6 ข่าวเด่นความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์แห่งปี 2566

ในรอบปี 2566 ที่ผ่านมา มีข่าวคราวเรื่องความก้าวหน้าทางวิทยาการและนวัตกรรมล้ำยุคเกิดขึ้นมากมาย โดยแวดวงฟิสิกส์อนุภาคมีการค้นพบความจริงของปฏิสสาร ส่วนวงการดาราศาสตร์พบร่องรอยของสารตั้งต้นชีวิตในห้วงอวกาศอันไกลโพ้น รวมทั้งมีนวัตกรรมทางการแพทย์ที่ช่วยฟื้นคืนคุณภาพชีวิตให้กับผู้ป่วยอัมพาต ซึ่งบีบีซีไทยรวบรวมมาให้อ่านกันอย่างจุใจดังนี้

ปฏิสสารร่วงหล่นตามแรงโน้มถ่วง อย่างที่ไอน์สไตน์เคยทำนายไว้

นักวิทยาศาสตร์เคยเชื่อกันว่า ปฏิสสาร (anti-matter) มีคุณสมบัติต่าง ๆ ทางฟิสิกส์ เป็นคู่ตรงกันข้ามกับสสารธรรมดาที่เราพบเจอโดยทั่วไป รวมทั้งตอบสนองต่อความโน้มถ่วง (gravity)ในทางตรงกันข้ามด้วย ซึ่งหมายความว่าหากปล่อยปฏิสสารจากที่กักเก็บ มันจะไม่ร่วงหล่นลงพื้นแต่จะลอยขึ้นไปในอากาศแทน

ความเชื่อดังกล่าวได้รับการพิสูจน์แล้วว่าไม่เป็นความจริง หลังทีมนักฟิสิกส์ขององค์การวิจัยนิวเคลียร์แห่งยุโรปหรือเซิร์น (CERN) ทำการทดลองในเครื่องเร่งอนุภาค จนพบว่าปฏิสสารนั้นตกอยู่ใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วงเช่นเดียวกับสสาร โดยร่วงหล่นลงสู่พื้นเหมือนกัน ตามที่นักฟิสิกส์อัจฉริยะ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ได้เคยทำนายไว้ด้วยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเมื่อกว่าร้อยปีก่อน

ปฏิสสารเกิดขึ้นในเหตุการณ์บิ๊กแบง ซึ่งเป็นการขยายตัวครั้งใหญ่ที่เป็นจุดกำเนิดของเอกภพ โดยเชื่อว่าปฏิสสารเคยมีอยู่มากพอกันหรือเท่ากับสสาร แต่ปัจจุบันกลับแทบไม่เหลือปฏิสสารในจักรวาลอยู่เลย ทำให้หลายปีมานี้นักฟิสิกส์พยายามค้นหาความเหมือนและความแตกต่างระหว่างสสารกับปฏิสสาร ซึ่งอาจเป็นกุญแจไขคำตอบในเรื่องที่ว่า เอกภพถือกำเนิดขึ้นมาได้อย่างไร

อะตอมของปฏิสสารหรือ “แอนติอะตอม” (antiatom) มีโครงสร้างอนุภาคมูลฐานและประจุไฟฟ้าสลับเป็นขั้วตรงข้ามกัน โดยปฏิสสารจะมีอนุภาคประจุลบหรือ “แอนติโปรตอน” อยู่ในใจกลางหรือนิวเคลียส แทนที่จะเป็นอนุภาคโปรตอนประจุบวกเหมือนสสารปกติ ยิ่งกว่านั้นยังมีอนุภาค “โพซิตรอน” ซึ่งมีประจุบวก วิ่งวนโคจรอยู่โดยรอบนิวเคลียส แทนที่จะเป็นอนุภาคประจุลบหรืออิเล็กตรอนเหมือนในอะตอมของสสารธรรมดา

