Felix Bloch คือนักฟิสิกส์ผู้มีวัยใกล้เคียงกับ Hans Bethe (โนเบลสาขาฟิสิกส์ปี 1967) และ Lev Landau (โนเบลสาขาฟิสิกส์ปี 1962) ทั้งสามคือ บุคคลแรกๆ ที่นำกลศาสตร์ควอนตัมของ Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli, Erwin Schroedinger และ Paul Dirac มาอธิบายสมบัติเชิงกายภาพของของแข็ง ของเหลว และแก๊ส รวมถึงอธิบายปรากฏการณ์ต่างๆ ที่เกิดในสสาร และคุณประโยชน์ของเหตุการณ์เหล่านั้นได้อย่างสมบูรณ์ แต่ถ้าพิจารณาด้านความคิดริเริ่มและความสง่างามของวิธีคิดแล้วละก็ Felix Bloch กินขาด
ในปี 1952 Bloch ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ร่วมกับ Edward Purcell จากการพบปรากฏการณ์สั่นพ้องเชิงแม่เหล็กของนิวเคลียส (Nuclear Magnetic Resonance) หรือ NMR ซึ่งเป็นหนึ่งในสี่ของการค้นพบที่สำคัญมากของ Bloch
การค้นพบแรกคือ การสร้างทฤษฎีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในโลหะ การค้นพบที่สองคือการสร้างทฤษฎีของปรากฏการณ์ ferromagnetism ที่อุณหภูมิต่ำ การค้นพบที่สาม คือการวัดโมเมนต์แม่เหล็กของอนุภาคนิวตรอน และความสำเร็จที่ยิ่งใหญ่ที่สุดคือ การประดิษฐ์เทคโนโลยั NMR ซึ่งเป็นผลงานที่ Bloch, W. Hansen ทำร่วมกับ M. Packard ในปี 1946 และในเวลาไล่เลี่ยกัน M. Purcell, R.V. Pound และ H.C.Torrey ก็ได้ประดิษฐ์เทคโนโลยีนี้ด้วย
ความสำคัญของเทคโนโลยี NMR คือช่วยให้นักเคมี นักชีวเคมี นักชีววิทยา และแพทย์ ฯลฯ ใช้ NMR ในการสร้างองค์ความรู้ในวิชาชีพต่างๆ ในเวลาต่อมา Paul C. Lauterbur ได้นำองค์ความรู้เรื่อง NMR นี้ไปพัฒนาจนทำให้โลกมี MRI (Magnetic Resonance Imaging)
Felix Bloch เกิดที่เมือง Zurich ในสวิสเซอร์แลนด์ เมื่อวันที่ 23 ตุลาคม ค.ศ.1905 บิดาเป็นพ่อค้าขายเมล็ดพืช มารดาเป็นชาวออสเตรีย (คำว่า Felix ในภาษาละตินแปลว่า โชคดี) Bloch มีพี่สาวคนหนึ่งที่เขารักมาก ดังนั้นจึงรู้สึกเสียใจเป็นที่สุด เมื่อพี่สาวเสียชีวิต
เมื่ออายุ 12 ขวบ Bloch ได้เข้าเรียนที่โรงเรียนมัธยม Gymnasium แห่งเมือง Zurich และเรียนภาษาฝรั่งเศส อังกฤษ อิตาเลียน ละติน คณิตศาสตร์ ฟิสิกส์ เคมี รวมถึงเรียนวิธีเล่นเปียโนด้วย เมื่อจบหลักสูตรชั้นมัธยมศึกษาได้ไปเรียนต่อที่ Eidgenossische Technische Hochschule (หรือ ETH) เพราะตั้งใจว่าจะประกอบอาชีพเป็นวิศวกร
แต่เมื่อเวลาผ่านไปได้เพียงหนึ่งภาคการศึกษา Bloch ก็พบว่า ไม่ชอบวิชาวาดแผนภาพ (drawing) เลย ดังนั้นจึงเปลี่ยนใจจะไปเรียนฟิสิกส์แทน แม้จะถูกทัดทานจาก Hermann Weyl ผู้เป็นนักคณิตศาสตร์ที่มีชื่อเสียง
