ฟิสิกส์ราชมงคล

index  63
โฟโตอิเล็กทริก ปรากฏการณ์ธรรมดาที่เปลี่ยนโลกทั้งใบ
ผู้เขียน : ผศ. ดร. บุญญฤทธิ์ อุยยานนวาระ (คลิ๊กที่ชื่อเพื่อดูผลงานอื่นของผู้เขียน)
เนื้อหาย่อ : แสงคืออะไร ? เสมียนหนุ่มวัยแค่เพียง 26 ปี เจ้าหน้าที่รับหน้าที่จดทะเบียนลิขสิทธิ์คนหนึ่ง ในกรุงเบอร์น ประเทศสวิสเซอร์แลนด์ ที่ชื่อ อัลเบริต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) ที่เป็นพระเอกขี่ม้าขาว มาไขปริศนานี้ ได้อย่างชัดเจน
จะดีแค่ไหน หากความคิดของเรา ผลงานที่ออกจากสมองของเราเอง จะถูกจดจำ และกล่าวขานถึง ของคนทั้งโลก แม้เวลาจะผ่านไป 100 ปี ว่าเป็นความคิดดีๆที่เปลี่ยนโลกนี้ไปทั้งใบ

มีปรากฏการณ์มากมายที่เกิดอยู่รอบตัวเราทุกๆวัน เหตุการณ์เดียวกันหากต่างคนมอง ย่อมเข้าใจลึกซึ้งแตกต่างกัน บางเหตุการณ์ที่หลายคนมองว่าเป็นเรื่องธรรมดา เป็นเรื่องธรรมชาติ เช่น ทำไมตาเรามองเห็น ? แสงคืออะไร ? โดยไม่เคยคิดหาเหตุผลว่าเป็นเพราะอะไร หรือบางเรื่องที่อาจ ไม่มีใครในโลกนี้รู้คำตอบ หรือเป็นเหตุการณ์ ที่ไม่มีใครเคยเข้าใจมาก่อน คงจะดี ถ้าโลกจดจำว่าเรา เป็นส่วนหนึ่งในคำตอบ หรือเหตุผลที่มาอธิบายเหตุการณ์เหล่านั้น

เหมือนกับเหตุการณ์เล็กๆเหตุการณ์หนึ่ง ที่กลุ่มคนกลุ่มหนึ่งที่ผมกำลังจะเล่าถึง ได้พยายามอย่างที่สุด ที่จะหาคำอธิบาย และเมื่อผลงานโดยรวมของพวกเค้าสำเร็จลง มันก็เป็นผลงานที่พาโลก ก้าวไปสู่อีกยุคหนึ่งของฟิสิกส์

ปรากฏการณ์ที่ผมกำลังพูดถึงคือ ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ ที่เมื่อแสงตกกระทบกับแผ่นโลหะ แล้วทำให้มีอิเล็กตรอนหลุดออกจากโลหะได้ ปรากฏการณ์นี้ถูกพบครั้งแรก โดยความช่างสังเกตุของคุณ ไฮน์ริก เฮิร์ทซ์ (Heinrich Hertz) ในปี 1887 ในขณะที่เฮิร์ทซ์ กำลังทำการทดลองอยู่กับเครื่อง Spark-Gab generator (เป็นอุปกรณ์ยุคแรกๆที่ใช้ในการส่งสัญญาณวิทยุ) เฮิร์ทซ์ พบว่าเครื่องส่งสัญญาณนี้จะทำงานดีขึ้น หากมีแสงอุลตร้าไวโอเลตมาตกกระทบบนอุปกรณ์ ซึ่งก็สร้างความฉงนให้เฮิร์ทซ์ได้ไม่น้อย
 


Heinrich Hertz
 


ภาพที่ 2 แสดงโต๊ะทดลองของ Hertz

คนที่อาสา เข้ามาช่วยค้นหาคำตอบ ที่จะไขปริศนานี้ให้กระจ่างขึ้น คือ ฟิลิป เลนาร์ด (Philipp Lenard) ซึ่งขณะนั้นเป็นผู้ช่วยของเฮิร์ทซ์ เลนาร์ดได้พยายามทำการทดลอง เพื่อหาข้อสรุปเกี่ยวกับคำตอบของคำถามที่พบโดย Hertz เป็นเวลากว่า 10 ปี ในการออกแบบและปรับเปลี่ยนอุปกรณ์ เพื่อทดสอบปรากฏการณ์นี้โดยเฉพาะ ซึ่งในเวลาถัดมา เค้าก็ประสบความสำเร็จ ในการคิดค้นอุปกรณ์อย่างง่าย และความถูกต้องสูง

ชุดอุปกรณ์นี้ เริ่มจากแหล่งกำเนิดแสงด้านซ้ายมือ ที่ส่องแสงผ่านปริซึม เพื่อแยกเอาเฉพาะแสงในช่วงความถี่ที่ต้องการ แสงความถี่ที่ถูกเลือกแล้ว ก็จะผ่านช่องเล็กๆ ก่อนจะตกกระทบกับแผ่นโลหะ ตรงนี้เอง ที่จะมีอิเล็กตรอนหลุดออกจากแผ่นโลหะ ซึ่งเลนาร์ดต้องการวัดพลังงาน ของอิเล็กตรอนที่หลุดออกมา โดยการต่อกระแสไฟฟ้า ในทิศทางที่สวน กับการวิ่งของอิเล็กตรอน คือ ขั้ว(แผ่นโลหะ) ที่อิเล็กตรอนวิ่งเข้าหาก็ต่อไว้กับขั้วลบ เพราะจะเกิดแรงผลัก จากสนามไฟฟ้าที่กระทำต่อตัวอิเล็กตรอน โดยหากว่าสนามไฟฟ้าต้านอ่อนไป อิเล็กตรอน ก็ยังวิ่งฝ่าสนามไฟฟ้าไปได้ เพราะพลังงานที่ได้รับมาจากแสง แต่ถ้าสนามไฟฟ้าแรงไป ก็จะไม่มีอิเล็กตรอนหลุดออกมาหรือวิ่งไปไมุ่ถึง

 


ภาพที่ 3 แสดงถึงอุปกรณ์การทดลองเรื่องโฟโตอิเล็กทริกที่คิดค้นโดย ฟิลิป เลนาร์ด
(ที่มา: http://nobelprize.org/physics/educational/quantised_world/waves-particles-1.html)


ดังนั้นหากปรับค่าสนามไฟฟ้าให้มีความแรงพอดีแล้วทำให้อิเล็กตรอนหลุดไปถึงอีกขั้วได้พอดีเป๊ะ เราก็สามารถประมาณพลังงานของอิเล็กตรอนที่หลุดออกมา ได้จากการคำนวณจากพลังงานไฟฟ้าที่ต้องใช้ในการต้านทานการวิ่งของอิเล็กตรอนนั่นเอง

จากการทดลองของเลนาร์ด พบว่าเมื่อมีลำแสงตกกระทบ กับแผ่นโลหะ ก็จะทำให้เกิดรังสี ที่เค้่าเรียกว่ารังสีคาโทด (Cathods - ซึ่งในภายหลัง ก็ทราบว่าแท้จริงแล้ว มันไม่ใช่รังสี แต่เป็นอิเล็กตรอน) และสามารถตรวจวัดพลังงานของอิเล็กตรอน ที่หลุดออกมาได้อย่างแม่นยำ

แต่ที่เป็นปัญหาก็คือว่า นักวิทยาศาสตร์ยุคนั้น ไม่สามารถใช้ทฤษฎีเกี่ยวกับแสง ที่มีอยู่ อธิบายปรากฏการณ์นี้ได้อย่างชัดเจน

คำอธิบายที่พอจะหาได้ในตอนนั้นก็คือว่า อิเล็กตรอนบนแผ่นโลหะได้รับพลังงานจลน์จากแสง (ที่เข้าใจกันว่าเป็นคลื่น) ที่ตกกระทบแผ่นโลหะ โดยที่คลื่นแสง ถ่ายทอดพลังงาน ให้อิเล็กตรอน เหมือนกับคลื่นทะเลพาหิน จากพื้นทะเลมาที่ชายฝั่ง (ขอให้สังเกตุว่าคำอธิบายนี้บอกว่า เป็นพลังงานจากคลื่นทะเล ไม่ใช่ น้ำ ที่เป็นตัวพาหินมาสู่ชายฝั่ง) แต่นั่นก็แปลว่า โดยทฤษฎีแล้ว พลังงานที่ถูกถ่ายทอด ไปให้ก้อนหินที่โดนคลื่นซัด น่าจะเป็นสัดส่วนโดยตรงของความแรงคลื่น (เช่น เมื่อคลื่นแรงก้อนหินก็ปลิวไปไกล) เช่นเดียวกัน พลังงานของอิเล็กตรอน ที่หลุดออกมาน่าจะเป็นสัดส่วนตรง ขึ้นกับความเข้มของแสงที่ส่องลงไป

แต่สิ่งที่เลนาร์ดพบจากการทดลอง กลับทำให้โลกของฟิสิกส์สมัยนั้นถึงกับตลึง เพราะไม่สามารถอธิบายได้ว่า ทำไมพลังงานของอิเลคตรอน ที่หลุดออกมาจากแผ่นโลหะ จึงไม่ประพฤติตัว แบบเดียวกับก้อนหิน ที่โดนคลื่นตามสมมติฐาน ผลการทดลองของเลนาร์ดบอกว่า พลังงานของอิเลคตรอนที่หลุดออกมานั้น ไม่ขึ้นกับความเข้ม(ความสว่าง) ของแสงเลยแม้แต่น้อย (ความเข้มแสงเปรียบได้กับความสูงของคลื่นทะเล) เลนาร์ดทำการทดลอง ซ้ำแล้วซ้ำอีก ในหลายๆข้อจำกัด ก็ยังได้ผลเหมือนเดิม

และอีกปริศนา ที่สร้างความสับสนจากการทดลอง ก็คือ ถ้าแสงมีความถี่ต่ำกว่าค่าค่าหนึ่งแล้ว (ภายหลังค่าความถี่นี้ถูกตั้งชื่อว่า ความถี่ขั้นต่ำ (cut-off frequency)) จะไ่ม่มีอิเล็คตรอนหลุดออกมาเลย แต่เมื่อไหร่ ที่แสงที่ตกกระทบแผ่นโลหะ มีความถี่มากกว่าค่าดังกล่าว ก็จะมีอิเล็กตรอนบางตัว ที่สามารถถูกผลักให้หลุดออกมาได้ และอิเลคตรอนที่หลุดออกมานี้ กลับมีพลังงานเป็นสัดส่วนตรงกับความถี่ ทั้งที่ทฤษฎีคลื่นของแสง ทำนายว่า ไม่ว่าคลื่นแสงความถี่เท่าใด ก็น่าจะมีพลังงานพอ ที่จะถ่ายทอดให้อิเลคตรอนได้หลุดออกจากโลหะได้

ปริศนาของเรื่องโฟโตอิเล็กทริก ได้ถูกไขอย่างกระจ่าง ในเวลาต่อมาไม่นานนัก

แต่คนที่อธิบายเรื่องนี้ได้ กลับไม่ใช่คนในวงการมหาวิทยาลัย ที่เป็นที่นับหน้าถือตาของคนยุคนั้น แต่กลับเป็นเสมียนหนุ่มวัยแค่เพียง 26 ปี เจ้าหน้าที่รับหน้าที่จดทะเบียนลิขสิทธิ์คนหนึ่ง ในกรุงเบอร์น ประเทศสวิสเซอร์แลนด์ ที่ชื่อ อัลเบริต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) ที่เป็นพระเอกขี่ม้าขาว มาไขปริศนานี้ได้อย่างชัดเจน
 

บทความวิชาการของไอน์สไตน์ อธิบายปริศนาของปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก ได้อย่างสวยงาม เพียงแค่อาศัยสมมติฐานเบื้องต้นว่า แสงที่ถูกส่องไปยังโลหะนั้น ประพฤติตัวเสมือนหนึ่งว่า ประกอบไปด้วยกลุ่มของอนุภาค ที่ภายหลังเรียกว่าอนุภาคแสง หรือ โฟตอน (photon) (คำนี้ถูกตั้งโดย กิลเบอร์ต ลูอิส (Gilbert Lewis) ในปี 1926)

สมมติฐานดังกล่าว ก็ไม่ได้เกิดขึ้นลอยๆ แบบคิดเอาเอง (เหมือนสมัยที่ ไอแซค นิวตัน ซึ่งเป็นคนแรกของโลก ที่เคยตั้งข้อสังเกตุว่า แสงเป็นอนุภาค มา 200 ปี ก่อนหน้าไอน์สไตน์แล้ว) แต่เกิดจากการคำนวณ ต่อยอดมาจากกฏของเวนน์ ที่ว่าด้วยการกระจายความยาวคลื่นแสง ของวัุตถุเปล่งรังสีความร้อน และบทความวิชาการของแพลงค์ (ที่ตีพิมพ์ในปี 1900) ว่าด้วยเรื่องของพลังงานประหนึ่งเป็นกลุ่มของพลังงาน (Quanta)

เมื่อคิดว่าเป็นอนุภาค การอธิบายการถ่ายเทพลังงานของอนุภาค 2 ตัวชนกัน ก็ทำได้ง่ายขึ้น (แม้จะไม่เหมือนกับการถ่ายเทพลังงานของวัตถุใหญ่ซะทีเดียว) และเป็นไปตามกฏอนุรักษ์พลังงาน (แม้ภายหลัง ในช่วงกลางของศตวรรษที่ 20 นักวิทยาศาสตร์อีกหลายคน รวมถึง ริชาร์ด ฟายน์แมน (Richard Fyneman) จะอธิบายขยายความต่อ เรื่องของโฟตอน กระทำกิริยากับอิเล็กตรอน ได้อย่างลึกซึ้งเพิ่มขึ้น)

อย่างไรก็ตาม การอธิบายว่า แสงเป็นก้อนของพลังงาน หรืออนุภาคนั้นไม่ใช่เรื่องง่าย

หนึ่ง ก็เพราะแทบจะทุกคนในยุคนั้น เชื่ออย่างสนิทใจ ว่าแสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (จากกฏคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของแมกซ์เวลล์)

สอง ก็เพราะอนุภาคควรจะมีมวล แต่อนุภาคของแสงไม่มีมวล (แต่กลับมีโมเมนตัม - คลาสสิคอลฟิสิกส์ บอกว่าโมเมนตัม เกิดจากมวลคูณกับความเร็ว) แม้ผลจากการคำนวณของไอน์สไตน์พบว่า อนุภาคของแสงจะมีพลังงาน เป็นแบบคงที่ โดยที่มีขนาดของพลังงาน ขึ้นอยู่กับความถี่ของแสง (ถ้าแสงมีความถี่เดียว(เช่นเลเซอร์) พลังงานของแต่ละอนุภาคแสง จะมีค่าเท่ากันเสมอ) โดยมีค่าเท่ากับผลคูณ ของค่าคงที่ของแพลงค์ (h ซึ่งมีค่าประมาณ 6.626 x 10-34) และความถี่ของแสง (f)