ทีมนักฟิสิกส์ของเซิร์นใช้เครื่องเร่งอนุภาคผลิตแอนติโปรตอนและโพซิตรอนขึ้น เพื่อให้มันรวมตัวกันเป็นอะตอมปฏิสสาร จากนั้นใช้สนามแม่เหล็กทรงพลังกักเก็บเอาไว้ ก่อนจะทดลองปล่อยให้เป็นอิสระ ซึ่งผลปรากฏว่าอะตอมปฏิสสารร่วงหล่นลงสู่พื้น ไม่แตกต่างไปจากอะตอมของสสารธรรมดาทั่วไป แต่นักวิทยาศาสตร์ยังไม่แน่ใจว่า มันตกลงมาด้วยอัตราเร็วที่เท่ากับสสารหรือไม่ ซึ่งเรื่องนี้จะต้องทำการศึกษาทดลองเพิ่มเติมกันต่อไป

ห้วงจักรวาลสั่นไหวเป็นระลอกด้วย “คลื่นความโน้มถ่วงพื้นหลัง”

นักดาราศาสตร์ค้นพบหลักฐานโดยตรงชิ้นแรกที่ชี้ว่า การชนปะทะและรวมตัวกันของคู่หลุมดำมวลอภิมหายิ่งยวดในยุคบรรพกาล เป็นสิ่งที่เกิดขึ้นได้จริง ทั้งยังส่งผลให้ห้วงจักรวาลทั้งหมดสั่นไหวเป็นระลอกไปทั่วด้วย “คลื่นความโน้มถ่วงพื้นหลัง” (gravitational wave background)

การยืดหดตัวของปริภูมิ-เวลา (space-time) ดังกล่าว ซึ่งคล้ายกับระลอกคลื่นที่แผ่ออกไปเป็นวงกว้างหลังมีคนโยนก้อนหินลงน้ำ มักเกิดขึ้นจากเหตุการณ์ที่ทรงพลังรุนแรงในห้วงจักรวาล อย่างเช่นการชนและรวมตัวกันของหลุมดำยักษ์ใจกลางดาราจักร ซึ่งมีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์หลายพันล้านเท่า โดยจะหลงเหลือร่องรอยเป็นคลื่นกระแทกความถี่ต่ำให้เรายังคงตรวจจับได้ในทุกหนแห่งจนถึงทุกวันนี้

โครงการความร่วมมือทางดาราศาสตร์วิทยุนานาชาติ “แนวร่วมจับเวลาพัลซาร์” (PTA) ได้ติดตามวัดคาบการหมุนของซากดาวฤกษ์สิ้นอายุขัยที่หมุนรอบตัวเองอย่างรวดเร็วและเที่ยงตรงหลายร้อยครั้งต่อวินาที พร้อมทั้งส่งสัญญาณคลื่นวิทยุออกมาอย่างสม่ำเสมอ ทำให้พบว่ามีความบิดเบี้ยวไม่ราบเรียบอยู่ในพื้นหลังของห้วงอวกาศ โดยค่าความไม่สม่ำเสมอนั้นเล็กน้อยมาก ราว 1 ส่วนในพันล้านล้านส่วนเท่านั้น

ผลการวัดระยะทางระหว่างโลกกับพัลซาร์นับร้อยแห่ง จะเปลี่ยนแปลงกลับไปกลับมาเล็กน้อย เมื่อระลอกคลื่นความโน้มถ่วงจากหลุมดำบรรพกาลแทรกตัวเข้ามาในแนวการส่งสัญญาณของพัลซาร์มายังโลก ทำให้ปริภูมิ-เวลาที่เป็นพื้นหลังของห้วงอวกาศยืดขยายและหดตัวอยู่เสมอ จนสัญญาณที่ส่งมาจากพัลซาร์เดินทางถึงโลกได้ช้าเร็วไม่เท่ากัน

ทีมผู้วิจัยบอกว่า นี่เป็นครั้งแรกที่มนุษย์มีโอกาสสังเกตการณ์กำเนิดของอภิมหาหลุมดำยักษ์ได้โดยตรง อันเป็นหลักฐานที่ยืนยันว่า คู่หลุมดำมวลยิ่งยวดที่เป็นศูนย์กลางของดาราจักรยุคโบราณ ได้โคจรวนรอบกันและกันและเริ่มเขยิบเข้าใกล้กันมากขึ้นเรื่อย ๆ ก่อนจะชนและรวมตัวเป็นหลุมดำใจกลางดาราจักรแห่งใหม่

