Origin and Evolution of The Universe, Universe
กำเนิดและวิวัฒนาการของจักรวาล#5 โนเบลสำหรับไอน์สไตน์ผู้ไขปริศนาปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก
วิทยาการทางฟิสิกส์ถูกแยกออกเป็น 2 กลุ่ม คือ “ฟิสิกส์ดั้งเดิมหรือฟิสิกส์คลาสสิก (Classical physics)” และ ฟิสิกส์ยุคใหม่ “(Modern physics)”
หลักการและทฤษฎีต่างๆทางฟิสิกส์ที่พบก่อนศตวรรษที่ 20 ถูกจัดเป็น “ฟิสิกส์คลาสสิก (Classical physics)” ประกอบกับวิธีการทางคณิตศาสตร์โดยไอแซก นิวตัน เป็นส่วนใหญ่ รวมทั้งนักปรัชญาธรรมชาติคนอื่นที่อยู่ร่วมสมัยในช่วงคริสต์ศตวรรษที่ 17 ได้แก่ ทฤษฎีทางดาราศาสตร์ของโยฮันเนส เคปเลอร์ และการศึกษาในการเคลื่อนที่ต่างๆที่อยู่บนโลกของกาลิเลโอ
สิ่งรอบกายในชีวิตประจำวันของเราล้วนเป็นสสารที่ประกอบไปด้วย โมเลกุล อะตอม นิวเคลียส และอิเล็กตรอน โดยทั่วไปฟิสิกส์คลาสสิก มักเกี่ยวข้องกับสสารและพลังงานในขนาดสเกลที่มองเห็นได้ อันได้แก่ การเคลื่อนที่อธิบายได้ด้วย “กลศาสตร์คลาสสิก (Classical mechanics)” ความร้อนและพลังงานอธิบายได้ด้วย “อุณหพลศาสตร์ (Thermodynamics)” แม่เหล็กและไฟฟ้าอธิบายได้ด้วย “ทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetics)” สำหรับฟิสิกส์คลาสสิก “อนุภาค” และ “คลื่น” ถูกแบ่งแยกอย่างชัดเจน
ระหว่างปลายศตวรรษที่ 19 ถึงต้นศตวรรษที่ 20 ผู้คนเริ่มสังเกตเห็นว่าไม่ใช่ทุกอย่างที่เล่นไปตามกฎของฟิสิกส์คลาสสิก การสังเกตเชิงทดลองหลายอย่างเริ่มท้าทายฟิสิกส์คลาสสิก หนึ่งในนั้นคือ “พฤติกรรมเกี่ยวกับแสง” การค้นพบทฤษฎีควอนตัม และทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษและสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ ซึ่งสามารถนำมาวิเคราะห์และอธิบายปรากฏการณ์ที่เกี่ยวกับวัตถุที่มีขนาดเล็กๆ หรือวัตถุที่มีความเร็วสูงๆใกล้เคียงความเร็วแสง นำไปสู่การเปลี่ยนแปลงของโลกฟิสิกส์จากฟิสิกส์คลาสสิก (Classical physics) ไปเป็นฟิสิกส์ยุคใหม่ (Modern physics)
สามารถสรุปเหตุการณ์พิเศษและบุคคลสำคัญที่ปฏิวัติแนวคิดเกี่ยวกับแสงในช่วงศตวรรษที่ 19 ถึง 20 และนำไปสู่การเปลี่ยนจากฟิสิกส์คลาสสิก (Classical physics) เป็นฟิสิกส์ยุคใหม่ (Modern physics) ได้ดังนี้
ทฤษฎีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของแมกซ์เวลล์ (Maxwell’s theory of electromagnetic radiation)
wikipedia.org
ในสมัยก่อนนักวิทยาศาสตร์คิดว่าไฟฟ้าและแม่เหล็กไม่มีความสัมพันธ์กัน ต่อมา เจมส์ เคลิร์ก แมกซ์เวลล์ (James Clerk Maxwell) นักฟิสิกส์และคณิตศาสตร์ชาวสก็อต ตั้งทฤษฎีการแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Maxwell’s theory of electromagnetic radiation) ในปี 1865 โดยใช้สมการคณิตศาสตร์มาอธิบายความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดระหว่างปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าและทางแม่เหล็ก ตามทฤษฎีของแมกซ์เวลล์ สนามแม่เหล็ก (magnetic field) ที่มีการเปลี่ยนแปลงสามารถเหนี่ยวนำให้เกิดสนามไฟฟ้า (electric field) และสนามไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงสามารถทำให้เกิดสนามแม่เหล็กได้ เพราะฉะนั้นทั้งสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กนั้นเป็นสิ่งเดียวกัน จึงทำให้สามารถเขียนรวมกันเป็นคำว่า “แม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic)” ได้
