MENU
Banner

แสงกับรางวัลโนเบล ตอนที่ 28 | ค.ศ.2005 สำหรับผลงานที่เกี่ยวกับการนำทฤษฎีควอนตัมมาอธิบายถึงความเป็นโคฮีเรจน์ของแสงและจากการพัฒนาเทคนิค Optical Frequency Comb สำหรับการวัดที่ให้ความละเอียดสูง

แสงกับรางวัลโนเบล
บทความ | ดร.ศรัณย์ สัมฤทธิ์เดชขจร
นักวิจัยอาวุโส ศูนย์เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์แห่งชาติ (เนคเทค-สวทช.)

ปี ค.ศ. 2005 ถือได้ว่าเป็นปีที่ครบรอบของการใช้ทฤษฎีควอนตัมมาพิจารณาแสงว่ามีคุณสมบัติเป็นอนุภาคที่ Albert Einstein ได้เริ่มต้นไว้เมื่อปี ค.ศ. 1905 โดยเฉพาะในปีนี้ครึ่งหนึ่งของรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ได้มอบให้แก่ Roy Glauber ที่ได้นำทฤษฎีควอนตัมมาอธิบายถึงคุณสมบัติของแสงโดยที่คุณสมบัติเหล่านี้สามารถตรวจวัดได้

ผลงานที่ Roy Glauber ได้สร้างขึ้นถือได้ว่าเป็นพื้นฐานที่สำคัญในสาขาวิจัยทางด้าน Quantum Optics ซึ่งเกี่ยวข้องกับการใช้คณิตศาสตร์เชิงสถิติมาศึกษาพฤติกรรมของโฟทอน ทั้งยังอธิบายให้เห็นความแตกต่างระหว่างแสงที่มีความเป็นโคฮีเรนจ์ที่ดี (มีความยาวคลื่นเดียวกัน มีเฟสตรงกัน และ มีทิศทางการเคลื่อนที่เดียวกัน) กับที่มีความเป็นโคฮีเรนจ์ไม่ดีได้

-
เมื่อแสงจากแหล่งกำเนิดสองแหล่งมาแทรกสอดกัน ผลที่ได้จากการพิจารณาแสงด้วย (ซ้าย) ฟิสิกส์ธรรมดาที่เห็นริ้วรอยการแทรกสอด และ (ขวา) ทฤษฎีทางควอนตัมที่เห็นโอกาสที่จะพบอนุภาคโฟทอนมากน้อยต่างกัน (nobelprize.org)

Roy Glauber ยังได้นำความรู้ทางด้านทฤษฏีควอนตัมมาอธิบายถึงกระบวนการตรวจวัดแสง โดยชี้ให้เห็นว่าเมื่อสามารถสังเกตเห็นอิเล็กตรอนที่เกิดจากการกระตุ้นด้วยแสงได้ แสดงว่าโฟทอนได้ถูกดูดซับไปและสถานะของโฟทอนได้เปลี่ยนไปด้วย และเมื่อใช้อุปกรณ์ตรวจวัดแสงจำนวนหนึ่งที่มีความสัมพันธ์กันและใช้คณิตศาสตร์อย่างสหสัมพันธ์ (Correlation) เข้ามาวิเคราะห์จะทำให้ระบบการตรวจวัดมีความไวที่จะสามารถตรวจสอบปรากฏการณ์ควอนตัมได้ดีขึ้น อย่างไรก็ตาม เนื่องจากปรากฏการณ์นี้ตรวจวัดได้ยากและมีปริมาณน้อย สัญญาณที่ตรวจวัดได้จึงถือได้ว่าเป็นข้อจำกัดที่ต่ำที่สุดที่เราจะทำได้

นอกเหนือจากผลงานที่ศาสตราจารย์ Roy Glauber ได้สร้างสรรค์ไว้ อีกหนึ่งผลงานที่ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปีนี้เกี่ยวข้องกับการพัฒนาเทคนิคที่เรียกว่า “หวีความถี่เชิงแสง (Optical Frequency Comb)” สำหรับการวัดที่ให้ความละเอียดสูง ซึ่ง John L. Hall และ Theodor W. Hänsch ได้เริ่มต้นขึ้น

เทคนิคดังกล่าวสามารถวัดความถี่ของแสงที่ให้ความถูกต้องและความแม่นยำสูงด้วยการใช้แสงเลเซอร์ที่รู้ความถี่ที่แน่นอนจำนวนมากเข้ามาช่วย อย่าลืมว่าการวัดความถี่ของแสงนั้นเป็นเรื่องที่ยากมากๆ เพราะว่า แสงสั่นด้วยความถี่ระดับล้านล้านวินาทีต่อครั้ง และไม่มีวัตถุใดหรือวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่มีการตอบสนองที่ไวขนาดนั้นได้

