แม้จะมีชีวิตที่กำพร้าทั้งพ่อและแม่ตั้งแต่อายุ 11 ขวบ และไม่ได้รับการศึกษาใดๆ จนกระทั่งอายุ 12 ปี แต่ Joseph von Fraunhoffer ก็ประสบความสำเร็จในชีวิตเป็นอย่างยิ่ง เพราะนอกจากจะเป็นคนที่วางพื้นฐานของวิชาการวิเคราะห์แสงด้วย grating แล้ว ยังได้ศึกษาปรากฏการณ์กระจาย (dispersion) แสงในแก้ว บุกเบิกศาสตร์ด้านการออกแบบเลนส์ และพบปรากฏการณ์เลี้ยวเบน (Fraunhoffer diffraction) รวมถึงได้พบเส้นสเปกตรัมสีดำในสเปกตรัมแสงอาทิตย์ (Fraunhoffer line) ด้วย
Fraunhoffer เกิดเมื่อวันที่ 6 เดือนมีนาคม ค.ศ.1787 (ตรงกับรัชสมัยพระพุทธยอดฟ้าจุฬาโลกมหาราช) ที่หมู่บ้านเล็กๆ ใกล้เมือง Straubing ในแคว้น Bavaria ของเยอรมนี และเป็นบุตรคนสุดท้องของครอบครัวที่มีลูก 11 คน บิดามีอาชีพเป็นช่างเคลือบเครื่องปั้นดินเผา ความยากจนของบิดามารดาทำให้บรรดาลูกๆ ไม่ได้รับการศึกษาใดๆ ซึ่งถือเป็นเรื่องปกติของสังคมในสมัยนั้น
เมื่ออายุ 11 ขวบ ทั้งบิดาและมารดาได้ล้มป่วยและเสียชีวิตลง Fraunhoffer จึงต้องไปสมัครทำงานเป็นลูกจ้างของ Philyp Anton Weichelsberger ซึ่งเป็นช่างกระจกแห่งเมือง Munich เด็กหนุ่ม Fraunhoffer ทนทำงานที่นี่เป็นเวลา 2 ปี เพราะนายจ้างไม่เคยสนับสนุนหรือส่งเสริมให้มีความก้าวหน้าในชีวิตเลย เช่น ห้ามไม่ให้เรียนหนังสือในวันอาทิตย์ และห้ามอ่านหนังสือในยามว่าง เป็นต้น
อยู่มาวันหนึ่งอาคารร้านค้าของ Weichelsberger พัง เพราะเจ้าของร้านได้ต่อเติมอาคารจนคานรับน้ำหนักของสิ่งก่อสร้างไม่ได้ เหตุการณ์นี้ทำให้ชาวเมือง Munich กรูกันมาช่วยเหลือและมุงดู รวมถึงเจ้าชาย Elector Maximilian ด้วย และพระองค์กับสหายเศรษฐีชื่อ Joseph Utzschneider ก็ได้เห็น Fraunhoffer ถูกพยุงตัวออกจากซากปรักหักพังโดยไม่ได้รับบาดเจ็บเลย ครั้นเมื่อ Utzschneider ทราบความต้องการจะเรียนหนังสือของ Fraunhoffer เขาจึงจัดส่งตัวให้ไปเรียนที่โรงเรียนอาชีวะในเมือง
Fraunhoffer ชอบวิชาคณิตศาสตร์มากและเรียนได้ดีมาก จนเป็นที่เลื่องลือว่าเด็กกำพร้าที่รอดชีวิตจากอาคารถล่มเป็นอัจฉริยะ ข่าวนี้ทำให้เจ้าชาย Maximilian ทรงพอพระทัยมาก จึงประทานพระวโรกาสให้ Fraunhoffer เข้าเฝ้าที่พระราชวัง และได้พระราชทานทั้งเงินรางวัลและกำลังใจให้ Fraunhoffer ในการเรียนด้วย
แต่ Utzsechneider ไม่ประสงค์จะให้ Fraunhoffer เรียนสูงถึงระดับมหาวิทยาลัย Fraunhoffer จึงต้องหยุดเรียน แล้วนำเงินที่เก็บสะสมได้ไปเปลืองหนี้สินที่เกิดจากการต้องเสียค่าเล่าเรียน สำหรับเงินที่เหลือส่วนหนึ่งได้นำไปซื้ออุปกรณ์ที่ใช้ฝนเลนส์มาเครื่องหนึ่ง เพื่อใช้ทดลองเรื่องแสงที่สนใจมาก เงินส่วนที่เหลือถูกนำไปใช้ในการตั้งร้านขายอุปกรณ์เครื่องเขียน แต่ธุรกิจของ Fraunhoffer ล้มเหลว เขาจึงต้องกลับไปทำงานต่อกับนายเก่า Weichelsberger จนกระทั่งอายุ 19 ปี Utzschneider จึงได้เข้ามาซื้อตัวกลับไปทำงานในโรงงานผลิตแก้ว
