ในอดีตเวลาไปจ่ายตลาดซื้อของตามร้านซูเปอร์ แม่บ้านต้องใช้เครื่องคิดเลข ความจำ หรือกระดาษบันทึกเพื่อจดราคาและรายละเอียดของสินค้าที่มากร่วมร้อยชนิด ดังนั้นเวลาจ่ายเงิน กระบวนการชำระที่เคาน์เตอร์ต้องใช้เวลานานมาก นอกจากนี้ การคิดราคาทั้งหมดก็อาจผิดพลาดด้วย ถึงยุคนี้สิ่งประดิษฐ์ชื่อ เลเซอร์ (laser) ของ Charles Townes ได้ทำให้สุขภาพจิตของคนทุกคนที่เกี่ยวข้องกับธุรกิจนี้ดีขึ้นมาก จนกิจกรรมจ่ายตลาดเป็นเรื่องสะดวกและสบายใจสำหรับทุกคน เพราะเมื่อ laser (คำนี้มาจากการรวบรวมอักษรต้นของ light amplification by stimulating emission of radiation) ตกกระทบ bar code (รหัสเส้น) ที่ติดอยู่บนสินค้าทุกชิ้น แสงที่สะท้อนจะถูกส่งตรงเข้าเครื่องคอมพิวเตอร์ ซึ่งจะแปลงข้อมูลออกมาเป็นราคาและชนิดอย่างฉับพลันทันที นี่เป็นเพียงความสามารถเพียงเล็กน้อยของเลเซอร์เท่านั้นเอง
เพราะปัจจุบันเราใช้เลเซอร์ในเครื่องเล่น CD (compact disc) ในการสำรวจระยะทางไกลถึงดวงจันทร์ เพราะเลเซอร์มีความเข้มสูง ดังนั้น นักวิทยาศาสตร์จึงสามารถส่งเลเซอร์จากโลกถึงดวงจันทร์ได้ และเมื่อรู้เวลาที่แสงใช้ในการเดินทางทั้งไปและกลับกับรู้ความเร็วแสง นักวิทยาศาสตร์ก็สามารถรู้ระยะทางจากโลกถึงดวงจันทร์ได้อย่างผิดพลาดไม่เกิน 1 เซนติเมตร ซึ่งความรู้นี้จะมีประโยชน์ในการตรวจสอบความถูกต้องของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ Einstein
ส่วนศัลยแพทย์ก็ใช้เลเซอร์ในการผ่าตัด นายช่างใช้เลเซอร์เจาะแผ่นโลหะ ทหารใช้เลเซอร์เป็นรังสีพิฆาต นักฟิสิกส์ใช้เลเซอร์ศึกษาอะตอมและหาโครงสร้างของโมเลกุล อักทั้งทำปฏิกิริยา fusion และใช้เร่งอนุภาค ฯลฯ ณ วันนี้ อุตสาหกรรมเลเซอร์ของโลกทำเงินได้ปีละหลายล้านล้านบาท เทคโนโลยีเลเซอร์จึงมีประโยชน์นานัปการ แม้จะเป็นเทคโนโลยีที่ได้รับการพัฒนาขึ้นเมื่อ 70 ปีก่อนนี้เอง โดย Charles Townes ซึ่งได้ใช้เทคนิคด้าน spectroscopy ศึกษาธรรมชาติของโมเลกุล
โดยทั่วไปโมเลกุลประกอบด้วย อะตอมจำนวนมากที่ยึดโยงกันด้วยพันธะ (bond) อันเกิดจากแรงไฟฟ้าระหว่างอะตอม เพราะอะตอมทุกอะตอมมีการเคลื่อนที่แบบสั่นไหวตลอดเวลา ในทำนองเดียวกับตุ้มน้ำหนักที่แขวนที่ปลายลวดสปริง ตุ้มจะเคลื่อนที่ขึ้น-ลง การรู้ความถี่ของการสั่นจะทำให้รู้ธรรมชาติของแรงที่กระทำระหว่างอะตอม นอกจากจะมีการเคลื่อนที่แบบสั่นไหวแล้ว โมเลกุลยังเคลื่อนที่แบบหมุนรอบตัวเองด้วย การรู้อัตราเร็วในการหมุนจะทำให้นักวิทยาศาสตร์รู้รูปทรงของโมเลกุล