ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#26 บทที่ 4 หลักความไม่แน่นอน : ทวิภาคของคลื่น-อนุภาคของแสงและสสาร

โดยทั่วไปกลศาสตร์ควอนตัมไม่ได้ทำนายผลลัพธ์ที่แน่นอนเพียงอย่างเดียวสำหรับการสังเกต แต่จะคาดการณ์ผลลัพธ์ที่เป็นไปได้ที่แตกต่างกันจำนวนหนึ่งและบอกให้เราทราบว่าแต่ละอย่างมีความเป็นไปได้มากน้อยเพียงใด กล่าวคือถ้ามีการวัดแบบเดียวกันในระบบที่คล้ายคลึงกันจำนวนมากซึ่งแต่ละระบบเริ่มต้นด้วยวิธีเดียวกัน เราจะพบว่าผลลัพธ์ของการวัดจะเป็น A ในบางกรณีเป็น B เราสามารถคาดเดาจำนวนครั้งโดยประมาณว่าผลลัพธ์จะเป็น A หรือ B แต่ไม่สามารถทำนายผลลัพธ์เฉพาะของการวัดแต่ละครั้งได้ กลศาสตร์ควอนตัมจึงนำองค์ประกอบที่ไม่อาจหลีกเลี่ยงได้ของ “ความไม่สามารถคาดเดาได้ (Unpredictability)” หรือ “การสุ่ม (Randomness)” เข้ามาในวิทยาศาสตร์

ไอน์สไตน์คัดค้านเรื่องนี้อย่างรุนแรงแม้ว่าเขาจะมีบทบาทสำคัญในการพัฒนาแนวคิดเหล่านี้ก็ตาม ไอน์สไตน์ได้รับรางวัลโนเบลจากผลงานทฤษฎีควอนตัม อย่างไรก็ตามไอน์สไตน์ไม่เคยยอมรับว่าจักรวาลถูกปกครองโดยบังเอิญ ความรู้สึกของเขาถูกสรุปไว้ในคำพูดที่มีชื่อเสียงของเขา“ พระเจ้าไม่เล่นลูกเต๋า” อย่างไรก็ตามนักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ ส่วนใหญ่เต็มใจที่จะยอมรับกลศาสตร์ควอนตัม เพราะมันเห็นด้วยอย่างสมบูรณ์กับการทดลอง อันที่จริงมันเป็นทฤษฎีที่ประสบความสำเร็จอย่างโดดเด่นและอยู่ภายใต้วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีสมัยใหม่เกือบทั้งหมด ควบคุมพฤติกรรมของทรานซิสเตอร์และวงจรรวมซึ่งเป็นส่วนประกอบสำคัญของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เช่น โทรทัศน์และคอมพิวเตอร์ และยังเป็นพื้นฐานของเคมีและชีววิทยาสมัยใหม่ พื้นที่เดียวของวิทยาศาสตร์กายภาพที่กลศาสตร์ควอนตัมยังไม่ได้รวมเข้าด้วยกันอย่างเหมาะสมคือความโน้มถ่วงและโครงสร้างขนาดใหญ่ของจักรวาล

 

ในช่วงปลายศตวรรษที่ 18 มีความก้าวหน้าอย่างมากในวงการฟิสิกส์ ฟิสิกส์คลาสสิกแบบนิวตันในเวลานั้นได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางในวงการวิทยาศาสตร์ว่ามีความสามารถในการอธิบายและทำนายปรากฏการณ์ต่างๆได้อย่างแม่นยำ อย่างไรก็ตามในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 นักฟิสิกส์พบว่ากฎของกลศาสตร์คลาสสิกใช้ไม่ได้ในระดับอะตอมและการทดลอง เช่น ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก ผลจากการสังเกตเหล่านี้นักฟิสิกส์ได้สรุปชุดของทฤษฎีที่ปัจจุบันรู้จักกันในชื่อ กลศาสตร์ควอนตัม (Quantum mechanics) ซึ่งเปลี่ยนวิธีที่นักฟิสิกส์มองจักรวาลโดยสิ้นเชิง และยังเป็นจุดสิ้นสุดของความคิดที่ว่าจักรวาลสามารถคาดเดาได้

