สุดยอดความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์แห่งปี 2020
ในช่วงราวหนึ่งทศวรรษก่อนหน้านี้ ปีค.ศ. 2020 เคยเป็นปีแห่งความหวังของโลก โดยถูกกำหนดให้เป็นหลักหมายของความสำเร็จในการพัฒนาด้านต่าง ๆ รวมทั้งวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี
แต่เป็นที่น่าเสียดายว่า การระบาดใหญ่ของโรคโควิด-19 ได้ทำให้การศึกษาวิจัยวิทยาการหลายแขนงต้องหยุดชะงักลงในปีนี้ โดยแวดวงวิทยาศาสตร์และการแพทย์ต้องทุ่มสรรพกำลังทั้งหมดให้กับการคิดค้นวัคซีน รวมทั้งยาต้านไวรัสโคโรนาสายพันธุ์ใหม่อย่างเร่งด่วน ถึงกระนั้นก็ตาม ปี 2020 ยังคงมีความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์ที่โดดเด่นอยู่อีกจำนวนหนึ่ง ทั้งในด้านวัสดุศาสตร์, ฟิสิกส์อนุภาค, ชีวฟิสิกส์ และดาราศาสตร์ ซึ่งบีบีซีไทยได้รวบรวมมาให้ได้อ่านในช่วงสิ้นปีกันอีกครั้ง สร้างตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิห้องได้สำเร็จ หลังจากที่เพียรพยายามมาเป็นเวลาหลายสิบปี ในที่สุดทีมนักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยรอเชสเตอร์และมหาวิทยาลัยเนวาดาวิทยาเขตลาสเวกัสของสหรัฐฯ ก็สามารถสร้างตัวนำยิ่งยวด (Superconductor) ซึ่งนำไฟฟ้าได้โดยไร้ความต้านทานอย่างสิ้นเชิงที่อุณหภูมิห้อง ทั้งที่ก่อนหน้านี้สภาพดังกล่าวจะเกิดขึ้นก็ต่อเมื่อตัวนำมีความเย็นยะเยือกใกล้กับอุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์เท่านั้น ทั่งทำจากเพชรคู่หนึ่งบีบอัดแผ่นตัวนำด้วยแรงดันมหาศาล ทำให้เกิดสภาพนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงขึ้นได้ นับแต่การค้นพบสภาพนำยิ่งยวดในปรอทที่อุณหภูมิ 4.2 เคลวิน เมื่อปี 1911 เป็นต้นมา บรรดานักวิทยาศาสตร์พยายามปรับปรุงวิธีการผลิตตัวนำยิ่งยวดให้ทำงานได้ในระดับอุณหภูมิที่สูงขึ้น โดยอาศัยการปรับเปลี่ยนชนิดของวัสดุและระดับความดันในการทดลอง ในปี 2018 มีการสร้างแผ่นตัวนำด้วยไฮโดรเจนโลหะผสมกับธาตุแลนทานัม (La) แล้วใช้ทั่งทำจากเพชรคู่หนึ่งบีบอัด ซึ่งจะทำให้ตัวนำอยู่ภายใต้แรงดันที่สูงกว่าความดันบรรยากาศปกติของโลกถึง 1 ล้านเท่า แต่ก็ทำให้เกิดสภาพนำยิ่งยวดได้สูงสุดที่ 250 เคลวินเท่านั้น แถมตัวนำยังแตกละเอียดภายใต้แรงดันมหาศาลอีกด้วย อย่างไรก็ตาม ครั้งนี้ทีมนักวิทยาศาสตร์สหรัฐฯ ใช้สารประกอบระหว่างคาร์บอน ไฮโดรเจน และกำมะถัน มาสร้างแผ่นตัวนำแบบใหม่ภายใต้ความดัน 267 กิกะปาสคาล (GPa) ทำให้เกิดสภาพนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิ 287 เคลวิน หรือเกือบ 14 องศาเซลเซียส เท่ากับอุณหภูมิตามธรรมชาติในห้องเก็บไวน์ใต้ดินที่ไม่ต้องทำความเย็นเพิ่ม ซึ่งเป็นความหวังในการนำไปพัฒนาสายส่งไฟฟ้าที่ไม่สูญเสียพลังงาน