ไอน์สไตน์ได้ทำการตีพิมพ์ผลการคำนวณ เกี่ยวกับเรื่องปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก เป็นบทความวิชาการ เป็นครั้งแรกเป็นภาษาเยอมันในปี 1905 และมีคนนำมาแปลเป็นภาษาอังกฤษในภายหลัง และนำเผยแพร่อีกครั้งบนวารสารวิทยาศาสตร์ที่ชื่อ American Journal of Physics ในปี 1965 (A. B. Arons and M. B. Peppard, Einstein's Proposal of the Photon Concept - a Translation of the Annalen der Physik Paper of 1905, American Journal of Physics, Vol 33, No. 5, พฤษภาคม 1965 หน้า 367) ซึ่งสามารถหาอ่านได้ในปัจจุบัน (download มาอ่านเล่นแก้เหงา และโรคนอนไม่หลับได้ที่นี่ einsteinpaper.pdf 326 KB)

ผลงานตีพิมพ์ชิ้นนี้ เป็นหนึ่งในสามผลงาน ที่ไอน์สไตน์เผยแพร่ในปี 1905 ที่หลายคนยกให้เป็นปีทองของฟิสิกส์ ในงานชิ้นนี้ ไอน์สไตน์ได้เสนอแนวคิดของ "โฟตอน" เพื่อที่จะใช้อธิบายปรากฏการณ์ ที่เรียกว่าโฟโตอิเล็กทริก และเป็นผลงานชิ้นนี้ ที่ทำให้ไอน์สไตน์ได้รางวัลโนเบล ผลงานชิ้นนี้ไม่เพียงทำให้ ไอน์สไตน์ได้รับรางวัลสูงสุดของนักวิทยาศาสตร์ แต่ยังเป็นผลงาน ที่จุดประกายนักฟิสิกส์ทั่วโลก ให้เกิดแนวคิดใหม่ด้านฟิสิกส์ ที่เรียกว่า ฟิสิกส์ควอนตัม ที่เปลี่ยนความคิดในการมองโลก ผ่านสูตรฟิสิกส์ไปเป็นอีกยุคนึง ตอนนั้นคงไม่มีใครคาดคิดว่า ผลการอธิบายปรากฏการณ์เล็กๆ อย่างโฟโตอิเล็กทริก จะเปลี่ยนความคิดของนักฟิสิกส์ เกือบทั้งโลกในเวลาต่อมา

อย่างไรก็ตามหลายคนในยุคนั้น ไม่เชื่อการคำนวณบนกระดาษ และหลายคนพยายาม ทำการทดลอง เพื่อพิสูจน์ว่าไอน์สไตน์คิดผิด โรเบอร์ต มิลิแกน (Robert A Millikan) ซึ่งขณะนั้นอยู่ทีสหรัฐอเมริกา ก็เป็นหนึ่งในนั้น มิลิแกนใช้เวลาเกือบ 10 ในการสร้างอุปกรณ์ ที่มีความแม่นยำ และความละเอียดสูง ในการทดลองเรื่องของประจุของอิเล็กตรอน และการทดลองทดสอบทฤษฎีของไอน์สไตน์ ในเวลาเดียวกัน แต่ผลที่ออกมา กลับเป็นการพิสูจน์ว่าทฤษฎีไอน์สไตน์ ได้ทำนายไว้ก่อนหน้านี้เป็นจริง

พัฒนาการของโฟโตอิิเล็กทริก
 

ค.ศ. เหตุการณ์
1704 กว่า 300 ปี มาแล้วที่ ไอแซค นิวตัน (Sir Isaac Newton) ได้เสนอแนวคิดในบทความวิชาการ 5 หน้ากระดาษ ว่าแสงประกอบไปด้วยอนุภาคเล็กๆและถูกปล่อยออกมาจากวัสดุเรืองแสง ซึ่งทฤษฎีนี้ก็ได้รับการยอมรับกันแพร่หลาย จนถึงศตวรรษที่ 19 ที่ทฤษฎีนี้ถูกล้มล้างด้วยความคิดที่ว่าแสงเป็นคลื่น โดยแมกซ์เวล์
1865 แมกซ์เวล์ (James Maxwell) ทำนาย(จากการคำนวณ)ว่า แสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิิดหนึ่ง
1887 ไฮน์ริก เฮิร์ทซ์ (Heinrich Hertz) สนับสนุนความคิดของแมกซ์เวลลฺ์ และพบว่าเครื่องส่งสัญญาณวิทยุ Spark-Gab generator ทำงานดีขึ้น หากมีแสงอุลตร้าไวโอเลตมาตกกระทบบนอุปกรณ์ เป็นจุดเริ่มต้นของปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก
1899 ฟิลิป เลนาร์ด (Philipp Lenard) นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน ทำการทดลองเพื่อหาสาเหตุตามของสังเกตุของ เฮิร์ทซ์ โดยการฉายแสงที่มีความถี่เดียวลงบนแผ่นโลหะ เค้าพบว่ามีอิเล็กตรอนจำนวนหนึ่งถูกผลักให้หลุดออกจากโลหะ
1905 ฟิลิป เลนาร์ด ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ สำหรับผลงานเรื่องโฟโตอิเล็กทริก
1905 อัลเบริ์ต ไอน์สไตน์ ตีพิมพ์ผลงานเรื่อง แสงเป็นกลุ่มของพลังงาน (มีลักษณะที่จะเป็นอนุภาคมากว่าจะเป็นคลื่น) เพื่ออธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก
1912 โรเบอร์ต มิลิแกน (Robert A Millikan) ทำการทดลองที่มหาวิทยาลัยชิคาโก โดยเครื่องมือที่มีความละเอียดสูง เพื่อพิสูจน์ว่าความคิดของไอน์สไตน์เป็นไปไม่ได้ แต่ผลการทดลองตลอดระยะเวลา 10 ปี กลับไม่เป็นอย่างที่มิลิแกนคิด แต่ยิ่งเป็นการพิสูจน์ว่าความคิดของไอน์สไตน์ถูกต้องไร้ที่ติ
1921 อัลเบริ์ต ไอน์สไตน์ ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์
1923 โรเบอร์ต มิลิแกน ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์


 

ฟิลิป เลนาร์ด
ได้รางวัลโนเบล ปี 1905
อัลเบริ์ต ไอน์สไตน์
ได้รางวัลโนเบล ปี 1921
 
โรเบอร์ต มิลิแกน
ได้รางวัลโนเบล ปี 1923

รายชื่อและรูปของผู้ได้รับรางวัลโนเบล
และมีผลงานเกี่ยวเนื่องกับปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก


จริงๆแล้วเรื่องราว ของปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก เป็นส่วนเล็กๆของ เรื่องราวของการถกเถียงกันว่าแสงเป็น คลื่น หรือ อนุภาค หรือ เป็นทั้งสองอย่าง หรือเป็นอะไรที่เราไม่รู้จัก และจินตนาการไม่ถึงกันแน่ มีเรื่องราวสนุกสนานเกิดขึ้นมากมายในช่วง 300 ปีตั้งแต่ นิวตัน จนถึง QED ของไฟน์แมน

แหม! แต่เนื้อที่หมดแล้วครับ มีเวลาจะกลับมาเล่าให้ฟังอีกครับ

เอกสารอ้างอิง
• ภาพประกอบในบทความทั้งหมดนำมาจาก เว็บไซท์รางวัลโนเบล, www.nobelprize.org
• Ralph Baierlein, “Newton to Einstein: The Trail of Light”, ISBN-10: 0521423236, Cambridge University Press

บทความนี้ตีพิมพ์ครั้งแรกใน วารสาร อัพเดท

 

เกี่ยวกับผู้เขียน
 
ผศ. ดร. บุญญฤทธิ์ อุยยานนวาระ (เป็น 1 ใน 3 ผู้ก่อตั้ง วิชาการ.คอม) จบ ม.ต้น จากโรงเรียนเบญจมราชูทิศ จังหวัด นครศรีธรรมราช ก่อนที่จะเข้ารับทุนการศึกษาโครงการ พสวท และเรียนต่อ ม.ปลายที่ โรงเรียนหาดใหญ่วิทยาลัย จังหวัดสงขลา และสำเร็จการศึกษาปริญญาตรี ด้วยเกียรตินิยมอันดับหนึ่ง ที่คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยสงขลานครินทร์ และ ปริญญาเอก จาก King's College, London มหาวิทยาลัยลอนดอน ประเทศอังกฤษ (ด้วยทุนการศึกษา โครงการ พสวท. ตั้งแต่ ม.4 จน จบ ป.เอก)

ปัจจุบัน ดร. บุญญฤทธิ์ อุยยานนวาระ มีตำแหน่งเป็น ผู้ช่วยศาสตราจารย์ ประจำภาควิชาไอที (http://www.siit.tu.ac.th/bunyarit) ที่ สถาบันเทคโนโลยีนานาชาติสิรินธร แห่ง มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์

ดร. บุญญฤทธิ์ เป็นอีกหนึ่งท่าน ที่ขอเป็นอีกแรง ช่วยผลักดัน การเผยแพร่เรื่องราวดีๆ สู่ประเทศไทย ผ่านวิชาการ.คอม

 
String Theory ภาค 1: ความฝันที่ใกล้จะเป็นจริงของไอน์สไตน์?
 
ผู้เขียน : ดร. อรรถกฤต ฉัตรภูติ (คลิ๊กที่ชื่อเพื่อดูผลงานอื่นของผู้เขียน)
เนื้อหาย่อ : ไอน์สไตน์เสียชีวิต สิบปีก่อนหน้าที่จะถึงยุคทองของฟิสิกส์อนุภาค จึงไม่ทราบว่า มันไม่ได้มีแค่แรงโน้มถ่วงและแรงแม่เหล็กไฟฟ้า แต่ยังมีแรงพื้นฐานคือ แรงนิวเคลียร์แบบอ่อน และแรงนิวเคลียร์แบบเข้ม ทฤษฎีสตริงค้นพบขึ้นมา ขณะที่นักฟิสิกส์ศึกษาแรงนิวเคลียร์แบบเข้ม...
ขณะที่นักฟิสิกส์ส่วนใหญ่กำลังตื่นเต้นกับควอนตัมฟิสิกส์ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ เลือกที่จะแยกตัวออกจากกระแสหลักของวงการ และทุ่มเทช่วงเวลาสามสิบปีสุดท้ายของชีวิต เพื่อค้นหาทฤษฏีพื้นฐานที่จะสามารถอธิบายแรงพื้นฐานธรรมชาติสองชนิดได้ภายในทฤษฏีเดียว ไอน์สไตน์เรียกทฤษฎีนี้ว่า “ทฤษฎีสนามรวม” หรือ Unified field theory ในยุคสมัยของไอน์สไตน์นั้นถึงแม้ว่าจะมีการค้นพบธาตุกัมมันตรังสีแล้ว แต่ความเข้าใจเรื่องแรงนิวเคลียร์ยังต้องรออีกหลายปีหลังจากนั้น นักฟิสิกส์รู้จักแรงในธรรมชาติเพียงสองชนิดคือ แรงโน้มถ่วง และ แรงแม่เหล็กไฟฟ้า ในความพยายามที่จะรวมแรงทั้งสองเข้าด้วยกันไอน์สไตน์มองเห็นความไม่สอดคล้องกันระหว่างภาพของกาลอวกาศ (Space-Time) ที่มีลักษณะต่อเนื่องในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปซึ่งใช้อธิบายแรงโน้มถ่วงระหว่างมวลสาร กับ ทฤษฏีควอมตัมที่ใช้อธิบายอนุภาคเล็กๆ ในความคิดของไอน์สไตน์กลศาสตร์ควอนตัมอธิบายธรรมชาติผ่านหลักความน่าจะเป็น ให้ภาพธรรมชาติที่มัวๆไม่ชัดเจน ไอน์สไตน์ปฏิเสธทฤษฎีควอนตัมและพยายามอธิบายแรงแม่เหล็กไฟฟ้า โดยอาศัยคุณสมบัติทางเรขาคณิตของกาล-อวกาศ เหมือนอย่างที่เขาทำสำเร็จมาแล้วกับแรงโน้มถ่วงในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป

นักฟิสิกส์ในยุคหลังไอน์สไตน์กลับมีความคิดในทางตรงกันข้ามว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ต่างหากที่มีข้อจำกัดโดยเฉพาะเมื่อนำไปพิจารณาอนุภาคขนาดเล็กๆ พวกเขาเชื่อว่าในระดับขนาดที่เล็กมากๆ กาล-อวกาศไม่ได้มีลักษณะต่อเนื่องเหมือนอย่างที่อธิบายในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป แต่จะมีลักษณะคล้ายกับรูปภาพในหน้ากระดาษหนังสือพิมพ์ ที่เมื่อมองไกลๆจะเห็นเป็นภาพที่ต่อเนื่องเป็นเนื้อเดียวกัน แต่เมื่อเข้ามาพิจารณาในระยะใกล้ๆหรือเมื่อส่องดูด้วยแว่นขยายก็จะพบว่าแท้ที่จริงแล้วรูปนั้นไม่ได้เป็นภาพที่ต่อเนื่องเป็นเนื้อเดียวกัน แต่เกิดจากจุดเล็กๆหลายๆจุดที่วางเรียงอยู่ใกล้ๆกัน ซึ่งทฤษฎีสัมพัทธภาพไม่สามารถที่จะใช้อธิบายธรรมชาติในลักษณะนี้ได้ ข้อจำกัดของทฤษฎีสัมพัทธภาพนี้เองมีส่วนทำให้ไอน์สไตน์ล้มเหลวในการพัฒนาทฤษฎีสนามรวม

 

ควอนตัมโฟม : ความไม่ต่อเนื่องของกาล-อวกาศ
ในระดับขนาดที่เล็กมากๆ กาล-อวกาศไม่ได้มีลักษณะเรียบและต่อเนื่อง แต่จะมีลักษณะคล้ายกับรูปภาพ ในหน้ากระดาษหนังสือพิมพ์ ที่เมื่อมองไกลๆ จะเห็นเป็นภาพที่ต่อเนื่อง เป็นเนื้อเดียวกัน แต่เมื่อเข้ามาพิจารณาในระยะใกล้ๆ หรือเมื่อส่องดูด้วยแว่นขยาย ที่ขยายขึ้นมาเรื่อยๆดังในภาพ ก็จะพบว่าแท้ที่จริงแล้ว เกิดจากจุดเล็กๆหลายๆจุดที่เรียงอยู่ใกล้ๆกัน


