ในวันที่ 3 ตุลาคมที่ผ่านมา รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2023 ก็ได้ประกาศผลแล้ว โดยผู้ที่ได้รับรางวัลประกอบไปด้วยนักวิจัย 3 ท่าน ได้แก่ ปิแอร์ อะกอสทินี (Pierre Agostini) จากมหาวิทยาลัยโอไฮโอสเตต สหรัฐอเมริกา, เฟอร์เรงค์ เคราส์ (Ferenc Krausz) จากสถานบันวิจัยทัศนศาสตร์เชิงควอนตัม มักซ์ พลังค์ เยอรมนี และแอนน์ หลุยลิเย (Anne L’Huillier) จากมหาวิทยาลัยลุนด์ สวีเดน ซึ่งนักวิจัยทั้ง 3 คนได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ภายใต้หัวข้อเดียวกันคือ ‘การทดลองสร้างแสงกระพริบระดับอัตโตวินาทีเพื่อศึกษาพลศาสตร์ของอิเล็กตรอนในสสาร’ แล้วงานวิจัยเรื่องนี้ทำให้เราได้รู้อะไร อัตโตวินาทีคือแบบไหน ทำไมต้องสร้างแสงกระพริบ บทความนี้จะพาทุกคนมาหาคำตอบ
การทดลองตรวจจับแสงในช่วงเวลาที่สั้นที่สุด
ผลการทดลองจากผู้ที่ได้รับรางวัลโนเบลในปีนี้ทำให้มนุษยชาติได้รู้จักเครื่องมือใหม่ ๆ ในการทำความรู้จักกับโลกขนาดจิ๋วภายในอะตอม เพราะนักวิจัยทั้งสามพบวิธีการตรวจวัดกระบวนการต่าง ๆ รวมถึงการเปลี่ยนแปลงชั้นพลังงานของอิเล็กตรอนได้ละเอียดขึ้น ผ่านการสร้างแสงกระพริบที่สั้นมาก ๆ ที่ใช้ในการวัดการเคลื่อนที่และการเปลี่ยนพลังงานของอิเล็กตรอนที่มีความรวดเร็วมาก ๆ เช่นกันได้ โดยคำว่าอัตโตวินาที หรือ attosecond หมายถึง 1 ในล้านล้านล้านวินาที หากคิดภาพไม่ออก ลองจินตนาการว่าแสงแฟลชกล้องกระพริบขึ้นจากสุดมุมห้องหนึ่ง ไปจนถึงอีกมุมห้องหนึ่ง ต้องใช้เวลายาวนานถึง 1 หมื่นล้านอัตโตวินาที หรือถ้ามองในมุมที่ใหญ่ขึ้น อาจเปรียบเทียบได้ว่าถ้า 1 อัตโตวินาทีของโลกอิเล็กตรอนเป็นเหมือน 1 วินาทีของโลกเรา เมื่อเวลาผ่านไป 1 วินาทีในโลกของอิเล็กตรอนก็เหมือนกับระยะเวลาที่ยาวนานตั้งแต่กำเนิดเอกภพมาจนถึงวินาทีที่เราอยู่ในโลกของเรา
การเคลื่อนไหวที่รวดเร็วมาก ๆ ในการรับรู้ของมนุษย์มันเป็นเพียงความต่อเนื่องลื่นไหล เหมือนกับกำลังรับชมวิดีโอความชัดระดับ 4K แต่ความจริงแล้ววิดีโอที่ว่ากลับเป็นเพียงภาพนิ่งที่ต่อกันหลาย ๆ เฟรมใน 1 วินาที โดยที่เฟรมเรตหรืออัตราการเปลี่ยนเฟรมของวิดีโอมันเร็วมากเกินความรับรู้ของเราจะเห็นว่ามันเป็นภาพนิ่งกระพริบอยู่ทีละภาพ หรือถ้าสังเกตในธรรมชาติ เช่น ฮัมมิ่งเบิร์ดสามารถกระพือปีกได้ 