| คลิกที่ภาพเพื่อดูขนาดใหญ่ขึ้น |
| | |  | ปัจจุบันเราใช้ประโยชน์จากแสงเลเซอร์กัน อย่างแพร่หลาย แต่ท่านเคยสงสัยบ้างหรือไม่ว่าแสงเลเซอร์นั้นต่างจากแสงไฟของหลอดนีออนหรือ เปลวเทียนอย่างไร เราอาจจะไม่สนใจกับคำถามที่ดูห่างไกลปัญหาปากท้องนี้ แต่คนที่เขาคิดและตอบคำถามนี้ได้ก็รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ประจำปีนี้ไปเรียบ ร้อยแล้ว
เขาคนนั้นคือรอย เกลาเบอร์ (Roy J. Glauber) ศาสตราจารย์จากภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด สหรัฐอเมริกา ได้คิดค้นทฤษฎีที่นำไปสู่ทฤษฎีควอนตัมของแสง พร้อมกันนี้ราชบัณฑิตยสภาด้านวิทยาศาสตร์แห่งสวีเดนยังได้ประกาศมอบรางวัล โนเบลฟิสิกส์ประจำปี 2005 ให้นักฟิสิกส์อีก 2 คน คือ จอห์น ฮอลล์ (John L. Hall) จากสถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติสหรัฐหรือนิสต์ (National Institute of Standards and Technology: NIST) และประจำมหาวิทยาลัยโคโรลาโด สหรัฐฯ และธีโอดอร์ เฮนช (Theodor W. Hänsch) จากสถาบันควอนตัมฟิสิกส์แมกซ์ พลังก์ (MPQ : Max-Planck-Institut für Quantenoptik) และมหาวิทยาลัยลุดวิก-แม็กซิมิเลียนส์ (Ludwig-Maximilians-Universität) ในเยอรมนีด้วย
ดร.อรรถกฤต ฉัตรภูติ อาจารย์จากภาควิชาฟิสิกส์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัยอธิบาย ว่ารางวัลโนเบลฟิสิกส์ปีนี้แยกเป็น 2 เรื่องคือในส่วนเกลาเบอร์นั้นเรื่องทฤษฎีควอนตัมของแสง (quantum optic) และส่วนของฮอลล์และเฮนซนั้นพัฒนาเทคนิคเพื่อใช้ศึกษาสเปกตรัมด้วยเลเซอร์ ซึ่งส่วนหนึ่งเป็นการต่อยอดมาจากผลงานของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) ในเรื่องปรากฏการณ์โฟโตอิเลกทริก
ทฤษฎีของเกลาเบอร์เป็นการศึกษา “แสงและการวัดแสง” ด้วยภาษาของควอนตัมฟิสิกส์ ผลงานของเขาทำให้เกิดสาขาใหม่ที่เรียกว่า Quantum Optics ซึ่งมีความสำคัญอย่างมากในปัจจุบัน ดร. อรรถกฤตอธิบายว่าทฤษฎีของเกลาเบอร์สามารถอธิบายความแตกต่างระหว่างแสง เลเซอร์กับแสงเทียน ซึ่งเลเซอร์นั้นเป็นแสง “โคฮีเรนซ์” (Coherence) หรือ “แสงอาพันธ์” คือเป็นคลื่นที่มีความถี่และเฟสเดียวกัน ส่วนแสงเทียนนั้นปล่อยคลื่นหลายเฟสและหลายความถี่ โดยก่อนหน้านี้ไม่มีทฤษฎีที่สามารถอธิบายได้
“ถ้า เราลองจินตนาการว่าแสงเป็นคลื่นในลักษณะกระเพื่อมขึ้นลง นั่นคือมียอดคลื่นและท้องคลื่น ‘โคฮีเรนซ์’ หมายถึงการที่ยอดคลื่นหรือท้องคลื่นของคลื่นแสงต่างๆ ในลำแสงเดียวกันต่างเรียงเป็นแนวเดียวกันหมด นั่นคือพวกมันมีเฟสเดียวกัน (inphase) ขณะที่เคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวกัน ด้วยความถี่หรือความยาวคลื่นเท่ากัน”
ทั้ง นี้ผลจากการค้นคว้าของเขา ยังนำสู่การเข้าใจธรรมชาติของแสงได้ลึกซึ้งยิ่งขึ้นอีกด้วย นอกจากนี้ทฤษฎีของเกลาเบอร์ยังมีส่วนในการพัฒนาการเทคโนโลยีสมัยใหม่อย่าง เช่น เข้ารหัสทางควอนตัม (quantum cryptography) ที่ใช้ในการรักษาความปลอดภัยทางข้อมูล เช่นในระบบอินเทอร์เน็ตหรือบัตรเครดิต เป็นต้น โดยมีส่วนสำคัญในการพัฒนาเครื่องนับจำนวนโฟตอนหรืออนุภาคแสงได้ทีละตัวที่ เรียกว่า “Single photon detector”
“ในอีกแง่หนึ่งผลงานของเกลาเบอร์ทำให้เราเข้าใจเรื่องสัญญาณรบกวนที่ เป็นผลจากควอนตัมฟิสิกส์ โดยในทางกลศาสตร์ควอนตัมนั้นการวัดแสงจะเกิดความไม่แน่นอนหรือความคลาด เคลื่อนอันเป็นผลจากหลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก (Heisenberg’s Uncertainty Principle) ซึ่งจะเป็นขีดจำกัดของการวัดสัญญาณที่ต้องการความละเอียดสูงๆ แต่ในปัจจุบันนักฟิสิกส์สามารถจะบีบสัญญาณแสงให้อยู่ในสถานะที่เรียกว่า squeezed light"