ทฤษฎีทางกายภาพทั่วไปบอกคุณว่าระบบคืออะไรและวิวัฒนาการไปอย่างไรเมื่อเวลาผ่านไป กลศาสตร์ควอนตัมก็ทำเช่นกัน แต่ยังมาพร้อมกับชุดกฎใหม่ทั้งหมดซึ่งควบคุมสิ่งที่จะเกิดขึ้นเมื่อสังเกตหรือวัดระบบ โดยเฉพาะอย่างยิ่งผลการวัดไม่สามารถทำนายด้วยความมั่นใจอย่างสมบูรณ์แบบ สิ่งที่ดีที่สุดที่เราทำได้คือคำนวณ “ความน่าจะเป็น (probability)” สำหรับผลลัพธ์ที่เป็นไปได้ ยกตัวอย่างเช่น คุณพลิกเหรียญหลายครั้งในการทดลองใดๆ เราคาดว่าจะออกหัว 50% ของจำนวนครั้งและก้อย 50% ของจำนวนครั้ง ดังนั้นเราจึงกล่าวว่าความน่าจะเป็นที่จะได้หัวคือ 50% และเช่นเดียวกันสำหรับก้อย ดังนั้นกลศาสตร์ควอนตัมจึงนำ “การสุ่ม (Randomness)” มาใช้ในทางวิทยาศาสตร์

ไอน์สไตน์คัดค้านแนวคิดเรื่องการสุ่ม แม้ว่ารางวัลโนเบลที่เขาได้รับเป็นส่วนหนึ่งจากการมีส่วนร่วมในทฤษฎีควอนตัม เขาไม่เห็นด้วยกับแนวคิดที่ว่า “จักรวาลถูกควบคุมโดยความน่าจะเป็น” ซึ่งเป็นแนวคิดพื้นฐานของทฤษฎีควอนตัม เขาแสดงความคิดเห็นส่วนตัวด้วยคำพูดที่มีชื่อเสียงของเขา “พระเจ้าไม่เล่นลูกเต๋ากับจักรวาล” เขากำลังบอกว่าจักรวาลไม่ได้เป็นไปตามความน่าจะเป็น แต่ถูกกำหนดอย่างสมบูรณ์ เห็นได้ชัดว่าไอน์สไตน์ไม่มีความมั่นใจในประสิทธิภาพของกลศาสตร์ควอนตัมในฐานะเครื่องมือในการอธิบายผลการทดลองในห้องปฏิบัติการที่เกี่ยวข้องกับโลกของสิ่งที่มีขนาดเล็กมากนั่นคือโลกของโมเลกุล อะตอม และอนุภาค

แม้จะมีการประท้วงของไอน์สไตน์ แต่การทดลองต่างๆ ชี้ให้เห็นว่าพฤติกรรมของอนุภาคในระดับควอนตัมก็น่าจะได้รับอิทธิพลจากการสุ่ม ความสำเร็จที่ไม่อาจโต้แย้งได้ของทฤษฎีควอนตัมได้ทำให้นักฟิสิกส์ร่วมสมัยทุกคนเชื่อว่าพระเจ้าทรงเล่นลูกเต๋าอย่างแท้จริง

 

 

Ariana Grande – God is a woman

 

 

แม้ว่าแสงจะเป็นคลื่น แต่สมมติฐานควอนตัมของพลังค์ (Planck’s quantum hypothesis) ก็บอกเราว่ามันก็สามารถทำหน้าที่เป็นอนุภาคได้: สามารถปล่อยออกมาหรือดูดซับได้ในลักษณะเป็นก้อนหรือแพ็คเกจพลังงานที่เรียกว่า “ควอนตัมหรือควอนต้า

หลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก (Heisenberg’s Uncertainty Principle) ก็ระบุว่าอนุภาคมีพฤติกรรมเหมือนคลื่นในบางครั้ง: พวกมันไม่มีตำแหน่งที่แน่นอน แต่การเคลื่อนที่ของพวกมันกระจายออกไปตามความน่าจะเป็น ทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัมตั้งอยู่บนพื้นฐานของคณิตศาสตร์รูปแบบใหม่ที่ไม่ได้อธิบายโลกแห่งความเป็นจริงในแง่ของอนุภาคและคลื่นอีกต่อไป เป็นเพียงข้อสังเกตของโลกที่อาจอธิบายได้ในเงื่อนไขเหล่านั้น

(ผู้เขียน – หลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์กเป็นทฤษฎีพื้นฐานในกลศาสตร์ควอนตัม ที่กำหนดว่าเหตุใดนักวิทยาศาสตร์จึงไม่สามารถวัดตัวแปรควอนตัมหลายตัวแปรพร้อมกันได้ คุณไม่สามารถระบุได้อย่างแม่นยำและแน่นอนว่าอนุภาคแต่ละตัวจะไปที่ใด หรือแม้กระทั่งติดตามไปยังจุดหมายปลายทางเมื่ออนุภาคแต่ละตัวตกลงบนเครื่องตรวจจับ ดังนั้นการเคลื่อนที่ของพวกมันกระจายออกไปตามความน่าจะเป็น)

ดังนั้นในกลศาสตร์ควอนตัมจึงมีแนวคิด “ทวิภาคของคลื่น–อนุภาค (Wave–particle duality)” ขึ้นอยู่กับสถานการณ์ของการทดลอง : สำหรับการทดลองที่มีวัตถุประสงค์บางอย่าง การคิดว่าอนุภาคเป็นคลื่นจะเป็นประโยชน์ และทดลองที่มีวัตถุประสงค์อื่นๆ การคิดว่าคลื่นเป็นอนุภาคจะดีกว่า ผลลัพธ์ที่สำคัญคือเราสามารถสังเกตสิ่งที่เรียกว่า “การแทรกสอดระหว่างคลื่นหรืออนุภาค 2 ชุด” กล่าวคือ หากยอดของคลื่น (wave crest) ชุดหนึ่งตรงกับท้องของคลื่น (wave trough) อีกชุดหนึ่ง คลื่นทั้งสองชุดจะหักล้างซึ่งกันและกัน แทนที่จะเพิ่มคลื่นที่แรงกว่าอย่างที่คาดไว้ (รูปที่ 4.1)

 

ตัวอย่างที่คุ้นเคยที่แสดงการแทรกสอดของคลื่นแสง (Wave interference) คือ สีที่มักเห็นในฟองสบู่ สิ่งเหล่านี้เกิดจากการสะท้อนของแสงจากทั้งสองด้านของฟิล์มบางๆ ของน้ำที่ก่อตัวเป็นฟอง แสงสีขาวประกอบด้วยคลื่นแสงที่มีความยาวคลื่นหรือสีต่างกันทั้งหมด สำหรับความยาวคลื่นที่แน่นอน หากยอดคลื่นที่สะท้อนจากด้านหนึ่งของฟิล์มสบู่จะตรงกับท้องคลื่นที่สะท้อนจากอีกด้านหนึ่ง สีของคลื่นที่ได้จะไม่ปรากฎในแสงที่สะท้อนออกมา

 

แสงแสดงพฤติกรรมเป็นทั้ง “คลื่น” และ “อนุภาค” เมื่อเรากล่าวถึงแสงในคุณสมบัติความเป็นคลื่น เราเรียกว่า “คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic waves)” เมื่อเรากล่าวถึงแสงในคุณสมบัติของอนุภาค เราเรียกอนุภาคของแสงว่า “โฟตอน (Photon)”

 

“Light is comprised of colored particles”

ผลงานเกี่ยวกับคุณสมบัติของแสงของไอแซก นิวตัน (Isaac Newton) เริ่มจากปี 1666 เขาได้ศึกษาการหักเหของแสงและค้นพบว่าแสงสีขาวเมื่อผ่านปริซึมจะเกิดแถบสี 7 สี (สีรุ้ง) ซึ่งเขาประกาศว่า “แสงสีขาวเป็นส่วนผสมของสีต่างๆ ที่แตกต่างกันซึ่งแยกแยะได้เมื่อหักเหในปริซึม “