80 ครั้งต่อวินาที เราสามารถรับรู้การกระพือปีกของมันได้แค่ภาพที่พร่ามัวของปีกและเสียงหึ่ง ๆ ของมันเท่านั้น ถ้าจะจับภาพของฮัมมิงเบิร์ดตอนที่มันบินอยู่ และอยากเห็นปีกได้ชัดเจน กล้องที่ใช้ถ่ายต้องมีความเร็วชัตเตอร์ที่เร็วยิ่งกว่าอัตราการกระพือปีกของฮัมมิงเบิร์ด ยิ่งธรรมชาติเคลื่อนที่เร็วเท่าไหร่ ความสามารถในการจับภาพต้องเร็วมากขึ้นเท่านั้น ฉะนั้นถ้าเราจะสังเกตเหตุการณ์ที่มีระยะเวลาการเกิดขึ้นสั้นมาก ๆ ระดับอัตโตวินาทีในธรรมชาติ เราจำเป็นจำต้องมีเทคโนโลยีพิเศษ ซึ่งการทดลองสร้างแสงที่กระพริบในระยะเวลาสั้นมากในหน่วยอัตโตวินาที จึงสามารถนำมาใช้สร้างภาพกระบวนการภายในอะตอมและโมเลกุลที่เราไม่สามารถสังเกตเห็นด้วยสายตาปกติของเราเองได้
กระพริบเร็วขึ้น
แสงประกอบไปด้วยคลื่น ซึ่งเกิดจากการสั่นของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก โดยคลื่นแสงเคลื่อนที่ในสุญญากาศได้เร็วที่สุดกว่าสิ่งใดในจักรวาล เท่าที่เรารู้กันในปัจจุบัน โดยแสงประกอบไปด้วยค่าความยาวคลื่นต่างกันหลายค่า โดยเราสังเกตได้เป็นสีที่มีความแตกต่างกัน เช่น แสงที่มีความยาวคลื่น 700 นาโนเมตรจะมีสีแดง ซึ่ง 700 นาโนเมตรนั้นเล็กมาก เทียบได้กับ 1 ในร้อยของเส้นผ่านศูนย์กลางเส้นผม และมีความถี่ประมาณสี่ร้อยสามสิบล้านล้านครั้งต่อวินาที เราอาจคิดได้ว่าการกระพริบของแสงที่สั้นที่สุดคือคลื่นแสงที่มีความถี่น้อยกว่าหนึ่งวินาที โดยอาจจะเป็นเพียงรอบคลื่นครั้งเดียวเท่านั้นที่คลื่นขึ้นสู่แอมพลิจูดที่สูงที่สุด ลงมาจนถึงแอมพลิจูดที่ต่ำที่สุด และกลับสู่เริ่มต้นอีกครั้ง รอบเดียว
ในปี 1987 แอนน์ หลุยลิเย ค้นพบแสงที่มีความยาวคลื่นและจำนวนลูกคลื่นแตกต่างกันสว่างขึ้นมาหลังจากที่ได้ฉายแสงเลเซอร์อินฟราเรดใส่อะตอมของแก๊สเฉื่อย ซึ่งมันเกิดจากพลังงานของแสงเลเซอร์เข้าทำปฏิกิริยากับอะตอมของแก๊ส ทำให้อิเล็กตรอนภายในอะตอมได้รับพลังงานเพิ่ม จนเกิดการเปล่งแสงขึ้นมา โดยหลุยลิเยยังคงทำการสำรวจปรากฏการณ์นี้ต่อไปเพื่อวางรากฐานให้การศึกษานี้