รวมทั้งสร้างแม่เหล็กพลังสูงสำหรับเครื่องสแกนเอ็มอาร์ไอ (MRI) และรถไฟพลังแม่เหล็กอย่าง Maglev ด้วย ค้นพบอนุภาค "แอ็กซิออน" ที่ทฤษฎีฟิสิกส์ทำนายไว้เมื่อ 43 ปีก่อน โครงการทดลองเพื่อค้นหาสสารมืด "ซีนอนวันที" (Xenon1T) ได้ค้นพบสัญญาณที่ชี้ถึงการปรากฏตัวครั้งแรกของอนุภาคแอ็กซิออน (Axion) ซึ่งทฤษฎีฟิสิกส์ได้ทำนายไว้ว่าเป็นอนุภาคที่มีอยู่จริงตั้งแต่เมื่อ 43 ปีก่อน และน่าจะเป็นอนุภาคซึ่งมีความเกี่ยวข้องกับสสารมืดที่เรามองไม่เห็น แต่มีอยู่เป็นสัดส่วนมากที่สุดในบรรดาสสารของจักรวาล อุปกรณ์ตรวจจับสสารมืด Xenon1T ติดตั้งที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติแกรนซาสโซของอิตาลี เมื่อปี 2016-2018 เดิมทีแนวคิดเรื่องอนุภาคแอ็กซิออนถูกคิดค้นขึ้น เพื่อทำให้สมการทางฟิสิกส์บางอย่างมีความสมดุล แต่ไม่นานมานี้นักวิทยาศาสตร์เริ่มให้ความสนใจว่า มันอาจเป็นองค์ประกอบที่ให้กำเนิดสสารมืด นอกเหนือไปจากอนุภาค WIMPs ซึ่งได้ทำการศึกษาทดลองกันมาก่อนหน้านี้ อนุภาคแอ็กซิออนมีมวลต่ำ และจะเกิดอันตรกิริยาด้วยแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อนมากจนตรวจจับแทบไม่ได้ ส่วนอนุภาคที่ค้นพบในครั้งนี้ อาจเป็นแอ็กซิออนชนิดที่มาจากดวงอาทิตย์ (Solar Axion) กองทัพหุ่นยนต์จิ๋วรักษาโรคจากภายในร่างกายมนุษย์ ทีมนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรของมหาวิทยาลัยคอร์เนลล์ในสหรัฐฯ ประสบความสำเร็จในการสร้างกองทัพหุ่นยนต์ขนาดจิ๋วที่มองด้วยตาเปล่าไม่เห็น หรือกองทัพไมโครบอต (Microrobot / Microbot) โดยใช้แผ่นซิลิคอนเวเฟอร์ขนาดเพียง 4 นิ้ว ประดิษฐ์เป็นหุ่นยนต์ขนาดเล็กกว่า 0.1 มิลลิเมตรได้ 1 ล้านตัว ภาพจำลองจากฝีมือศิลปิน ขยายให้เห็นรายละเอียดของหุ่นยนต์ "ไมโครบอต" ขนาดจิ๋ว หุ่นยนต์ที่มีขนาดเล็กกว่าหน้าตัดขวางของเส้นผมและตัวเท่ากับพารามีเซียมนี้ เดินได้ตามคำสั่งของมนุษย์โดยใช้แสงเลเซอร์จากภายนอกไปกระตุ้นวงจรไฟฟ้าบนหลังของมัน เพื่อบังคับทิศทางการขยับขาหน้าและขาหลัง ทีมผู้คิดค้นบอกว่า หุ่นยนต์ชนิดนี้เปรียบเสมือน "หุ่นกระบอก" ซึ่งเคลื่อนไหวได้โดยไม่ต้องมีแหล่งพลังงานในตัวเอง แม้จะยังต้องใช้เวลาพัฒนาอีกนับสิบปี แต่กองทัพหุ่นยนต์เหล่านี้เป็นความหวังใหม่ทางการแพทย์ ในการรักษาโรคโดยเข้าถึงส่วนเล็กที่สุดของร่างกาย โดยเราสามารถจะฉีดกองทัพหุ่นยนต์จิ๋วเข้าเส้นเลือดหรือกล้ามเนื้อ เพื่อให้ไปค้นหาและทำลายเชื้อโรค เซลล์มะเร็ง หรือซ่อมแซมบาดแผลภายในที่ละเอียดอ่อนได้ หุ่นยนต์จิ๋วที่อาจใช้กำจัดเซลล์มะเร็งได้ในอนาคต สเปิร์มว่ายไปข้างหน้าด้วยการหมุนควงสว่าน เมื่อปี ค.