ในปี 1672 ไอแซก นิวตัน เป็นผู้บุกเบิกแนวคิดที่ว่าแสงเป็นอนุภาคด้วยทฤษฎีคอพัสคิวลาร์ของแสง (Corpuscular theory of light) โดยกล่าวว่าแสงประกอบขึ้นด้วยอนุภาคเล็กๆ เรียกว่า “คอพัสเคิล (corpuscles)” เดินทางเป็นเส้นตรงด้วยความเร็วจำกัดค่าหนึ่ง นิวตันใช้ทฤษฎีนี้เพื่ออธิบายการสะท้อนกลับของแสง อย่างไรก็ดีทฤษฎีคอร์พัสคิวลาร์ของนิวตันไม่สามารถอธิบายปรากฏการณ์การเลี้ยวเบน การแทรกสอด และโพลาไรเซชัน ของแสงได้ มันจึงถูกละทิ้งไป

 

“Light is a wave”

ในปี 1690 คริสเตียน ฮอยเกนส์ (Christiaan Huygens) นักคณิตศาสตร์ นักดาราศาสตร์ และนักฟิสิกส์ชาวดัตช์ เสนอทฤษฎีเพื่ออธิบายแสงที่มีลักษณะคล้ายคลื่น Huygens เชื่อว่าแสงเป็นคลื่น มิใช่อนุภาคดังที่ Newton คิด เป็นเพราะเขาคิดว่าความเร็วอย่างรวดเร็วของแสงจะเป็นไปได้ก็ต่อเมื่อแสงประกอบด้วยคลื่น Huygens เสนอว่าแสงเป็นคลื่นที่กระจายออกจากแหล่งกำเนิดแสงและเดินทางผ่านตัวกลางที่เรียกว่า “อีเธอร์ (Aether)” ทฤษฎีของ Huygens อธิบายกฎของการหักเหของแสง การเลี้ยวเบน การรบกวน และการสะท้อนอย่างละเอียด แม้ว่าการคำนวณกฎของการสะท้อนและการหักเหของแสงของเขาจะยังคงถูกต้อง แต่อีเธอร์เองก็ไม่มีอยู่จริง

 

“Proof of the wave theory of light”

ในปี 1801 โทมัส ยัง (Thomas Young) นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ ได้ดำเนิน “การทดลองแบบ 2 ช่อง (Double-slit Experiment)” กับแสง  เมื่อแสงจากแหล่งกำเนิดผ่านช่องเปิดเล็กๆ 2 ช่อง จะถูกแยกออกเป็นสองลำแสงและต่อมาจะรวมกันบนฉากที่อยู่ด้านหลังช่องเปิด ทำให้เกิดรูปแบบการแทรกสอดของคลื่น (Wave Interference) ซึ่งเป็นคุณสมบัติของคลื่น เป็นการยืนยันว่า  “แสงเป็นคลื่น”

การทดลองกับแสงของ Thomas Young เป็นส่วนหนึ่งของฟิสิกส์คลาสสิกมานาน ก่อนที่จะมีการพัฒนากลศาสตร์ควอนตัมและเกิดแนวคิดเรื่อง “ทวิภาคของคลื่น–อนุภาค (Wave–particle duality)”

 

“Light is electromagnetic waves”

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 จึงสามารถใช้คำว่า “แม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic)” ได้ นอกจากนี้สมการของแมกซ์เวลล์ยังแสดงให้เห็นว่า แสงมีความเร็วเท่ากับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic wave) คือ 3 x 10⁸ เมตรต่อวินาที ดังนั้นแสงจึงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าด้วย

 

“Light can be emitted in quanta”