ศ.ไมเคิล คราเมอร์ หนึ่งในสมาชิกทีมวิจัยบอกว่า การค้นพบครั้งนี้คือเส้นทางใหม่ในการศึกษาห้วงจักรวาล เพราะการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงพื้นหลัง อาจช่วยพิสูจน์ความถูกต้องของทฤษฎีความโน้มถ่วงของไอน์สไตน์ ทั้งยังอาจจะบอกได้ว่าสสารมืดและพลังงานมืดคืออะไร ซึ่งจะนำไปสู่การค้นพบทฤษฎีใหม่ของฟิสิกส์ก็เป็นได้

สารตั้งต้นชีวิตจากดวงดาวอันไกลโพ้น

ในปีนี้นักชีวดาราศาสตร์จากหลายองค์กรและสถาบันวิจัยทั่วโลก ต่างค้นพบร่องรอยของสารที่เป็นองค์ประกอบสำคัญในการให้กำเนิดชีวิต บนดาวเคราะห์บริวารและดาวเคราะห์น้อยหลายดวงในระบบสุริยะ

มีการค้นพบธาตุฟอสฟอรัส (P) หนึ่งในหกธาตุสำคัญที่เป็นองค์ประกอบของสารอินทรีย์ ในรูปของเกลือโซเดียมฟอสเฟต (NA3PO4) ที่ละลายน้ำได้ บนดวงจันทร์เอนเซลาดัส (Enceladus) ของดาวเสาร์ ซึ่งถือเป็นครั้งแรกที่มีการค้นพบแร่ธาตุสำคัญดังกล่าว ภายในมหาสมุทรของดาวดวงอื่นนอกเหนือจากโลก

นักวิทยาศาสตร์พบสารอินทรีย์ดังกล่าวในเกล็ดน้ำแข็ง ซึ่งยานแคสสินีเก็บได้จากวงแหวนของดาวเสาร์ โดยพวกเขาสันนิษฐานว่า มันมาจากไอน้ำร้อนที่พวยพุ่งขึ้นจากมหาสมุทรใต้พื้นผิวน้ำแข็งของเอนเซลาดัส

เกลือโซเดียมฟอสเฟตนี้มีความเข้มข้นมาก จนคาดได้ว่าน่าจะมีอยู่ในมหาสมุทรของเอนเซลาดัส ในปริมาณที่สูงกว่ามหาสมุทรบนโลกถึงกว่า 100 เท่า โดยธาตุฟอสฟอรัสนั้นมีบทบาทสำคัญในการผลิตกรดอะมิโน ซึ่งเป็นโมเลกุลพื้นฐานที่นำไปสู่การสร้างโปรตีน อันเป็นสารตั้งต้นที่ให้กำเนิดสรรพชีวิตบนโลก

ด้านทีมนักวิทยาศาสตร์นานาชาติอีกคณะหนึ่ง ได้ใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เว็บบ์ (JWST) ตรวจสอบดวงจันทร์ยูโรปา (Europa) ของดาวพฤหัสบดี จนพบร่องรอยของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ซึ่งมีความเป็นไปได้สูงว่า สารอินทรีย์นี้มาจากสิ่งมีชีวิตในมหาสมุทรใต้พื้นผิวเยือกแข็ง

คาร์บอนไดออกไซด์ดังกล่าวอยู่ในรูปของน้ำแข็งแห้ง พบในบริเวณที่นักดาราศาสตร์เรียกกันว่า “พื้นที่แห่งความปั่นป่วน” (chaos region) ซึ่งผืนน้ำแข็งที่ปกคลุมมหาสมุทรในตำแหน่งนี้ถูกรบกวน จนทำให้มีการเคลื่อนที่ไหลเวียนของสสาร ระหว่างผืนน้ำแข็งด้านบนกับมหาสมุทรด้านล่างได้

