แสงเป็นคลื่นหรืออนุภาค? คำตอบและมรดกตกทอดจากไอน์สไตน์

โดย ดร. วรวัฒน์ มีวาสนา
สาขาวิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี

ถ้าพูดถึงไอน์สไตน์หลายๆ คนอาจจะนึกถึงสมการ E = mc²จากทฤษฎีสัมพัทธภาพที่เป็นผลงานชิ้นเอกของท่าน และเป็นสมการฟิสิกส์ที่น่าจะได้ยินผ่านหูกันมากที่สุดด้วย อย่างไรก็ตาม ไอน์สไตน์ไม่ได้รับรางวัลโนเบลจากทฤษฎีสัมพัทธภาพนี้ แต่ได้รางวัลโนเบลจาก ทฤษฎีโฟโต อิเล็กทริก ซึ่งทั้งสองทฤษฎีนี้ ท่านได้คิดขึ้นในปี ค.ศ. 1905

ในเวลานั้นทฤษฎีโฟโตอิเล็กทริกได้ให้แนวคิดใหม่เกี่ยวกับสมบัติของแสงว่า “นอกจากแสงจะมีลักษณะเป็นเหมือนคลื่นได้แล้ว แสงยังมีลักษณะเป็นเหมือนอนุภาคได้อีกด้วย” เป็นแนวคิดของไอน์สไตน์ที่อาจจะขัดกับความรู้สึกของเราอยู่มาก แต่ก็เป็นแนวความคิดใหม่ ณ ขณะนั้น ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของหลักพื้นฐานในการพัฒนาความรู้วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีใหม่ ให้ก้าวไกลมาได้ถึงทุกวันนี้ และยังเป็นความรู้ที่แฝงอยู่ในอุปกรณ์ต่างๆ รอบตัวเรา เช่น หลอดไฟฟ้า LED เซลล์พลังงานแสงอาทิตย์ เซ็นเซอร์แสง เครื่องมือวิเคราะห์ทางอุตสาหกรรม หรือ เครื่องมือวิจัยขั้นสูงอย่างเทคนิคโฟโตอิมิชชัน เป็นต้น ความรู้และการประยุกต์ใช้เหล่านี้ ก็เปรียบเหมือนเป็นมรดกตกทอดที่ได้รับจากไอน์สไตน์

เมื่อมองย้อนไปในอดีต แสงเป็นสิ่งที่เรารู้จักและพบเห็นอยู่ทุกวัน ถ้าเรามองเห็นสิ่งต่าง ๆ รอบตัว ก็แปลว่าเราเห็นแสงแล้ว เนื่องจากเรารู้จักแสงมานาน จึงมีการศึกษาในเชิงฟิสิกส์เกี่ยวกับแสงอยู่มากเช่นกัน มนุษย์เรารู้จักการสร้างอุปกรณ์ที่ใช้ควบคุมแสงมาช้านาน เช่น การใช้กระจกสะท้อนแสงเพื่อดูภาพของตัวเอง การใช้เลนซ์เพื่อรวมหรือกระจายแสง ซึ่งอาจนำมาประยุกต์ใช้เป็นกล้องส่องทางไกล เป็นต้น

ต่อมาช่วงปลายศตวรรษที่ 17 มีการทดลองจากสองนักวิทยาศาสตร์อย่างเฟรอส์เนล (Augustin-Jean Fresnel) และยัง (Thomas Young) ที่ทำให้เราเข้าใจเกี่ยวกับแสงได้ดีมากขึ้น พวกเขาพิสูจน์ว่าแสงมีสมบัติเหมือนกับคลื่น ตัวอย่างปรากฏการณ์ของคลื่นที่เรารู้จักกันดีเช่น คลื่นบนผิวน้ำที่แผ่เป็นวงเวลาโยนก้อนหินลงน้ำ ถ้าโยนหินสองก้อนพร้อมกัน คลื่นสองวงที่เกิดขึ้นก็สามารถแทรกสอดกันได้ โดยมีทั้งส่วนที่เสริมและหักล้างกัน หรือถ้าคลื่นน้ำตามยาวเคลื่อนที่ผ่านช่องของกำแพงที่ขวางอยู่ คลื่นส่วนที่ผ่านไปได้ก็จะมีการเลี้ยวเบนออก แสงก็สามารถเกิดปรากฏการณ์เลี้ยวเบนและแทรกสอดนี้ได้เช่นเดียวกับคลื่นบนผิวน้ำ