นอกจากนี้สมการของแมกซ์เวลล์ยังแสดงให้เห็นว่า สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กเคลื่อนที่ออกจากแหล่งกำเนิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าไปในสูญญากาศหรืออวกาศด้วยอัตราเร็วเท่ากับแสง ดังนั้นแสงจึงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดหนึ่งที่มีความถี่และความยาวคลื่นอยู่ในช่วงหนึ่ง” คำทำนายนี้ได้รับการยืนยันว่าเป็นจริงโดยการทดลองของเฮิรตซ์ในปี 1887
Zedd – Stay The Night ft. Hayley Williams
ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก (Photoelectric effect)
famousscientists.org
ไฮน์ริช เฮิร์ตซ์ (Heinrich Hertz) เป็นนักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน ในปี 1887 ได้ทำการทดลองและค้นพบคลื่นวิทยุ (radio waves) ยืนยันการมีอยู่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic waves) ยืนยันว่าทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าของแมกซ์เวลล์นั้นถูกต้อง นอกจากนี้เฮิร์ตซ์ยังเป็นผู้ค้นพบ “ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก (photoelectric effect) ซึ่งเป็นหนึ่งในเบาะแสแรกของการดำรงอยู่ของโลกควอนตัม หน่วยความถี่คือ เฮิร์ตซ์ (Hz) ถูกตั้งชื่อเพื่อเป็นเกียรติแก่เขา
ไฮน์ริช เฮิร์ตซ์ (Heinrich Hertz) ได้ทำการทดลองฉายรังสีอัลตราไวโอเล็ตไปตกกระทบบนผิวโลหะ เขาพบว่ามีอิเล็กตรอนหลุดออกจากโลหะนั้นซึ่งสังเกตได้จากการพบว่ามีกระแสไฟฟ้าเกิดขึ้น เรียกอิเล็กตรอนที่หลุดออกมาว่า “โฟโตอิเล็กตรอน (photoelectrons)” และเรียกปรากฏการณ์ที่อิเล็กตรอนหลุดออกมาจากวัตถุเมื่อมีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่สูง (ความยาวคลื่นต่ำ พลังงานสูง เช่น รังสีอัลตราไวโอเล็ต) มากระทบวัตถุว่า “ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก” ซึ่งสร้างความงุนงงกับ Hertz เป็นอันมาก เนื่องจากนักวิทยาศาสตร์ในยุคนั้นไม่สามารถใช้ทฤษฎีเกี่ยวกับแสงที่มีอยู่มาอธิบายปรากฏการณ์นี้ได้ว่าอิเล็กตรอนมันหลุดออกมาได้อย่างไร
famousscientists.org
สมมติฐานของแพลงค์ (Planck’s hypothesis)
taringa.net
ในปี 1900 แมกซ์ แพลงค์ (Max Planck) นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน ได้ศึกษาปรากฏการณ์การปลดปล่อยแสงออกจากวัตถุร้อนที่เรียก “วัตถุดำ (black body)” เขาสังเกตุพบมีการเปลี่ยนแปลงสีของแสงไปตามอุณหภูมิ เขาจึงเสนอสมมติฐานของแพลงค์ (Planck’s hypothesis) ดังนี้ แสงถูกปล่อยออกมาจากแหล่งกำเนิดในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่ค่าหนึ่ง เป็นก้อนของพลังงานที่เรียกว่า “ควอนตัม” (quantum, เอกพจน์คือ quanta) และไม่ได้ปล่อยออกมาเรื่อยๆแบบต่อเนื่องเหมือนที่เชื่อกันมา แต่แผ่พลังงานออกมาเป็นระยะๆแบบไม่ต่อเนื่อง ซึ่งพลังงานของควอนตัมที่ถูกปล่อยออกมาหรือถูกดูดกลืนเข้าแต่ละส่วนแปรผันตามความถี่ของแสง มีค่าเป็นไปตามสมการดังนี้