ซึ่งตามปกติก็สามารถจะรู้ได้โดยการส่งแสงไปกระทบโมเลกุล (ภาษาเทคนิคคือยิงโมเลกุลด้วยอนุภาคโฟตอน) ให้อะตอมในโมเลกุลดูดกลืน ซึ่งจะมีผลทำให้อะตอมมีพลังงานมากขึ้น (ภาษาเทคนิคคืออะตอมถูกกระตุ้น) มันจึงหมุนเร็วขึ้น แต่เมื่อปล่อยทิ้งไว้ชั่วครู่ อะตอมจะกลับคืนสู่สถานะเดิม และจะคายพลังงานออกมาในรูปของแสง ในกรณีที่โมเลกุลมีพลังงานในการหมุน แสงที่เปล่งออกมาจะเป็นแสงที่มีความยาวคลื่นในย่าน microwave แต่ถ้าเป็นกรณีสั่น แสงที่ปล่อยออกมาจะเป็นแสง infrared ดังนั้นแสงที่ถูกปล่อยออกมาจึงมีคลื่นต่างๆ กันเป็นจำนวนมากเรียกสเปกตรัม ตั้งแต่ infrared จนถึง microwave และนี่ก็คือที่มาของชื่อ spectroscopy อันเป็นวิชาที่ศึกษา spectrum ของแสงที่เปล่งออกมาจากโมเลกุล ซึ่งจะทำให้นักวิทยาศาสตร์รู้โครงสร้างของโมเลกุลนั้น
Townes สนใจโมเลกุลที่ปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งมีความยาวคลื่นย่าน microwave ซึ่งผลการศึกษาเรื่องนี้ทำให้เกิดสิ่งประดิษฐ์ที่เรียกว่า maser (microwave amplification by stimulating emission of radiation) และในเวลาต่อมา Townes ก็ได้พัฒนา maser ไปจนได้ laser ในที่สุด
Charles Townes เกิดเมื่อวันที่ 28 กรกฎาคม ค.ศ.1915 ที่เมือง Greenville รัฐ South Carolina สหรัฐอเมริกา บิดาเป็นทนาย ส่วนมารดาเป็นแม่บ้าน Townes เล่าว่า เขาสนใจธรรมชาติมาตั้งแต่เด็ก วันหนึ่งเมื่อเห็นปลาสีสวยที่ไม่รู้จักมาก่อน จึงนำมาดองใน formaldehyde แล้วส่งไปให้ผู้เชี่ยวชาญเรื่องปลาที่ Smithsonian Institution ตรวจดู แม้เจ้าหน้าที่ประจำพิพิธภัณฑ์บอกว่าไม่สามารถระบุสปีชีส์ของปลาได้ แต่ก็ได้ขอให้ Townes ส่งปลาที่จับได้มาให้ดูอีกในโอกาสต่อไป Townes รู้สึกยินดีที่ผู้รู้สนใจสิ่งที่เขาส่งไปให้วิเคราะห์
เมื่อถึงวัยเรียน Townes ได้เข้าเรียนที่ Greenville และเรียนได้ดีมาก แต่รู้สึกเบื่อเพราะความรู้ที่ครูสอนล้วนไม่ท้าทายให้คิดเลย Townes ต้องการความรู้ใหม่ๆ ที่ยังไม่เคยรู้มาก่อน เมื่ออายุ 16 ปี จึงได้เข้าเรียนต่อที่มหาวิทยาลัย Furman ซึ่งอยู่ไม่ไกลบ้านนัก นิสิตที่เรียนที่มหาวิทยาลัยนี้เป็นชายล้วนประมาณ 500 คน ในช่วงเวลาที่เรียนชั้นปีที่ 1 Townes ยังไม่ได้ตัดสินใจว่า จะเรียนวิชาใดเป็นวิชาเอก จึงใช้เวลาทำกิจกรรมมากเช่น ว่ายน้ำ เล่นดนตรี เป็นภัณฑารักษ์ประจำพิพิธภัณฑ์ของมหาวิทยาลัย และเรียนภาษาต่างประเทศ แต่ก็รู้ลึกๆ ว่า ชอบคณิตศาสตร์และวิทยาศาสตร์ โดยเฉพาะวิชาชีววิทยาเป็นวิชาที่โปรดปราน ในขณะเดียวกันก็รู้สึกสนุกสนานกับการเรียนภาษาด้วย