“ทำให้เราสามารถข้ามขีดจำกัดดังกล่าวไปได้ ทั้งนี้สถานะ “squeezed state” ของแสงยังคงเป็นไปตามหลักความไม่แน่นอน แต่เราจะสามารถที่เลือกวัดขนาดอำพน (แอมปลิจูด) หรือเลือกวัดเฟสของคลื่นอย่างใดอย่างหนึ่งได้แม่นยำมากขึ้น และเมื่อเราเข้าใจควอนตัมของแสงเราจะสามารถบีบแสงให้เล็กลงได้ซึ่งนำไปสู่ การประยุกต์และศึกษาปรากฏการณ์ทางธรรมชาติได้อีกมาก”
ด้าน ดร.ศรันย์ สัมฤทธิ์เดชขจร นักวิจัยอิเล็กโตรออปติกส์ จากศูนย์เทคโนโลยีอิเลกทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์แห่งชาติ (เนคเทค) และนักวิทยาศาสตร์รุ่นใหม่ประจำปี 2547 อธิบายงานของฮอลล์และเฮนซว่าทั้ง 2 ศึกษาเรื่องคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าโดยแสงเลเซอร์มาใช้ทำให้การวัดคลื่นความถี่มี ความละเอียดสูงมากขึ้น รวมถึงเทคนิค “หวีความถี่” (optical frequency comp technique) ซึ่งจะใช้แสงที่ถูกปล่อยออกมาในช่วงเวลาสั้นๆ หลายๆ พัลส์ ซึ่งพวกเขาสามารถผลิตแสงเลเซอร์ออกมาในช่วงเวลาที่สั้นถึง 10-12 วินาที ทำให้สามารถนำไปวัดอะไรก็ได้ รวมถึงใช้เป็นตัวอ้างอิงในการทำนาฬิกาอะตอมด้วย
“ลองนึกถึงหวีที่จะเป็นซี่ๆ แต่ละซี่ก็คือ 1 ความถี่ของคลื่นแสง หรืออาจจะมองว่าเป็นช่วงของเวลาก็ได้ โดยซี่ที่ 1 คือ 1 วินาที ซี่ที่ 2 คือวินาทีที่ 2 ถัดมาและซี่ที่ 3 ก็คือวินาทีที่ 3 ถัดมาเรื่อยๆ ซึ่งการปล่อยแสงในช่วงเวลาที่สั้นมากๆ เช่น 10 -12 วินาทีหรือมีความถี่ 1012 เฮริตซ์ ทำให้เราวัดอะไรได้หลายอย่าง เช่น วัดคลื่นมือถือซึ่งมีความถี่ 1.9 GHz เพราะคลื่นมือถือมีช่วงการปล่อยที่ยาวกว่า”
หลายคนอาจจะสงสัยว่าเทคนิคดังกล่าวไปใช้ประโยชน์อะไรได้บ้าง ตัวอย่างหนึ่งของการประยุกต์ใช้คือใช้เป็นความถี่อ้างอิงสำหรับทำนาฬิกา อะตอมซึ่งอาศัยการสั่นของอนุภาคที่มีความถี่หลายล้านครั้งต่อวินาที ความคลาดเคลื่อนจึงอยู่ในระดับเศษเสี้ยวนับล้านของวินาที และการที่แสงเลเซอร์ซึ่งนักฟิสิกส์โนเบลทั้งสองสามารถพัฒนาให้มีความถี่นับล้านล้านครั้งต่อวินาที (10 12 เฮริตซ์) จึงใช้เป็นความถี่สร้างอ้างอิงสำหรับสร้างนาฬิกาอะตอมให้มีความแม่นยำมากขึ้นได้
นอกจากนี้ ดร.ศรันย์เล่าเกร็ดว่าทั้ง 3 คนคือเกลาเบอร์ ฮอลล์และเฮนซไม่เพียงศึกษาเกี่ยวกับเรื่องแสงอาพันธ์เท่านั้น พวกเขายังศึกษาเรื่องการทำอะตอมให้เย็นด้วยเลเซอร์อีกด้วย ซึ่งในปี 1997 ผู้ที่สามารถให้อะตอมเย็นลงก็ได้รับรางวัลโนเบล ต่อมาในปี 2000 มีนักฟิสิกส์สามารถให้อะตอมเย็นลงถึง 10 -9 K และก็ได้รับรางโนเบลเช่นกัน ทั้งนี้ตามทฤษฎีที่ไอน์สไตน์ทำร่วมกับสัตเยนทรานาถ โบส (Satyendranath Bose) นักฟิสิกส์ชาวอินเดีย เมื่ออะตอมเย็นถึงอุณภูมิดังกล่าวอะตอมทั้งหมดจะมาอยู่รวมกันจนบอกไม่ได้ว่า กี่อะตอม
ดร.ศรันย์อธิบายว่าโดยปกติอะตอมจะสั่นอยู่ตลอดเวลาซึ่งหากทำให้อะตอม อยู่นิ่งได้อุณหภูมิก็จะลดลง การลดอุณหภูมิของเลเซอร์จึงทำได้โดยการยิงอนุภาคที่มีขนาดเล็กระดับอะตอม เข้าไปชนในทิศทางตรงข้าม และการยิงแสงเลเซอร์ซึ่งประพฤติตัวเป็นโฟตอนได้ชนกับอะตอมหลายๆ ชุด จะทำให้อะตอมช้าลงและหยุดนิ่งในที่สุด และปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์สามารถทำอะตอมให้เย็นได้ถึง 450 x 10-12 K ส่วนการจะวัดว่าอะตอมเย็นแค่ไหนก็จะมีการคำนวณทางทฤษฎีเทียบกับขนาดของอะตอมอีกที
ขอบคุณแหล่งที่มา/http://www.manager.co.th
| | |
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น