นอกจากนี้สิ่งที่ตอกย้ำลงไปอีกว่า แสงเป็นคลื่น มาจากทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าของแมกซ์เวลล์ (James Maxwell) ที่เริ่มคิดขึ้นในช่วงกลางศตวรรษที่ 19 ซึ่งเป็นทฤษฎีที่สำคัญมากในทางฟิสิกส์ โดยเป็นการรวมความรู้ทางแม่เหล็กและไฟฟ้าเข้าด้วยกัน แมกซ์เวลล์ยังค้นพบอีกอย่างหนึ่งว่า คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีความเร็วเท่ากันกับความเร็วของแสงพอดี (ประมาณ 3 แสนกิโลเมตรต่อวินาที)

ฉะนั้น แสงที่เรามองเห็นจึงถูกสรุปให้เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดหนึ่ง จากการทดลองที่ทำง่ายและเห็นผลได้ชัดเจนของเฟรอส์เนลและยัง บวกกับทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าที่ประสบความสำเร็จสูงของแมกซ์เวลล์ ความคิดที่ว่าแสงเป็นคลื่นจึงถูกฝังรากลึกและถูกยอมรับโดยคนส่วนใหญ่

อย่างไรก็ตาม ต่อมาก็เริ่มมีคำถามใหม่ๆ เกิดขึ้น ซึ่งความรู้เดิมที่ว่า แสงเป็นคลื่น ไม่สามารถใช้มาตอบคำถามเหล่านั้นได้ คำถามหนึ่งมาจากการทดลองโฟโตอิเล็กทริกของเฮิรตซ์ (Heinrich Hertz) เฮิรตซ์ได้ทดลองเอาแสงที่มีความถี่ค่าเดียว ที่อยู่ในช่วงยูวีมาฉายลงบนโลหะชนิดต่างๆ ในตอนแรกถ้าความถี่นี้สูงพอ ก็จะสังเกตเห็นอิเล็กตรอนหลุดออกมาจากแผ่นโลหะได้ ถ้าปรับความเข้มแสงให้สูงขึ้น อิเล็กตรอนก็จะหลุดออกมามากขึ้น ตามที่เห็นได้จากกระแสไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้น ซึ่งตรงนี้ก็ยังไม่มีอะไรน่าแปลก โดยเราอาจจะมองว่าแสงสามารถถ่ายเทพลังงานให้กับอิเล็กตรอน ถ้าอิเล็กตรอนมีพลังงานมากพอก็จะหลุดออกมาได้ ฉะนั้น ถ้าความเข้มแสงมาก การถ่ายเทพลังงานก็มีได้มาก และอิเล็กตรอนก็จะหลุดออกมามากตาม ความแปลกเกิดขึ้นเมื่อเฮิรตซ์ได้ปรับความถี่ของแสงให้มีค่าน้อยลง จนมาถึงค่าหนึ่งปรากฏว่า ไม่มีอิเล็กตรอนหลุดออกมาเลย ถึงแม้จะเพิ่มความเข้มแสงให้สูงขึ้นเท่าไรก็ตาม อิเล็กตรอนก็ยังไม่หลุดออกมา ทั้งๆ ที่การเพิ่มความเข้มแสงก็เหมือนการเพิ่มพลังงานเข้าไป แต่ไฉนเมื่อเพิ่มพลังงานให้สูงมากๆ ก็ยังกลับไม่มีอิเล็กตรอนหลุดออกมาจากโลหะ ข้อสงสัยที่เกิดขึ้นนี้ไม่มีใครให้คำตอบได้ จนกระทั่งปี ค.ศ. 1905 ที่ไอน์สไตน์อธิบายปรากฎการณ์นี้ด้วยทฤษฎีโฟโตอิเล็กทริก