กำเนิดกลศาสตร์ควอนตัมเริ่มในปี 1900 เมื่อแมกซ์ แพลงค์ (Max Planck) นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน ได้ศึกษาปรากฏการณ์การปลดปล่อยแสงออกจากวัตถุร้อนที่เรียกวัตถุดำ (ฺBlack body radiation) เขาเสนอสมมติฐานของแพลงค์ (Planck’s hypothesis) ดังนี้ วัตถุร้อนปลดปล่อยแสงออกมาในลักษณะเป็นก้อนหรือแพ็คเกจพลังงานที่เรียกว่า “ควอนตัม (quantum, เอกพจน์ quanta)” ที่ไม่ต่อเนื่อง ยิ่งความถี่ของแสงสูงเท่าใด พลังงานต่อควอนตัมก็ยิ่งมากขึ้นเท่านั้น 

 

“Light is a photon”

การศึกษาเกี่ยวกับแสงระดับที่ลึกลงไปในระดับอะตอมในยุคต่อมา มีหลักฐานที่แสดงให้เห็นว่า แนวคิดที่ว่าแสงเป็นคลื่นไม่สามารถอธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก (photoelectric effect) ซึ่งอิเล็กตรอนบินออกจากพื้นผิวโลหะเมื่อแสงมาตกกระทบ

ในปี 1905 อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันได้นำแนวคิดเรื่องควอนตัมของ Planck มาไขข้อข้องใจที่ว่า ทำไมแสงความถี่ต่ำที่มีความเข้มสูงจึงไม่สามารถสร้างพลังงานที่ทำให้เกิดปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกได้ ไอน์สไตน์อธิบายว่า แสงที่แพร่กระจายผ่านอวกาศไม่ใช่คลื่น แต่ที่จริงแล้วแสงเป็นกลุ่มของ “อนุภาค (โฟตอน)” ที่มีการแผ่กระจายพลังงานแบบไม่ต่อเนื่อง เมื่ออนุภาคของแสงที่มีพลังงาน E = hν ตกบนพื้นผิวโลหะ จะมีการถ่ายโอนพลังงานจากอนุภาคของแสงไปยังอิเล็กตรอนของโลหะ ถ้าอิเล็กตรอนได้รับพลังงานสูงพอที่จะเอาชนะแรงยึดเหนี่ยวของนิวเคลียสที่ยึดพวกมันไว้ มันจะสามารถหลบหนีออกจากโลหะกลายเป็นอิเล็กตรอนอิสระพร้อมกับมีพลังงานจลน์ติดตัวออกมาด้วย

การอธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกด้วยแนวคิดแสงเป็นกลุ่มของอนุภาคที่มีพลังงาน ส่งผลให้ไอน์สไตน์ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1921

 

 

Astrid S – Hurts So Good

 

 

การแทรกสอด (Interference) อาจเกิดขึ้นได้สำหรับอนุภาคเนื่องจากทวิภาคของคลื่น–อนุภาค (Wave-particle duality) ที่นำมาใช้ในกลศาสตร์ควอนตัม ตัวอย่างที่มีชื่อเสียงคือการทดลองแบบ 2 ช่อง (Double slit experiment) (รูปที่ 4.2) พิจารณาพาร์ติชันที่มีช่องเปิดแคบๆ สองช่อง ด้านหนึ่งของพาร์ติชันจะมีแหล่งกำเนิดแสงที่มีสีเฉพาะ (นั่นคือแสงที่มีความยาวคลื่นเฉพาะ) แสงส่วนใหญ่จะกระทบกับพาร์ติชั่น แต่ส่วนน้อยจะผ่านช่องเปิด สมมติว่าวางฉากที่ด้านหลังของพาร์ติชันเพื่อรับคลื่นแสงที่มาจากช่องทั้งสอง โดยทั่วไปแสงจะเดินทางในระยะทางที่แตกต่างกันจากแหล่งกำเนิดและผ่านช่องเปิดทั้งสองเพื่อไปยังฉากหลัง ซึ่งหมายความว่าคลื่นแสงที่มาจากช่องเปิดจะไม่อยู่ในเฟสซึ่งกันและกันเมื่อมาถึงฉาก: ในบางแห่งคลื่นจะตัดซึ่งกันและกัน บางแห่งคลื่นจะเสริมซึ่งกันและกัน ผลที่ได้คือรูปแบบของแถบสว่างและแถบสีเข้ม