 

 

ถึงแม้ว่าทฤษฎีสนามรวมของไอน์สไตน์จะล้มเหลว แต่ความฝันของเขากลับยังคงอยู่ เวลาผ่านไปกว่าห้าสิบปีแนวความคิดเรื่องการรวมแรงพื้นฐานของธรรมชาติให้สามารถอธิบายได้ด้วยทฤษฎีเดียวได้กลายเป็นหนึ่งในกระแสหลักของฟิสิกส์ตั้งแต่ปลายศตวรรษที่แล้ว นักฟิสิกส์จำนวนไม่น้อยพยายามคิดค้นทฤษฎีที่สามารถที่จะอธิบายแรงทั้งหมดในธรรมชาติ หรืออย่างน้อยสามารถอธิบายธรรมชาติของแรงโน้มถ่วงที่ระดับสเกลเล็กๆได้ หนึ่งในทฤษฎีที่ว่านี้คือ ทฤษฎีเส้นเชือก หรือ String theory ซึ่งนักฟิสิกส์หลายท่านเชื่อว่าจะเป็นทฤษฎีที่สามารถทำให้ความฝันของไอน์สไตน์เป็นจริงขึ้นมาได้
 

ทฤษฎีเส้นเชือก (String Theory)

ไอน์สไตน์เสียชีวิตในปี พ.ศ. 2498 เกือบสิบปีก่อนหน้าที่จะถึงยุคทองของฟิสิกส์อนุภาค เขาจึงไม่มีโอกาสที่จะทราบว่า ธรรมชาติไม่ได้มีแค่แรงโน้มถ่วงและแรงแม่เหล็กไฟฟ้า แต่ยังมีแรงพื้นฐานอีกสองชนิดคือ แรงนิวเคลียร์แบบอ่อน และแรงนิวเคลียร์แบบเข้ม

นอกจากนี้นักฟิสิกส์รุ่นหลานของไอน์สไตน์ ยังได้ค้นพบว่าสสารที่พบเห็นในธรรมชาติ ล้วนประกอบขึ้นมาจากอนุภาคมูลฐานสองกลุ่ม คือ ควาร์ก (Quark) และ เล็ปตอน (Lepton)

กลุ่มแรกเป็นอนุภาคมูลฐานที่ไม่พบอิสระตามธรรมชาติ ควาร์กจะรวมเข้าด้วยกันด้วยแรงนิวเคลียร์แบบเข้ม อนุภาคที่เป็นองค์ประกอบในนิวเคลียสของอะตอมเช่น โปรตอน และนิวตรอน ล้วนเป็นอนุภาคที่ประกอบด้วยควาร์กสามตัว ส่วนกลุ่มหลังคือเล็ปตอน เป็นอนุภาคมูลฐานที่สามารถพบได้อิสระตามธรรมชาติเช่น อิเล็คตรอน และ มิวออน เป็นต้น โปรตอนกับนิวตรอนรวมตัวกันในนิวเคลียสด้วยแรงนิวเคลียร์

ในขณะที่อิเล็กตรอนถูกประจุไฟฟ้าบวกของโปรตอนดึงดูดให้โคจรรอบนิวเคลียสด้วยแรงแม่เหล็กไฟฟ้ากลายเป็น “อะตอม” ของธาตุต่างๆ ทฤษฎีควอนตัมยังได้อธิบายแรงที่กระทำระหว่างอนุภาคพื้นฐานเหล่านี้ว่าเกิดจากการที่มันแลกเปลี่ยน “อนุภาคสื่อ” ระหว่างกัน ในภาพของควอนตัมฟิสิกส์แรงแม่เหล็กไฟฟ้าเกิดจากการที่อนุภาคมีประจุแลกเปลี่ยนโฟตอน (อนุภาคของแสง) ไปมาระหว่างกัน ในขณะที่โฟตอนเป็นสื่อนำแรงแม่เหล็กไฟฟ้า แรงนิวเคลียร์แบบเข้มจะมีอนุภาคที่ชื่อว่า กลูออน ทำหน้าที่เป็นอนุภาคสื่อ ส่วนอนุภาค Z และWเป็นสื่อนำแรงนิวเคลียร์แบบอ่อน

นอกจากนี้แล้วในทศวรรษที่ 70 นักฟิสิกส์ยังสามารถที่จะอธิบายปรากฏการณ์ต่างๆ ของแรงนิวเคลียร์ทั้งสองแบบ และแรงแม่เหล็กไฟฟ้า ได้โดยอาศัยทฤษฎีเพียงทฤษฎีเดียว ที่รู้จักกันในชื่อ “แบบจำลองมาตรฐานของอนุภาคมูลฐาน” (Standard Model of fundamental particles)

แม้ว่าแบบจำลองมาตรฐานจะประสบความสำเร็จในการทำนายปรากฏการณ์ต่างๆในธรรมชาติได้อย่างมีประสิทธิภาพ แต่มันก็ยังมีข้อจำกัดในหลายๆด้าน ข้อจำกัดที่สำคัญมากที่สุดอันหนึ่งคือ แบบจำลองมาตรฐานไม่สามารถอธิบายพฤติกรรมของอนุภาคเมื่อมีแรงโน้มถ่วงเข้ามาเกี่ยวข้องได้ แรงโน้มถ่วงจะมีผลกับการทดลองมากเมื่ออนุภาคมีพลังงานสูงมากๆ ซึ่งทำให้ผลการคำนวณจากแบบจำลองมาตรฐานมีความผิดพลาดเนื่องจากไม่ได้คำนึงถึงแรงโน้มถ่วง ทฤษฎีควอนตัมพยายามอธิบายแรงโน้มถ่วงว่าเกิดจากการที่อนุภาคแลกเปลี่ยนอนุภาคสื่อที่เรียกกันว่า “กราวิตอน” (Graviton) นักฟิสิกส์เรียกทฤษฎีควอนตัมที่อธิบายแรงโน้มถ่วงนี้ว่า “ทฤษฎีความโน้มถ่วงควอนตัม” (Quantum gravity) ในช่วงเวลากว่า 30 ปีที่ผ่านมานักฟิสิกส์ชั้นนำของโลกหลายต่อหลายคนพยายามที่จะพัฒนาทฤษฎีนี้ แต่ก็ยังไม่ประสบผลสำเร็จ จนถึงทุกวันนี้ยังไม่มีทฤษฎีที่เหมาะสมที่จะสามารถจัดการความไม่ต่อเนื่องของกาล-อวกาศได้ ปัจจุบันนักฟิสิกส์ทำได้ดีที่สุดเพียงแค่สร้างทฤษฎีที่ให้ภาพอย่างคร่าวๆของพฤติกรรมเชิงควอนตัมของแรงโน้มถ่วง และคาดหวังว่าทฤษฎีเหล่านี้จะนำไปสู่ทฤษฎีควอนตัมกราวิตีที่แท้จริง ซึ่งสามารถจะรวมแรงโน้มถ่วงเข้ากับแรงธรรมชาติที่เหลือได้ หนึ่งในทฤษฎีเหล่านั้นรู้จักกันในชื่อของ “ทฤษฎีเส้นเชือก” หรือ “String Theory” เนื่องจากในทฤษฎีนี้มีสมมุติฐานว่าอนุภาคต่างๆไม่ได้มีลักษณะเป็นจุด (Point-like particle) เหมือนอย่างในทฤษฎีควอนตัม ในทฤษฎีสตริงอนุภาคทุกชนิด ทั้งที่เป็นอนุภาคที่ประกอบขึ้นเป็นสสารและอนุภาคที่เป็นสื่อนำแรงล้วนเป็นเส้นเชือกที่กำลังสั่นด้วยความถี่ต่างระดับกัน เส้นเชือกเส้นเดียวกันถ้าสั่นด้วยความถี่ค่าหนึ่งอาจเป็นอิเล็กตรอน แต่เมื่อความถี่ของการสั่นเปลี่ยนไปเป็นอีกค่าหนึ่ง เชือกเส้นนั้นก็จะกลายเป็นอนุภาคชนิดอื่น
 


จอห์น ชวาชซ์ (John Schwarz) นักฟิสิกส์อเมริกันหนึ่งในผู้บุกเบิก String Theory

ทฤษฎีสตริงค้นพบขึ้นมาโดยบังเอิญขณะที่นักฟิสิกส์กำลังศึกษาแรงนิวเคลียร์แบบเข้ม และได้รับความสนใจในระยะสั้นๆ นักฟิสิกส์ส่วนใหญ่จะหันไปศึกษาทฤษฎีQuantum Chromodynamics หรือ QCD ซึ่งสามารถอธิบายแรงนิวเคลียร์แบบเข้มได้ดีกว่า มีเพียงนักฟิสิกส์ที่เป็น “แฟนพันธ์แท้” ของทฤษฎีเส้นเชือกเพียงไม่กี่คนเท่านั้นที่ยังคงยืนหยัดศึกษาทฤษฎีนี้ต่อไป ในจำนวนนั้นมี จอห์น ชวาชซ์ (John Schwarz) นักฟิสิกส์อเมริกัน และ เพื่อนรวมงานชาวฝรั่งเศส โจแอล เชอร์ก (Joel Scherk) ในปี พ.ศ. 2517 ทั้งคู่ค้นพบว่าบางความถี่ของการสั่นในทฤษฎีเส้นเชือกนั้น มีคุณสมบัติที่สอดคล้องกับอนุภาค กราวิตอน อนุภาคซึ่งเป็นสื่อนำแรงโน้มถ่วง นักฟิสิกส์อื่นๆจึงกลับมาสนใจทฤษฎีเส้นเชือกอีกครั้ง และในครั้งนี้ทฤษฎีเส้นเชือกไม่ได้เป็นเพียงแค่ทฤษฎีที่อธิบายแรงนิวเคลียร์แบบเข้มเท่านั้น แต่มันกลับมาในฐานนะทฤษฎีที่อาจจะเป็น ทฤษฎีแรงโน้มถ่วงควอนตัม

ยิ่งไปกว่านั้น ในเมื่ออนุภาคที่เป็นสื่อนำแรงทั้งสี่ชนิดไม่ว่าจะเป็น โฟตอน กลูออน อนุภาค W และ Z รวมถึง กราวิตอน ต่างก็เป็นการสั่นของเส้นเชือกมาตรฐานชนิดเดียวกันที่มีความถี่ต่างกัน อุปมาเหมือนกับตัวโน๊ตที่บรรเลงออกมาจากเครื่องสายตัวเดียวกัน ทฤษฎีเส้นเชือกจึงสามารถที่จะอธิบายแรงทั้งสี่ชนิดในธรรมชาติได้ด้วยตัวของมันเอง หลายคนอ้างถึงทฤษฎีเส้นเชื่อกว่าเป็นทฤษฎีสรรพสิ่ง หรือ Theory of Everything ในความหมายที่มันสามารถอธิบายแรงทั้งสี่ของธรรมชาติได้นั่นเอง


ทฤษฎีเส้นเชือก สมมุติว่าอนุภาคไม่ได้มีลักษณะเป็นจุด แต่เป็นเส้นหนึ่งมิติ โดยการสั่นของเส้นเชือกนี้ ทำให้เกิดเป็นตัวโน๊ตต่างๆ ตัวโน๊ตหนึ่งตัว สามารถแทนอนุภาคได้หนึ่งตัว ตัวโน๊ตที่ต่างคีย์กัน ก็จะให้อนุภาคที่ต่างชนิดกัน นักฟิสิกส์บางกลุ่มเชื่อว่าการสั่นในบางลักษณะของเส้นเชือกอาจจะเป็นอิเล็กตรอน และ ควาร์กได้
(ภาพจาก NOVA the Elegant Universe : http://www.pbs.org/wgbh/nova/elegant/ )

การที่ทฤษฎีเส้นเชือกสมมุติว่าอนุภาคไม่ได้มีลักษณะเป็นจุด แต่เป็นเส้นหนึ่งมิติ ช่วยให้นักฟิสิกส์ลดความยุ่งยากทางเทคนิคในการรวมทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปกับทฤษฎีควอนตัม ปัญหาดังกล่าวเกิดขึ้นเนื่องจากความไม่ต่อเนื่องของกาล-อวกาศในระดับที่เล็กกว่าขนาดของอะตอมมากๆ ธรรมชาติในระดับเล็กมากๆนั้น อวกาศมีลักษณะ ขรุขระ ไม่ต่อเนื่อง และมีการบิดเบี้ยวอย่างรุนแรง ปรากฏการณ์ดังกล่าวเรียกว่า ควอนตัมโฟม (Quantum foam) อนุภาคที่มีลักษณะเป็นจุดในทฤษฎีแบบเก่า รวมถึงอนุภาคกราวิตอน จะถูกอิทธิพลของควอนตัมโฟมรบกวนอย่างหนัก จนทำให้นักฟิสิกส์ไม่สามารถใช้ในการคำนวณได้ เปรียบเหมือนเรือลำเล็กๆที่ล่องลอยอยู่ในมหาสมุทรท่ามกลางพายุและคลื่นลมซึ่งย่อมจะบังคับทิศทางได้ลำบาก ในขณะที่เส้นเชือกใน String Theory เปรียบเหมือนเรือเดินสมุทรขนาดใหญ่สามารถทนทานต่อพายุในทะเลได้ ผลของควอนตัมโฟมจึงไม่มีอิทธิพลในการคำนวณ จนนักฟิสิกส์สามารถประมาณได้ว่ากาลอวกาศมีลักษณะเรียบและต่อเนื่องในทฤษฎีเส้นเชือก

อย่างไรก็ตาม...