E = hν
h คือ ค่าคงที่ของแพลงค์ (Planck’s constant) มีค่าเท่ากับ 6.63 x 10-34 J.s
ν คือ ความถี่ของแสง มีหน่วยเป็นเฮิรตซ์ (Hz)
ผลงานนี้ได้กลายมาเป็นรากฐานที่สำคัญของทฤษฎีควอมตัม (Quantum theory) ที่เขาเป็นผู้ให้กำเนิด แพลงค์ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1918 จากผลงานการค้นพบ “energy quanta”
Katy Perry – Firework
เมื่อแสงส่องบนพื้นผิวของโลหะ อิเล็กตรอนในโลหะจะดูดซับพลังงานของแสงจนสามารถหนีออกมาจากพื้นผิวของโลหะพร้อมทั้งมีพลังงานจลน์ค่าหนึ่ง สิ่งนี้เรียกว่า ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก (photoelectric effects) ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่สำคัญสำหรับการผลิตกระแสไฟฟ้าจากอุปกรณ์พลังงานแสงอาทิตย์ในโลกยุคปัจจุบัน
จากทฤษฎีทางฟิสิกส์คลาสสิก แสงเป็นคลื่นที่มีพลังงานกระจายไปทั่วคลื่นอย่างสม่ำเสมอและต่อเนื่อง เมื่อแสงมาตกกระทบผิวโลหะ อิเล็กตรอนที่อยู่ในโลหะจะค่อยๆสะสมพลังงานที่ได้รับการถ่ายโอนจากคลื่นแสง จนกระทั่งตัวมันเองมีพลังงานสูงพอจนชนะแรงยึดเหนี่ยวในวงโคจรของอะตอม หลุดออกมาจากเป็นอิเล็กตรอนอิสระ หากเป็นตามทฤษฎีนี้จริงนั่นหมายความว่า คลื่นแสงที่มีความเข้มมากกว่า (สว่างกว่า) ย่อมถ่ายเทพลังงานให้อิเล็กตรอนได้มากกว่าคลื่นแสงที่มีความเข้มน้อยกว่า (สว่างน้อยกว่า) ตามทฤษฎีนี้เมื่อใช้แสงสลัวส่องบนผิวโลหะ มันต้องใช้เวลาพอสมควรที่พลังงานแสงจะทำให้เกิดการปล่อยอิเล็กตรอนจากผิวโลหะ
แต่จากการทดลองแสดงให้เห็นว่าแสงความถี่ต่ำถึงแม้นจะมีความเข้มสูง (สว่างมาก) ไม่สามารถขับอิเล็กตรอนออกจากโลหะได้ เพราะพลังงานที่อิเล็กตรอนได้รับไม่มากพอที่จะชนะแรงยึดเหนี่ยวในวงโคจรของอะตอมโลหะ แต่อิเล็กตรอนจะถูกขับออกจากผิวโลหะได้เมื่อแสงมีความถี่ถึงเกณฑ์ที่กำหนด (a threshold frequency) ถ้าความถี่ของแสงต่ำกว่าค่านี้ จะไม่มีอิเล็กตรอนตัวใดถูกขับออกจากผิวโลหะได้ โดยไม่ขึ้นกับความเข้มของแสงหรือระยะเวลาในการเปิดรับแสง
ไอน์สไตน์ ผู้ไขปริศนา “ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก”
ภาพแสดงบทความปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกที่ตีพิมพ์ในปี 1905 ของไอน์สไตน์ (medium.com)
อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) เป็นชาวเยอรมัน หลังจากสำเร็จการศึกษาระดับปริญญาตรีในปี 1900 ไอน์สไตน์ใช้เวลาสองปีในการเพียรพยายามสมัครงานสอนคณิตศาสตร์หรือฟิสิกส์แต่ไม่ประสบความสำเร็จ ในปี 1905 เขาได้งานเป็นเสมียนตรวจสอบสิทธิบัตรในสำนักงานสิทธิบัตรในกรุงแบร์น เมืองหลวงของประเทศสวิสเซอร์แลนด์ หน้าที่ของเขาคือการตรวจประเมินใบสมัครของสิทธิบัตรในหมวดหมู่อุปกรณ์แม่เหล็กไฟฟ้า ไอน์สไตน์ทำงานและเรียนปริญญาเอกไปพร้อมกัน จนสำเร็จการศึกษาในระดับปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยซูริค ประเทศสวิสเชอร์แลนด์