ณ ช่วงเวลานั้น ยุโรปกำลังโกลาหลและปั่นป่วนมาก โดยเฉพาะที่แคว้น Bavaria ซึ่งประชาชนส่วนใหญ่เป็นผู้มีฐานะดี และเจ้าชาย Maximilian ทรงเป็นที่นิยมชมชอบของประชาชนยิ่งกว่าผู้ครองแคว้นอื่นๆ เพราะเจ้าชายไม่ทรงประสงค์จะให้กษัตริย์ Prussia ทรงปกครองประเทศเยอรมนี จึงทรงผูกมิตรกับจักรพรรดิ Napoleon แห่งฝรั่งเศส แล้วทรงสถาปนาพระองค์ขึ้นเป็นกษัตริย์แห่งแคว้น Bavaria โดยได้รับการสนับสนุนอย่างเต็มที่จาก Napoleon ผู้เป็นศัตรูของอังกฤษ ความขัดแย้งระหว่างอังกฤษกับฝรั่งเศสครั้งนี้ได้ทำให้เกิดสงครามหลายครั้ง จนประเทศต่างๆ ในยุโรปขาดแคลนวัสดุก่อสร้าง บรรดาพ่อค้าในเมือง Munich จึงรวมตัวกันวางแผนสร้างอุตสาหกรรมใหม่ และได้ตัว Utzschneider มาเป็นคนสนับสนุนโครงการทำอุปกรณ์แก้ว
ชาวอังกฤษรู้จักแก้วสองประเภท คือแก้ว crown และแก้ว flint แก้วที่ใช้ทำกระจกทั่วไปเป็นแก้ว crown ส่วนแก้ว flint มีประกายแสงเหมือนผลึก เพราะมีเศษหิน flint เจือปน แต่ในเวลาต่อมาได้มีการทดลองเจือตะกั่วออกไซด์ในแก้วชนิดนี้ทำให้แก้ว flint มีเอกลักษณ์พิเศษเป็นสีเหลือง-น้ำตาล
Isaac Newton ได้เคยคิดว่า แก้วทุกชนิดมีกำลังในการกระจายแสง (dispersive power) ดีเท่ากัน แต่ในปี 1729 Charles Moor Hall ได้ทดลองพบว่าแก้ว flint มีกำลังกระจายแสงได้มากกว่าแก้ว crown เขาจึงใช้คุณสมบัตินี้ในการทำเลนส์ที่แทบไม่กระจายแสงสีเลย โดยนำเลนส์ที่ทำด้วยแก้ว flint และเลนส์ที่ทำด้วยแก้ว crown มาวางประกบกัน แต่ก็ยังไม่มีใครสามารถสร้างเลนส์ที่ไม่กระจายแสงสีได้ ทั้งนี้เพราะช่างทำเลนส์มิได้มีความรู้วิทยาศาสตร์ในการสร้างเลนส์ แต่ใช้ประสบการณ์แบบลองผิดลองถูกในการประดิษฐ์เลนส์
หลังจากที่ Utzschneider ซื้อตัว Fraunhoffer มาแล้ว เขาก็ให้ Fraunhoffer ทำงานด้านการออกแบบสร้างเลนส์ และ Fraunhoffer ก็ได้พบว่า ลำพังสายตาคนจะไม่สามารถบอกความเป็นเนื้อเดียวของแก้วได้ แต่ถ้าใช้แสง polarized ส่องผ่านแก้ว สมบัติความเป็นเอกพันธ์ของแก้วจะปรากฎออกมาอย่างเห็นได้ชัด
การค้นพบนี้ทำให้ Fraunhoffer ซึ่งขณะนั้นมีอายุเพียง 22 ปีได้รับอนุญาตให้มีหุ้นส่วนในบริษัทของ Utzschneider ในปี 1809 ภายใต้ชื่อว่า “Optical Institute of Utzschneider, Reichenbach and Fraunhoffer” โดย Fraunhoffer มีหน้าที่รับผิดชอบโดยตรงด้านเทคนิคการผลิตแก้ว ทำให้ต้องมีความรู้และข้อมูลเกี่ยวกับความยาวคลื่นของแสง การผสมองค์ประกอบต่างๆ ของแก้ว อุณหภูมิที่เผา อัตราการเย็นตัวของแก้ว ความบริสุทธิ์ และสารเจือในแก้ว ประสบการณ์เหล่านี้ ทำให้ Fraunhoffer สามารถวัดดัชนีหักเหของแก้วเมื่อมีแสงสีต่างๆ ผ่านทั้งในแก้ว flint และแก้ว crown