สิ่งที่น่าทึ่งก็คือ การทดลองจะแสดงรูปแบบเดียวกันทุกประการหากมีการแทนที่แหล่งกำเนิดของแสงด้วยแหล่งกำเนิดของอนุภาค เช่น อิเล็กตรอนที่มีความเร็วที่แน่นอน (ซึ่งหมายความว่าคลื่นที่สอดคล้องกันมีความยาวที่แน่นอน) ดูเหมือนว่าจะแปลกมากขึ้น เพราะถ้ามีเพียงหนึ่งช่องเปิดก็จะไม่มีแถบใดๆ เกิดขึ้นที่ฉากรับ พบเพียงแค่การกระจายของอิเล็กตรอนที่สม่ำเสมอทั่วหน้าจอของฉาก ดังนั้นบางคนอาจคิดว่าการมีช่องเปิดเพิ่มขึ้นมาอีกช่องหนึ่งจะช่วยเพิ่มจำนวนอิเล็กตรอนที่พุ่งชนฉาก แต่เนื่องจากการแทรกสอดทำให้มันลดลงในบางแห่ง ถ้าอิเล็กตรอนถูกส่งผ่านช่องเปิดทีละตัว เราจะคาดหวังให้อิเล็กตรอนแต่ละตัวผ่านช่องเปิดใดช่องเปิดหนึ่ง และปฏิบัติเช่นนั้นราวกับว่าช่องที่มันผ่านนั้นมีเพียงตัวเดียวเท่านั้นที่มีการกระจายที่สม่ำเสมอบนฉากรับ อย่างไรก็ตามในความเป็นจริงแม้ว่าอิเล็กตรอนจะถูกส่งไปทีละครั้ง ก็ยังคงปรากฏเป็นแถบอยู่บนฉาก ดังนั้นอิเล็กตรอนแต่ละตัวจะต้องผ่านช่องทั้งสองในเวลาเดียวกัน!

(ผู้เขียน – การแทรกสอดของคลื่นจะเกิดขึ้นเมื่อคลื่นสองคลื่นที่เดินทางเข้าหากันมาในเวลาเดียวกัน)

 

การแทรกสอดระหว่างคลื่นหรืออนุภาค 2 ชุด

คุณสมบัติที่สำคัญอย่างหนึ่งของคลื่นคือ เราสามารถนำคลื่นสองคลื่นมารวมกันเพื่อสร้างคลื่นใหม่ที่มีขนาดใหญ่กว่า ต่ำกว่า หรือแอมพลิจูดเท่ากัน ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า “การแทรกสอดของคลื่น  (Wave Interference)” ตัวอย่างการแทรกสอดของคลื่นที่ดีที่สุดอย่างหนึ่ง แสดงให้เห็นโดยแสงที่สะท้อนจากฟิล์มน้ำมันที่ลอยอยู่บนน้ำ อีกตัวอย่างหนึ่งคือฟิล์มบางๆ ของฟองสบู่

 

การแทรกสอดของคลื่น (Wave Interference) เกิดขึ้นเมื่อคลื่นสองคลื่นที่เดินทางเข้าหากันมาถึงจุดเดียวกันในเวลาเดียวกัน หากยอดคลื่น (crest) และท้องคลื่น (trough) ของคลื่นทั้งสองเรียงตัวกันอย่างลงตัว พวกมันจะรวมกันเป็นคลื่นขนาดใหญ่ขึ้นโดยมีแอมพลิจูดเท่ากับผลรวมของแอมพลิจูดของคลื่นเดิม สิ่งนี้เรียกว่า “การแทรกสอดแบบเสริมกัน (Constructive interference)” อย่างไรก็ตามหากยอดของคลื่นหนึ่งอยู่ในแนวเดียวกับท้องของคลื่นอีกลูก พวกมันอาจก่อตัวเป็นคลื่นขนาดเล็กหรือตัดกันอย่างสมบูรณ์ สิ่งนี้เรียกว่า “การแทรกสอดแบบทำลายล้าง (Destructive interference)”

อนุภาคของสสารก็สามารถแสดงการแทรกสอดซึ่งกันและกัน การทดลองแบบ 2 ช่อง (Double-slit Experiment) เป็นการทดลองที่ยืนยันคุณสมบัตินี้ของอนุภาค