ซุปเปอร์ฟิสิกส์และซุปเปอร์คณิตศาสตร์
อย่างไรก็ตามแม้ว่าการเปลี่ยนจากจุดอนุภาคมาเป็นเส้นเชือกจะช่วยแก้ปัญหาความไม่ต่อเนื่องของกาล-อวกาศได้ แต่ก็ทำให้ทฤษฎีเส้นเชือกเต็มไปด้วยคณิตศาสตร์ที่ยุ่งยากซับซ้อน ความซับซ้อนที่สำคัญอันหนึ่งคือ การที่จะได้ทฤษฎีที่สมบูรณ์ทฤษฎีเส้นเชือกกำหนดให้ธรรมชาติจะต้องมีจำนวนมิติมากกว่า 4 มิติ คือนอกจากจะประกอบด้วย กว้าง ยาว สูง และเวลา ซึ่งเป็นกาล-อวกาศที่เราคุ้นเคยแล้วทฤษฎียังเปิดโอกาสให้มี “มิติพิเศษ” หรือ Extra Dimensions ในทฤษฎีที่เรียกว่าทฤษฎีเส้นเชือกยิ่งยวด (Superstring Theory) กำหนดให้ธรรมชาติมีจำนวนมิติอยู่ทั้งหมด10 มิติ ในบางรูปแบบของทฤษฎีเส้นเชือกอาจมีได้ถึง 11 (M-theory) และ 26 มิติ
 


Extra dimension

สมมุติว่ากาล-อวกาศเป็นผิวของหลอดกาแฟ ซึ่งเป็นพื้นผิวสองมิติ ดังที่แสดงในรูป มดที่เดินอยู่บนหลอดกาแฟ จะสามารถเคลื่อนที่ได้ในสองมิติ แต่ถ้ารัศมีของหลอดกาแฟเล็กลงมากๆ มดที่เดินอยู่ในบริเวณนั้น ก็จะรู้สึกเหมือนว่ามันเดินอยู่บนเส้นลวด ซึ่งมีจำนวนมิติเท่ากับหนึ่งมิติ
ในทฤษฎีเส้นเชือก กาล-อวกาศมีได้มากถึง 10 มิติ แต่ในชีวิตประจำวันเรารู้สึกได้เพียง 4 มิติ นักฟิสิกส์อธิบายว่ามิติพิเศษ หรือ Extra dimension ที่เหลืออีก 6 มิตินั้น จะม้วนเป็นวงเล็กๆ จนเราไม่สามารถที่จะตรวจวัดได้ (ใน M-theory เอกภพมีได้ถึง 11 มิติเลยทีเดียว)



ฟิสิกส์เป็นวิชาที่ศึกษาธรรมชาติโดยใช้ภาษาคณิตศาสตร์ ในขณะที่รัตนกวีอย่างท่านสุนทรภู่บรรยายความงามของธรรมชาติ ผ่านถ้อยคำภาษาไทยที่ร้อยเรียงเป็นคำกลอน นักฟิสิกส์อธิบายธรรมชาติผ่านภาษาคณิตศาสตร์ ซึ่งมีกฎทางฟิสิกส์เป็นตัวกำหนดฉันทะลักษณ์ เมื่อนักฟิสิกส์สนใจธรรมชาติของระบบที่ซับซ้อนมากขึ้น พวกเขาจึงต้องการภาษาคณิตศาสตร์ที่ละเอียดประณีตยิ่งขึ้น

อุปมาได้กับคำกลอนที่ใช้ภาษาสละสลวย ก็ย่อมสามารถอธิบายความงามของธรรมชาติให้ซาบซึ้งกินใจ มากกว่าถ้อยคำพื้นๆได้ฉันใด ทฤษฎีคณิตศาสตร์ลึกซึ้งมากขึ้น ก็มักจะช่วยให้นักฟิสิกส์เข้าถึงความลึกลับของธรรมชาติได้ดียิ่งขึ้นฉันนั้น

ความก้าวหน้าทางด้านฟิสิกส์ส่วนหนึ่ง จึงจำเป็นต้องอาศัยเทคนิคใหม่ๆทางคณิตศาสตร์อย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ เมื่อไอน์สไตน์ค้นพบหลักการของสัมพัทธภาพพิเศษในปี พ.ศ. 2448 คณิตศาสตร์ที่เขาใช้เป็นเพียงพิชคณิตง่ายๆที่เด็กมัธยมปลายสามารถเข้าใจได้ แต่ความเข้าใจลึกซึ้งเกี่ยวกับ กาล-อวกาศ จะไม่เกิดขึ้นเลยถ้าขาดอัจฉริยะทางคณิตศาสตร์อย่าง เฮนรี่ พวงกาเร (Henri Poincare) รวมถึงนักฟิสิกส์อย่าง เฮอร์แมน มินคอฟสกี้ (Hermann Minkowski) และ อาร์โนลด์ ซอมเมอร์เฟลด์ (Arnold Sommerfeld) เมื่อคนเหล่านี้เรียบเรียงทฤษฎีสัมพัทธภาพให้อยู่ในภาษาคณิตศาสตร์ที่เหมาะสม ความเข้าใจที่ลึกซึ้งของทฤษฎีนี้จึงปรากฏขึ้น และอีกหลายปีหลังจากนั้นไอน์สไตน์ยังต้องอาศัยความช่วยเหลือจากเพื่อนสนิทของเขาคือ มาร์แซล กรอสมัน (Marcel Grossmann) รวมถึงนักคณิตศาสตร์คนสำคัญอย่าง เดวิด ฮิลเบิร์ต (David Hilbert) ให้สอนวิชาเรขาคณิตเชิงอนุพันธ์ (Differential Geometry) ซึ่งเป็นคณิตศาสตร์ที่ไอน์สไตน์ใช้อธิบายการบิดโค้งของ กาล-อวกาศ ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปผลงานสำคัญที่สุดของเขา

ไอน์สไตน์ได้กล่าวถึงบทบาทของคณิตศาสตร์ในวิชาฟิสิกส์เอาไว้ว่า

“It was not clear to me as a young student that access to a more profound knowledge of the more basic principles of physics depends on the more intricate mathematical methods. This dawned upon me only gradually after years of independent scientific work.” 1


ฟิสิกส์ในปัจจุบันศึกษาธรรมชาติในระดับที่ลึกซึ้งและซับซ้อนมากขึ้น ทฤษฎีใหม่ๆที่นักฟิสิกส์กำลังศึกษาอยู่ อย่างเช่น ทฤษฎีเส้นเชือก จึงจำเป็นต้องใช้รูปแบบคณิตศาสตร์ที่ซับซ้อนกว่าในอดีตมาก ในวารสาร Physics World ฉบับเดือนธันวาคม ปี พ.ศ. 2542 นักฟิสิกส์ ลี สโมลิน (Lee Smolin) ได้ฝากความหวังคณิตศาสตร์สาขาใหม่ๆที่กำลังพัฒนาอยู่อย่างต่อเนื่องในขณะนี้อย่าง “Category theory” ว่าอาจจะช่วยให้นักฟิสิกส์นำมาอธิบายทฤษฎีความโน้มถ่วงควอนตัมได้ในอนาคต

อย่างไรก็ตามผู้เขียนยังอดสงสัยไม่ได้ว่าคณิตศาสตร์ที่นักฟิสิกส์ต้องการนั้นอาจจะไม่ใช่คณิตศาสตร์ที่เรามีอยู่แล้วในปัจจุบันนี้ก็เป็นได้
 


นักฟิสิกส์ ลี สโมลิน (Lee Smolin) ผู้เชี่ยวชาญด้าน Quantum gravity

จักรวาลวิทยาและการทดสอบทฤษฎีเส้นเชือก
ไม่ใช่นักฟิสิกส์ทุกคนจะสนับสนุนทฤษฎีเส้นเชือก หลายคนชี้จุดอ่อนของทฤษฎีนี้ว่าเป็น “ทฤษฎีที่ไม่สามารถจะพิสูจน์ว่าผิดได้” ที่เป็นเช่นนั้นเพราะว่าทฤษฎีเส้นเชือกใช้อธิบายธรรมชาติในที่ๆมีขนาดเล็กมากๆ การที่จะศึกษาระบบที่เล็กขนาดนั้นตามกฎของทฤษฎีควอนตัมจะต้องใช้พลังงานมากมหาศาล มากเกินกว่าที่ห้องทดลองใดๆบนโลกจะสามารถทำได้ จุดอ่อนนี้เองทำให้ทฤษฎีเส้นเชือกถูกมองว่าเป็นเพียงเกมทางคณิตศาสตร์ เพราะไม่สามารถที่จะนำมาทำการทดลองพิสูจน์ด้วยกระบวนการทางฟิสิกส์ได้

อย่างไรก็ตามในช่วงสิบปีที่ผ่านมา การศึกษาในอีกสาขาหนึ่งที่เกี่ยวกับการกำเนิดและวิวัฒนาการของเอกภพได้ก้าวหน้าอย่างรวดเร็ว ในจักรวาลอันกว้างใหญ่มีปรากฏการณ์ธรรมชาติหลายปรากฏการณ์ที่ให้พลังงานมหาศาล และอาจมากพอที่จะทดสอบทฤษฎีเส้นเชือกได้ นักฟิสิกส์จึงพยายามมองหาห้องทดลองนอกโลกเพื่อที่จะทดสอบทฤษฎีเส้นเชือก หรือ ทฤษฎีอื่นๆที่เกี่ยวข้องกับทฤษฎีแรงโน้มถ่วงควอนตัม จักรวาลวิทยา หรือ Cosmology เป็นวิชาที่ศึกษาวิวัฒนาการและการกำเนิดของเอกภพ เป็นหนึ่งในสาขาวิชาที่กำลังได้รับการศึกษาอยู่อย่างมากในขณะนี้ เพราะนอกจากจะมีข้อมูลมายให้ศึกษาแล้ว ยังมีปัญหาอีกหลายอย่างที่ต้องการทฤษฎีใหม่ๆมาอธิบาย

แม้จะเป็นที่เชื่อกันว่าเอกภพของเราเกิดขึ้นจากการระเบิดครั้งใหญ่ที่เรียกว่า “บิ๊กแบง” (Big Bang) แต่กระบวนการกำเนิดของเอกภพ และธรรมชาติของเอกภพในขณะที่เกิดขึ้นมาใหม่ๆ นั้นยังไม่เป็นที่เข้าใจดีนักสาเหตุที่สำคัญก็เพราะขาดทฤษฎีแรงโน้มถ่วงควอนตัมนี่เอง นอกจากนี้นักจักรวาลวิทยายังพบว่าองค์ประกอบส่วนใหญ่ของเอกภพในปัจจุบันไม่ได้ประกอบขึ้นจาก ควาร์ก หรือ อนุภาคชนิดใดที่นักฟิสิกส์รู้จัก แต่มันประกอบไปด้วย “สสารมืด” หรือ “Dark matter” ซึ่งมีส่วนสำคัญทำให้เกิดโครงสร้างและวิวัฒนาการของกาแล็กซีและ “พลังงานมืด” หรือ Dark Energy ซึ่งเป็นพลังงานลึกลับที่ผลักให้เอกภพขยายตัวออกด้วยความเร่ง เป็นที่น่าสนใจว่า ทฤษฎีอย่าง String Theory จะช่วยเราตอบปัญหาเหล่านี้ได้หรือไม่? ปัญหาเหล่านี้เป็นความท้าทายอันน่าตื่นเต้นของนักฟิสิกส์ ในแง่หนึ่งเปรียบเทียบได้กับความตื่นเต้นเมื่อต้นศตวรรษที่แล้ว

 


มวลสารในเอกภพ
ประกอบไปด้วย Dark Matter 25 เปอร์เซนต์ และ Dark Energy 70 เปอร์เซ็นต์
ทฤษฎีฟิสิกส์ในปัจจุบันสามารถอธิบายได้ไม่ถึง 5 เปอร์เซ็นต์ของเอกภพ ทฤษฎีเส้นเชือกจะสามารถช่วยให้นักฟิสิกส์เข้าใจพลังงานมืด และ สสารมืดได้หรือไม่ ยังเป็นสิ่งที่ต้องรอการพิสูจน์

เมื่อหนึ่งร้อยปีที่แล้วความสำเร็จของ ทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าของแม็กซ์แวล และกลศาสตร์ของนิวตัน ทำให้นักฟิสิกส์คิดว่าพวกเขามีทฤษฎีที่สมบูรณ์ จนเมื่อได้มาศึกษาธรรมชาติของสิ่งเล็กๆอย่างอะตอม พวกเขาจึงได้รู้ว่าที่จริงแล้วพวกเขาแทบไม่รู้อะไรเลย ความรู้ที่มีอยู่นั้นยังน้อยนิดนัก และเป็นโอกาสให้ไอน์สไตน์และนักฟิสิกส์คนสำคัญๆอีกหลายคนได้ปฏิวัติทฤษฎีฟิสิกส์ และนำความก้าวหน้ามาสู่วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีอย่างไม่มีใครคาดถึง แทบไม่น่าเชื่อว่าเพียงหนึ่งร้อยปีให้หลัง ในขณะที่นักฟิสิกส์ภูมิใจกับความสำเร็จของทฤษฎีควอนตัม และทฤษฎีสัมพัทธภาพ แต่พวกเขาแทบไม่รู้อะไรเลยเมื่อไปศึกษาสิ่งที่มีขนาดใหญ่มากๆอย่างเอกภพของเรา

ประวัติศาสตร์มักจะซ้ำรอยเดิมเสมอ ทฤษฎีใหม่ๆกำลังรอการถูกค้นพบเพื่อที่จะมาปฏิวัติโลกวิทยาการ ไม่ว่าทฤษฎีที่ว่านั้นจะเป็นทฤษฎีเส้นเชือกหรือไม่ก็ตาม การเข้าใจธรรมชาติอย่างลึกซึ้งย่อมนำมาซึ่งความเจริญก้าวหน้าของมวลมนุษย์อย่างไม่ต้องสงสัย เหมือนกับที่ไอน์สไตน์และนักฟิสิกส์ยุคก่อนหน้าเราได้ทำไว้แล้ว

ข้อมูลเพิ่มเติม
• หนังสือของ Brian Green , The Elegant Universe: Superstrings, Hidden Dimensions and the Quest for the Ultimate Theory สำนักพิมพ์ Jonathan Cape ตีพิมพ์เมื่อปี พ.ศ. 2541
• เว็บไซต์ www.Superstring.com
• NOVA the Elegant Universe : http://www.pbs.org/wgbh/nova/elegant/



เกี่ยวกับผู้เขียน

คุณจ้อ หรือ ดร. อรรถกฤต ฉัตรภูติ เป็นหนึ่งในตัวแทนประเทศไทย ไปแข่งขันฟิสิกส์โอลิมปิก ที่ประเทศฟินแลนด์ เมื่อสมัยเป็นนักเรียนมัธยม จบชั้นมัธยมปลายจากโรงเรียนปทุมคงคา เข้ารับทุนการศึกษาเป็นนักเรียนในโครงการพสวท และสำเร็จการศึกษา ระดับปริญญาตรีที่ภาควิชาฟิสิกส์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย จากนั้น ศึกษาต่อด้านปริญญาโท ฟิสิกส์ทฤษฎี ทีมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ (University of Cambridge) และ ปริญญาเอก ฟิสิกส์ทฤษฎี ที่มหาวิทยาลัยเดอร์แรม (Universiy of Durham) ในเวลาต่อมา

ปัจจุบันเป็นอาจารย์ ประจำภาควิชาฟิสิกส์์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย และ เป็น 1 ใน 3 ของผู้ริเริ่มก่อตั้ง วิชาการ.คอม

