ข่าวสาร

แสงกับรางวัลโนเบล ตอนที่ 27 | ค.ศ.2001 สำหรับความสำเร็จในการควบแน่นอะตอมของก๊าซให้อยู่ในสถานะ Bose-Einstein

Facebook
Twitter
Bose-Einstein
บทความ | ดร.ศรัณย์ สัมฤทธิ์เดชขจร
นักวิจัยอาวุโส ศูนย์เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์แห่งชาติ (เนคเทค-สวทช.)

เป็นที่รู้กันว่าเมื่ออะตอมเคลื่อนที่ช้าลงและมีอุณหภูมิที่ลดลงด้วย คุณสมบัติของอะตอมจะสามารถอธิบายด้วยทฤษฎีทางควอนตัม และจากความรู้ที่มีมาแต่เดิมที่ว่าอะตอมหมุนรอบแกนของมันเองซึ่งอธิบายด้วยเลขควอนตัมสปิน (Spin Quantum Number) โดยอะตอมที่มีเลขควอนตัมสปินเป็นเลขจำนวนเต็มจะถูกจัดให้อยู่ในกลุ่มอนุภาคที่เรียกว่า Boson ซึ่งสามารถอยู่ใกล้กันได้ โดยเฉพาะเมื่ออุณหภูมิของอะตอมที่เป็น Boson มีอุณหภูมิลดลง มันจะอยู่ใกล้กันและมีสถานะทางควอนตัมเหมือนกัน นักคณิตศาสตร์ที่ชื่อ Satyendra Nath Bose ได้ใช้คณิตศาสตร์เชิงสถิติอธิบายอนุภาคที่มีพฤติกรรมเช่นนี้ และเป็นที่มาที่ว่าทำไมอนุภาคเหล่านี้จึงมีชื่อว่า Boson ในช่วงเวลาต่อมา

ประมาณปี ค.ศ. 1924 Satyendra Nath Bose ได้อธิบายกฎการแผ่รังสีด้วยสมการคณิตศาสตร์ในอีกมุมมองหนึ่งที่ต่างไปจาก Max Planck โดยพิจารณาที่โฟทอนซึ่งไม่มีมวลแทน ซึ่งหลังจากที่ Albert Einstein ได้เห็นผลงานนี้จึงได้ขยายหลักการนี้ไปยังอนุภาค Boson ที่มีมวล โดยคาดเดาว่าเมื่ออนุภาคที่เป็น Boson จำนวนหนึ่งมีอุณหภูมิต่ำลงประมาณที่ 100 นาโนเคลวิน และมีความเร็วลดลงเหลือประมาณ 2-3 มิลลิเมตรต่อวินาที (จากเดิมประมาณ 500 เมตรต่อวินาที) จนอยู่ใกล้กันเพียงพอ อนุภาคเหล่านี้จะอยู่ในสถานะที่มีพลังงานต่ำสุดซึ่งเรียกว่า การควบแน่นแบบ Bose-Einstein (Bose-Einstein Condensation – BEC)

Albert Einstein ได้เผยแพร่ผลงานวิชาการนี้ในปี ค.ศ. 1925 ซึ่ง ณ เวลานั้นทฤษฎีควอนตัมยังไม่สมบูรณ์นัก ความเข้าใจในเรื่องของ Boson ก็ยังมีไม่มาก และ เครื่องมือที่จะใช้พิสูจน์แนวคิดดังกล่าวก็ยังไม่มี

-
รูป BEC ที่อุณหภูมิ 400, 200 และ 50 นาโนเคลวิน ตามลำดับจากซ้ายไปขวา ซึ่งจำนวนอะตอมเกาะกลุ่มกันมากขึ้น (ความสูงของกราฟมาก) เมื่ออุณหภูมิลดต่ำลง (https://www.colorado.edu/physics/2000/bec/three_peaks.html)

อย่างไรก็ตาม สถานะของอนุภาคใหม่นี้ต้องใช้เวลาถึง 70 ปี (ค.ศ. 1995) ที่นักวิทยาศาสตร์ 3 คน คือ Eric A. Cornell, Wolfgang Ketterle และ Carl E. Wieman ได้ทำการสาธิตโดยอาศัยกับดักแสงและแม่เหล็ก (Magneto-optical trap) ผสมผสานเข้ากับการระเหยของอะตอมของก๊าซที่มีความเร็วสูง (Evaporation) จนทำให้กลุ่มอะตอมของก๊าซรูบิเดียม (Rb) และโซเดียม (Na) เย็นลงที่ระดับอุณหภูมิ 20 นาโนเคลวิน และรวมตัวกันเป็นกลุ่มของอะตอมที่มีพฤติกรรมเหมือนกัน เหมือนกับเลเซอร์ที่มีโฟทอนที่มีพฤติกรรมเดียวกัน