 

ทวิภาคของคลื่น-อนุภาค

ทวิภาคของคลื่น-อนุภาค (Wave–particle duality) หมายถึงคุณสมบัติพื้นฐานของแสงและสสาร ที่ในช่วงเวลาหนึ่งมันทำหน้าที่เหมือนคลื่น และในอีกขณะหนึ่งมันก็ทำหน้าที่เหมือนอนุภาค ซึ่งเป็นเป็นแนวคิดหนึ่งในกลศาสตร์ควอนตัมที่ว่า “สสารและแสงแสดงพฤติกรรมของทั้งคลื่นและอนุภาค” ขึ้นอยู่กับสถานการณ์ของการทดลอง

 

การทดลองที่ยืนยันลักษณะทวิภาคของคลื่น-อนุภาคของแสงและสสาร

การแทรกสอดของแสงเป็นปรากฏการณ์ทั่วไปที่สามารถอธิบายได้แบบฟิสิกส์คลาสสิกโดยการซ้อนทับของคลื่น อย่างไรก็ตามความเข้าใจที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นเกี่ยวกับการแทรกสอดของแสงจำเป็นต้องมีความรู้เกี่ยวกับ “ทวิภาคของคลื่น-อนุภาค (Wave–particle duality) ของแสง” ซึ่งเป็นแนวคิดในกลศาสตร์ควอนตัมที่แสดงถึงความจริงที่ว่า “แสงและสสารแสดงพฤติกรรมของทั้งคลื่นและอนุภาคขึ้นอยู่กับสถานการณ์”

ในฟิสิกส์ควอมตัม “การทดลองแบบ 2 ช่อง (Double-slit Experiment)” เป็นการทดลองที่แสดงให้เห็นว่าแสงและสสารสามารถแสดงลักษณะของคลื่นและอนุภาคได้

 

(1) Light has wave-like properties

การทดลองแบบ 2 ช่อง (Double-slit Experiment) ดำเนินการครั้งแรกกับแสงโดยนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษชื่อ Thomas Young ในปี 1801 ผลการทดลองของ Young ยืนยันว่า “แสงมีคุณสมบัติของคลื่น” โดยการทดลองได้แสดงให้เห็นว่า ถ้าให้แสงที่มีสีเดียวคือมีความยาวคลื่นเพียงค่าเดียว ตกกระทบรูขนาดเล็ก 2 รู ซึ่งมีการวางฉากข้างหลังรูทั้งสอง ซึ่งทำให้คลื่นแสงจะถูกแยกออกเป็นสองคลื่นแสงที่แยกจากกันและต่อมาจะรวมกันเป็นคลื่นแสงเดียวบนฉาก ทำให้เกิดรูปแบบการแทรกสอดของคลื่น (Wave Interference)

 

Young ได้สังเกตเห็นแสงบนฉากปรากฏเป็นแถบสว่างและแถบมืดเรียงสลับกัน  อธิบายได้ว่าเกิดจากการที่แสงมีสมบัติของคลื่น คือ มีความถี่ ความยาวคลื่น เฟส และแอมปลิจูด และถ้าเฟสของคลื่นทั้งสองตรงกัน (ยอดคลื่นตรงกับยอดคลื่น ท้องคลื่นตรงกับท้องคลื่น) คลื่นที่ออกมาจากรูทั้งสองจะเสริมซึ่งกันและกัน (Constructive interference) จะทำให้เกิดแถบสว่าง แต่ถ้าเฟสตรงกันข้าม การหักล้างกันของแสง (Destructive interference) จะทำให้เกิดแถบมืด นี่คือ การแทรกสอดของคลื่น (Wave Interference) ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่สำคัญอย่างหนึ่งของคลื่น นี้เป็นการยืนยันว่าแสงมีคุณสมบัติของคลื่น

