกิริยาเคมีระหว่างการเผาไหม้ถ่านหินเพื่อให้ความร้อนนั้นแปลงมวลเกือบทั้งหมดของถ่านหินเป็นขี้เถ้า ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ไอน้ำ และสสารอื่น ๆ ส่วนความร้อนที่ได้นั้นก็มาจากการทำลายโครงสร้างทางเคมีของถ่านหินที่ปล่อยความร้อนออกมา ไม่ได้มาจากการแปลงมวลเป็นพลังงาน
หากแต่ในปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันดังเช่นในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์นั้น เชื้อเพลิงนิวเคลียร์อย่างยูเรเนียม 235 (U-235) สามารถเกิดความไม่เสถียรจากการดูดซับนิวตรอนได้ โดย U-235 เมื่อดูดซับนิวตรอนจะกลายสภาพเป็น U-236 ที่ไม่เสถียร ซึ่งสุดท้ายก็จะแยกออกเป็นธาตุที่เบากว่า 2 ธาตุ หรือมากกว่า ระหว่างขั้นตอนนี้เองที่ระบบฟิชชันสูญเสียมวลจำนวนหนึ่งไปในรูปของพลังงานจลน์มหาศาล และปล่อยนิวตรอนอิสระออกมาจำนวนหนึ่งในรูปของการแผ่รังสี
คำอธิบายที่ดูจะเข้าใจง่ายกว่าก็คือ หากให้ U-236 เป็นธาตุ A แล้ว การฟิชชันธาตุ A จะได้ธาตุ B และธาตุ C ขึ้นมา หากแต่ธาตุ B + C นั้นมีมวลไม่เท่ากับ A เพราะมีมวลส่วนหนึ่งหายไป แล้วเหตุใดระบบฟิชชันจึงสูญเสียมวล ? ทำไม U-236 ไม่สามารถแยกตัวออกเป็นธาตุ 2 ตัว หรือมากกว่า ที่มีมวลเท่ากับตัวมันเองได้
มาถึงตรงนี้ เราจะต้องเข้าใจคำว่า “สถานะพลังงาน (Energy State)” ระบบทุกระบบนั้นจะพยายามเข้าหาสถานะพลังงานที่ต่ำที่สุดที่เป็นไปได้เสมอเพื่อรักษาเสถียรภาพ อย่าง U-236 สุดท้ายก็จะแยกตัวออกเป็นธาตุที่เบากว่าและเสถียรกว่า ซึ่งถือเป็นสถานะพลังงานที่ต่ำกว่าตอนที่มันยังเป็น U-236 การเปลี่ยนแปลงสถานะพลังงานของอะตอมของนิวเคลียสนี้เองที่เป็นจุดที่ระบบเสียมวล
นิวเคลียสของธาตุเกาะกันอยู่ได้ด้วยพลังงานยึดเหนี่ยว (Binding Energy) ที่เรียกว่าอันตรกิริยาอย่างเข้ม (Strong Nuclear Force) แต่ก็ไม่ถึงกับรวมกันเป็นหนึ่งเดียวด้วยแรงต้านจากแรงแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Force) จากโปรตอน หมายความว่านิวเคลียสนั้นเสถียรได้ด้วยสมดุลระหว่างสองแรงนี้ ยิ่งธาตุมีมวลมากเท่าใด จำนวนโปรตรอนและนิวตรอนยิ่งมากขึ้น สถานะพลังงานก็ยิ่งสูงขึ้น พลังงานที่ใช้ในการยึดเหนี่ยวก็ยิ่งมากขึ้น เหมือนกับการเอาหนังสือมาทับกันหลาย ๆ เล่มในแนวตั้ง ยิ่งจำนวนหนังสือมากขึ้นเท่าใดมวลก็ยิ่งมากขึ้นเท่านั้น แต่ความเสถียรก็ลดลงไปด้วย แต่หากแบ่งหนังสือออกเป็นสองกอง มวลแต่ละกองลดลง แต่ความเสถียรเพิ่มขึ้นเพราะอยู่ในสถานะพลังงานที่ต่ำกว่า เช่นเดียวกับนิวเคลียสที่เมื่อแบ่งตัวออกเป็นธาตุที่เบากว่าก็จะใช้พลังงานยึดเหนี่ยวต่อธาตุต่อนิวคลีออนที่น้อยลง พลังงานที่เหลือจึงถูกปล่อยออกมาเทียบเท่ามวลที่เสียไปซึ่งเรียกว่า “มวลพร่อง” หรือ Mass Defect
นี่เป็นเพียงคำอธิบายที่ถูกปรับเปลี่ยนให้เข้าใจได้ง่ายยิ่งขึ้นเท่านั้น แต่ยังคงความถูกต้องโดยส่วนใหญ่อยู่ ทฤษฎีความสมมูลของพลังงานและมวลนั้นทำให้มนุษย์เราสามารถนำปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันมาใช้ประโยชน์ได้ เช่น ในโรงงานไฟฟ้านิวเคลียร์ หรือ Radioisotope Generator เพื่อให้พลังงานและความร้อนแก่ยานอวกาศ ทำงานโดยการแปลงการแผ่รังสี (การเสียมวลตามธรรมชาติของธาตุที่ไม่เสถียร) เป็นพลังงานนั่นเอง
ที่มาภาพ: US Navy
--------------------------
“รอบรู้ ดูกระแส ก้าวทันโลก” ไปกับ Thai PBS Sci & Tech