Bloch วัย 19 ปีก็ไม่เปลี่ยนใจ เพราะคิดว่าได้ตรึกตรองดีแล้ว
เมื่อเรียนวิชาฟิสิกส์พื้นฐานที่มหาวิทยาลัย Bloch ได้อาจารย์สอนท่านหนึ่งชื่อ Peter Debye (รางวัลโนเบลสาขาเคมี ปี 1936) ซึ่งเป็นอาจารย์ที่มีลีลาการสอนดีมาก และเป็นครูที่ให้ความรู้แก่เขามากกว่าอาจารย์อื่นๆ ทั้งหมด เมื่อได้อ่านตำรา “Atomic Structure and Spectral Lines” ของ Arnold Sommerfeld
Bloch รู้สึกดื่มด่ำ และสนุกมาก จนสนใจอยากเรียนวิชาควอนตัมทั้งๆ ที่ยังไม่เข้าใจหลายเรื่อง แต่ก็ได้พยายามอ่าน จนเข้าใจในที่สุด
วันหนึ่งในปี 1926 Bloch ได้เข้าฟังสัมมนาฟิสิกส์ที่สถาบัน ETH จัดร่วมกับมหาวิทยาลัย Zurich หลังสัมมนา วิถีชีวิตของ Bloch ถึงจุดเปลี่ยน เพราะเมื่อจบการให้สัมมนาในวันนั้น Debye ได้ขอให้ผู้บรรยาย คือ Erwin Schroedinger (รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี 1933) อธิบายเนื้อหาของงานวิจัยที่ Louis de Broglie (รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี 1929) ตีพิมพ์ ซึ่งกำลังเป็นที่โจษจันกันมาก ในการให้สัมมนาครั้งต่อไป
อีกหนึ่งสัปดาห์ Schroedinger จึงให้สัมมนาเรื่องที่ Debye ขอ โดยได้แสดงให้เห็นที่มาของสูตรต่างๆ ในงานวิจัยของ de Broglie เช่น λ = h/mν เมื่อ λ คือความยาวคลื่น h คือค่าคงตัวของ Planck m คือมวล และ ν คือความเร็วของอนุภาค ซึ่งเป็นสูตรที่แสดงความสัมพันธ์ระหว่างสมบัติของคลื่น (λ) กับสมบัติของอนุภาค (mv) เป็นครั้งแรก นอกจากนี้ Schroedinger ก็ยังแสดงให้เห็นที่มาของสูตรโมเมนตัมเชิงมุมของอิเล็กตรอนซึ่งมีค่าเท่ากับจำนวนเต็มคูณกับค่าคงตัว h และหารด้วย 2Π ว่าเกิดจากจำนวนคลื่นที่วนอยู่รอบอะตอมนั้น
เมื่อ Schroedinger จบคำบรรยาย Debye ได้ให้ข้อสังเกตว่า คำอธิบายต่างๆ ของ de Broglie นั้นดูง่ายเกินไป เพราะเวลานักฟิสิกส์พูดถึงคลื่น เขาต้องมีสมการกำกับ เพื่อใช้อธิบายสมบัติของคลื่นนั้น
ในขณะที่ผู้ฟังคนอื่นๆ ไม่สนใจในข้อสังเกตของ Debye ตัวผู้บรรยายคือ Schroedinger กลับครุ่นคิดหนัก อีก 3 สัปดาห์ต่อมา Schroedinger ก็ให้สัมมนาอีกครั้งหนึ่ง และเริ่มการบรรยายโดยกล่าวว่า เพื่อนของข้าพเจ้าคนหนึ่งได้เสนอแนะว่า ใครก็ตามที่พูดถึงคลื่น ควรเสนอสมการคลื่นด้วย และในวันนี้ข้าพเจ้าก็จะเสนอสมการดังกล่าว เมื่อสิ้นสุดการบรรยาย Schroedinger ก็กล่าวว่า ผลงานเรื่อง “Quantization as Eigenvalue Problem” ของเขานี้จะปรากฏในวารสาร Annalen der Physik
ณ เวลานั้น Bloch ซึ่งยังเป็นเด็กเกินที่จะเข้าใจความสำคัญของสัมมนาครั้งนั้น แต่เมื่อเหลียวไปดูผู้ฟังคนอื่นๆ เขาก็รู้สึกว่า มีอะไรบางอย่างที่สำคัญมากได้บังเกิดขึ้นแล้วในโลก