Fraunhoffer ได้บันทึกค่าดัชนีหักเหของแก้ว ของแข็ง และของเหลวหลายชนิด อย่างละเอียด ผลที่ตามมาคือ ข้อมูลที่ละเอียดนี้ได้ช่วยให้ Fraunhoffer สามารถออกแบบเลนส์อรงค์ (achromatic lens) ได้อย่างมีหลักการ (คือไม่ต้องใช้วิธีลองผิดลองถูกอีกต่อไป) และได้นำเสนอผลงานนี้ต่อที่ประชุมของ Bavarian Academy of Science ในปี 1814
ในเวลาต่อมา Fraunhoffer ได้ศึกษาสเปกตรัมของแสงอาทิตย์โดยใช้ปริซึมกับสลิต โดยวางสลิตห่างจากปริซึมประมาณ 12 เมตร และได้เห็นเส้นสเปกตรัมสีดำจำนวนมากเรียงรายระหว่างบริเวณแสงสีแดงกับแสงสีม่วง ซึ่ง Fraunhoffer ได้เรียกเส้นสีดำทึบเหล่านี้ว่า A, B, C, D, b, E, F, G, H และ I และเมื่อนับเส้นสเปกตรัมที่มีสีจางกว่า Fraunhoffer ก็นับได้ว่ามีทั้งหมด 574 เส้น ในระหว่างเส้น B (แดง) กับเส้น H (ม่วง)
Fraunhoffer ได้ตั้งข้อสังเกตว่า ในการจะเห็นเส้น Fraunhoffer ได้ชัด สลิตที่ใช้จะต้องแคบมาก และบรรดาเส้นสีดำเหล่านี้จะเรียงเป็นสเปกตรัมในลักษณะเดียวกันเสมอ ไม่ว่าจะใช้ปริซึมที่ทำด้วยแก้วชนิดใด
การรู้ข้อมูลทัศนศาสตร์ของแก้วอย่างละเอียดทำให้ Fraunhoffer ได้เทคนิคการออกแบบเลนส์และเปลี่ยนศิลปะการออกแบบเลนส์เป็นวิทยาศาสตร์ การออกแบบเลนส์ตั้งแต่นั้นมา เลนส์อรงค์ของ Fraunhoffer ทำด้วยแก้ว flint กับแก้ว crown เรียงกัน โดยมีช่องว่างระหว่างเลนส์ทั้งสอง เมื่อรัศมีความโค้งของผิวเลนส์ทั้งสองมีสี่ค่า ดังนั้นการออกแบบเลนส์จึงมีตัวแปรมากถึง 5 ตัว (รัศมีความโค้ง 4 ค่า และระยะห่าง 1 ค่า) การปรับค่าเหล่านี้ทำให้ได้เลนส์ที่ปราศจากความคลาดทรงกลม (spherical abervation) และเลนส์อรงค์ (achromatic lens) ผลที่ตามมาคือ ประเทศเยอรมนีได้กลายเป็นศูนย์กลางอุตสาหกรรมทำเลนส์แทนอังกฤษ และทำให้ Fraunhoffer ได้รับปริญญาดุษฎีบัณฑิตกิติมศักดิ์จากมหาวิทยาลัย Erlangen
ในปี 1822 Fraunhoffer วัย 35 ปี ได้ศึกษาปรากฏการณ์เลี้ยวเบน (diffraction) โดยใช้ดวงอาทิตย์เป็นแหล่งกำเนิดแสงที่ให้แสงผ่านสลิตรูเดียว รูคู่ สามรู ฯลฯ แล้วสังเกตรูปแบบการเลี้ยวเบนที่เกิดขึ้น และพบว่าเมื่อจำนวนสลิตเพิ่ม การเลี้ยวเบนจะทำให้เส้น Fraunhoffer แยกจากกันชัดขึ้น Fraunhoffer จึงสามารถวัดความยาวคลื่นของเส้นเหล่านั้นได้ละเอียดยิ่งขึ้น