ศ. 1677 หรือ 343 ปีที่แล้ว อันโทนี ฟาน เลเวนฮูก นักวิทยาศาสตร์ชาวดัตช์เป็นคนแรกที่ใช้กล้องจุลทรรศน์สังเกตน้ำอสุจิของตนเองแล้วพบว่า สเปิร์มของบุรุษเพศแหวกว่ายด้วยการตวัดหางไปมาทางซ้ายและขวาอย่างสมมาตรกัน คล้ายการเคลื่อนที่ไปข้างหน้าของงูหรือปลาไหล แต่ความก้าวหน้าทางวิทยาการล่าสุดเพิ่งทำให้เราทราบว่ามันไม่ได้เป็นเช่นนั้น โดยภาพวิดีโอความคมชัดสูงที่ถ่ายด้วยกล้องสามมิติ ซึ่งมีอัตราเร็วในการบันทึกภาพถึง 55,000 ภาพต่อวินาทีได้เผยว่า ที่จริงแล้วสเปิร์มแหวกว่ายไปข้างหน้าด้วยการหมุนควงสว่านเหมือนตัวนาก (Otter) ขณะกำลังพุ่งตัวในน้ำ ทีมนักชีววิทยาจากมหาวิทยาลัยบริสตอลของสหราชอาณาจักรพบว่า ที่จริงแล้วการตวัดหางของสเปิร์มนั้นไม่ได้สมมาตรอย่างที่เคยเข้าใจกันมา แต่การที่มันเคลื่อนตัวไปข้างหน้าได้โดยไม่ต้องว่ายวนเป็นวงกลมอยู่กับที่ เพราะมีการเคลื่อนไหวอีกแบบเข้าช่วย นั่นคือการหมุนรอบแกนแนวยาวของลำตัวไปพร้อมกัน ซึ่งช่วยชดเชยข้อบกพร่องจากการตวัดหางไม่สมมาตรได้ ความรู้ใหม่เรื่องการเคลื่อนไหวของสเปิร์ม จะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใจปัญหาการเจริญพันธุ์ของผู้ชายได้มากขึ้น ซึ่งการที่สเปิร์มแหวกว่ายอย่างผิดปกติก็อาจเป็นสาเหตุหนึ่งที่ทำให้มีบุตรยากได้ พบก๊าซที่เป็นร่องรอยของสิ่งมีชีวิตในชั้นบรรยากาศดาวศุกร์ วงการชีวดาราศาสตร์ค้นพบเรื่องที่น่าตื่นเต้น เมื่อทีมนักวิจัยนานาชาติตรวจพบร่องรอยของก๊าซฟอสฟีน (Phosphine) ซึ่งอาจเป็นเครื่องหมายบ่งบอกว่ามีสิ่งมีชีวิตอยู่ในชั้นบรรยากาศของดาวศุกร์ โดยพบที่ความสูง 50 กิโลเมตรเหนือพื้นผิวดาว ในอัตราความเข้มข้นราว 10-20 ส่วนในพันล้านส่วนของบรรยากาศ มีการตรวจพบก๊าซฟอสฟีนในชั้นบรรยากาศของดาวศุกร์ โมเลกุลของก๊าซฟอสฟีนประกอบด้วยฟอสฟอรัสและไฮโดรเจน มีความเกี่ยวข้องกับสิ่งมีชีวิตอย่างจุลินทรีย์ที่อาศัยอยู่ในลำไส้ของสัตว์ต่าง ๆ และในสภาพแวดล้อมบนโลกที่มีออกซิเจนต่ำเช่นตามหนองบึง ทีมนักวิจัยนานาชาติตรวจพบก๊าซชนิดนี้ได้ เนื่องจากใช้เครือข่ายกล้องโทรทรรศน์วิทยุอัลมา (ALMA) ที่ประเทศชิลี ค้นหาแนวเส้นที่เป็นร่องรอยการดูดกลืนคลื่นวิทยุ ในย่านความยาวคลื่นที่เป็นเอกลักษณ์เฉพาะตัวของก๊าซชนิดนี้ อย่างไรก็ตาม มีความเป็นได้ว่าก๊าซฟอสฟีนบนดาวศุกร์อาจมาจากแหล่งกำเนิดอื่นที่ไม่ใช่สิ่งมีชีวิต อีกทั้งการทวนสอบข้อมูลที่ค้นพบในตอนแรกซ้ำอีกครั้งยังชี้ว่า มีการประเมินอัตราความเข้มข้นผิดพลาด โดยอันที่จริงมีก๊าซฟอสฟีนอยู่เจือจางกว่าที่คาดไว้มากเพียง 1 ใน 7 ของปริมาณที่ระบุไว้เดิมเท่านั้น ซึ่งยิ่งทำให้ความหวังที่จะพบสิ่งมีชีวิตต่างดาวในระบบสุริยะกลับเลือนลางลงไปอีก นาซาพบโมเลกุลน้ำแทรกในพื้นผิวดวงจันทร์ เครื่องบินสังเกตการณ์ดาราศาสตร์ในบรรยากาศโลกชั้นสตราโตสเฟียร์หรือ "โซเฟีย" (SOFIA) ขององค์การนาซา ซึ่งมีกล้องโทรทรรศน์รังสีอินฟราเรดติดตั้งอยู่ ตรวจพบโมเลกุลน้ำแทรกอยู่ในพื้นผิวดวงจันทร์ด้านที่แสงอาทิตย์ส่องถึง โมเลกุลน้ำอาจถูกกักเก็บไว้ในเม็ดแก้วเล็ก ๆ หรือในเนื้อดินที่เย็นจัดบนพื้นผิวดวงจันทร์ นี่ถือเป็นการค้นพบครั้งสำคัญที่ชี้ว่า อาจมีโมเลกุลน้ำกระจายตัวอยู่ทั่วไปทุกหนแห่งบนพื้นผิวระดับตื้นของดวงจันทร์ ซึ่งง่ายต่อการนำมาใช้ประโยชน์มากกว่าน้ำแข็งในหลุมอุกกาบาตลึกที่ค้นพบก่อนหน้านี้ และน่าจะเพียงพอต่อการตั้งฐานที่มั่นของมนุษย์บนดวงจันทร์ในอนาคต เครื่องบินสังเกตการณ์ดาราศาสตร์โซเฟีย ได้ตรวจพบการสะท้อนรังสีความร้อนที่เป็นเอกลักษณ์ของโมเลกุลน้ำในแอ่งหลุมคลาเวียส (Clavius Crater) ใกล้กับขั้วใต้ของดวงจันทร์ โดยปริมาณน้ำที่พบในครั้งนี้ มีอยู่โดยเฉลี่ยราว 12 ออนซ์ หรือเท่ากับน้ำดื่ม 1 ขวดเล็ก ในเนื้อดินทุก 1 ลูกบาศก์เมตรของบริเวณดังกล่าว แม้จะยังไม่ทราบชัดว่าโมเลกุลน้ำเหล่านี้มาจากไหน และคงสภาพอยู่ในภาวะไร้บรรยากาศปกคลุมได้อย่างไร แต่มีความเป็นไปได้ว่า มันอาจมากับสะเก็ดดาวขนาดเล็กที่พุ่งชนพื้นผิวดวงจันทร์ หรือก่อตัวขึ้นจากปฏิกิริยาระหว่างอนุภาคพลังงานสูงที่ปลดปล่อยมาจากดวงอาทิตย์ ภาพขยายผิวหน้าดวงอาทิตย์แบบละเอียดที่สุดเท่าที่เคยมีมา กล้องโทรทรรศน์สังเกตการณ์ดวงอาทิตย์ แดเนียล เค. อิโนะอุเอะ (DKIST) บนเกาะฮาวายของสหรัฐฯ สามารถบันทึกภาพขยายบริเวณผิวหน้าของดวงอาทิตย์ ซึ่งมีความละเอียดคมชัดที่สุดเท่าที่เคยมีมาได้สำเร็จ โดยภาพที่ปรากฏเป็นกลุ่มของกระแสความร้อนและพลาสมาที่ไหลวนปั่นป่วนอยู่จำนวนนับไม่ถ้วน ภาพขยายจุดมืดบนดวงอาทิตย์โดยกล้องโทรทรรศน์ DKIST ซึ่งละเอียดคมชัดที่สุดเท่าที่เคยมีมา ภาพนี้บันทึกในระยะห่างถึง 149 ล้านกิโลเมตรจากพื้นโลก โดยผิวหน้าของดวงอาทิตย์มองดูคล้ายกับกลุ่มเซลล์ในเนื้อเยื่อของสิ่งมีชีวิต หรือบางคนมองว่าคล้ายกับผิวของข้าวโพดคั่ว กล้องโทรทรรศน์ DKIST สามารถขยายให้เห็นรายละเอียดของผิวหน้าและจุดมืด (Sunspot) บนดวงอาทิตย์ ในบริเวณที่มีความกว้างเพียง 20-30 กิโลเมตรได้ ซึ่งถือว่าเล็กมากเมื่อเทียบกับขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของดวงอาทิตย์ที่ 1.4 ล้านกิโลเมตร โดยภาพจุดมืดที่เผยแพร่ล่าสุดเมื่อต้นเดือนธันวาคมปีนี้ มีความละเอียดสูงยิ่งกว่าเดิมถึง 2.5 เท่า กล้องโทรทรรศน์ดังกล่าวเป็นอุปกรณ์ที่เพิ่งสร้างขึ้นใหม่ เพื่อศึกษาพลวัตรทางแม่เหล็กไฟฟ้าและทำนายความเคลื่อนไหวเปลี่ยนแปลงของดวงอาทิตย์ ซึ่งอาจปลดปล่อยพลังงานระดับมหาศาลในรูปของพายุสุริยะมายังโลกได้ทุกขณะ นักวิทยาศาสตร์สามารถศึกษารายละเอียดของผิวหน้าดวงอาทิตย์ แม้แต่ในบริเวณที่กว้างเพียง 30 กม. ได้แล้ว