ส่วน Debye ซึ่งเป็นคนเสนอแนะ Schroedinger ให้คิดสมการคลื่น ก็ได้ปรารภในเวลาต่อมาว่ารู้สึกเสียดายที่ไม่ได้คำนวณเรื่องที่ตนเสนอแนะ
เมื่อ Debye ย้ายไปทำงานวิจัยที่มหาวิทยาลัย Leipzig เขาได้ชวน Bloch ไปทำปริญญาเอกที่นั่นด้วยโดยมีอาจารย์ที่ปรึกษาคือ ศาสตราจารย์ Werner Heisenberg (รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี 1932) ซึ่งในเวลานั้นมีอายุเพียง 26 ปี จึงมีอายุมากกว่า Bloch เพียง 4 ปี และมีชื่อเสียงโด่งดังมาก และ Heisenberg ได้กำหนดหัวข้อวิทยานิพนธ์ของ Bloch ให้ศึกษาการประยุกต์กลศาสตร์ควอนตัมในการอธิบายสมบัติการนำความร้อนในโลหะ ซึ่งกำลังเป็นปัญหาร้อนของวงการ เพราะนักฟิสิกส์ระดับบิ๊ก เช่น P. Drude, H.A. Lorentz, W. Pauli และ A. Sommerfeld ไม่มีใครสามารถอธิบายความสัมพันธ์ระหว่างสมบัติการนำไฟฟ้ากับสมบัติการนำความร้อนในโลหะได้
ในความพยายามแก้ปัญหานี้ Bloch ได้อาศัยผลงานของ W. Heitler และ F. London เป็นพื้นฐานโดยนักฟิสิกส์ทั้งสองได้พบว่า การใช้อิเล็กตรอนระหว่างอะตอมในโมเลกุลร่วมกันจะทำให้เกิดพันธะเคมีชนิด covalent แต่โมเลกุลกับผลึกนั้นแตกต่างกันในประเด็นที่ว่า ผลึกมีโมเลกุลจำนวนมากอยู่กันอย่างเป็นระเบียบ คือเป็นคาบ (period) แต่โมเลกุลมีจำนวนอะตอมจำกัด และอะตอมอยู่กันอย่างไม่เป็นระเบียบ
ดังนั้น Bloch จึงต้องคำนวณหาฟังก์ชันคลื่นของอิเล็กตรอน ในสถานการณ์ที่ระบบมีศักย์ไฟฟ้าเป็นคาบ โดยใช้เทคนิคการวิเคราะห์แบบ Fourier ทำให้พบว่า ฟังก์ชันคลื่นของอิเล็กตรอนประกอบด้วย 2 ส่วน คือ ส่วนที่แสดงว่าเป็นคลื่นระนาบ และส่วนที่แสดงความเป็นคาบ ซึ่งถ้าดูเผินๆ ก็ไม่เห็นจะมีอะไรที่น่าสนใจ แต่เมื่อ Heisenberg ได้เห็นสิ่งที่ Bloch นำเสนอ เขาถึงกับอุทานออกมาว่า “ใช่เลย” เพราะฟังก์ชันคลื่นเช่นนี้จะทำให้อิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่ไปในโลหะได้โดยไม่ปะทะไอออนเลย
Bloch จึงเขียนวิทยานิพนธ์เรื่อง “The Quantum Mechanics of Electrons in Crystal Lattices” และงานวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ในปี 1928 ผลงานนี้มีความสำคัญตรงที่ได้วางรากฐานเรื่อง ทฤษฎีแถบพลังงานของอิเล็กตรอนในผลึก ทำให้รู้ว่าอิเล็กตรอนไม่สามารถมีพลังงานอะไรก็ได้ แต่จะมีได้เฉพาะบางค่าเท่านั้น โดยค่าพลังงานที่เป็นไปได้จะอยู่เรียงกันเป็นแถบพลังงาน (energy band) ส่วนค่าพลังงานที่เป็นไปไม่ได้จะทำให้เกิดช่องว่าง เป็นบริเวณที่เรียกว่า แถบต้องห้าม (forbidden band) ซึ่งแถบพลังงานและแถบต้องห้ามนี้สามารถอธิบายสาเหตุที่ทำให้โลหะเป็นฉนวน อโลหะ หรือกึ่งตัวนำได้