ลักษณะของกลุ่มอะตอมของก๊าซที่รวมกลุ่มกันนี้มีรูปร่างเป็นทรงกลมเส้นผ่านศูนย์กลางในช่วง 10-50 ไมโครเมตร หรือ เป็นแท่งที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 15 ไมโครเมตร ยาว 300 ไมโครเมตร และ มีจำนวนอะตอมตั้งแต่หลักพันอะตอมไปจนถึงพันล้านอะตอมได้ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับชนิดของก๊าซ

ความรู้ในส่วนนี้ยังช่วยให้ Wolfgang Ketterle สร้างกลุ่มอะตอมที่มีสถานะ BEC ขึ้นมา 2 ชุด แล้วทำให้กลุ่มอะตอมมาแทรกสอดกัน รวมไปถึงการปลดปล่อยอะตอมที่มีพฤติกรรมเหมือนกันนี้ออกมาเป็นชุดเสมือนกับเป็นอะตอมเลเซอร์ด้วย

-
ภาพการปล่อยอะตอมที่มีความเป็นโคฮีเรนจ์ออกมาเป็นชุดเสมือนกับเป็นแสงเลเซอร์ที่อนุภาคเป็นอะตอมแทนที่จะเป็นโฟทอน (https://cua.mit.edu/ketterle_group/Projects_1997/Atom_laser_pics/Atom_laser_pics.htm)
ประวัติย่อ : Eric A. Cornell
-
Eric A. Cornell

Eric A. Cornell เกิดที่เมือง Palo Alto ในแคลิฟอร์เนีย สหรัฐฯ เมื่อวันที่ 19 ธันวาคม ค.ศ. 1961 จากการที่มีบิดาจบทางด้านวิศวกรรมศาสตร์ทำให้เขาได้ฝึกคิดหาคำตอบจากปัญหาที่พ่อตั้งขึ้นมาอยู่เสมอ ซึ่งช่วยผลักดันให้เขาชอบคิดในเชิงเทคนิคและวิเคราะห์มากขึ้น ช่วงที่เรียนอยู่มัธยมศึกษาก็เริ่มหัดเขียนโปรแกรมคอมพิวเตอร์อย่าง Basic C และ Fortran ทั้งยังชอบเล่นหมากรุกและได้เข้าร่วมชมรมคณิตศาสตร์ของโรงเรียนด้วย เขาเข้าเรียนระดับปริญญาตรีที่ Stanford University โดยได้ร่วมในกลุ่มวิจัยทางด้านฟิสิกส์ที่อุณหภูมิต่ำ หลังจากนั้นได้ย้ายไปเรียนระดับปริญญาโทและเอกที่ Massachusettes Institute of Technology โดยได้เลือกทำวิจัยกับกลุ่มของ Dave Pritchard และเน้นไปที่การจับอะตอม หลังจากจบการศึกษาระดับปริญญาเอกได้มองหาตำแหน่งนักวิจัยหลังปริญญาเอกที่เน้นเกี่ยวกับเลเซอร์ซึ่งตัวเองขาดอยู่และต้องการที่จะเสริมประสบการณ์ส่วนนี้เข้าไป จึงได้พบกับ Carl E. Wieman และได้ร่วมวิจัยกันในเวลาต่อมา