ใจความสำคัญของทฤษฎีโฟโตอิเล็กทริกนั้นอยู่ที่แนวคิดที่ว่า แสงอาจประพฤติตัวเหมือนกับก้อนอนุภาคได้ที่มีชื่อเรียกว่า อนุภาคโฟตอน โดยโฟตอนแต่ละตัวจะมีพลังงานแปรผันตามความถี่ของแสง (หรือเท่ากับค่าคงที่ h คูณกับความถี่ของแสง) แนวคิดนี้ช่วยไขข้อสงสัยจากการทดลองของเฮิรตซ์ได้ สิ่งที่ไอน์สไตน์อธิบายต่อคือ จริงอยู่ที่แสงนั้นสามารถถ่ายทอดพลังงานให้กับอิเล็กตรอนได้ แต่การถ่ายทอดพลังงานให้กับอิเล็กตรอนหนึ่งตัว ไม่ได้มาจากแสงทั้งหมดแต่ได้จากอนุภาคโฟตอนทีละตัวเท่านั้น เป็นแบบหนึ่งโฟตอนต่อหนึ่งอิเล็กตรอน เพราะฉะนั้นการที่อิเล็กตรอนหนึ่งตัวจะหลุดออกมาได้นั้นจึงไม่ขึ้นอยู่ความเข้มแสงรวม (หรือพลังงานรวม) แต่ขึ้นอยู่กับพลังงานของอนุภาคโฟตอนที่มาชน ว่ามีค่าสูงพอที่จะเอาชนะพลังงานยึดเหนี่ยวของอิเล็กตรอนตัวนั้นได้หรือไม่

ดังนั้นผลการทดลองของเฮิรตซ์จึงได้ผลที่ขึ้นอยู่กับความถี่ของแสงที่ใช้ด้วย นอกจากคำอธิบายที่ฟังดูมีเหตุผลนี้ ยังมีข้อช่วยเสริมทฤษฎีนี้ตรงที่ ค่าคงที่ h (พลังงานโฟตอนเท่ากับค่าคงที่ h คูณกับความถี่) ที่ไอน์สไตน์ใช้อธิบายยังมีค่าเท่ากับค่าคงที่ของพลังค์ซึ่งเป็นผู้ให้กำเนิดทฤษฎีควอนตัมอีกด้วย เป็นความลงตัวที่เหมาะเจาะพอดี

อย่างไรก็ตามในช่วงแรกนั้น ก็ยังมีผู้ต่อต้านแนวคิดนี้อยู่มาก เพราะขัดกับความรู้เดิมที่แสงเป็นคลื่นได้เท่านั้น แต่สุดท้ายหลังจากมีการทดลองมายืนยัน นักวิทยาศาสตร์ต่างๆ ก็เริ่มเห็นพ้องด้วยมากขึ้น จนกระทั่งในปี ค.ศ. 1921 ไอน์สไตน์ก็ได้รับรางวัลโนเบลจากทฤษฎีนี้ เป็นเวลา 16 ปีให้หลังจากการค้นพบของท่าน

(หมายเหตุ ทฤษฎีโฟโตอิเล็กทริกของไอน์สไตน์ที่ว่าแสงเปรียบเหมือนอนุภาค ไม่ได้ทำให้ความรู้เดิมที่ว่าแสงเปรียบเหมือนคลื่นผิดแต่อย่างใด หากแต่แสงมีได้ทั้งสองบทบาทที่เราต้องเลือกใช้ให้เหมาะสม)

แนวคิดที่ว่าแสงสามารถเปรียบได้เหมือนอนุภาคนี้ ได้เปิดประตูใหม่ให้กับวงการวิทยาศาสตร์ ถึงแม้ไอน์สไตน์ไม่ได้นำมาใช้ศึกษาต่อโดยตรง แต่ความรู้ที่ได้ก็เป็นหลักพื้นฐาน เพื่อใช้ศึกษาในอีกหลายๆ หัวข้อที่ยังไม่เคยมีมาก่อน ตัวอย่างเช่น การศึกษาฟิสิกส์ควอนตัม การพัฒนาวัสดุอิเล็กทรอนิกส์ และการสร้างเครื่องมือวิเคราะห์ขั้นสูงแบบใหม่ๆ เป็นต้น หนึ่งในอุปกรณ์ที่มีประโยชน์และเริ่มใช้กันมากขึ้นคือ เซลล์แสงอาทิตย์ ซึ่งเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์ให้เป็นพลังงานไฟฟ้า