-
โครงสร้างแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ชนิดพัลส์ที่ให้แสงออกมาในระยะเวลาเพียงหนึ่งในพันล้านล้านวินาทีและมีแถบความถี่ที่กว้าง (nobelprize.org)

สิ่งที่สามารถทำได้คือการใช้แสงมาวัดแสงด้วยกันเองด้วยการสร้างแสงเลเซอร์ที่ให้ความถี่ของแสงเลเซอร์ออกมาจำนวนมากและมีช่องว่างระหว่างความถี่ของแสงเท่ากันตลอด ซึ่งเป็นที่มาของเทคนิคที่เรียกว่า “หวีความถี่เชิงแสง” หรือเปรียบเสมือนกับมีไม้บรรทัดที่มีขีดเล็กๆ ที่ขีดแต่ละขีดแทนด้วยความถี่แสงความถี่หนึ่งนั่นเอง

เมื่อรู้ความถี่ของแสงเลเซอร์ก็สามารถนำมาใช้หาความถี่การสั่นของอะตอมของธาตุ ซึ่งนำไปสู่นาฬิกาที่ให้ความผิดพลาดต่ำอย่างที่ไม่เคยมีมาก่อน นอกจากนี้ แสงเลเซอร์ที่ได้ยังสามารถนำไปตรวจวัดค่าความถี่ของแสงที่ต้องการตรวจสอบได้ อนึ่ง แสงเลเซอร์ที่ได้ออกมาจะมีช่วงเวลาสั้นมากๆ ซึ่งในปัจจุบันสามารถทำให้แสงเลเซอร์มีช่วงเวลาการเกิดสั้นเพียงหนึ่งในล้านล้านล้านล้านวินาทีได้

-
โครงสร้างพื้นฐานของระบบที่ให้กำเนิดแสงเลเซอร์ที่มีแสงเกิดขึ้นเพียงหนึ่งในสี่ร้อยสามสิบล้านล้านล้านวินาทีเท่านั้น (newscenter.lbl.gov)
ประวัติย่อ : Roy J. Glauber
-
Roy J. Glauber

Roy J. Glauber เกิดเมื่อวันที่ 1 กันยายน ค.ศ. 1925 ในนิวยอร์ค สหรัฐฯ ช่วงที่เป็นเด็กต้องติดตามครอบครัวไปขายของ (บิดาเป็นพนักงานขายอุปกรณ์ดับเพลิง) และเป็นเด็กที่ชอบศิลปะเนื่องจากมารดากระตุ้นให้รู้จักวาดรูป นอกจากนี้เขายังให้ความสนใจเรื่องที่เกี่ยวกับไฟฟ้า และ ชอบประดิษฐ์สิ่งของ ซึ่งลุงของเขาก็สนับสนุนด้วยการสมัครนิตยสาร Popular Mechanics ให้ ช่วงที่เขาเรียนอยู่ระดับมัธยมศึกษาตอนต้นก็ได้ลองสร้างกล้องดูดาวที่สามารถบันทึกภาพได้ด้วย และยังสนใจเรื่องของโพลาไรเซชันของแสงจากความประทับใจที่ได้จากพิพิธภัณฑ์ทางวิทยาศาสตร์และอุตสาหกรรมที่ได้เข้าไปชม หลังจากนั้นได้เข้าศึกษาระดับมัธยมศึกษาตอนปลายที่โรงเรียนสำหรับเด็กพิเศษทางวิทยาศาสตร์ที่ Bronx High School of Science ที่มีครูหนุ่มที่ไม่รู้จักเหน็ดเหนื่อยในการสอนวิทยาศาสตร์ให้กับเด็กๆ ครูคนหนึ่งได้ชักชวนเขาให้อ่านหนังสือแคลคูลัสด้วย ซึ่งช่วยให้เขาชอบวิชาคณิตศาสตร์มากขึ้น ช่วงที่เรียนมัธยมศึกษาตอนปลายนี้ก็ได้ประดิษฐ์กล้องดูสเปกตรัมของแสงขึ้นและได้นำเสนอในงานวิทยาศาสตร์ประจำปี 1939 ด้วย Roy J. Glauber เข้าเรียนฟิสิกส์ที่ Harvard University ในปี ค.ศ. 1941 และได้เข้าร่วมโครงการแมนฮัตตันในปี ค.ศ. 1943 โดยสังกัดฝ่ายทฤษฎี ในปี ค.ศ. 1946 เขากลับเข้าศึกษาต่อระดับปริญญาโทและเอกที่ Harvard University โดยทำวิจัยกับ Julian Schwinger และต่อมาทำงานเป็นนักวิจัยหลังปริญญาเอกที่ Princeton University จากคำแนะนำของ Robert Oppenheimer ตั้งแต่ปี ค.ศ. 1992 เป็นต้นมาได้กลับไปเป็นอาจารย์สอนที่ Harvard University