จนกระทั่งขึ้นปี 2 เมื่อได้เรียนฟิสิกส์เป็นครั้งแรกในชีวิต Townes ได้ตกหลุมรักฟิสิกส์ทันที เพราะรู้สึกว่า วิชาฟิสิกส์เกี่ยวข้องกับชีวิตจริง และมีการคำนวณด้วยจึงทำให้รู้อย่างมั่นใจว่า อะไรจะเกิดขึ้นในอนาคตกับระบบที่กำลังศึกษานั้น
ในช่วงเวลานั้น คนทั่วไปมีความคิดว่า ฟิสิกส์เป็นเรื่องที่ต้องใช้จินตนาการมาก จึงไม่ใช่ความรู้ที่แท้จริง ดังนั้นที่มหาวิทยาลัย Furman จึงมีนิสิตที่ลงเรียนวิชานี้เพียง 2 คน คือ Townes กับเพื่อน เพราะครูที่สอนมีจำนวนน้อย จึงสอนโดยวิธีมอบโจทย์ให้นิสิตแก้หาคำตอบ Townes จำต้องเรียนหนังสือด้วยตัวเองบ่อย และเรียนสำเร็จภายในเวลา 3 ปี แต่ครอบครัวคิดว่า ถ้าจบการศึกษาจริงอายุก็ยังน้อย (19 ปี) Townes จึงถ่วงเวลาจบโดยหันไปสนใจเรียนฝรั่งเศส เยอรมัน ละติน และกรีก แล้วขอจบการศึกษาเมื่ออายุ 20 ปี ได้รับปริญญาตรีฟิสิกส์และภาษาปัจจุบัน
จากนั้นได้ไปเรียนต่อระดับปริญญาโทที่มหาวิทยาลัย Duke และเรียนจบหลักสูตรภายในเวลาไม่ถึงปีด้วยวิทยานิพนธ์เรื่อง การสร้างเครื่องเร่งอนุภาคแบบ Van de Graaff แต่ทางมหาวิทยาลัย มีความเห็นว่า Townes สำเร็จการศึกษาเร็วเกินไป จึงไม่อนุมัติปริญญา เหตุการณ์นี้ทำให้ Townes ตัดสินใจลาออกในปี 1936 โดยประกาศไม่ขอรับปริญญาโท แล้วไปเรียนต่อระดับปริญญาเอกที่ California Institute of Technology เมื่อมหาวิทยาลัย Duke รู้ข่าวว่า Cal Tech รับ Townes เข้าเรียนจึงอนุมัติปริญญาโทให้ในปี 1937
สถาบัน Cal Tech ในสมัยนั้นเปรียบเสมือนตักศิลาของฟิสิกส์ เพราะมีนักวิทยาศาสตร์ที่มีชื่อเสียงมาทำงานเป็นอาจารย์และนักวิจัย เช่น Linus Pauling และ J. Robert Oppenheimer เป็นต้น Townes ได้ทำวิทยานิพนธ์เรื่อง การศึกษาสมบัติของนิวเคลียสด้วยเทคนิค spectroscopy และจบ Ph.D. เมื่อมีอายุเพียง 24 ปี
แม้ความต้องการของ Townes จะเป็นอาจารย์ที่ทำงานวิจัยวิทยาศาสตร์บริสุทธิ์ แต่ในช่วงเวลานั้น (ใกล้จะเกิดสงครามโลกครั้งที่ 2) ตำแหน่งอาจารย์ในมหาวิทยาลัยแทบไม่มี Townes จึงไปทำงานที่ห้องปฏิบัติการของ Bell Telephone Laboratories ที่ New York โดยมีหน้าที่พัฒนาระบบเรดาร์สำหรับเครื่องบินในการเดินทางและทิ้งระเบิด
ในช่วงต้นคริสต์ศตวรรษที่ 20 นักฟิสิกส์ได้ใช้ทฤษฎีควอนตัมอธิบายอันตรกริยาระหว่างอนุภาคมูลฐานและกับแสง และพบว่า พลังงานของอนุภาคมูลฐานที่เล็กยิ่งกว่าอะตอมมีค่าได้เฉพาะบางค่าเท่านั้น คือมิได้มีค่าอะไรก็ได้ การค้นพบนี้จึงแตกต่างจากความรู้ฟิสิกส์เดิมๆ อย่างสิ้นเชิง เพื่อให้เห็นภาพ เราอาจเปรียบเทียบโดยใช้บันไดเป็นตัวอย่าง คือ ขั้นบันไดจะมีขั้น 1, 2, 3... ที่ให้อนุภาควางอยู่ได้ แต่อนุภาคจะไม่สามารถอยู่ที่ขั้น 1.43, 2.53 หรือ 3.01 ได้ เป็นต้น
