xs
xsm
sm
md
lg

Louis de Broglie กับปรากฏการณ์ Kapitza-Dirac และ Fano

เผยแพร่:   โดย: สุทัศน์ ยกส้าน

Louis de Broglie
การเสียชีวิตของ Louis de Broglie เมื่อวันที่ 19 มีนาคม ค.ศ.1987 ได้ทำให้โลกสูญเสียนักฟิสิกส์ผู้มีส่วนในการบุกเบิกวิชากลศาสตร์ควอนตัม เพราะในปี 1923 de Broglie วัย 31 ปี ได้เสนอสมมติฐานที่ยิ่งใหญ่ว่า ในเมื่อคลื่นแสงสามารถแสดงสมบัติของอนุภาคได้ ดังที่ปรากฏในปรากฎการณ์โฟโตอิเล็กทริก ดังนั้นสสารที่มีทั้งขนาดและมวลก็ย่อมแสดงสมบัติของคลื่นได้เช่นกัน คือ มีความยาวคลื่นและความถี่ อีกทั้งยังสามารถแสดงปรากฎการณ์เลี้ยวเบน แทรกสอด หักเห และสะท้อนก็ได้ด้วย

คลื่นสสาร (matter wave) ที่ de Broglie นำเสนอนี้คือจุดเริ่มต้นที่ได้ชี้นำให้ Erwin Schroedinger พัฒนาวิชากลศาสตร์ควอนตัมขึ้นมา ด้วยการสร้างสมการคลื่นที่มีฟังก์ชันคลื่นเป็นคำตอบเพื่ออธิบายสมบัติ และพฤติกรรมที่ “ผิดธรรมชาติ” ของอนุภาคที่มีขนาดเล็กระดับอะตอม เช่น electron, proton และ neutron ในเวลาต่อมา Niels Bohr แห่งมหาวิทยาลัย Copenhagen ในเดนมาร์กกับ Max Born และบรรดาลูกศิษย์แห่งมหาวิทยาลัย Göttingen ในเยอรมนีก็ได้พัฒนาแนวคิดเรื่องทวิภาพของสรรพสิ่งนี้ต่อไป จนได้ทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัมในระหว่างปี 1925 ถึง 1926

ความสำคัญของสมมติฐานและทฤษฎีของ de Broglie ทำให้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 1929

de Broglie เกิดเมื่อวันที่ 15 สิงหาคม ค.ศ.1892 (ตรงกับรัชสมัยสมเด็จพระปิยมหาราช) ที่เมือง Dieppe แคว้น Seine-Marne ประเทศฝรั่งเศส ในครอบครัวขุนนางที่มีฐานะดี บรรพบุรุษของตระกูลนี้ได้ถวายการรับใช้บุคคลในราชวงศ์ฝรั่งเศสมาเป็นเวลานาน ทั้งในด้านการทหารและการทูต

เมื่อเกิดการปฏิวัติครั้งใหญ่ ในปี 1789 แม้สมาชิกคนหนึ่งของตระกูล de Broglie จะถูกตัดศีรษะด้วยกิโยติน แต่คนฝรั่งเศสทั่วไปก็ยังยอมรับว่า ตระกูลนี้เป็นตระกูลที่สำคัญมากตระกูลหนึ่งชองชาติ

ตั้งแต่วัยเด็ก de Broglie ได้ใช้ชีวิตอย่างสุขสบายที่บ้าน และได้รับการศึกษาเป็นอย่างดีเยี่ยมที่โรงเรียน Lycee Janson แห่งเมือง Sailly จึงมีความสนใจในศาสตร์ต่างๆ มากมายหลายด้าน ฐานะที่ดีและตำแหน่งการงานที่สูงของบรรพบุรุษได้ชี้นำให้ de Broglie เข้าศึกษาที่มหาวิทยาลัย Sorbonne โดยได้เลือกเรียนประวัติศาสตร์เป็นวิชาเอก เพราะรู้สึกดื่มด่ำและสนุกกับวิชานี้มาก

จนกระทั่งวันหนึ่ง เมื่อ Maurice de Broglie ซึ่งเป็นพี่ชาย และเป็นนักฟิสิกส์ผู้สนใจรังสีเอ็กซ์นำหนังสือรายงานการประชุม Solvay Conference ที่เพิ่งถูกจัดเป็นครั้งแรกที่เมือง Solvay ในเบลเยี่ยม ในปี 1911 มาให้น้องชายอ่าน