นอกจากนี้ยานสำรวจโอไซริส-เร็กซ์ (OSIRIS-Rex) ขององค์การนาซา ยังสามารถเก็บตัวอย่างเศษฝุ่นละอองและก้อนหินจากดาวเคราะห์น้อยเบนนู (Bennu) ที่อยู่ห่างออกไปเกือบ 2,000 ล้านกิโลเมตร กลับมายังโลกได้สำเร็จ ซึ่งผลวิเคราะห์พบโมเลกุลน้ำและสารประกอบคาร์บอนในปริมาณสูง อันเป็นหลักฐานสนับสนุนสมมติฐานที่ว่า สารตั้งต้นชีวิตนั้นมากับดาวเคราะห์น้อยที่พุ่งชนโลกในยุคดึกดำบรรพ์ โดยดาวเคราะห์น้อยเบนนูนั้นมีอายุเก่าแก่กว่าโลกหลายร้อยล้านปี

ย้อนรอยวิวัฒนาการเอกภพจนเฉียดใกล้ “บิ๊กแบง” มากขึ้นอีก

ในรอบปีที่ผ่านมา กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เว็บบ์ (JWST) สามารถตรวจจับและบันทึกภาพรังสีอินฟราเรดของกาแล็กซียุคบรรพกาล ที่มีอายุเก่าแก่กว่า 13,500 ล้านปีได้หลายแห่ง โดยกาแล็กซีเหล่านี้ล้วนมีมวลมหาศาลและมีขนาดใหญ่มหึมายิ่งกว่าที่ควรจะเป็น ทั้งที่ถือกำเนิดหลังเหตุการณ์บิ๊กแบงผ่านไปได้เพียง 300-500 ล้านปี ซึ่งถือเป็นระยะเวลาที่ไม่นานนักสำหรับวิวัฒนาการของจักรวาล

บางส่วนของกาแล็กซีโบราณเหล่านี้ เกิดขึ้นในยุค Reionization ซึ่งเป็นช่วงเวลาที่จักรวาลเริ่มมีแสงสว่างเรืองรอง เนื่องจากมีการสร้างดาวฤกษ์ดวงแรก อย่างไรก็ตาม ดาวฤกษ์เหล่านี้มีขนาดค่อนข้างเล็กและยังไม่มีองค์ประกอบเป็นธาตุหนักหรือแร่ธาตุที่มีโครงสร้างซับซ้อน เพราะถือกำเนิดขึ้นมาจากอะตอมของไฮโดรเจนและฮีเลียม ซึ่งมีอยู่ทั่วไปในจักรวาลยุคแรกเริ่ม

ดาวฤกษ์ในกาแล็กซียักษ์อายุเก่าแก่ มีอัตราการก่อกำเนิดสูงมากจนน่าประหลาดใจ เพราะเป็นสภาพการณ์ที่ไม่น่าจะเกิดขึ้นได้ในยุคที่จักรวาลยังมีอายุน้อย ซึ่งการที่กาแล็กซีในยุคนั้นเติบโตอย่างรวดเร็วเกินคาด สามารถจะเป็นข้อบ่งชี้ว่า พวกมันอาจถือกำเนิดขึ้นก่อนช่วงเวลาที่เคยประมาณการกันไว้หลายล้านปีก็เป็นได้

นักดาราศาสตร์เรียกกาแล็กซีเหล่านี้ว่า “ตัวทำลายเอกภพ” (universe breaker) เพราะลักษณะที่แปลกประหลาดของมันผิดไปจากสิ่งที่ควรจะเป็นตามขั้นตอนวิวัฒนาการของเอกภพ ซึ่งทฤษฎีแบบจำลองจักรวาลวิทยาในปัจจุบันได้ทำนายเอาไว้

ทีมนักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ซึ่งทำการวิจัยเรื่องนี้ระบุว่า เป็นไปไม่ได้เลยที่กาแล็กซีซึ่งก่อตัวขึ้นขณะที่เอกภพยังมีอายุเพียง 3% ของทุกวันนี้ จะมีมวลมากและมีขนาดใหญ่มหึมาเท่ากับดาราจักรรุ่นหลังอย่างกาแล็กซีทางช้างเผือก ซึ่งหากการค้นพบในครั้งนี้ไม่ผิดพลาด เราอาจต้องทบทวนหลักทฤษฎีของแบบจำลองจักรวาลวิทยาที่ใช้กันอยู่ในปัจจุบันเสียใหม่