 
ITER ทางเลือกใหม่ของพลังงานทดแทนแห่งอนาคต
 
ผู้เขียน : ดร. ธวัชชัย อ่อนจันทร์ (คลิ๊กที่ชื่อเพื่อดูผลงานอื่นของผู้เขียน)
เนื้อหาย่อ : ถึงเวลาแล้วที่ ฟิวชั่นนิวเคลียร์จะเป็นจริง โครงการที่สามารถผลิตพลังงานได้มหาศาลและไม่ต้องพึ่งพาน้ำมันอีกต่อไป
 
หน้าที่ 1 - "นิวเคลียร์ฟิวชั่น" ความฝันใกล้เป็นจริง

หลายคนที่ชอบอ่านข่าวจากสื่อต่างประเทศในช่วง 1 เดือนที่ผ่านมาแล้วคงเห็นผ่านหูผ่านตากับข่าวของโครงการ ITER อย่างแน่นอน เป็นข่าวใหญ่พอสมควร มีการเสนอข่าวนี้ในหลายรุปแบบ ทั้ง ทีวี และ หนังสือพิมพ์ รวมไปถึง อินเตอร์เนต ข่าวดังกล่าวได้แสดงความยินดีในความก้าวหน้าครั้งสำคัญของโครงการนี้ โดยมีนัยสำคัญคือ การตกลงกันได้ในสถานที่ตั้งของโครงการดังกล่าว โดยที่จะสร้าง ITER ที่ฝรั่งเศส การตัดสินใจครั้งนี้เป็นสิ่งที่มีค่ามากสำหรับการพัฒนาพลังงานทดแทนเพื่ออนาคตของเรา ความฝันที่จะนำปฏิกิริยานิวเคลียฟิวชั่นมาใช้ผลิตพลังงานคงอยู่ไม่ไกลนัก ซึ่งถ้าความฝันนี้เป็นจริงความต้องการน้ำมันคงลดลงและพลังงานที่เราใช้คงมีราคาถูกลงด้วย แต่น่าเสียดายที่ข่าวสำคัญเช่นนี้ไม่ได้รับความสนใจจากสื่อในประเทศไทยเลยแม้แต่น้อย แต่ไม่เป็นไรวันนี้เรามารู้จักโครงการนี้กันเถอะ

          โครงการ ITER เป็นโครงการที่เกิดจากการร่วมมือกันของหลายๆประเทศ คำว่า ITER เป็นคำย่อมาจากชื่อเต็มว่า “International Thermonuclear Experimental Reactor” และในภาษาละตินคำว่า ITER นี้มีความหมายว่า “the way” แปลเป็นไทยคือ “หนทาง” หรือ “ทางออก” ซึ่งมีความหมายสอดคล้องกับโครงการนี้ได้ดีเพราะเป็นทางเลือกใหม่ของพลังงานในอนาคตหรือที่เรามักจะเรียกว่าพลังงานทดแทน ITER เป็นความร่วมมือกันในระดับนานาชาติ โดยมีสมาชิกหลัก 6 ประเทศ คือ ประเทศสหรัฐอเมริกา สหภาพยุโรป ประเทศรัสเซีย ประเทศจีน ประเทศญี่ปุ่น และ ประเทศเกาหลีใต้ ความคิดในการก่อตั้งเกิดขึ้นเมื่อประมาณ 20 ปีก่อนในประเทศรัสเซีย ต่อมาได้มีความร่วมมือกันในระดับนานาชาติ ในช่วงแรกมีประเทศสมาชิกเพียงแค่ 4 ประเทศคือ ประเทศสหรัฐอเมริกา สหภาพยุโรป ประเทศรัสเซีย และ ประเทศญี่ปุ่น ได้ช่วยกันออกแบบ ITER โดยใช้ชื่อว่า
ITER-EDA แต่เนื่องจากขนาดที่ใหญ่ทำให้ต้องใช้งบประมาณที่สูง แบบของ ITER จึงต้องเปลี่ยนไปให้มีขนาดเล็กลงในเวลาต่อมา

           ส่วนประเทศจีนและเกาหลีใต้ได้เข้าร่วมโครงการในระยะหลัง ประมาณปี คศ 1998 เกิดปัญหากับโครงการ ITER คือประเทศสหรัฐอเมริกา ขอถอนตัวออกจากการเป็นสมาชิก ทำให้การพัฒนา ITER เป็นไปได้ช้าลง แต่ในที่สุด ประเทศสหรัฐอเมริกาก็กลับมาร่วมอีกครั้งในปี คศ 2003 เป้าหมายหลักของโครงการ ITER คือการสาธิตความเป็นไปได้ในเชิงรูปธรรมของการนำเอาพลังงานจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นมาใช้ ซึ่งมีการคาดการณ์ว่า ITER จะสามารถผลิตพลังงานได้ถึง 500 MW สถานที่ก่อสร้าง ITER เป็นปัญหาที่ต้องถกเถียงกันเป็นเวลานานระหว่างประเทศสมาชิก เริ่มต้นจากมีการเสนอ 4 สถานที่คือ ประเทศแคนาดา, ประเทศสเปน, ประเทศญี่ปุ่นและประเทศฝรั่งเศส ต่อมาได้มีการคัดเลือกเหลือ 2 สถานที่คือ ประเทศญี่ปุ่นและประเทศฝรั่งเศส ต้องใช้เวลาเกือบ 2 ปีจึงตกลงได้ว่าจะสร้างที่เมืองคาดาราชในประเทศฝรั่งเศส ในการก่อสร้าง ITER จะต้องใช้เวลาประมาณ 10 ปี และคาดว่าการทดลองปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่น (Fusion) จะสามารถเริ่มต้นได้ในปี คศ 2016

          โครงการ ITER จะอาศัยปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นเพื่อที่จะผลิตพลังงาน ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นเป็นปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่เกิดขึ้นในดวงอาทิตย์ สามารถให้พลังงานตอบแทนที่สูงกว่าปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิสชั่น(Fission) แต่มีผลกระทบทางสิ่งแวดล้อมน้อยมาก หลักการสำคัญของปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นคือ ในการรวมกันของนิวเคลียสของอะตอมขนาดเล็กเช่น ดิวเทอร์เรียมและตริเตรียมซึ่งต่างเป็นไอโซโทปของไฮโดรเจน ผลต่างของมวลก่อนและหลังการเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์นี้ทำให้เกิดการปลดปล่อยพลังงานออกมาตามสมการที่เรารู้จักกันดีว่า E = mc2 ดิวเทอร์เรียมและตริเตรียมเป็นสิ่งที่หาได้ไม่ยากเช่น ดิวเทอร์เรียมที่มีอยู่ทั่วไปในน้ำทะเล สิ่งที่ยากในการนำพลังงานนิวเคลียร์ฟิวชั่นมาใช้คือการควบคุมให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นอย่างต่อเนื่อง ซึ่งในโครงการ ITER จะใช้สนามแม่เหล็กไฟฟ้าเพื่อควบพลาสมาให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่น โดยจะอาศัยหลักการของเครื่องมือที่ชื่อว่า Tokamak ซึ่งมีลักษณะดังรูปที่ 1
 


รูปที่ 1: รูปแบบของ tokamak ซึ่งมีลักษณะเหมือนโดนัท เป็นความหวังในการพัฒนาปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นมาใช้ผลิตพลังงานสำหรับอนาคต


          โครงสร้างของ ITER มีขนาดใหญ่มาก โดยที่มีรายละเอียดดังในตารางที่ 1 การออกแบบของ ITER ได้รับการศึกษาและพัฒนามาเป็นเวลาเกือบ 10 ปี โดยแบบที่ใช้อยู่ในปัจจุบัน โดยจะใช้เทคโนโลยีใหม่ๆ มากมายเช่น ตัวสร้างสนามแม่เล็กความเข้มสูงโดยใช้ superconductor, การให้ความร้อนแก่พลาสมาแบบใหม่ที่มีพลังงานสูงขึ้น และ การนำเอาหุ่นยนต์และระบบอัตโนมัติต่างๆ ซึ่งการพัฒนาสิ่งเหล่านี้จะเป็นประโยชน์ต่อเราอย่างสูงในอนาคต

รัศมีใหญ่ (Major radius) 6.2 เมตร
รัศมีเล็ก(Minor radius) 2.0 เมตร
ปริมาตรของพลาสมา 840 เมตร3
กระแสพลาสมา 15 เมกกะแอมแปร์
ความเข้มของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า 5.3 เทสลา


          การศึกษาและวิจัยเกี่ยวกับปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นในรูปแบบของ Tokamak มีความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่อง สามารถสรุปประสิทภาพของการปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นในปีต่างๆและการค้นพบที่สำคัญของการวิจัยด้านนี้ได้ในรูปที่ 2 จะเห็นได้ว่า ITER จะเป็นก้าวที่สำคัญของงานวิจัยด้านนี้ โดยที่มีความคาดหวังว่า ITER จะสามารถผลิตพลังงานได้ถึง 500MW


รูปที่ 2: ประสิทธิภาพของการเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นในปีต่างๆและการค้นพบที่สำคัญของการวิจัยด้านการพัฒนาปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นในรูปแบบของ tokamakมาใช้ผลิตพลังงานสำหรับอนาคต

 

 
100 ปี ทฤษฎีโฟโตอิเล็กทริกของไอน์สไตน์ และ การประยุกต์ใช้ในงานวิจัยสารตัวนำยิ่งยวด
 
ผู้เขียน : วรวัฒน์ มีวาสนา และ ดร. ประยูร ส่งสิริฤทธิกุล (คลิ๊กที่ชื่อเพื่อดูผลงานอื่นของผู้เขียน)
เนื้อหาย่อ : ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกผลงานที่ทำให้ไอน์สไตน์ได้รับรางวัลโนเบล เป็นหลักพื้นฐานในการอธิบายปรากฏการณ์ต่างๆอีกมากในทฤษฎีคอนตัม และยังเป็นหลักการของเทคนิคโฟโตอิมิชชัน ซึ่งเป็นเทคนิคเดียวที่สามารถวัดโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของสสารได้โดยตรง

หน้าที่ 1 - photoelectric effect และ photoemission

วรวัฒน์ มีวาสนา1 และ ดร. ประยูร ส่งสิริฤทธิกุล2
1นักศึกษาปริญญาเอก สาขาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด ประเทศสหรัฐอเมริกา
2ศูนย์ปฏิบัติการวิจัยเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนแห่งชาติ
อาจารย์ประจำสาขาวิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี

สหประชาชาติได้ประกาศให้ปี พ.ศ. 2548 นี้เป็นปี The World Year of Physics เพื่อฉลองครบรอบ 100 ปีของผลงานของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein)

ซึ่งหนึ่งในผลงานของไอน์สไตน์ คือการค้นพบทฤษฎีอธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก (photoelectric effect) ในปี ค.ศ. 1905* ซึ่งเป็นผลงานที่ทำให้ไอน์สไตน์ได้รับรางวัลโนเบล แนวความคิดของทฤษฎีนี้เป็นหลักพื้นฐาน ในการอธิบายปรากฏการณ์ต่างๆอีกมากในทฤษฎีคอนตัม (quantum theory) และยังเป็นหลักการของเทคนิคการวัดที่มีประโยชน์ในการงานวิจัยและตรวจวิเคราะห์สสาร เทคนิควัดดังกล่าวคือเทคนิคโฟโตอิมิชชัน (photoemission หรือ photoelectron spectroscopy) เทคนิคโฟโตอิมิชชัน เป็นเทคนิคเดียวที่สามารถวัดโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ (electronic structure) ของสสารได้โดยตรง โครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของสสารเป็นตัวกำหนดพฤติกรรมของอิเล็กตรอนในสสาร หรือเป็นตัวกำหนดคุณสมบัติต่างๆของสาร เช่นการนำไฟฟ้า ความเป็นแม่เหล็ก เป็นต้น คุณสมบัติของวัสดุที่น่าสนใจ และเป็นสิ่งที่น่าฉงนซึ่งกำหนดโดยพฤติกรรมของอิเล็กตรอนในสสารนั้นคือการนำไฟฟ้าอย่างยิ่งยวด

หากมนุษย์มีความเข้าใจเกี่ยวกับสภาพความเป็นตัวนำยิ่งยวดและหากสามารถสังเคราะห์สารตัวนำยิ่งยวดสำหรับการใช้งานในภาวะปกติ เทคโนโลยีสารหลายอย่างจะเปลี่ยนไปจากที่มีอยู่ในปัจจุบันเป็นอย่างมาก เทคนิคโฟโตอิมิชชันเป็นเทคนิคหนึ่งที่อาจจะนำไปสู่การไขปัญหาและข้อข้องใจเกี่ยวกับสารตัวนำยิ่งยวด (superconductor) บทความนี้นำเสนอพื้นฐานของเทคนิคโฟโตอิมิชชันและการนำเทคนิคดังกล่าวในการศึกษาวิจัยสารตัวนำยิ่งยวดที่น่าสนใจ

ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกถูกค้นพบโดยเฮนริค เฮิร์ตซ์ (Heinrich Hertz) ในปี ค.ศ. 1887 ซึ่งเขาพบว่า เมื่อเขาฉายแสงบนโลหะ เขาจะพบว่าจะมีกระแสไฟฟ้าอ่อนๆไหล ก็ต่อเมื่อ แสงนั้นมีพลังงานหรือความถี่สูงพอ (ในช่วง UVหรือสูงกว่า) การปรับความเข้มของแสงให้สูงขึ้นอย่างเดียวจะไม่มีผลต่อการไหลของกระแสไฟฟ้าถ้าความถี่ของแสงนั้นต่ำเกิน ปรากฏการณ์นี้ไม่เป็นที่เข้าใจ จนในปี ค.ศ. 1905 ซึ่งไอน์สไตน์ได้สร้างทฤษฎีขึ้นมาเพื่ออธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกนี้

ทฤษฎีในการอธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกของไอน์สไตน์นั้นมีว่า แสงนั้นมีคุณสมบัติเหมือนกับ ก้อนอนุภาคชื่อว่า โฟตอน (photon) ซึ่งมีพลังงานแปรผันกับความถี่ และสามารถเกิดอันตรกิริยากับอนุภาคอื่นๆได้เช่นอิเล็กตรอน แนวความคิดอันนี้เป็นความเข้าใจใหม่ที่แตกต่างจากความเข้าใจเก่าที่ว่า แสงนั้นมีคุณสมบัติเป็นคลื่นเท่านั้น

สำหรับปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกนั้นก็คือการที่แสงหรือโฟตอนมีอันตรกิริยากับอิเล็กตรอนในวัสดุที่ถูกฉายแสง และถ้าโฟตอนมีพลังงานมากพอก็จะทำในอิเล็กตรอนหลุดจากวัสดุนั้น ซึ่งเป็นที่มาของการไหลของกระแสไฟฟ้าที่เฮิร์ตซ์ได้สังเกตพบ ปรากฏการณ์ดังกล่าวอาจจะเปรียบเทียบอย่างคร่าวๆได้ดังนี้**