หลังจากที่ได้อ่านผลงานของ Albert Einstein, Max Planck และ Marie Curie ฯลฯ ที่ปรากฏในรายงานการประชุม de Broglie ก็เริ่มรู้สึกสนใจฟิสิกส์ทันที และตัดสินใจเปลี่ยนไปเรียนฟิสิกส์แทน

ช่วงเวลานั้นสงครามโลกครั้งที่ 1 ใกล้จะอุบัติ ดังนั้นเมื่อสงครามเกิดในปี 1914 de Broglie จึงสมัครเข้ารับราชการทหารในตำแหน่งที่วิศวกรวิทยุ ซึ่งมีหน้าที่ส่งและรับสัญญาณวิทยุที่หอ Eiffel จนกระทั่งสงครามโลกยุติในปี 1918 de Broglie จึงได้กลับไปเรียนต่อระดับปริญญาเอกสาขาฟิสิกส์ทฤษฎี

ในปี 1923 de Broglie ได้ตีพิมพ์งานวิจัย 3 เรื่องใน Comptes Rendus de l’ Academie des Sciences ซึ่งได้แสดงให้เห็นว่า อนุภาคเสรี (คือ อนุภาคที่ไม่ถูกแรงใดๆ มากระทำ) จะมีความยาวคลื่น  λ = h/p เมื่อ h คือ ค่าคงตัวของ Planck และ p คือโมเมนตัมของอนุภาคนั้น de Broglie และยังได้แสดงให้เห็นอีกว่า หลักกิริยาน้อยที่สุด (Least Action) ของ P.L.M. de Maupertuis ที่ใช้วิเคราะห์การเคลื่อนที่ของอนุภาคกับหลักของ Fermat ที่ใช้กำกับพฤติกรรมของแสงเป็นคนละเรื่องเดียวกัน

เมื่องานวิจัยทั้งหมดที่นำเสนอได้รับการตีพิมพ์เผยแพร่ de Broglie ก็เตรียมตัวจบการศึกษาระดับปริญญาเอก และได้เรียบเรียงวิธีคิดทั้งหมดลงในวิทยานิพนธ์ชื่อ Researches sur la Theorie des Quanta (Researches on the Quantum Theory)

Paul Langevin ซึ่งเป็นอาจารย์ที่ปรึกษาจึงจัดส่งวิทยานิพนธ์ฉบับนั้นไปให้ Einstein อ่าน เพื่อขอความเห็น

ทันทีที่อ่านจบ Einstein ก็ตระหนักในความยิ่งใหญ่และความสำคัญของความคิดที่ de Broglie นำเสนอ จึงรายงานเรื่องที่อ่านให้คนในวงการฟิสิกส์ทราบ และตั้งข้อสังเกตว่าคงต้องคอยการยืนยันจากนักทดลองว่าธรรมชาติเป็นดังที่ de Broglie คิด
Clinton Davisson กับ Lester Germer ชาวอเมริกันได้ทดลองพบว่า เวลาอิเล็กตรอนตกกระทบผลึก มันจะแสดงปรากฏการณ์เลี้ยวเบน
    ในปี 1905 Einstein เอง เคยอธิบายสาเหตุการเกิดปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กตริกว่า แสงที่ใครทั้งโลกเชื่อว่ามีสมบัติของคลื่นนั้น สามารถแสดงพฤติกรรมเสมือนว่าเป็นอนุภาคได้ มาคราวนี้ de Broglie ได้มองย้อนและแถลงว่า ถ้าแสงแสดงพฤติกรรมว่ามีสองสมบัติ อนุภาคก็ย่อมแสดงสองสมบัติได้เช่นกัน คือ มีความยาวคลื่น (ตามสมการ λ = h/p ) ดังนั้น ถ้าอนุภาคที่พิจารณาคือลูกเทนนิส มันจะมีความยาวคลื่นน้อยจนตาสังเกตไม่เห็น แต่ถ้าอนุภาคมีมวลน้อยมาก เช่น อิเล็กตรอน ความยาวคลื่นของมันจะมีค่าประมาณความยาวคลื่นของรังสีเอ็กซ์