ทีมผู้วิจัยกล่าวสรุปว่า “ยุคมืดที่จักรวาลยังไร้ดวงดาวนั้น อาจไม่ได้มืดสนิทเสียทีเดียว เอกภพในยุคแรกเริ่มอาจเต็มไปด้วยการก่อตัวของดาวฤกษ์และดาราจักร ซึ่งเกิดขึ้นเร็วกว่าที่นักดาราศาสตร์เคยประเมินเอาไว้”

สร้างตัวอ่อนมนุษย์เทียมสำเร็จ โดยไม่ใช้สเปิร์มหรือไข่

สถาบันวิทยาศาสตร์ไวซ์มานน์ของอิสราเอล (WIS) ประสบความสำเร็จในการสังเคราะห์สิ่งที่คล้ายกับเอ็มบริโอหรือตัวอ่อนมนุษย์ โดยไม่ต้องใช้สเปิร์ม ไข่ หรือมดลูกแต่อย่างใด

ทีมนักวิจัยของสถาบันดังกล่าวระบุว่า ตัวอ่อนมนุษย์เทียมหรือ “แบบจำลองเอ็มบริโอ” ชิ้นนี้ สร้างขึ้นโดยใช้สเต็มเซลล์หรือเซลล์ต้นกำเนิดเป็นส่วนประกอบ จนออกมาเป็นกลุ่มเซลล์ที่หน้าตาคล้ายคลึงกับตัวอ่อนมนุษย์อายุ 14 วันอย่างมาก ทั้งสามารถผลิตฮอร์โมนที่ทำให้ผลตรวจการตั้งครรภ์เป็นบวก เหมือนกับตัวอ่อนของจริงได้อีกด้วย

นักวิทยาศาสตร์ใช้สเต็มเซลล์ที่ยังไม่เจริญไปเป็นอวัยวะต่าง ๆ มากระตุ้นให้แปรสภาพด้วยสารเคมี จนกลายเป็นเซลล์ 4 ประเภทที่จำเป็นต่อการก่อกำเนิดตัวอ่อนมนุษย์ ได้แก่เซลล์ของตัวอ่อนเอง, เซลล์ที่จะเจริญไปเป็นถุงไข่แดงและรก, รวมทั้งเซลล์ที่จะเจริญไปเป็นเนื้อเยื่อของถุงหุ้มตัวอ่อนในขั้นต้น โดยทั้งหมดจะถูกนำมาผสมรวมกันในเครื่องเขย่าสาร จนก่อตัวเป็นโครงสร้างที่คล้ายตัวอ่อนมนุษย์ขึ้นมา

อย่างไรก็ตาม อวัยวะส่วนต่าง ๆ ของตัวอ่อนเทียมจะยังไม่เจริญขึ้น จนกว่าเซลล์รกจะขยายตัวเข้าห่อหุ้มไว้ทั้งหมดเสียก่อน ดังนั้นกลุ่มเซลล์ที่มีอายุเพียง 14 วัน จึงยังไม่มีลักษณะของทารกที่ชัดเจน และจะถูกทำลายทิ้งเนื่องจากกฎหมายในหลายประเทศกำหนดว่า การวิจัยตัวอ่อนมนุษย์ไม่สามารถดำเนินไปไกลได้มากกว่านั้นแล้ว

จุดประสงค์ที่แท้จริงของการสร้างตัวอ่อนเทียมดังกล่าว คือการเปิดโอกาสให้นักวิทยาศาสตร์ได้ศึกษาขั้นตอนเริ่มแรกของการสร้างอวัยวะในมนุษย์ โดยอยู่ภายใต้กรอบจริยธรรมการวิจัยซึ่งเป็นที่ยอมรับในระดับสากล รวมทั้งมีโอกาสทำความเข้าใจกระบวนการถ่ายทอดโรคทางพันธุกรรมจากพ่อแม่ไปสู่ลูก, สาเหตุของการแท้งบุตร, วิธีรักษาครรภ์ให้ปลอดภัย, และหนทางพัฒนาเทคนิคการทำเด็กหลอดแก้ว