ประวัติย่อ : John L. Hall
-
John L. Hall

John L. Hall เกิดเมื่อวันที่ 21 สิงหาคม ค.ศ. 1934 ที่เมืองเดนเวอร์ มลรัฐโคโลราโด สหรัฐฯ ตั้งแต่เด็กก็เริ่มสนใจไฟฟ้าและวิทยุจากการที่บิดาเป็นวิศวกรและมารดาเป็นครูที่ช่วยสนับสนุนเขาทั้งทางตรงและทางอ้อมในเรื่องการเรียน เขาได้รับทุน Westinghouse ไปศึกษาต่อที่ Carnegie Mellon University และจบการศึกษาระดับปริญญาตรี โท และ เอก ทางฟิสิกส์ ในปี ค.ศ. 1956 1958 และ 1961 ตามลำดับ หลังจากนั้นได้ทำงานเป็นนักวิจัยหลังปริญญาเอกที่ National Bureau of Standards และตั้งแต่ปี ค.ศ. 1962 เป็นต้นมาก็รับผิดชอบการสร้างสรรค์นวัตกรรมและการพัฒนาเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับเลเซอร์ที่ Joint Institute for Laboratory Astrophysics ที่ดูแลโดย University of Colorado และ National Institute of Standards and Technology

ประวัติย่อ : Theodor W. Hänsch
-
Theodor W. Hänsch

Theodor W. Hänsch เป็นชาวเยอรมันที่มีบิดาทำงานในบริษัทส่งออกเครื่องจักร เขาเกิดในเมือง Heidelberg เมื่อวันที่ 30 ตุลาคม ค.ศ. 1941 และเป็นลูกคนโตในจำนวนพี่น้องทั้งหมด 3 คน ช่วงวัยเรียนระดับมัธยมศึกษาชอบอ่านหนังสือ Popular Science นวนิยายวิทยาศาสตร์ รวมถึงชอบทำการทดลองทางวิทยาศาสตร์ เขาเข้าศึกษาระดับปริญญาตรีที่ University of Heidelberg โดยเลือกเรียนฟิสิกส์เพราะมีแนวคิดที่จะเอาคณิตศาสตร์ไปอธิบายฟิสิกส์ ต่อมาเกิดความประทับใจที่ได้เห็นแสงเลเซอร์จึงตัดสินใจทำงานวิจัยกับอาจารย์ Peter Toschelc (นักศึกษาของ Wolfgang Pauli) โดยเน้นทางเลเซอร์ที่มีตัวกลางเป็นแก๊ส เขาสำเร็จการศึกษาระดับปริญญาตรีในปี ค.ศ. 1966 และปริญญาเอกในปี ค.ศ. 1969 หนึ่งปีต่อมาได้รับทุน NATO ไปทำงานเป็นนักวิจัยหลังปริญญาเอกที่สหรัฐฯ โดยได้ร่วมงานกับ Arthur L. Schawlow ที่ Stanford University จากการที่เขาสร้างผลงานได้มากทำให้ได้เลื่อนตำแหน่งเป็นรองศาสตราจารย์ที่ Stanford University ในปี ค.ศ. 1973 และในปี ค.ศ. 1975 ก็ได้เป็นศาสตราจารย์ ช่วงปี ค.ศ. 1974 เขากับ Arthur Schawlow คิดที่จะใช้เลเซอร์มาทำให้อะตอมเย็นตัวลง แต่เนื่องจากยังคิดไม่ออกว่าจะทำอย่างไร และ ระหว่างนั้นมีงานวิจัยอื่นที่น่าสนใจรออยู่จึงไม่ได้ลงมือทำเต็มที่ ตั้งแต่ปี ค.ศ. 1986 เป็นต้นไปมา ได้ย้ายกลับไปทำงานที่เยอรมันโดยเป็นศาสตราจารย์ทางฟิสิกส์ทฤษฎีที่ Ludwig-Maximillians University of Munich และได้ก่อตั้งส่วนวิจัยทางเลเซอร์สเปกโตรสโคปีขึ้นที่ Max Planck Institute

แหล่งข้อมูล

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

บทความที่เกี่ยวข้อง

แสง รางวัลโนเบล Optical Frequency Comb

วันที่เผยแพร่ 25 กรกฏาคม 2562 15:30