แสงซินโครตรอน : แสงวิจัยและพัฒนา

เมื่อ Newton ทดลองให้แสงอาทิตย์ส่องผ่านปริซึม ในปี พ.ศ. 2209 (รัชสมัยสมเด็จพระนารายณ์มหาราช) เขาได้พบว่าปริซึมได้แยกแสงออกเป็นแถบสี (ม่วง คราม น้ำเงิน เขียว เหลือง แสด และแดง) ซึ่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ตาเห็นได้นี้มีความยาวคลื่นตั้งแต่ 400-700 นาโนเมตร (1 นาโนเมตร = 10-9 เมตร) เมื่อถึงวันนี้นักฟิสิกส์รู้ว่า คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านอกจากจะประกอบด้วยแสงที่ตาเห็น (visible light) แล้ว ยังมีรังสีแกมมา รังสีเอกซ์ รังสีอัลตราไวโอเลต รังสีอินฟราเรด และคลื่นวิทยุอีกด้วย ซึ่งคลื่นอินฟราเรด และวิทยุมีความยาวคลื่นมากกว่าแสงที่ตาเห็น ส่วนคลื่นที่เหลือมีความยาวคลื่นน้อยกว่า นอกจากนี้เราก็ยังรู้อีกว่า คลื่นแต่ละชนิดมีแหล่งกำเนิดต่างๆ กัน เช่น หลอดไฟธรรมดา และหลอดนีออนให้แสงอินฟราเรด แสงอัลตราไวโอเลต และแสงที่ตาเห็น ส่วนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในวิทยุให้คลื่นวิทยุ และสำหรับรังสีแกมมานั้น ได้จากการแผ่รังสีของอิเล็กตรอนในเครื่องเร่งอนุภาค หรือจากการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี เป็นต้น

ตามปกติแสงจากหลอดนีออน หรือหลอดก๊าซอื่นใดที่เราเห็น เกิดจากการที่อิเล็กตรอนในอะตอมของก๊าซถูกกระตุ้นด้วยความร้อน ทำให้มันกระโจนขึ้นไปโคจรที่ระดับสูง แต่ก็อยู่ในวงโคจรได้ไม่นาน เพราะมันจะโผลงมาโคจรที่ระดับต่ำอีก และในการกระทำเช่นนี้ อิเล็กตรอนจะปล่อยพลังงานออกมาในรูปของแสง เพราะในของแข็งมีอิเล็กตรอนจำนวนมาก และอิเล็กตรอนเหล่านี้ส่งแรงกระทำต่อกันและกันตลอดเวลา ดังนั้น เวลาอิเล็กตรอนเหล่านี้ปลดปล่อยพลังงานออกมา คลื่นที่ได้จะมีความยาวคลื่นแตกต่างกันน้อย ทำให้เราได้แถบแสง (spectrum) ที่มีความยาวคลื่นเรียงรายเป็นชุด (continuous spectrum) เช่น หลอดทังสเตน หากถูกทำให้ร้อนถึง 3,000 องศาเซลเซียส จะปล่อยแสงที่มีความยาวคลื่น 900 นาโนเมตร คือในช่วงอินฟราเรดมากที่สุด แต่ถ้าจะทำให้หลอดทังสเตนปล่อยแสงที่มีความยาวคลื่น 300 นาโนเมตร มากที่สุด นักทดลองจะต้องทำให้หลอดทังสเตนมีอุณหภูมิสูงถึง 10,000 องศาเซลเซียส แต่เพราะทังสเตนมีจุดหลอมเหลวที่อุณหภูมิ 3,140 องศาเซลเซียส และจุดเดือดที่อุณหภูมิ 5,650 ดังนั้นเราจึงเห็นได้ว่า เราไม่สามารถใช้หลอดทังสเตนสร้างแสงที่มีความยาวคลื่น 300 นาโนเมตรได้ นั่นคือ การใช้ของแข็งร้อนเป็นแหล่งกำเนิดแสงที่มีความยาวคลื่นสั้นจึงเป็นเรื่องที่ไม่มีใครทำได้ ยิ่งเป็นกรณีรังสีเอกซ์ หรือรังสีแกมมาแล้วก็เป็นเรื่องที่เป็นไปไม่ได้เลย

สำหรับเหตุผลที่นักวิทยาศาสตร์ต้องการคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นสั้นมาก นั่นก็เพราะเวลาจะศึกษาอะตอมเขาต้องการคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นพอๆ กับขนาดของอะตอม นั่นคือ ระดับ 1 นาโนเมตร ดังนั้น การมีแหล่งกำเนิดแสงที่ให้แสงความยาวคลื่นระดับนาโนเมตร จึงเป็นเรื่องจำเป็นสำหรับนักวิทยาศาสตร์เพื่อให้สามารถใช้ศึกษาสสารได้