หลังจากนั้น A.H. Wilson ก็ใช้คลื่น Bloch และสถานะ Bloch ของอิเล็กตรอนที่ Bloch พบ แสดงให้เห็นความแตกต่างระหว่างโลหะกับฉนวน กับสารกึ่งตัวนำ และความรู้นี้ได้ถูกนำไปพัฒนาสารกึ่งตัวนำ เพื่อใช้ในการทำอุปกรณ์สำหรับวิทยุ โทรทัศน์ คอมพิวเตอร์ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ฯลฯ
ในช่วงปี 1928-1929 Bloch ได้ไปทำงานเป็นผู้ช่วยวิจัยของ Pauli ที่มหาวิทยาลัย Zurich เพื่อทำวิจัยเรื่องปรากฏการณ์ magnetoresistance และ ferromagnetism และได้พบว่าที่อุณหภูมิต่ำมาก ระบบทั้งสองจะมีคลื่น spin (spin wave) ซึ่งสมบัตินี้สามารถอธิบายความสัมพันธ์ระหว่างความร้อนจำเพาะและความเป็นแม่เหล็ก (magnetization) ของสารแม่เหล็กเฟร์โร (ferromagnet) กับอุณหภูมิใกล้ศูนย์องศาสัมบูรณ์ได้ ในเวลาต่อมา Bloch ได้พัฒนาแนวคิดนี้ จนพบว่า ภายในสาร ferromagnet มีบริเวณที่ถูกแบ่งออกเป็นเขตๆ เรียก magnetic domain ซึ่งมีผนัง Bloch wall กั้น และความเป็นแม่เหล็กในแต่ละเขตสามารถเปลี่ยนทิศได้
ในปี 1935 Bloch ได้ไปทำงานกับ Niels Bohr และได้รับคำแนะนำจาก Niels Bohr (รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี 1922) ให้ศึกษาสมบัติแม่เหล็กของอนุภาคนิวตรอน ซึ่งเป็นที่รู้กันว่าไม่มีประจุไฟฟ้า แต่มีโมเมนต์แม่เหล็ก ในการแสดงให้เห็นว่า นิวตรอนมีสมบัตินี้ Bloch ได้ส่งลำอนุภาคนิวตรอนที่มีความเร็วต่ำผ่านสารแม่เหล็ก ferromagnet และพบว่า อนุภาคนิวตรอนที่ทะลุผ่านออกมานั้น ทุกอนุภาคมีทิศของ magnetization ชี้ไปในแนวเดียวกัน
ในปี 1937 Bloch ซึ่งทำงานร่วมกับ Luis Alvarez (รางวัลโนเบลฟิสิกส์ปี 1959) แห่งมหาวิทยาลัย California ที่ Berkeley ได้ใช้เครื่องเร่งอนุภาค cyclotron วัดโมเมนต์แม่เหล็กของนิวตรอนได้เป็นครั้งแรกว่า มีค่า –(1.935+/-0.02) nuclear magneton
องค์ความรู้เหล่านี้คือการค้นพบสำคัญ 3 เรื่องของ Bloch ก่อนที่เขาประดิษฐ์เทคโนโลยี NMR ซึ่งทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลในที่สุด
ขณะ Bloch เดินทางไป Washington D.C. เพื่อเข้าประชุมประจำปี 1939 ของ American Physical Society เขาได้พบสุภาพสตรีชื่อ Lore Misch ซึ่งเป็นนักผลึกศาสตร์ที่ได้อพยพหนี Nazi เยอรมันมาอเมริกาเช่นเดียวกับตน ทั้งสองได้ตัดสินใจแต่งงานกันเมื่อวันที่ 14 มีนาคม ค.ศ.1940 ที่ Las Vegas ครอบครัวมีลูก 4 คน ชาย 3 คน และหญิง 1 คน