ข้อดีนี้ได้ชักนำให้ Fraunhoffer รู้จักประดิษฐ์ grating ที่ทำด้วยแผ่นแก้ว และแผ่นทองคำที่ผิวถูกขูดเป็นร่องขนาดเล็กเรียงกัน (เช่น ระยะทาง 1 มิลลิเมตรบน grating มีร่องมากถึง 302 ร่อง เพราะ Fraunhoffer ใช้เพชรเป็นอุปกรณ์ขูด) ด้วยอุปกรณ์ที่ละเอียดเช่นนี้ Fraunhoffer จึงสามารถวัดความยาวคลื่นของเส้น Fraunhoffer ได้ละเอียด อย่างที่ไม่มีนักวิทยาศาสตร์คนใดสามารถวัดได้ดีเท่า จนกระทั่งอีก 30 ปีต่อมา
Fraunhoffer ยังได้ศึกษาปรากฏการณ์เลี้ยวเบน โดยใช้สลิตรูปรูกลมด้วย ทั้งรูกลมเดี่ยว และรูกลมคู่ และรูสี่เหลี่ยมผืนผ้าทำให้รู้ความยาวคลื่นของเส้น Fraunhoffer เช่น
ตั้งแต่ปี 1819 เป็นต้นมา Fraunhoffer ได้กลับไปอยู่ที่ Munich อีก และค้นคว้าเรื่องปรากฏการณ์เลี้ยวเบน และใช้ปรากฏการณ์นี้ วิเคราะห์แสงจากดาวฤกษ์ร่วมกับนักดาราศาสตร์ชื่อ Johann Soldner โดยสร้างกล้องโทรทรรศน์ที่มีช่องเปิด (aperture) กว้าง 4 นิ้ว แล้วติดตั้งปริซึมที่ทำด้วยแก้ว flint หน้าเลนส์ใกล้วัตถุเพื่อรับแสงจากดาว
ในช่วงเวลานี้ชื่อเสียงของ Fraunhoffer ได้แพร่กระจายไปทั่วยุโรป หลังจากที่ได้นำเสนองานวิจัยต่อ Bavarian Academy of Science แล้วในปี 1814 ทาง Academy ได้เลือก Fraunhoffer เป็นภาคีสมาชิก โดยอ้างว่าเพราะ Fraunhoffer มิได้รับการศึกษาระดับมหาวิทยาลัย ดังนั้นจึงไม่สมควรเป็นสมาชิกเต็มตัว จนอีก 7 ปีต่อมา Fraunhoffer จึงได้เป็นสมาชิกของ Academy อย่างสมบูรณ์
ในปี 1824 กษัตริย์ Maximillian ได้โปรดเกล้าให้ Fraunhoffer ดำรงตำแหน่งศาสตราจารย์ Fraunhoffer ยังได้รับการแต่งตั้งเป็นราษฎรเกียรติยศแห่งเมือง Munich และกษัตริย์ Maximillian ได้โปรดเกล้าให้ Fraunhoffer เป็นขุนนาง สำหรับสถาบันทัศนศาสตร์ของ Fraunhoffer นั้นก็มีแขกและอาคันตุกะเกียรติยศมาเยือนมากมายเช่น Carl Gauss และ William Herschel เป็นต้น
ในเดือนกันยายน 1825 ขณะ Fraunhoffer ท่องเที่ยวในป่านอกเมือง Munich เขาจับไข้และล้มป่วยอย่างรุนแรง สาเหตุอาจจะเพราะได้รับไอพิษเวลาผลิตแก้ว และทำงานหนักจนเกินไป ทำให้ต้องนอนพักในห้องตั้งแต่เดือนตุลาคม โดยไม่มีคนใกล้ชิดดูแล เพราะเป็นคนโสด จนถึงวันที่ 7 มิถุนายน 1826 ก็เสียชีวิต แพทย์ได้วิเคราะห์พบว่า วัณโรคได้คร่าชีวิตของนักฟิสิกส์ผู้ให้กำเนิดวิชาการวิเคราะห์สเปกตรัมด้วยเกรตติง (grating spectroscopy)
*********************
เกี่ยวกับผู้เขียน
สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน - ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์
ประวัติการศึกษา - ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ สุทัศน์ ยกส้าน ได้ทุกวันศุกร์