ในสถานะปกติอนุภาคต่างๆ จะดำรงอยู่ในสถานะที่มีพลังงานน้อยที่สุด ซึ่งเรียกว่าสถานะพื้นฐาน และเมื่อได้รับพลังงาน อนุภาคจะมีพลังงานเพิ่มขึ้น คือ ถูกกระตุ้น ถ้าพลังงานที่ได้รับมีค่าเท่ากับผลต่างระหว่างพลังงานสุดท้ายกับพลังงานเริ่มต้น อนุภาคก็จะถูกกระตุ้น แต่ถ้าพลังงานที่ได้รับมีค่าน้อยไป อนุภาคก็จะไม่ถูกกระตุ้น และเมื่อปล่อยทิ้งไว้ ในเวลาต่อมา อนุภาคที่ถูกกระตุ้นก็จะกลับคืนสภาพเดิม และจะปล่อยพลังงานออกมา ในรูปของแสงที่นักวิทยาศาสตร์สามารถวัดความยาวคลื่นได้ ซึ่งถ้าเป็นรังสีแกมมาจะมีความยาวคลื่นน้อยที่สุด แต่มีพลังงานมากที่สุด ส่วนคลื่นวิทยุนั้นมีความยาวคลื่นมากที่สุด แต่มีพลังงานน้อยที่สุด
Townes สนใจศึกษากลุ่มอะตอมที่ประกอบกันเป็นโมเลกุล ว่า เมื่อได้รับแสงจะมีการเปลี่ยนแปลงอย่างไร เพราะโมเลกุลมีมวลมากกว่าอะตอม ดังนั้น ในกรณีของอะตอม แสงที่ใช้ในการกระตุ้นมักเป็นแสงที่ตาเห็น ส่วนแสงที่ใช้กระตุ้นโมเลกุลมักเป็น microwave ซึ่งมีความยาวคลื่นประมาณ 1.25 เซนติเมตร Townes จึงใช้คลื่น microwave ในการพัฒนาระบบทิ้งระเบิดของเครื่องบิน และพบว่า ไอน้ำในอากาศสามารถดูดกลืนคลื่นไมโครเวฟได้ดี ทำให้ระบบการสื่อสารด้วยคลื่นไมโครเวฟมีปัญหา ถ้าอากาศมีความชื้นมาก
ในปี 1941 Townes ได้พบกับ Frances Brown ซึ่งทำงานที่ Bell Labs เดียวกัน ในที่สุดคนทั้งสองได้แต่งงานกัน ในช่วงเวลาที่สงครามโลกครั้งที่ 2 กำลังดำเนินอยู่
Townes ยังทำงานที่ Bell Labs ต่อไปจนถึงปี 1948 จึงย้ายไปดำรงตำแหน่งศาสตราจารย์ฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัย Columbia ที่ New York City ซึ่งเป็นมหาวิทยาลัยที่มีชื่อเสียงด้านฟิสิกส์มากที่สุดในเวลานั้น และได้เบนความสนใจมาศึกษาโมเลกุล ammonia เพราะพบว่าสามารถดูดกลืนคลื่น microwave ได้ดี และเมื่อได้รับทุนวิจัยของบริษัท Union Carbide จึงตัดสินใจนำ ammonia มาทำ maser เพื่อใช้สื่อสารระหว่างเครื่องบิน