ในหลักการทำงานของเทคโนโลยี NMR นั้น Bloch ซึ่งเป็นนักฟิสิกส์ที่เชี่ยวชาญเรื่องกลศาสตร์ควอนตัมอย่างลึกซึ้ง ได้อธิบายการทำงานของ NMR ว่า เพราะนิวเคลียสของอะตอมไฮโดรเจนคืออนุภาคโปรตอนมีสมบัติแม่เหล็ก ดังนั้นเวลามีสนามแม่เหล็กภายนอกมากระทำ โมเมนต์แม่เหล็กของโปรตอนจะหมุนส่ายรอบทิศของสนามแม่เหล็กในทำนองเดียวกับลูกข่างที่หมุนรอบตัวเอง และทิศของโมเมนต์วนไปรอบทิศของสนามแม่เหล็กเป็นวงกลม แต่ถ้ามีสนามแม่เหล็กอีกสนามหนึ่งที่ถูกส่งเข้าไปในทิศตั้งฉากกับสนามแม่เหล็กเดิม และให้ความถี่ของสนามใหม่นี้ให้มีค่าเท่ากับความถี่ในการส่ายควงของโมเมนต์แม่เหล็กของโปรตอนพอดี โปรตอนก็จะดูดกลืนคลื่น (ปรากฏการณ์ resonance) โมเมนต์แม่เหล็กของโปรตอนนั้นจะกลับทิศ ครั้นเมื่อเอาสนามกระตุ้นออก โปรตอนจะปล่อยพลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา ข้อมูลนี้ทำให้รู้สถานะพลังงานของนิวเคลียสก่อนและหลังการเปลี่ยนแปลง Bloch ได้ใช้เทคนิคนี้ศึกษาโครงสร้างของโมเลกุลในของแข็ง ของเหลว และแก๊ส ในเวลาต่อมาเทคนิค NMR ถูกนำไปใช้ในการแพทย์ เพื่อถ่ายภาพเนื้อเยื่อ เรียกเทคนิค Magnetic Resonance Imaging MRI ที่สามารถบอกความแตกต่างของเนื้อเยื่อปรกติ และเนื้อเยื่อที่เป็นโรคได้ ทั้งนี้เพราะเนื้อเยื่อเหล่านี้แตกต่างกันทางด้านชีวภาพ นอกจากนี้ก็ยังใช้ MRI ศึกษาการทำงานของสมอง ไต และกระดูกสันหลัง ผลที่ตามมาคือ ผู้พัฒนาเทคนิค MRI ได้รับรางวัลโนเบลสาขาการแพทย์ประจำปี 2003
ในชีวิตส่วนตัว Bloch อ้างตนเองเสมอว่าเป็นนักฟิสิกส์ทดลอง คือ มิได้เป็นนักฟิสิกส์ทฤษฎี แต่เขาก็เป็นคนที่ตระหนักดีในขอบเขตและความสามารถของอุปกรณ์ที่มี อีกทั้งเป็นผู้ที่มีความเชี่ยวชาญในด้านการออกแบบอุปกรณ์การทดลอง จนนักศึกษาทุกคนที่ทำงานร่วมกับ Bloch ต่างก็รู้สึกซาบซึ้งและชื่นชมในความสามารถ และความเมตตาของเขา
ในด้านอุปนิสัยส่วนตัว Bloch ชอบเล่นดนตรี อ่านวรรณคดี สนใจธรรมชาติโดยการปีนเขา และเล่นสกี บ้านของ Bloch ไม่มีห้องสมุด คือมีหนังสืออ่านไม่มาก แสดงว่าเป็นคนที่ชอบแก้ปัญหาด้วยตนเองโดยไม่ต้องพึ่งพาตำรา
ในปี 1965 Bloch ได้รับเลือกเป็นประธานของ American Physical Society และเสียชีวิตเมื่อวันที่ 10 กันยายน 1983 ที่เมือง Zurich ใน Switzerland สิริอายุ 77 ปี โดยได้ทิ้งผลงานเรื่อง NMR, Bloch wall, Bloch’s Theorem, Bloch wave และ Bloch’s equations ไว้เบื้องหลัง
อ่านเพิ่มเติมจาก Modern Men of Science จัดพิมพ์โดย McGraw-Hill ปี 1966
เกี่ยวกับผู้เขียน
สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ สุทัศน์ ยกส้าน ได้ทุกวันศุกร์