แสงเลเซอร์ที่ทะลุผ่านแก๊สเฉื่อยจะทำให้เกิดการสั่นสะเทือนทางแม่เหล็กไฟฟ้า จนสามารถบิดเบือนสนามไฟฟ้าในบริเวณที่มีอะตอมของแก๊สเฉื่อยอยู่ได้ อิเล็กตรอนที่อยู่ภายในอะตอมในสนามไฟฟ้าที่บิดเบือนสามารถเคลื่อนชั้นพลังงานและหลบหนีออกจากวงโคจรของอะตอมได้ และจากการที่สนามไฟฟ้ามีการสั่นสะเทือนอย่างต่อเนื่องจนทำให้อิเล็กตรอนยังคงเคลื่อนที่ไปในสนามไฟฟ้านั้น สุดท้ายอิเล็กตรอนอาจพุ่งกลับเข้าสู่อะตอมของแก๊สเฉื่อยและปลดปล่อยพลังงานส่วนเกินที่สะสมระหว่างเคลื่อนที่ให้ออกมาในรูปของแสงสว่างที่มีความยาวคลื่นและจำนวนลูกคลื่นแตกต่างกัน เรียกว่า โอเวอร์โทน (Overtones)
เมื่อเกิดโอเวอร์โทนมากเข้า คลื่นแสงทำปฏิกิริยากันเอง เกิดการแทรกสอดของคลื่น ถ้าหากคลื่นที่มียอดคลื่นสูง มาเจอกับคลื่นที่มียอดคลื่นสูงเหมือนกัน ในตำแหน่งเดียวกัน จะทำให้แสงเข้มขึ้น แต่แสงจะจางลงเมื่อคลื่นที่มียอดคลื่นสูง เจอกับคลื่นที่มียอดคลื่นต่ำในตำแหน่งเดียวกัน โดยในการแทรกสอดของแสงที่เหมาะสมอาจเกิดเป็นความถี่ของแสงระดับอัลตร้าไวโอเล็ตที่มีความถี่สูงมาก และเกิดการกระพริบของแสงนั้นในระยะเวลาหลักร้อยอัตโตวินาที ซึ่งการทดลองของหลุยลิเยทำให้นักฟิสิกส์เข้าใจปรากฏการณ์นี้มากขึ้น
ต่อมาในปี 2001 ปิแอร์ อะกอสทินี ประสบความสำเร็จในการตรวจสอบและสร้างแสงที่กระพริบต่อเนื่องกันในระยะเวลาห่างกัน 250 อัตโตวินาทีได้ ขณะเดียวกัน เฟอร์เรงค์ เคราส์ ก็ทำการทดลองอีกแบบที่แยกกันและสร้างแสงกระพริบครั้งเดียวด้วยระยะเวลา 650 อัตโตวินาทีได้ ซึ่งการทดลองของทั้งสองทีมนี้สแดงให้แห็นว่ามนุษย์เราสามารถสังเกตและวัดการเปล่งแสงในระยะเวลาที่สั้นมาก ๆ ได้แล้ว ซึ่งเทคโนโลยีนี้ถูกเปิดทางแล้ว และคงถูกพัฒนาต่อไปเรื่อย ๆ ทำให้อนาคตเราสามารถศึกษาการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนได้ง่ายขึ้น จากที่ในอดีตเราทำได้เพียงวัดความเร็วในระดับอัตโตวินาทีได้เป็นค่าเฉลี่ยเท่านั้น
องค์ความรู้ในระดับอัตโตวินาทีสามารถใช้เพื่อทดสอบกระบวนการภายในของสสาร และระบุเหตุการณ์ที่แตกต่างกันในโลกของฟิสิกส์ระดับอะตอมได้แม่นยำขึ้น โดยในทางประยุกต์ก็สามารถนำองค์ความรู้นี้ไปใช้ในงานด้านการออกแบบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ต้องเข้าใจและควบคุมพฤติกรรมของอิเล็กตรอนให้ได้ หรืออาจใช้ในเชิงการแพทย์ต่อไปได้ด้วย เช่น การวินิจฉัยโรคบางชนิดอย่างจำเพาะเจาะจงที่แม่นยำขึ้น
อ้างอิง
https://www.nobelprize.org/uploads/2023/10/popular-physicsprize2023.pdf