งานที่สำนักงานสิทธิบัตรของเขาโดยมากจะเกี่ยวกับปัญหาเรื่องการส่งสัญญาณไฟฟ้าและการซิงโครไนซ์ทางเวลาระหว่างระบบไฟฟ้ากับระบบทางกล ไอน์สไตน์ซึ่งเป็นเจ้าหน้าที่สิทธิบัตรไม่สามารถเข้าถึงอุปกรณ์ในห้องปฏิบัติการได้ เขาจึงใช้ “การทดลองทางความคิด” โดยสร้างสถานการณ์ต่างๆขึ้นในหัวของเขาและพิจารณาพวกมันทีละขั้นตอน ซึ่งในเวลาต่อมามันได้นำไอน์สไตน์ไปสู่บทสรุปอันลึกซึ้งในเรื่องธรรมชาติของแสงและความสัมพันธ์ของอวกาศ-เวลา (space-time)
ไอน์สไตน์ เป็นผู้มาไขปริศนาของปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก การค้นพบครั้งยิ่งใหญ่ปรากฎในบทความแรกของไอน์สไตน์ที่ตีพิมพ์ในปี 1905 ซึ่งในขณะนั้นนักฟิสิกส์ชื่อก้องโลกยังไม่เป็นที่รู้จัก เขาใช้เวลาว่างระหว่างทำงานในสำนักงานสิทธิบัตรในกรุงเบิร์น สวิสเซอร์แลนด์ ไอน์สไตน์ซึ่งศึกษาผลงานของแมกซ์ แพลงค์ (Max Planck) มาเป็นอย่างดี สามารถอธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกถึงสาเหตุที่แสงทำให้อิเล็กตรอนหลุดจากโลหะได้
ไอน์สไตน์สามารถไขข้อข้องใจที่ว่า ทำไมแสงความถี่ต่ำที่มีความเข้มสูงจึงไม่สามารถสร้างพลังงานที่ทำให้เกิดปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก (photoelectric effect) ไอน์สไตน์อธิบายว่า มันจะเกิดขึ้นได้หากพลังงานของแสงแผ่ต่อเนื่องเหมือนคลื่น แต่ที่จริงแล้ว แสงประกอบไปด้วยอนุภาคแต่ละตัวที่มาประกอบกันและมีการแผ่กระจายพลังงานแบบไม่ต่อเนื่อง เมื่ออนุภาคของแสงที่มีพลังงาน E = hν ตกบนพื้นผิวโลหะ จะมีการถ่ายโอนพลังงานจากอนุภาคของแสงไปยังอิเล็กตรอนของโลหะ ถ้าอิเล็กตรอนได้รับพลังงานสูงพอที่จะเอาชนะแรงยึดเหนี่ยวของนิวเคลียสที่ยึดพวกมันไว้ มันจะสามารถหลบหนีออกจากโลหะกลายเป็นอิเล็กตรอนอิสระพร้อมกับมีพลังงานจลน์ติดตัวออกมาด้วย
ผลงานของเขาที่ยืนยันว่าแสงเป็นอนุภาคได้ สามารถไขปริศนาพฤติกรรมของแสงซึ่งทฤษฎีที่มีอยู่ในเวลานั้นไม่สามารถอธิบายได้ ทำให้นักวิทยาศาสตร์ได้เข้าใจว่าแสงมีคุณสมบัติเป็นได้ทั้งคลื่นและอนุภาค (ในเวลานั้นอนุภาคของแสงถูกเรียกว่า “ควอนตั้ม (quanta เอกพจน์, quantum พหูพจน์)” แต่ทุกวันนี้เราเรียกอนุภาคของแสงว่า “โฟตอน (photon)”
การอธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก (photoelectric effect) ด้วยแนวคิดแสงเป็นกลุ่มของอนุภาคที่มีพลังงาน ส่งผลให้ไอน์สไตน์ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1921 ทฤษฎีควอนตัมของแสงของไอน์สไตน์ (Einstein’s Quantum theory of light; 1905) ได้กลายเป็นรากฐานของแนวคิดใหม่ที่ปฏิวัติวงการฟิสิกส์ที่ว่า “จักรวาลทั้งหมดของเราประกอบด้วยชิ้นส่วนเล็กๆของพลังงานและสสาร”
ผลงานนี้เป็น 1 ใน 3 ผลงานยิ่งใหญ่ของไอน์สไตน์ที่ปฏิวัติโลกฟิสิกส์เข้าสู่ยุคใหม่ รวมถึงเป็นพื้นฐานของฟิสิกส์ด้าน “กลศาสตร์ควอนตัม (Quantum mechanics)” ซึ่งมาแทนที่ “กลศาสตร์คลาสสิกหรือกลศาสตร์ดั้งเดิม (Classical mechanics)” ซึ่งกลศาสตร์คลาสสิกไม่สามารถใช้อธิบายปรากฏการณ์ในวัตถุที่มีขนาดเล็กกว่าอะตอม แต่กลศาสตร์ควอนตัมนั้นสามารถอธิบายได้และคำนวณให้ผลที่แม่นยำมากกว่า
Ellie Goulding – Lights