เมื่อถึงเดือนเมษายน ค.ศ.1951 ในที่ประชุมของ American Physical Society ที่ Washington D.C. Townes ได้เสนอแนวคิดเรื่องการสร้างอุปกรณ์ปล่อยคลื่น microwave ที่มีความยาวคลื่นระดับมิลลิเมตรออกมาอย่างต่อเนื่อง และมีความเข้มสูง โดยอาศัยหลักการของ Einstein ที่ได้เสนอไว้ตั้งแต่ปี 1917 ว่า ถ้าโมเลกุลถูกกระตุ้นให้มีพลังงานสูง หากมีแสง (โฟตอน) ผ่านโมเลกุลนั้น โดยที่แสงมีพลังงานเท่าพลังงานกระตุ้นพอดี แสงจะเหนี่ยวนำให้อนุภาคที่ถูกกระตุ้นคายพลังงานออกมา ซึ่งพลังงานที่ถูกปล่อยออกมานี้จะมีความยาวคลื่นเท่ากับแสงที่ผ่านไป อีกทั้งมีเฟส และทิศทางเดียวกับแสงที่ไปกระตุ้นด้วย นั่นคือ แสงที่ได้เป็นแสงอาพันธ์ (coherent) ที่ไม่เบี่ยงเบน และสามารถพุ่งไปได้ไกลเป็นกิโล โดยไม่เฉออกเหมือนแสงจากหลอดไฟอื่นๆ
เมื่อมีความคิด ขั้นต่อไป คือ การทำความคิดนั้นให้เป็นความจริง และ Townes ก็ได้ผู้ช่วย 2 คนคือ James Gordon และ Herb Zeigen คนทั้งสามทำงานร่วมกันนาน 3 ปี จนถึงเดือนเมษายน ค.ศ.1954 ก็ประสบความสำเร็จในการสร้าง maser เครื่องแรกของโลก
และ Townes ก็ได้พบว่า Nikolai Basov กับ Alexander Prokorov นักฟิสิกส์ชาวรัสเซียจากสถาบัน Lebedev ที่ Moscow ก็สร้าง maser ได้เหมือนกัน (ความสำเร็จนี้ทำให้คนทั้งสามได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 1964)
ในปี 1955 หลังจากที่ได้ทำงานในตำแหน่งหัวหน้าภาคฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัย Columbia นาน 3 ปี Townes ได้ลาออกเพื่อเดินทางไปเพิ่มประสบการณ์วิจัยที่ Paris และ Tokyo
ในปี 1958 Townes และ Arthur Schawlow ได้เสนอแนวทางการทำ laser แต่ไม่ได้ลงมือประดิษฐ์ จนกระทั่ง Theodore Maiman จากบริษัท Hughes Aircraft สร้างได้ในเดือนพฤษภาคม 1960
หลังจากที่ได้รับรางวัลโนเบลแล้ว Townes ได้ดำรงตำแหน่งเป็นที่ปรึกษาวิทยาศาสตร์ของประธานาธิบดี Lyndon Johnson เป็นนายกของสมาคม American Physical Society อีกทั้งเป็นที่ปรึกษาของ NASA ในโครงการ Apollo
ในด้านศาสนา Townes เชื่อว่าพระเจ้ามีจริง และวิทยาศาสตร์กับศาสนา มีอะไรๆ ที่เหมือนกันมากกว่าที่คนทั่วไปรู้ จนในอนาคตศาสนาอาจจะเป็นหนึ่งเดียวกับวิทยาศาสตร์
ด้วยความคิดเช่นนี้ Townes จึงได้รับรางวัล Templeton Prize ในปี 2005 ในฐานะผู้ที่บุกเบิกเส้นทางสู่ความจริงของจิตใจ
อ่านเพิ่มเติมจาก Beam: The Race to Make the Laser โดย Jeff Hecht จัดพิมพ์โดย Oxford University Press, New York, 2005
เกี่ยวกับผู้เขียน
สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน - ภาคีสมาชิกราชบัณฑิตยสถาน และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์
ประวัติการศึกษา - ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ สุทัศน์ ยกส้าน ได้ทุกวันศุกร์