แต่ก็นับว่าโชคดีที่ทฤษฎีของ James Clerk Maxwell ผู้เป็นนักฟิสิกส์ทฤษฎีชาวอังกฤษได้แสดงให้เห็นว่า หากเราเร่งอนุภาคอิเล็กตรอนให้เคลื่อนที่เป็นวงกลม อิเล็กตรอนจะแผ่รังสี และคลื่นแม่เหล็กที่เกิดขึ้นจะมีความเข้มมากน้อยในทิศทางต่างๆ กัน โดยมีความเข้มมากที่สุดในระนาบที่ตั้งฉากกับแกนวงโคจรของอิเล็กตรอนตัวนั้น

และนี่ก็คือสิ่งที่นักฟิสิกส์สังเกตเห็นเป็นครั้งแรก เมื่อดาว supernova ระเบิด เพราะขณะนั้นอิเล็กตรอนถูกสนามแม่เหล็กความเข้มสูงเร่งทำให้มันแผ่รังสี และประวัติศาสตร์ก็ได้บันทึกว่า เมื่อวันที่ 19 เมษายน พ.ศ. 2490 Herb Pollock, Robert Langmuir, Frank Elder และ Anatole Gurewitsch แห่งบริษัท General Electric ที่เมือง Schenectady ในรัฐ New York ประเทศสหรัฐอเมริกา ได้เห็นรังสีสีฟ้าขาวแผ่กระจายออกมาจากอิเล็กตรอนที่กำลังถูกเร่งในเครื่องเร่งอนุภาคชนิด Synchrotron เป็นครั้งแรกในห้องปฏิบัติการบนโลก และนี่ก็คือที่มาของชื่อ แสงซินโครตรอน

การศึกษาแสงซินโครตรอนในเวลาต่อมาทำให้เรารู้ว่า เวลาอิเล็กตรอนเคลื่อนที่แสง หรือรังสีซินโครตรอนจะพุ่งออกมาทางด้านหน้าของอิเล็กตรอน ถ้าความเร็วของอิเล็กตรอนยิ่งสูง กลุ่มแสงจะลีบลงๆ โดยมีมุมบานที่ขึ้นกับ 1-v2/c2 เมื่อ v เป็นความเร็วของอิเล็กตรอน และ c คือความเร็วแสง ดังนั้น ถ้า v=0.9999975c หรือ v เท่ากับ 0.9999975 เท่าของความเร็วแสง มุมบานของกรวยแสงจะน้อยเกือบเท่าศูนย์องศา นั่นคือแสงที่ได้จะแหลมคม และมีความเข้มสูงมาก

ย้อนอดีตไปเมื่อ 60 ปีก่อน แสงซินโครตรอนที่อิเล็กตรอนปล่อยออกมานี้ นักฟิสิกส์คิดว่าเป็นขยะที่น่ารำคาญ เพราะเวลาอิเล็กตรอนปล่อยแสงออกมา อิเล็กตรอนจะสูญเสียพลังงานไป ทำให้นักฟิสิกส์ไม่สามารถเร่งอิเล็กตรอนให้มีพลังงานสูงขึ้นได้ มาบัดนี้แสงซินโครตรอนกำลังเป็นอุปกรณ์วิจัยที่สำคัญของวงการวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีไม่ยิ่งหย่อนกว่าแสงเลเซอร์

จากการที่นักวิทยาศาสตร์สามารถปรับความเร็วของอิเล็กตรอนได้ ทำให้มันมีความเร่งต่างๆ ได้ จึงมีผลทำให้แสงที่อิเล็กตรอนปล่อยออกมามีความยาวคลื่นต่างๆ นานา คือตั้งแต่แสงความยาวคลื่นสั้น เช่น รังสีแกมมา จนกระทั่งถึงแสงที่มีความยาวคลื่นยาว เช่น รังสีอินฟราเรด และเมื่อลำแสงที่ได้มีลักษณะเรียว อีกทั้งมีความยาวคลื่นเดียว มันจึงมีประโยชน์ในการวิจัย และการอุตสาหกรรมมาก เช่น ใช้ถ่ายภาพหลอดเลือดหัวใจ ศึกษาโครงสร้างของผลึก ทำวงจร IC (Integrated Circuit) ตรวจสอบปฏิกิริยาเคมี พัฒนายารักษาโรค สร้างอุปกรณ์ขนาดเล็กสำหรับใช้ในการผ่าตัด ศึกษาการแพร่ซึมของสารพิษในสิ่งแวดล้อม ออกแบบวัสดุชนิดใหม่ที่มีคุณสมบัติดีกว่าวัสดุธรรมชาติ ออกแบบไมโครชิปเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของเครื่องคอมพิวเตอร์ ศึกษาเทคนิคการเคลือบวัสดุ วิเคราะห์องค์ประกอบของธาตุปริมาณน้อยที่ปนเปื้อนในวัตถุโบราณโดยไม่ทำให้วัตถุนั้นเสื่อมสภาพ และช่วยให้นักนิติเวชวิทยาสามารถหาสารพิษในผู้เสียชีวิตได้ เป็นต้น