สมมุติว่ามีถัง (แทนวัสดุที่ถูกฉายแสง) ที่บรรจุลูกปิงปองอยู่หลายลูก (แทนอิเล็กตรอน) ซึ่งกระเด้งไปมาอยู่ในถัง จากนั้นเราเอาลูกเทนนิส (แทนโฟตอนหรือแสง) ปาใส่ลูกปิงปองในถัง ถ้าหากแรงที่ปาเพียงพอ (เปรียบเหมือนแสงมีพลังงานมากพอ) ลูกปิงปองก็จะสามารถกระเด็นออกจากถังได้ ซึ่งเปรียบเสมือนการกระเด็นออกมาของอิเล็กตรอนหลังจากเกิดอันตรกิริยากับโฟตอนในปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก ในการที่เราใช้วัสดุแตกต่างกันไปก็เปรียบเหมือนถังที่แตกต่างกัน ความแตกต่างนั้นก็คือ ความลึกของถัง, จำนวนลูกปิงปอง, ความเร็ว (ทิศทางและอัตราเร็ว) ของการกระเด้งของลูกปิงปอง ดังนั้นเมื่อมีการปาลูกเทนนิสเข้าไปในถังแล้วเกิดการกระเด็นของลูกปิงปองออกมาจากถังนั้น ลูกปิงปองที่กระเด็นออกมาก็จะมีความเร็วที่แตกต่างกันออกไป ปัจจัยหลักที่ทำให้ความเร็วของลูกปิงปองที่หลุดออกมาจากถังแตกต่างกันคือ ความแรงของการปาหรือความเร็วของลูกเทนนิสก่อนชน ความเร็วของปิงปองก่อนชน และความลึกของตำแหน่งที่มีการชนกัน


รูปที่ 1. แผนภาพแสดงของเครื่องโฟโตอิมิชชัน ที่มีการฉายแสงลงบนวัสดุ
(ขวามือ คือ โครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกของทองแดง) และมีการวิเคราะห์อิเล็กตรอนที่หลุดออกมา

สำหรับเทคนิคโฟโตอิมิชชัน นั้นก็คือเทคนิคที่วิเคราะห์สมบัติต่างๆ เช่น พลังงาน และ ทิศทางการเคลื่อนที่ ของอิเล็กตรอนที่หลุดออกจากวัสดุหลังการเกิดอันตรกิริยากับโฟตอนหรือแสงที่ฉายเข้าไป แผนผังดังรูปที่ 1 ทั้งนี้ก็หาว่าสภาพของอิเล็กตรอนในวัสดุก่อนการเกิดอันตรกิริยากับโฟตอนเป็นอย่างไรเพื่อเข้าใจคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ของวัสดุนั้นๆ เทคนิคโฟโตอิมิชชันนั้นได้เริ่มใช้มาตั้งแต่ช่วงหลายสิบปี เป็นที่ใช้กันอย่างมากในงานวิเคราะห์เชิงเคมี และการศึกษาโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของสสาร และได้มีนักวิทยาศาสตร์คือ Kai Siegbahn (Uppsala University, Sweden) ได้รับรางวัลโนเบลในการพัฒนาเทคนิคดังกล่าว ในปี ค.ศ.1981

ปัจจุบันเครื่องมือที่ใช้ในงานทางด้านโฟโตอิมิชชันโดยเฉพาะอย่างยิ่งคือสเปกโทรมิเตอร์ และแหล่งกำเนิดแสงซินโครตรอน ตลอดจนเทคโนโลยีทางด้านสุญญากาศและเทคโนโลยีการหล่อเย็นได้ถูกพัฒนาเป็นอย่างมาก ซึ่งส่งผลการพัฒนาการของเทคนิคโฟโตอิมิชชันเป็นอย่างมาก การนำแสงซินโครตรอนมาใช้ในเทคนิคโฟโตอิมิชชันเป็นการขยายขอบเขตงานวิจัยที่ต้องอาศัยเทคนิคโฟโตอิมิชชัน ทั้งนี้เนื่องจากแสงซินโครตรอนมีคุณสมบัติเฉพาะที่เด่นกว่าแสงที่ได้จากแหล่งกำเนิดอื่น เช่นความสว่างจ้าที่สูง การมีสเปกตรัมที่ต่อเนื่องและครอบคลุมช่วงพลังงานที่กว้าง การมีคุณสมบัติโพลาไรเซชัน เป็นต้น ตัวอย่างของการใช้คุณสมบัติที่เด่นของแสงซินโครตรอน เช่น ความสว่างจ้าที่สูงนี้ทำให้สามารถศึกษาอันตรกิริยาที่มีโอกาสเกิดขึ้นต่ำและสามารถทำการวัดที่มีความสามารถแยกแยะที่สูง ความต่อเนื่องของสเปกตรัมเปิดโอกาสให้มีการเลือกพลังงานของโฟตอนที่จะใช้งาน เป็นต้น พัฒนาการของเทคโนโลยีสุญญากาศทำให้การวัดทางด้านโฟโตอิมิชชันทำได้ในสภาวะที่อยู่ในย่านความดัน 10-10 torr หรือต่ำกว่า ซึ่งเป็นการเลี่ยงปัญหาเกี่ยวกับการปนเปื้อนบนผิวของวัสดุที่ทำการวัด เนื่องจากว่าข้อมูลที่ได้จากเทคนิคโฟโตอิมิชชันเป็นข้อมูลของอะตอมที่อยู่บริเวณผิวและใต้ผิวที่มีความลึกไม่เกิน 3 นาเมตรโดยประมาณ (ระดับความลึกที่วัดได้ขึ้นอยู่กับพลังงานของโฟตอนและธาตุที่เป็นองค์ประกอบของวัสดุที่ศึกษา) และเป็นที่แน่นอนว่ามีหลายปรากฏการณ์ที่น่าสนใจในวัสดุเกิดขึ้นที่อุณหภูมิเข้าใกล้จุดเดือดของฮีเลียม (ประมาณ -269˚C หรือ 4K)

พัฒนาการของเทคโนโลยีการหล่อเย็นนี้ได้เอื้อต่อการศึกษาวัสดุที่อุณหภูมิต่ำในระดับดังกล่าว และอุปกรณ์ที่สำคัญของเทคนิคโฟโตอิมิชชันคืออุปกรณ์วิเคราะห์พลังงานของอิเล็กตรอน (electron energy analyzer) ซึ่งได้มีการพัฒนาเกือบถึงจุดขีดสุดในเรื่องความแม่นยำและความละเอียดในการวัด ซึ่งสามารถแยกแยะอิเล็กตรอนที่มีพลังงานต่างกันเพียงเล็กน้อยในเรือนประมาณ 1 meV และยังสามารถแยกแยะอิเล็กตรอนที่ปลดปล่อยออกมาจากวัสดุในทิศทางต่างกันในเรือน 0.2˚ ข้อมูลที่ได้จากากรวัดโดยใช้เครื่องมือที่มีประสิทธิสูงดังกล่าวทำให้การทำความเข้าใจเกี่ยวพฤติกรรมของอิเล็กตรอนในวัสดุมีความถูกต้องสูงเพิ่มขึ้น การมีเครื่องมือวัดที่มีประสิทธิภาพสงดังกล่าวยังเป็นการเปิดโอกาสที่จะศึกษาวัสดุที่ยังต้องการความรู้และความเข้าใจพื้นฐานเกี่ยวกับพฤติกรรมของอิเล็กตรอนที่น่าสนใจที่กำหนดคุณสมบัติของวัสดุอย่างน่าฉงน เช่นคุณบัติการนำไฟฟ้าอย่างยิ่งยวดของสารตัวนำยิ่งยวดของสารกึ่งตัวนำยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิวิกฤติสูง (high-Tc superconductor)


          การศึกษาและทำนายผลของ ITER ได้เป็นไปอย่างละเอียด เทคโนโลยีทางคอมพิวเตอร์ได้ถูกนำมาใช้ในรูปแบบต่างๆ เช่น การนำเอา integrated modeling code มาใช้ เพื่อให้เป็นการทำนายที่สมบูรณ์แบบและมีลักษณะใกล้เคียงกับการทดลองจริง กล่าวคือ เพียงแค่ใส่ค่าของตัวแปรต่างที่ใช้ในการทดลองจริง เช่น รูปแบบเรขาคณิตของ tokamak, กระแสพลาสมา, สนามแม่เหล็ก, พลังงานที่ใช้, ความหนาแน่นของพลาสมา เป็นต้น คอมพิวเตอร์จะคิดคำนวณและทำนายผลของพลาสมาในเวลาต่างโดยอาศัยทฤษฎีที่เป็นที่ยอมรับ ผลที่ได้อย่างหนึ่งคือประสิทภาพในการเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นใน Tokamak ซึ่งจะช่วยในการพัฒนาและปรับปรุงแบบของ tokamak ใหมีประสิทภาพสูงสุด ตัวอย่างผลการวิจัยโดยใช้ integrated modeling code สำหรับ ITER ได้แสดงในรูปที่ 3 จะเห็นได้ว่า ค่าที่ต้องการคือ Q = 10 (Q เป็นการแสดงประสิทภาพของปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นใน tokamak รูปแบบหนึ่ง) การที่ ITER จะประสบความสำเร็จ (Q > 10) เกิดขึ้นเมื่ออุณหภูมิที่ pedestal มีค่ามากกว่า 4 keV ซึ่งมีความเป็นไปได้สูง


รูปที่ 3: ประสิทธิภาพของปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นใน ITER ทำนายจาก 2 code (GLF23 และ MMM95) โดยประสิทธิภาพของปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นขึ้นอยู่กับค่า ของอุณหภูมิที่ pedestal (งานวิจัยของ J. Kinsey, G. Bateman, T. Onjun et al. Nucl. Fusion 43, 1845 (2003))

          โครงการ ITER จะใช้เงินงบประมาณทั้งสิ้นประมาณ 12,000 ล้านเหรียญ หรือประมาณ 480,000 ล้านบาท สหภาพยุโรปจะต้องออกเงินประมาณครึ่งหนึ่ง คือประมาณ 6,000 ล้านเหรียญ หรือประมาณ 240,000 ล้านบาท เนื่องจากโครงการนี้จะสร้างที่เมืองคาดาราชในประเทศฝรั่งเศส (รูปที่ 4) ส่วนประเทศสมาชิกที่เหลือคือ ประเทศสหรัฐอเมริกา ประเทศรัสเซีย ประเทศจีน ประเทศญี่ปุ่น และ ประเทศเกาหลีใต้ จะแบ่งกันออกในจำนวนเงินที่เท่ากันสำหรับส่วนที่เหลือ ปัจจุบันนี้มีประเทศอื่นๆสนใจเข้าร่วมอีกหลายประเทศ เช่น ประเทศอินเดีย เป็นต้น


รูปที่ 4: สถานที่ตั้งของ ITER เมืองคาดาราชในประเทศฝรั่งเศส


          การวิจัยเพื่อที่จะพัฒนาปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นเพื่อใช้ผลิตพลังงานทดแทนมีอนาคตสดใสเมื่อโครงการ ITER ได้เกิดขึ้นอย่างเป็นรูปธรรม อีกประมาณ 20 ปีข้างหน้าเราคงจะได้รับคำตอบของความเป็นไปได้ในพลังงานทดแทนรูปแบบนี้ ซึ่งถ้าเป็นไปได้ ITER จะกลายต้นแบบของโรงผลิตพลังงานไฟฟ้าจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่น การวิจัยในโครงการนี้ต้องใช้งบประมาณที่สูงมากและประเทศไทยเราไม่สามารถเข้าร่วมได้โดยตรงเนื่องจากข้อจำกัดในงบประมาณ แต่การศึกษาวิจัยด้านนี้ ก็ควรได้รับความสนใจอย่างใกล้ชิดทั้งภาครัฐและหน่วยงานวิชาการต่างๆ เพื่อไม่ให้ประเทศเราล้าหลัง และสามารถแก้ไขปัญหาการขาดแคลนพลังงานในระยะยาวเพื่ออนาคตของตัวเราเอง
 

สารตัวนำยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิวิกฤติสูงนี้มีความประหลาดที่ว่า วัสดุนี้จะเป็นฉนวนไฟฟ้าหรือไม่ก็นำไฟฟ้าได้น้อยที่อุณหภูมิห้อง แต่ถ้าลดอุณหภูมิลงจนต่ำกว่าอุณหภูมิค่าหนึ่งที่เรียกว่าอุณหภูมิวิกฤติ Tc (ปัจจุบันได้มีการสังเคราะห์วัสดุที่มีค่า Tc สูงสุดได้ประมาณ 160 K หรือ -120 ˚C) วัสดุนี้ก็จะสามารถนำไฟฟ้าอย่างยิ่งยวด คือไม่มีการสูญเสียพลังงาน ถึงแม้ว่า Tc ของสารตัวนำยิ่งยวดในปัจจุบันยังค่อนข้างต่ำและไม่เหมาะสมกับการประยุกต์ใช้ในชีวิตประจำวัน สารตัวนำยิ่งยวดถูกนำไปใช้เฉพาะงานเท่านั้น เช่น เทคนิคการถ่ายภาพแบบ magnetic resonance imaging (MRI) ซึ่งใช้ในการแพทย์สำหรับการถ่ายอวัยวะภายในของผู้ป่วย เช่น ภาพของสมอง ซึ่งเทคนิคนี้มีความปลอดภัยมากกว่าเทคนิคอื่นๆเช่น การถ่ายภาพโดยรังสีเอกซ์ หรือ การประยุกต์ใช้สารตัวนำยิ่งยวดสำหรับการสื่อสารแบบไร้สายของโทรศัพท์มือถือ*** ซึ่งนำมาใช้เป็นส่วนประกอบสำคัญของเครื่องกรองสัญญาณที่ศูนย์กระจายสัญญาณ ทำให้ขอบเขตของการใช้สายกว้างขึ้นหรือมีจำนวนผู้ใช้สายได้เพิ่มขึ้น ปัญหาในการโทรเข้าออกไม่ติดในช่วงที่มีผู้ใช้สายจำนวนมากเกินก็จะเบาบางลง ซึ่งก็อาจจะเป็นประโยชน์ในเหตุการณ์ฉุกเฉิน อย่างในเหตุการณ์คลื่นยักษ์สึนามิ (tsunami) ที่มีคนจำนวนมากไม่สามารถใช้โทรศัพท์มือถือได้


รูปที่ 2. (ซ้าย) การทดลองหาหลุมพลังงาน(energy gap) แบบ d-wave โดยใช้เทคนิกโฟโตอิมิชชัน, (ขวาล่าง) แผนภาพของการจับคู่ของอิเล็กตรอน (Cooper pair), และ (ขวาบน)โครงสร้างทางอิเล็กทรอนิก (Fermi surface) ของสารตัวนำยิ่งยวดประเภท high-Tc