ประวัติย่อ : Wolfgang Ketterle
-
Wolfgang Ketterle

Wolfgang Ketterle เป็นชาวเยอรมันเกิดเมื่อวันที่ 21 ตุลาคม ค.ศ. 1957 ในครอบครัวที่บิดาและมารดาสนับสนุนให้ลูกทุกคนสนใจในเรื่องดนตรี กีฬา และ วิทยาศาสตร์ ความสนใจทางด้านเทคโนโลยีมีมากขึ้นจากการที่ได้ของเล่น LEGO มา และต่อมาก็มีความชอบในเรื่องของอิเล็กทรอนิกส์เข้าไปด้วย นอกเหนือจากการเรียน Wolfgang Ketterle ยังชอบเล่นฟุตบอลและบาสเก็ตบอลด้วย หลังจากจบการศึกษาระดับมัธยมศึกษาและจากการที่ชอบใช้คณิตศาสตร์มาอธิบายโลกแห่งความเป็นจริงอย่างฟิสิกส์จึงได้เลือกเรียนฟิสิกส์ที่ University of Heidelberg ในปี ค.ศ. 1976 เขาอยู่ที่นี่เป็นเวลา 2 ปี จึงย้ายไปศึกษาต่อที่ Technical University of Munich เขาได้รับปริญญาเอกในปี ค.ศ. 1986 หลังจากนี้อีก 3 ปี Wolfgang Ketterle มีแนวคิดที่อยากจะทำอะตอมให้เย็นลง จึงเข้าร่วมงานวิจัยกับ Dave Pritchard ที่ Massachusettes Institute of Technology ในปี ค.ศ. 1990

ประวัติย่อ : Carl E. Wieman
-
Carl E. Wieman

Carl E. Wieman เกิดวันที่ 26 มีนาคม ค.ศ. 1951 ที่มลรัฐโอเรกอน สหรัฐฯ มีพี่น้อง 5 คนโดยตัวเองเป็นคนที่ 4 ตั้งแต่เด็กก็อยู่กับธรรมชาติมาตลอดเนื่องจากบิดาทำงานในอุตสาหกรรมป่าไม้ และทุกสัปดาห์ทั้งครอบครัวจะเข้าสู่ตัวเมืองเพื่อจับจ่ายซื้อของและใช้เวลาส่วนหนึ่งเข้าห้องสมุดประชาชน จากการที่บ้านไม่มีโทรทัศน์เหมือนครอบครัวของเพื่อนๆ ทำให้มีเวลาอ่านหนังสือมากกว่าคนอื่น ในช่วงที่เรียนระดับมัธยมศึกษาก็ได้เจอกับครูวิทยาศาสตร์และคณิตศาสตร์ที่ทุ่มเทกับการสอน ซึ่งมีส่วนสำคัญในการให้เขาตัดสินใจเข้าศึกษาต่อทางด้านวิทยาศาสตร์ นอกจากนี้ จากการที่มีพี่ชายที่ชอบประดิษฐ์สิ่งของและชอบทำการทดลอง ทำให้เขาชอบตามไปด้วย ช่วงที่เรียนปริญญาตรีอยู่ที่ Massachusettes Institute of Technology ได้เลือกฟิสิกส์และเริ่มช่วยอาจารย์ทำวิจัยในเรื่องที่เกี่ยวกับการนำเลเซอร์มาศึกษาอะตอม โดยได้ร่วมทำงานในกลุ่มวิจัยของศาสตราจารย์ Don Kleppner ซึ่งได้ทำให้เขาได้มีโอกาสสนทนากับนักศึกษาระดับปริญญาโทและเอก และนักวิจัยหลังปริญญาเอกอย่าง Dave Pritchard นอกเหนือจากการทำงานวิจัยแล้ว เขายังใช้เวลาเล่นเทนนิส และ หมากรุกด้วย สำหรับปริญญาโทและเอก Carl Wieman ได้ย้ายไปศึกษาต่อที่ Stanford University โดยทำวิจัยกับ Theodor W. Hänsch หลังจากนั้นทำงานเป็นผู้ช่วยนักวิทยาศาสตร์ที่ University of Michigan และต่อมาได้เลื่อนตำแหน่งเป็นผู้ช่วยศาสตราจารย์ หลังจากนั้นได้ย้ายไปทำงานที่ University of Colorado ที่เมือง Boulder

แหล่งข้อมูล

  • G. Ekspong Ed., Nobel Lectures in Physics 2001-2005, World Scientific Publishing, June 2008.
  • https://nobelprize.org , accessed Feb 2019.
  • https://en.wikipedia.org , accessed Feb 2019.
  • ศรัณย์ สัมฤทธิ์เดชขจร, โฟโทนิกส์ มหัศจรรย์แห่งแสง, นานมีบุ๊คพับลิเคชัน, กรุงเทพฯ, กุมภาพันธ์ 2549.

บทความที่เกี่ยวข้อง