จึงนับว่าแสงซินโครตรอนกำลังมีบทบาทในการไขความลับของโลกระดับอะตอมมากขึ้นๆ ทุกวัน และก็เป็นที่รู้กันว่า ขณะนี้ประเทศไทยเรามีศูนย์ปฏิบัติการวิจัยเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนแห่งชาติ (National Synchrotron Research Center) ซึ่งอยู่ในกำกับของกระทรวงวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแล้วตั้งแต่ปี 2540 และศูนย์นี้ตั้งอยู่ที่เทคโนธานี มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี จังหวัดนครราชสีมา โดยมีนักวิทยาศาสตร์ นักเทคนิค วิศวกรนับร้อยร่วมกันทดลองควบคุมการทำงานของอุปกรณ์ เพื่อวิจัยวัสดุชีวสาร และผลกระทบของรังสีต่อชีววัตถุต่างๆ โดยในปีงบประมาณ 2547 ศูนย์ได้รับงบประมาณการวิจัยจากรัฐบาล 20 ล้านบาท และเมื่อถึงเดือนมิถุนายน 2548 อุปกรณ์ซินโครตรอนของศูนย์จะสามารถผลิตแสงซินโครตรอนที่มีพลังงาน 1.2 Gev ได้

ไม่เพียงแต่ประเทศไทยเท่านั้นที่มีอุปกรณ์ซินโครตรอนใช้ ประเทศที่กำลังพัฒนาอื่นๆ เช่น ประเทศในตะวันออกกลางก็กำลังสร้างและติดตั้งซินโครตรอนของตนเช่นกัน เพราะขณะนี้นักวิทยาศาสตร์จากประเทศอิสราเอล จอร์แดน อียิปต์ ตุรกี บาห์เรน และปากีสถาน กำลังติดตั้งอุปกรณ์ซินโครตรอนของโครงการ SESAME (Synchrotron Light for Experimental Science and Applications in the Middle East) ที่เมือง Allan ซึ่งอยู่ทางตอนเหนือของกรุง Amman ประมาณ 30 กิโลเมตร เพื่อให้นักวิทยาศาสตร์จากประเทศในเครือข่ายศึกษาวิจัยโครงสร้างของโปรตีน และอะตอมของวัสดุใหม่ๆ

และเมื่อเดือนตุลาคมที่ผ่านมานี้ นักวิทยาศาสตร์จากอิหร่าน และปาเลสไตน์ก็ได้เข้าร่วมในโครงการด้วย

ความจริงอุปกรณ์ซินโครตรอนของโครงการ SESAME นี้ได้รับบริจาคมาจากห้องปฏิบัติการฟิสิกส์แห่งมหาวิทยาลัย Hamburg ของเยอรมนี และเมื่อเยอรมนีต้องการสร้างอุปกรณ์ชิ้นใหม่ที่มีประสิทธิภาพยิ่งกว่าเก่า จึงได้บริจาคให้ประเทศอื่น ประจวบกับขณะนั้น (ปี พ.ศ. 2543) รัฐบาลอิสราเอลกับปาเลสไตน์เซ็นสัญญาร่วมมือทางวิชาการกัน ดังนั้น อุปกรณ์ซินโครตรอนจึงเปิดโอกาสให้นักวิทยาศาสตร์จากทั้งสองประเทศทำงานร่วมกัน และประเทศคู่กรณีก็ได้ตัดสินใจติดตั้งซินโครตรอนในประเทศที่เป็นกลางคือจอร์แดน ซึ่งก็เป็นที่พอใจเพราะ Allan อยู่ไม่ไกลจาก Istanbul คือเพียง 2 ชั่วโมงบิน และอยู่ไกลจาก Israel หรือ West Bank เพียง 2 ชั่วโมงรถเท่านั้นเอง

และขณะนี้โครงการ SESAME ก็ดูจะไปได้สวยด้วยทุนสนับสนุนจาก E.U. (European Union) มูลค่า 480 ล้านบาท เพื่อทำให้ SESAME มีพลังสูงกว่าซินโครตรอนของไทยราว 2 เท่าเท่านั้นยังไม่พอ สหรัฐอเมริกา และญี่ปุ่นก็มีโครงการช่วยสนับสนุนอีก 440 ล้าน และ 600 ล้านบาท ตามลำดับ

ถึงแม้ SESAME จะเริ่มทำงานเป็นครั้งแรกในปี พ.ศ. 2551 แต่ขณะนี้โครงการก็ได้ส่งนักวิทยาศาสตร์ร่วม 20 คน ไปฝึกปฏิบัติงานในศูนย์ซินโครตรอนของยุโรป และอเมริกาแล้ว และนักวิทยาศาสตร์ของโครงการนี้ก็มีความหวังว่า ไม่ว่าสถานการณ์การเมืองในตะวันออกกลางจะเลวร้าย หรือดีประเสริฐสักปานใด SESAME ก็ต้องเดินหน้าต่อไป เหมือนกับโลกวิชาการและโลกการเมือง เป็น parallel universe กันยังไงยังงั้นครับ

สุทัศน์ ยกส้าน ภาคีสมาชิก ราชบัณฑิตยสถาน