ในด้านการวิจัย สารตัวนำยิ่งยวดนั้นสามารถแบ่งออกเป็น 2 ประเภทตามโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ คือ BCS superconductor จะเป็นสารโลหะบริสุทธิ์หรือโลหะผสม และ อย่างที่สองคือ high-Tc superconductor ซึ่งส่วนใหญ่เป็นสารประกอบของสนิมทองแดง (copper oxide) สารตัวนำยิ่งยวดประเภท BCS (Tc สูงสุดประมาณ 40 K หรือ -233˚C) นั้นจะมาค่า Tc ต่ำกว่า สารตัวนำยิ่งยวดประเภท high-Tc มาก แต่ความเข้าใจในเชิงทฤษฎีของคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ จะสมบูรณ์กว่ามากเนื่องจากถูกค้นพบมาก่อนประมาณ 70ปี การเกิดการนำไฟฟ้ายิ่งยวดของสารตัวนำยิ่งยวดประเภท BCS นั้น เกิดจากการที่ อิเล็กตรอนจับกันเป็นคู่ (Cooper pair) โดยการช่วยจากการสั่นของอะตอมหรือphonon ที่สร้างหลุมพลังงานช่วยดึงให้อิเล็กตรอนมาจับคู่กัน อิเล็กตรอนที่จับกันเป็นคู่นั้นสามารถไหลไปมาโดยไม่มีแรงเสียดทาน (superfluidity) เป็นที่มาของการนำไฟฟ้ายิ่งยวด การเปลี่ยนไอโซโทป (isotope) ของธาตุหรือค่าของโหมดของโฟนอน (phonon mode) ที่ทำให้อิเล็กตรอนมาจับคู่กันง่ายขึ้นก็จะทำให้ค่า Tc สูงขึ้น จากเข้าใจเหล่านี้ Tc สารตัวนำยิ่งยวดประเภท BCS ที่มีค่าสูงขึ้นก็ถูกค้นพบมากมายจาก Tc = 4K ของปรอท จนถึง 40K ของ MgB2 แต่สำหรับในสารตัวนำยิ่งยวดประเภท high-Tc การเกิดการนำไฟฟ้ายิ่งยวดนั้นยังไม่ทราบที่มา อะไรคือสิ่งที่ช่วยให้อิเล็กตรอนมาจับคู่กัน? การเปลี่ยนชนิดisotopeของอะตอมไม่ได้ช่วยในการเพิ่มค่า Tc (หรือไม่ก็มีผลน้อยมาก) อย่างไรก็ตาม การสั่นของอะตอมหรือphononก็อาจจะยังมีบทบาทสำคัญในการเกิดการนำไฟฟ้ายิ่งยวด แต่อาจจะมีหลักการที่แตกต่างไปและซับซ้อนมากขึ้น เทคนิคโฟโตอิมิชชันแบบแยกแยะเชิงมุม (angle-resolved photoelectron spectroscopy, ARPES) ก็เป็นประโยชน์ที่ช่วยในการสังเกตุความแตกต่างของโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของวัสดุก่อนและหลังการเกิด สภาพการนำไฟฟ้ายิ่งยวด ช่วยในการตอบปัญหา เช่น สภาพของหลุมพลังงานช่วยดึงให้อิเล็กตรอนมาจับคู่กันแบบ d-wave ซึ่งแตกต่างจากแบบ s-wave ของสารตัวนำยิ่งยวดประเภท BCS และ สภาพของโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ที่มีการบิดเบี้ยวซึ่งอาจจะเกิดจากอันตรกิริยาระหว่างโฟนอนกับอิเล็กตรอน และเป็นกุญแจสำคัญของการเกิดการนำไฟฟ้ายิ่งยวด (ดังรูปที่ 2) เทคนิคโฟโตอิมิชชันนั้นก็ยังมีการพัฒนาเพื่อมองและสังเกตได้ละเอียดมากขึ้นเพื่อการแก้ปัญหานี้ ในอนาคตหากมนุษย์มีความเข้าใจและสามารถควบคุมหรือกำหนดการเกิดปรากฏการณ์การนำไฟฟ้าอย่างยิ่งยวดของวัสดุที่อุณหภูมิให้ใกล้อุณหภูมิห้องมากขึ้น การประยุกต์ของสารตัวนำยิ่งยวดก็จะมีความหลากหลายและประชาชนทั่วไปสามารถสัมผัสได้อีกมากมาย

งานวิจัยสารตัวนำยิ่งยวดเป็นเพียงตัวอย่างหนึ่งของการใช้ประโยชน์เทคนิคโฟโตอิมิชชัน และเป็นงานวิจัยที่ต้องอาศัยระบบโฟโตอิมิชชันที่ต้องอาศัยเครื่องมือที่ซับซ้อน ซึ่งในโลกนี้มีระบบโฟโตอิมิชชันในลักษณะดังกล่าวเพียงไม่กี่ระบบและระบบดังกล่าวมักจะติดตั้งอยู่ที่ห้องปฏิบัติการวิจัยแสงซินโครตรอน แต่อย่างไรก็ตาม มีงานวิจัยและการตรวจวิเคราะห์วัสดุอีกมากมายที่สามารถทำได้โดยใช้ระบบโฟโตอิมิชชันในห้องปฏิบัติการทั่วไป ซึ่งเป็นที่รู้จักในชื่อของเทคนิค XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) และ UPS (ultraviolet photoelectron spectroscopy)


รูปที่ 3. เครื่องโฟโตอิมิชชัน (ขวาล่าง) โดยใช้แสงซินโครตรอนติดตั้ง ณ ศูนย์ปฎิบัติการวิจัยเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนแห่งชาติ จังหวัดนครราชสีมา

สำหรับประเทศไทยนั้นก็เป็นที่น่ายินดีที่ ศูนย์ปฎิบัติการวิจัยเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนแห่งชาติ จังหวัดนครราชสีมา ได้มีการพัฒนาเพื่อนำแสงซินโครตรอนไปใช้ในเทคนิคโฟโตอิมิชชันสำหรับงานวิจัยด้านวัสดุศาสตร์ (รูปที่ 3) ซึ่งเป็นงานทางด้านกาศึกษาโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของวัสดุ และงานตรวจวิเคราะห์เชิงเคมี อย่างเช่น การผุกร่อนของโลหะ การพัฒนาสารเร่งปฏิกิริยาสำหรับการกำจัดก๊าซพิษ การพัฒนาแผ่นฟิล์มบางแม่เหล็กและสารกึ่งตัวนำที่ใช้ในอุตสาหกรรม ผู้สนใจสามารถหาข้อมูลเพิ่มจาก http://www.nsrc.or.th

และนั้นก็คือภาพคร่าวๆของการทำงานและประโยชน์ของเทคนิคโฟโตอิมิชชัน ที่ใช้หลักการพื้นฐานที่ไอน์สไตน์ได้อธิบาย ในการใช้เทคนิคนี้เพื่องานวิจัยเพื่อหาสิ่งแปลกใหม่นั้นน่าตื่นเต้นและรอคอยการค้นหา ใครจะรู้ว่าในปีนี้อาจจะมีการค้นพบที่ยิ่งใหญ่ เหมือน 100 ปีที่แล้วก็เป็นได้

Reference:

1. Angle-resolved photoemission studies of the cuprate superconductors, Andrea Damascelli, et al. Reviews of Modern Physics vol. 75 No.2 (2003)

2. Photoelectron Spectroscopy, Hufner (Springer, New York 2003)

3. http://arpes.stanford.edu

*ในปีนี้ได้มีการตีพิมพ์บทความ 3 เรื่องที่มีชื่อเสียงอย่างมากในฟิสิกส์ ซึ่งได้แก่ทฤษฎีสัมพัฎธภาพ, ทฤษฎีการเคลื่อนที่แบบบราวน์เนี่ยน, และทฤษฎีในการอธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก

**ในรายละเอียดสามารถอ่านเพิ่มเติมได้จากหนังสืออ้างอิง

***ได้มีการใช้ในแล้วอย่างเช่น ในรัฐ California, USA



เกี่ยวกับผู้เขียน
คุณ วรวัฒน์ มีวาสนา กำลังศึกษาปริญญาเอก สาขาฟิสิกส์ ที่มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด ประเทศสหรัฐอเมริกา เคยเป็นตัวแทนประเทศไทยไปแข่งขันวิชาฟิสิกส์โอลิมปิก ที่ประเทศแคนนาดา
ดร. ประยูร ส่งสิริฤทธิกุล ท่านเป็น รักษาการหัวหน้าฝ่ายการประยุกต์แสงซินโครตรอน ศูนย์ปฏิบัติการวิจัยเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนแห่งชาติ และ อาจารย์ประจำ สาขาวิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี

 
มารู้จักควากกันเถอะ ตอนที่ 1
 
ผู้เขียน : ดร.อภิสิทธิ์ อึ้งกิจจานุกิจ (คลิ๊กที่ชื่อเพื่อดูผลงานอื่นของผู้เขียน)
เนื้อหาย่อ : โครงสร้างของนิวเคลียสและนิวคลีออน... จากทฤษฎีสัมพัทธ์ภาพพิเศษและทฤษฎีควอนตัม องค์ประกอบพื้นฐานจะอยู่ในรูปของสนามควอนตัมซึ่งอาจมองว่าเป็นอนุภาคและอาจแบ่งเป็นสองชนิด โบซอน และ แฟร์มิออน...
หน้าที่ 1 - บทนำ
 
ปัจจุบันนี้นักวิทยาศาสตร์ได้หยั่งลึกไปถึงโครงสร้างพื้นฐานของสรรพสิ่งด้วยห้องปฏิบัติการขนาดมหึมาและตามสถาบันและมหาวิทยาลัยต่างๆ ซึ่งมีการศึกษาทั้งทางทฤษฎีและการทดลองควบคู่กันไป

จากทฤษฎีสัมพัทธ์ภาพพิเศษและทฤษฎีควอนตัม องค์ประกอบพื้นฐานจะอยู่ในรูปของสนามควอนตัมซึ่งอาจมองว่าเป็นอนุภาคและอาจแบ่งเป็นสองชนิด โบซอน และ แฟร์มิออน จากลักษณะสมมาตรในการแปลงภายใต้กลุ่ม Lorentz (สัมพัทธ์ภาพพิเศษ) และแต่ละชนิดมีบทบาทที่ต่างกัน แฟร์มิออน มีหน้าที่เป็นองค์ประกอบมูลฐาน ส่วนโบซอนมีบทบาทเป็นกาวที่ยึดเหนี่ยวแฟร์มิออนโดยใช้การแลกเปลี่ยนโบซอนระหว่างกันเป็นกลไกของการเกิดอันตรกริยา เห็นได้ว่าแรงระหว่างกันเกิดจากการแลกเปลี่ยนโมเมนตัมโดยมีโบซอนเป็นสื่อ

โบซอนที่เป็นตัวสื่อของอันตรกริยาในระดับมูลฐานนั้นมีที่มาจากสมมาตรภายใต้การเปลี่ยนเฟสที่ขึ้นกับตำแหน่งและเวลาที่เรียกกันว่า การแปลงเก็จ หากเราเริ่มต้นจากทฤษฎีสนามที่มีแต่สสาร (สนามแฟร์มี) และมีข้อแม้ว่าระบบของเรานั้นจะต้องมีสมมาตรเก็จ สมมาตรนี้ไม่เพียงนำมาซึ่งเก็จโบซอนแต่ยังกำหนดลักษณะของอันตรกริยาระหว่างแฟร์มิออนที่เกิดจากการแลกเปลี่ยนเก็จโบซอนนั้น และที่น่าอัศจรรย์คือเราได้ค้นพบว่าอันตรกริยาพื้นฐานสามแบบที่เราพบในธรรมชาติสามารถที่จะเข้าใจได้ในกรอบนี้


ภาพวาดแสดงปรากฎการณ์ของควากจากห้องปฎิบัติการแฟร์มิ ประเทศสหรัฐอเมริกา

ในระดับโมเลกุลอันตรกริยาที่ทำให้เกิดการยึดเหนี่ยวกันของอะตอมเป็นโมเลกุลนั้นเป็นอันตรกริยาแม่เหล็กไฟฟ้า ถึงแม้ว่าประจุไฟฟ้าโดยรวมของอะตอมอันมีประจุลบจากอิเล็กตรอนและประจุบวกจากนิวเคลียสจะรวมกันเป็นศูนย์ แต่เนื่องจากประจุเหล่านั้นมีการกระจายตัวไม่ได้อยู่ที่จุดเดียวกันแรงลัพธ์บนประจุภายนอกที่เข้ามาใกล้เคียงจะยังคงอยู่ นี่คือที่มาของพันธะโมเลกุล เมื่อมาถึงระดับโครงสร้างของอะตอมอันตรกริยาแม่เหล็กไฟฟ้ายังคงหน้าที่ผูกยึดอิเล็กตรอนเข้ากับนิวเคลียสแต่ในที่นี่องค์ประกอบทั้งสองมองได้ว่าเป็นประจุจุด ในระดับเบื้องต้นสภาวะพันธะเหล่านี้อาจเข้าใจได้โดยใช้พหุขั้วในทฤษฎีควอนตัม เช่นในปัญหาอะตอมไฮโดรเจนเราจะดูอิเล็กตรอนในบ่อศักย์คูลอมป์ของนิวเคลียส ซึ่งคือปัญหาแรงไฟฟ้าสถิตระหว่างขั้วเดี่ยวสองตัวเพียงแต่ว่าใช้กลศาสตร์ควอนตัม สำหรับแรงระหว่างอะตอม ระหว่างอะตอมกับโมเลกุล และระหว่างโมเลกุลด้วยกันเองอาจมองเป็นอันตรกริยาแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่างพหุขั้ว เนื่องจากประจุที่กระจายตัวในอะตอมกับโมเลกุลสามารถมองเป็นผลรวมของพหุขั้วต่างๆ ในระดับพื้นฐานจะมองว่าอันตรกริยาแม่เหล็กไฟฟ้าเกิดจากการแลกเปลี่ยนโฟตอนตัวเก็จโบซอนของอันตรกริยานี้ระหว่างอนุภาคประจุ(ไฟฟ้า) โฟตอนไม่มีมวลตามสมบัติของเก็จโบซอนเพราะฉะนั้นอันตรกริยาแม่เหล็กไฟฟ้าจึงมีช่วงยาว ต้วโฟตอนเองนั้นไม่มีประจุไฟฟ้าแต่มีประจุไฟฟ้า(เช่นอิเล็กตรอนซึ่งเป็นอนุภาคมีประจุ)เป็นแหล่งและตัวจับ