นวัตกรรมการแพทย์ชุบชีวิตผู้ป่วยอัมพาต

ผู้ป่วยที่เป็นอัมพาตเกือบทั้งตัว สามารถเปล่งเสียงพูดสื่อสารกับคนรอบข้าง และแสดงอารมณ์ด้วยสีหน้าแบบต่าง ๆ ได้อีกครั้ง หลังใช้อุปกรณ์แปลงสัญญาณความคิดในสมอง ให้กลายเป็นการสนทนาผ่านร่างอวตารบนจอคอมพิวเตอร์ได้อย่างรวดเร็วทันใจ

ทีมนักวิทยาศาสตร์การแพทย์จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย วิทยาเขตซานฟรานซิสโก (UCSF) ของสหรัฐฯ ใช้โปรแกรมปัญญาประดิษฐ์ (เอไอ) แปลงสัญญาณไฟฟ้าในสมองส่วนที่ควบคุมการพูดและการเคลื่อนไหวบนใบหน้า ให้กลายเป็นร่างอวตารบนจอคอมพิวเตอร์ ซึ่งร่างอวตารนี้จะพูดสิ่งที่ผู้ป่วยคิดออกมา โดยใช้เสียงจริงของผู้ป่วยเองที่เคยบันทึกไว้ในอดีตเป็นต้นแบบ ทั้งยังแสดงสีหน้าที่ผู้ป่วยต้องการเช่นยิ้มแย้ม, ขมวดคิ้วนิ่วหน้า, หรือทำตาโตอ้าปากค้างเพื่อแสดงความแปลกใจได้ด้วย

ผู้ป่วยจะต้องรับการผ่าตัดฝังขั้วไฟฟ้าขนาดเล็ก 253 ชิ้น ลงบนผิวสมองเหนือส่วนที่ควบคุมการพูด และต้องมีการฝึกฝนให้เอไอเรียนรู้การแปลงสัญญาณเป็นคำพูดได้คล่องแคล่วและถูกต้องแม่นยำขึ้น ซึ่งในปัจจุบัน ผู้ป่วยที่ใช้เทคโนโลยีนี้สามารถพูดสนทนาผ่านร่างอวตารได้ด้วยความเร็ว 78 คำต่อนาที ซึ่งถือว่าเร็วขึ้นมากเมื่อเทียบกับเทคโนโลยีแบบเก่า และถือว่าเร็วพอสมควรเมื่อเทียบกับการสนทนาในชีวิตประจำวันของคนทั่วไป ซึ่งมีความเร็วเฉลี่ย 110-150 คำต่อนาที

ส่วนสถาบันเทคโนโลยีแห่งสมาพันธรัฐสวิสที่นครโลซานน์ (EPFL) ประสบความสำเร็จในการทำให้ผู้ป่วยอัมพาตชายวัย 40 ปี กลับมาเดินได้อีกครั้ง หลังประสบอุบัติเหตุทางรถยนต์ จนไม่อาจขยับเขยื้อนขาและเท้าได้มานานถึง 12 ปี

ผู้ป่วยคนดังกล่าวเข้ารับการผ่าตัดปลูกถ่าย “สมองอิเล็กทรอนิกส์” ซึ่งมีลักษณะเป็นแผ่นจานวงกลมขนาดเล็ก 2 ชิ้น เข้าไปฝังในสมองส่วนที่ควบคุมการเคลื่อนไหว เพื่อถ่ายทอดสัญญาณไฟฟ้าที่เกิดขึ้นขณะผู้ป่วยคิดจะก้าวเดิน ไปยังอุปกรณ์ชิ้นที่ 2 ซึ่งติดตั้งที่กระดูกสันหลังบริเวณปลายระบบประสาทที่เกี่ยวข้องกับการเดิน เพื่อให้เอไอแปลงสัญญาณที่ส่งมาแบบไร้สายเป็นชุดคำสั่งการเคลื่อนไหว ส่งผลให้ขาและเท้าขยับได้ตามที่คิด

หลังเข้ารับการผ่าตัดและฝึกเดินเพียงไม่กี่สัปดาห์ ผู้ป่วยสามารถยืนทรงตัวและก้าวเดินได้โดยใช้ไม้เท้าช่วย ซึ่งแม้การเคลื่อนไหวจะค่อนข้างช้า แต่ก็ลื่นไหลเป็นธรรมชาติอย่างน่าพอใจทีเดียว