และการชี้แจงนี้ได้เป็นคำอธิบายที่นักฟิสิกส์ทุกคนในเวลานั้นยอมรับ จนกระทั่งปี 1865 James Maxwell จึงได้เสนอทฤษฎีคลื่นของแสง ซึ่งมีใจความว่าแสงในธรรมชาติเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีองค์ประกอบเป็นคลื่นของสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าที่ตั้งฉากกัน เมื่อการทดลองของ Young และทฤษฎีคลื่นของ Maxwell ให้ผลที่สอดคล้องกัน นักฟิสิกส์จึงได้ยอมรับอย่างฝังใจว่า แสงเป็นคลื่นและมีสมบัติของคลื่น เพราะสามารถแสดงพฤติกรรมการสะท้อน การหักเห การแทรกสอด และการเลี้ยวเบนได้ ตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา

 

(2) Particle has wave-like properties

กลศาสตร์ควอนตัมบอกเราว่าอนุภาคของสสาร เช่น อิเล็กตรอน ก็แสดงทวิภาคของอนุภาค-คลื่น (Wave–particle duality) ซึ่งแสดงพฤติกรรมของทั้งคลื่นและอนุภาค 

ในการทดลองแบบ 2 ช่อง (Double-slit Experiment) แทนที่จะใช้แสง หากเราเปลี่ยนมาใช้ลำแสงอิเล็กตรอนเป็นแหล่งกำเนิด ถ้าอิเล็กตรอนเป็นเพียงอนุภาคซึ่งไม่มีคุณสมบัติการแทรกสอดเหมือนคลื่น จะปรากฎอิเล็กตรอนเพียง 2 กลุ่มเท่านั้นบนหน้าจอที่อยู่ด้านหลัง คือ แถบหนึ่งสำหรับอิเล็กตรอนที่ผ่านช่องทางด้านซ้าย และอีกแถบหนึ่งสำหรับอิเล็กตรอนที่ผ่านช่องทางด้านขวา ดังภาพข้างบน

 

แต่จากการทดลองแบบ 2 ช่อง (Double-slit Experiment) ที่มีการใช้ “ลำแสงอิเล็กตรอน” ซึ่งดำเนินการครั้งแรกโดย Claus Jönsson ที่เยอรมนีในปี 1961 เมื่อยิงลำแสงอิเล็กตรอนไปยังสิ่งกีดขวางที่มีช่อง 2 ช่อง เพื่อแยกลำแสงอิเล็กตรอนออกเป็นสองส่วนและสังเกตสิ่งที่ปรากฎขึ้นบนหน้าจอที่อยู่ด้านหลัง ผลการทดลองพบว่าอิเล็กตรอนก่อตัวเป็นรูปแบบ “การแทรกสอดของคลื่น (Wave Interference)” จะปรากฏเห็นเป็นแถบมืดสลับกับแถบสว่างอย่างชัดเจนแบบเดียวกับแสง ยืนยันได้ว่า “อนุภาคอิเล็กตรอนมีคุณสมบัติของคลื่น”

 

การทดลองแบบ 2 ช่อง (Double-slit Experiment) ในเวลาต่อมาได้รับการพัฒนา แทนที่จะยิงลำแสงอิเล็กตรอน ได้เปลี่ยนมาเป็นการยิง “อิเล็กตรอนเดี่ยว” ออกจากปืนอิเล็กตรอน วิ่งผ่านช่องเปิดทีละตัว การทดลองครั้งแรกดำเนินการโดย Giulio Pozzi ในปี 1974 ในอิตาลี และโดย Akira Tonomura ในปี 1989 ในญี่ปุ่น การทดลองแสดงให้เห็นว่าอิเล็กตรอนยังคงแสดงรูปแบบ “การแทรกสอดของคลื่น (Wave Interference)” บ่งชี้ว่าอิเล็กตรอนแต่ละตัวสามารถแทรกสอดตัวเองราวกับว่าพวกมันเป็นคลื่นเมื่อผ่านช่องทั้งสอง สรุปได้ว่า “อิเล็กตรอนแสดงคุณสมบัติของคลื่น” ไม่ว่าจะผ่านช่องเป็นลำแสงหรือผ่านเข้ามาทีละตัว 

 

 

Steve Aoki x Lauren Jauregui – All Night

 

 

• Facebook
• Twitter
• Line