นิวเคลียสนั้นเปรียบเสมือนโมเลกุลมีนิวคลิออนที่เปรียบได้กับอะตอมเป็นองค์ประกอบมีอันตรกริยาแบบแรงก่อให้เกิดการยึดเหนี่ยวของนิวคลิออน ซึ่งตัวนิวคลิออนก็ไม่มีประจุแรงที่เรียกว่ารงค์(ซึ่งมีอยู่สามชนิดและถ้ามีทั้งสามในส่วนเท่ากันแล้วจะให้รงค์เป็นศูนย์เช่นเดียวกับแม่สีเป็นเหตุให้ประจุชนิดนี้ได้ชื่อว่ารงค์) แต่ในเมื่อนิวคลิออนสองตัวเข้าใกล้กันจะสัมผัสการกระจายตัวของรงค์ในองค์ประกอบของแต่ละตัว ซึ่งแม้ผลรวมของรงค์จากแต่ละนิวคลิออนจะเป็นศูนย์ก็ยังคงมีแรงลัพธ์ทำให้เกิดสภาวะพันธะคือนิวเคลียสขึ้น ตัวเก็จโบซอนของอันตรกริยาแบบแรงที่มีรงค์เป็นแหล่งและตัวจับเรียกกันว่ากลูออน กลูออนนั้นมีความสลับซับซ้อนกว่าโฟตอนค่อนข้างจะมากกลูออนนั้นมีแปดชนิดและ ตัวกลูออนก็มีรงค์ทำให้กลูออนเป็นแหล่งและตัวจับกลูออนได้ทำให้กลูออนเกิดอันตรกริยากับกลูออนได้ด้วย ตัวนิวคลิออนเปรียบเสมือนอะตอมมีควาก(ชื่อของแฟร์มิออนพื้นฐาน)ที่มีประจุรงค์เป็นองค์ประกอบและกลูออนเป็นกาวเชื่อม นิวคลิออนเป็นตัวอย่างของฮาดรอนซึงเรียกว่าบาริออนที่มีหลากหลายแต่มีโครงสร้างเดียวกันคือประกอบจากควากสามตัวที่มีรงค์ต่างกันทำให้ฮาดรอนปราศจากรงค์(ดั่งอะตอมที่ไม่มีประจุไฟฟ้า) และอันตรกริยาที่ยึดควากไว้ในฮาดรอนเกิดจากการแลกเปลี่ยนกลูออนระหว่างควากที่มีรงค์(ดั่งการแลกเปลี่ยนโฟตอนระหว่างอิเล็กตรอนกับนิวเคลียสที่ต่างมีประจุไฟฟ้าในอะตอม)
 

ในในระดับ 10^-19เมตร หมู่แฟร์มิออนพื้นฐานอาจจำแนกได้เป็นสองประเภทคือ เลปตอน ซึ่งไม่มีรงค์ และควาก ที่มีรงค์ เลปตอนจะแตกต่างกับควากตรงที่เลปตอนไม่มีส่วนร่วมในอันตรกริยาแบบเข้มเพราะปราศจากรงค์ จึงไม่อาจแลกเปลี่ยนกลูออนตัวสื่อของอันตรกริยาชนิดนี้ได้ สำหรับอันตรกริยาอีก3แบบที่เหลือคือ แบบโน้มถ่วง แม่เหล็กไฟฟ้า และ แบบอ่อน ทั้งเลปตอนและควากมีส่วนร่วมได้ และอันตรกริยาเหล่านี้เกิดได้ทั้ง ระหว่างเลปตอนหรือควากด้วยกันเอง และเกิดข้ามประเภทระหว่างเลปตอนกับควากก็ได้ ซึ่งต่างจากอันตรกริยาแบบเข้มที่เกิดเฉพาะระหว่างควากด้วยกันเองเท่านั้น เนื่องจากควากมีส่วนในอันตรกริยาทั้งสี่จึงมีความสลับซับซ้อนกว่าเลปตอนเพราะจะต้องมีประจุของอันตรกริยาทั้งสี่ คือมีทั้งมวล(ประจุของแรงโน้มถ่วง) ประจุอ่อน ประจุไฟฟ้า และรงค์(ประจุเข้ม) ในกรณีของเลปตอนนั้นมีเพียงประจุสามชนิดแรก ในแง่นี้อาจพูดได้ว่าควากมีสี่หน้า และเลปตอนมีสามหน้า เพราะสื่งที่เราเห็นหรือสัมผัสได้ผ่านการทดลองย่อมต้องผ่านเก็จโบซอนซึ่งแตกต่างกันและให้ภาพที่แตกต่างกัน

เนื่องจากในปัจจุบันยังไม่มีทฤษฎีสนามควอนตัมพื้นฐานสำหรับแรงโน้มถ่วงเราจึงจะไม่พิจารณาอันตรกริยาโน้มถ่วงและจากจุดนี้ไปจะเน้นดูสมบัติของควากจากอันตรกริยาแบบอ่อน แม่เหล็กไฟฟ้าและแบบเข้ม อีกนัยหนึ่งคือเราจะมาทำความรู้จักกับควากโดยมองผ่าน โบซอนอ่อน(ชื่อที่เราจะใช้เรียกเก็จโบซอนของอันตรกริยาแบบอ่อน) โฟตอน และ กลูออน

เราจะเริ่มต้นด้วยการทำความคุ้นเคยกับสื่อสำหรับอันตรกริยาแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีเก็จโบซอนชนิดเดียวคือโฟตอนเนื่องจากประจุไฟฟ้าที่เป็นแหล่งและตัวจับโฟตอนมีชนิดเดียว ถึงแม้ว่าเราจะคุ้นเคยกับการมองว่าประจุไฟฟ้ามีสองแบบคือบวกและลบ แต่ในที่นี่เราจะมองว่าประจุไฟฟ้ามีชนิดเดียว แต่ว่าอนุภาคประจุเช่นอิเล็กตรอน(มีประจุไฟฟ้าลบ)จะมีปฏิอนุภาคของมันคือโพสิตรอนที่มีปฏิประจุตรงข้าม(ที่เรียกกันว่าประจุไฟฟ้าบวก)ในความหมายที่ประจุรวมกับปฏิประจุก็หักล้างกัน สรุปว่าเราจะถือว่าประจุไฟฟ้ามีชนิดเดียวแต่จะมีปฏิประจุของมันด้วยคือประจุไฟฟ้าบวกเป็นปฏิประจุของประจุไฟฟ้าลบ ในมุมมองนี้จะช่วยให้เข้าใจถึงเหตุที่โฟตอนมีเพียงชนิดเดียวและโฟตอนไม่มีประจุไฟฟ้าได้โดยง่าย เมื่อเกิดการทำลายล้างคู่อนุภาคปฏิอนุภาคประจุไฟฟ้าเช่นอิเล็กตรอน-โพสิตรอน ก็มีโฟตอนที่ไม่มีประจุกำเนิดขึ้นเนื่องจากมีการอนุรักษ์ประจุไฟฟ้า กระบวนการนี้ตรงกันข้ามกับกระบวนการการเกิดคู่อนุภาคปฏิอนุภาคจากโฟตอนและในอีกมุมมองหนึ่งกระบวนการนี้คือการแผ่หรือดูดกลืนโฟตอนโดยอนุภาคประจุ ซึ่งทั้งสี่กระบวนการที่กล่าวถือเป็นพื้นฐานของอันตรกริยาแม่เหล็กไฟฟ้า ในแผนภาพฟาย์นแมนทั้งสี่ปรากฏการณ์ แทนด้วยแผนภาพเดียวกันเพียงแต่เปลี่ยนทิศทางของลูกศรบนเส้นอนุภาคประจุและเส้นโฟตอน(ดูภาพประกอบ)



ในมุมมองนี้จะเห็นได้ว่าโฟตอนเป็นปฏิอนุภาคของตัวเอง คือเมื่อมองว่าโฟตอนเกิดจากคู่อิเล็กตรอน-โพสิตรอน อาจมองว่าปฏิโฟตอนเกิดจากคู่ปฏิอิเล็กตรอน-ปฏิโพสิตรอนซึ่งได้แก่ คู่โพสิตรอน-อิเล็กตรอน ที่ไม่ต่างจากคู่อิเล็กตรอน-โพสิตรอนที่ให้โฟตอน สรุปว่าโฟตอนไม่ต่างจากปฏิโฟตอนคือเป็นปฏิอนุภาคของตัวเอง นี่เป็นสมบัติของโฟตอนเก็จโบซอนของอันตรกริยาแม่เหล็กไฟฟ้า เราจะเห็นในตอนต่อๆไปว่าสำหรับอันตรกริยาแบบอ่อนและแบบเข้มนั้นเก็จโบซอนหาได้เป็นปฏิอนุภาคของตัวเองไม่คือปฏิอนุภาคเก็จจะแตกต่างจากอนุภาคเก็จในกรณีของกลูออนและโบซอนอ่อน

คงจะเป็นประโยชน์ในการเสริมความเข้าใจในเรื่องของควากและเลปตอนที่จะเข้าใจนัยสำคัญของสปินเพราะผลของสปินนั้นทำให้สมบัติทางแม่เหล็กไฟฟ้าของอนุภาคประจุทีมีสปินมีส่วนโมเมนต์แม่เหล็กเพิ่มจากส่วนประจุไฟฟ้าจุดในกรณีของอนุภาคไร้สปินซึ่งจะเห็นได้โดยตรงจาก การพิจารณาผลเฉลยของสมการดิแรก(Dirac) สำหรับแฟร์มิออนสปินครึ่งที่มีประจุไฟฟ้าที่อยู่ในสนามแม่เหล็กภายนอกในกรณีที่ไม่จำเป็นต้องคำนึงถึงสัมพัทธภาพพิเศษ (non-relativistic limit)

มาถึงจุดนี้เราก็พร้อมที่จะตอบคำถามว่าควากเป็นอย่างไรในมุมมองของโฟตอน เนื่องจากควากเป็นอนุภาคจุดสปินครึ่งมีประจุไฟฟ้าคล้ายกับอิเล็กตรอนเพียงแต่ว่าประจุไฟฟ้าบนควากนั้นเป็น -2/3 และ +1/3 หน่วยของประจุของอิเล็กตรอนและมวลของควากชนิดต่างๆแตกต่างกัน และแตกต่างจากมวลของอิเล็กตรอน ฉนั้นในแง่ของโฟตอนควากก็ไม่ต่างจากอิเล็กตรอนมากนักและในอันตรกริยาพื้นฐานระหว่างควากกับโฟตอน ซึ่งได้แก่การดูดกลืนและการแผ่คลายโฟตอนและการเกิดหรือทำลายล้างคู่ควาก-ปฏิควากจากโฟตอนแผนภาพฟาย์นแมนที่ใช้บรรยายกระบวนการเหล่านี้ก็ไม่ต่างจากของอิเล็กตรอนในภาพประกอบ เราแค่ใช้ประจุไฟฟ้าและมวลของควากตัวที่เกี่ยวข้องแทนของอิเล็กตรอนแม้แต่ผลการคำนวนก็ใช้ผลของอิเล็กตรอนได้เมื่อเปลี่ยนค่าสองตัวแปรที่กล่าวมาแล้ว(*)

ภาพของควากที่ได้จากโฟตอนที่กล่าวมานี้เป็นภาพที่ได้จากกรณีที่เรามองควากอิสระ แต่ในทางปฏิบัติแล้วยังไม่ปรากฏควากอิสระจากการทดลองใดๆและเราพบควากเฉพาะในฮาดรอน ด้วยเหตุนี้ในห้องทดลองจึงต้องใช้โฟตอนมองเข้าไปในฮาดรอนที่มีควากเป็นองค์ประกอบ การทดลองสำคัญที่ให้ข้อมูลสมบัติทางแม่เหล็กไฟฟ้าของควากคือการกระเจิงอิเล็กตรอนพลังงานสูงจากนิวคลิออนและการสร้างฮาดรอนจากทำลายล้างคู่อิเล็กตรอน-โพสิตรอนซึ่งเราจะได้พิจารณาในตอนต่อไป

(*)ในรายละเอียดของการคำนวณที่ลำดับสูงขึ้นจะต้องคำนึงถึงสภาวะขั้นกลาง(intermediate states)ทุกๆสภาวะที่เป็นไปได้ ที่เรียกกันว่าส่วนแก้ไขควอนตัม(quantum corrections) จะมีข้อแตกต่างระหว่างแผนภาพฟาย์นแมนที่บรรยายอิเล็กตรอนและควากเพราะสำหรับควากจะมีการแผ่และดูดกลืนกลูออนนำไปสู่วงกลูออน(gluon loops)ที่จะไม่เกิดในกรณีของอิเล็กตรอนเพราะอิเล็กตรอนปราศจากรงค์

  หนังสืออิเล็กทรอนิกส์ 

ฟิสิกส์ 1(ภาคกลศาสตร์) 

 ฟิสิกส์ 1 (ความร้อน)

ฟิสิกส์ 2  กลศาสตร์เวกเตอร์
โลหะวิทยาฟิสิกส์ เอกสารคำสอนฟิสิกส์ 1
ฟิสิกส์  2 (บรรยาย) แก้ปัญหาฟิสิกส์ด้วยภาษา c  
ฟิสิกส์พิศวง สอนฟิสิกส์ผ่านทางอินเตอร์เน็ต
ทดสอบออนไลน์ วีดีโอการเรียนการสอน
หน้าแรกในอดีต  

   การทดลองเสมือน 

บทความพิเศษ  ตารางธาตุ(ไทย1)   2  (Eng)
พจนานุกรมฟิสิกส์ 

 ลับสมองกับปัญหาฟิสิกส์

ธรรมชาติมหัศจรรย์ 

 สูตรพื้นฐานฟิสิกส์

การทดลองมหัศจรรย์  ดาราศาสตร์ราชมงคล

  แบบฝึกหัดกลาง 

แบบฝึกหัดโลหะวิทยา  

 แบบทดสอบ

ความรู้รอบตัวทั่วไป 

 อะไรเอ่ย ?

ทดสอบ(เกมเศรษฐี) 

คดีปริศนา

ข้อสอบเอนทรานซ์ เฉลยกลศาสตร์เวกเตอร์
คำศัพท์ประจำสัปดาห์  

  ความรู้รอบตัว

การประดิษฐ์แของโลก ผู้ได้รับโนเบลสาขาฟิสิกส์
นักวิทยาศาสตร์เทศ นักวิทยาศาสตร์ไทย
ดาราศาสตร์พิศวง  การทำงานของอุปกรณ์ทางฟิสิกส์
การทำงานของอุปกรณ์ต่างๆ  

กลับเข้าหน้าแรก

กลับหน้าแรกโฮมเพจฟิสิกส์ราชมงคล

ครั้งที่

เซ็นสมุดเยี่ยม

ภาพประจำสัปดาห์