หนึ่งในหลักการของการพัฒนาประสิทธิภาพของวัสดุสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์คือ การเลือกวัสดุที่มีแถบพลังงานให้เหมาะสมกับชนิดของแสง หรือเหมาะสมกับพลังงานของโฟตอนที่มากระตุ้นอิเล็กตรอนในวัสดุนั่นเอง อีกตัวอย่างคือหลอดไฟฟ้า LED ที่ใช้ในไฟฉายความสว่างสูง หรือตามป้ายโฆษณาขนาดใหญ่ ซึ่งจะปล่อยโฟตอนหรือแสงออกมา แต่สำหรับการใช้ประโยชน์ได้จริงเราต้องสามารถควบคุมสี ซึ่งเปลี่ยนตามความถี่ของแสงได้ นั่นก็คือพลังงานของโฟตอนแต่ละตัวนั้นเอง ดังนั้นวัสดุที่ถูกเลือกใช้ จะต้องเป็นวัสดุที่มีแถบพลังงานสอดคล้องกับพลังงานของโฟตอน หรือสีที่เราต้องการ เป็นต้น

นอกจากอุปกรณ์ต่างๆ ที่ใกล้ตัวที่กล่าวไปแล้ว ความรู้ที่ได้จากไอน์สไตน์นี้ยังนำไปใช้พัฒนาเป็นเครื่องมือวิเคราะห์ขั้นสูงโดยตรงที่มีชื่อว่า เทคนิคสเปกโตรสโกปีโฟโตอิมิชชัน หรือในเชิงเคมีอาจจะรู้จักในชื่อย่อว่า XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) ซึ่งในประเทศไทยมีเครื่องมือชนิดติดตั้งอยู่ที่สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน) จังหวัดนครราชสีมา เป็นต้น โดยการนำแสงซินโครตรอนย่านรังสีเอกซ์ไปใช้ในเทคนิค XPS เพื่อวิเคราะห์พื้นผิวของตัวอย่าง ในด้านคุณสมบัติทางกายภาพ ทางฟิสิกส์ และทางเคมี ซึ่งสามารถให้ข้อมูลของธาตุที่เป็นองค์ประกอบในสารตัวอย่าง ทั้งในเชิงคุณภาพและเชิงปริมาณ สามารถทราบถึงสถานะออกซิเดชั่นของธาตุนั้น ๆ ได้ และยังสามารถใช้ศึกษาโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของสาร เช่น ค่าพลังงาน ลักษณะการหมุน และทิศทาง ของอิเล็กตรอน ในตัวอย่างนั้น เป็นต้น

เครื่องมือชนิดนี้จึงมีประโยชน์ในงานวิจัยด้านวัสดุศาสตร์ (Material Sciences) และวิทยาการด้านพื้นผิว (Surface Science) เช่นการศึกษาการผุกร่อนของโลหะ การพัฒนาสารเร่งปฏิกริยา (catalyst) ชนิดต่าง ๆ และการวิเคราะห์ธาตุที่เป็นองค์ประกอบในสารที่ได้สังเคราะห์ขึ้นมาใหม่ นอกจากนี้ยังสามารถใช้ประโยชน์ในการวิเคราะห์ตัวอย่างทางอุตสาหกรรม เช่น การวิเคราะห์ ตรวจสอบธาตุปนเปื้อนในสารตัวอย่าง การวิเคราะห์ข้อบกพร่องของผลิตภัณฑ์ในอุตสาหกรรมไมโครอิเล็กทรอนิคส์ และงานทางด้านโพลิเมอร์ เป็นต้น

ผู้สนใจเทคนิค XPS สามารถหาข้อมูลเพิ่มเติมได้ที่ http://www.slri.or.th
 
 
 


**************

เกี่ยวกับผู้เขียน

วรวัฒน์ มีวาสนา
นักเรียนทุน พสวท. ศูนย์โรงเรียนสามเสนวิทยาลัย จบปริญญาเอกด้านสาขาวิชาฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด ประเทศสหรัฐอเมริกา

ปัจจุบันเป็นอาจารย์ของสาขาวิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี และนักวิจัยของสถาบันวิจัยแสงซินโครตรอนและศูนย์ความเป็นเลิศด้านฟิสิกส์ โดยมีผลงานวิจัยที่ตีพิมพ์ในวารสารนานาชาติแล้วประมาณ 30 บทความ