    ในปี 1927 สมมติฐานและสูตรของ de Broglie ได้รับการยืนยันว่าถูกต้องและเป็นจริงทุกประการเมื่อ Clinton Davisson กับ Lester Germer ชาวอเมริกันได้ทดลองพบว่า เวลาอิเล็กตรอนตกกระทบผลึก มันจะแสดงปรากฏการณ์เลี้ยวเบน และในช่วงเวลาใกล้กัน G.P. Thomson ชาวอังกฤษก็เห็นปรากฏการณ์เลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนขณะผ่านผลึกด้วย

จากนั้นชื่อเสียงของ de Broglie ก็กระหึ่มดังจนทุกคนรู้จัก เพราะอีก 2 ปีต่อมา de Broglie (โดยการเสนอชื่อของ Einstein) ก็ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ ด้วยผลงานที่ได้วางรากฐานให้นักฟิสิกส์ได้พัฒนาวิชาฟิสิกส์ต่อ ทั้งในด้านวิชาการบริสุทธิ์และด้านการประยุกต์ เช่น ในปี 1926 Erwin Schroedinger ได้สร้างวิชากลศาสตร์คลื่น (Wave Mechanics) และในปี 1937 James Hillier กับ Albert Prebus ได้นำสมบัติคลื่นของอิเล็กตรอนมาใช้ในการสร้างกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนเป็นครั้งแรก ซึ่งกล้องนี้ทำงานได้ดีกว่าและมีประสิทธิภาพยิ่งกว่ากล้องจุลทรรศน์ที่ใช้แสงในการสังเกตประมาณ 4 เท่า ปัจจุบันกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนสามารถเห็นอะตอมได้แล้ว

    เมื่อสำเร็จการศึกษาระดับปริญญาเอก de Broglie ได้สมัครไปเป็นอาจารย์สอนฟิสิกส์ทฤษฎีที่ Institut Henri Poincare ในปารีส และได้ทุ่มเทความสนใจไปที่ทฤษฎีอิเล็กตรอนของ Dirac เพื่อหวังจะสร้างสมการคลื่นของอนุภาคที่มี spin เท่ากับ 1 รวมถึงได้พยายามใช้กลศาสตร์ควอนตัมในการอธิบายปรากฏการณ์ nuclear ด้วย

    แม้จะเป็นนักฟิสิกส์คนหนึ่งที่ให้กำเนิดวิชากลศาสตร์ควอนตัม และเมื่อทฤษฎีได้รับการพัฒนาไปตลอดเวลา de Broglie ก็พบว่า ตนยังงุนงงและไม่เข้าใจความหมายของปริมาณต่างๆ ที่ใช้ในวิชานี้ จึงนำเสนอเรื่อง hidden variable (ตัวแปรซ่อนเร้น) ในปี 1927 และ David Bohm ได้นำความคิดนี้ไปพัฒนาต่อในอีก 25 ปีต่อมา

    ในชีวิตส่วนตัว de Broglie เป็นคนที่สุภาพ จริงใจ และชอบใช้ชีวิตเรียบง่ายเหมือนนักพรต แม้จะมีชาติตระกูลสูง คือ เป็นถึงท่าน Duke แต่ก็สนใจวิทยาศาสตร์

ในปี 1929 เขาได้รับเหรียญ Henri Poincare เป็นคนแรก
ในปี 1933 ได้รับเลือกเป็นสมาชิกของ Academie des Sciences และ Academie Francaise

หลังจากนั้นได้ขึ้นครองตำแหน่งศาสตราจารย์แห่งมหาวิทยาลัย Sorbonne

ในยามว่าง de Broglie ชอบเรียบเรียงความรู้ฟิสิกส์ให้คนทั่วไปอ่าน ทำให้ในปี 1952 ได้รับรางวัล Kalinga Prize ของ UNESCO
de Broglie ลาโลกเมื่ออายุ 95 ปี
Louis de Broglie (ที่ 3 จากขวาแถวกลาง) ในงานประชุม ปี Solvay Conference 1927
ถึงวันนี้พัฒนาการเกี่ยวกับการตรวจสอบสมบัติทวิภาพของสสารและคลื่นสามารถพบเห็นได้ในปรากฏการณ์ต่างๆ มากมาย เช่น ในปรากฏการณ์ Kapitza-Dirac ซึ่งเป็นการทดลองที่แสดงว่าสสารสามารถแสดงสมบัติของคลื่นได้ และคลื่นก็สามารถแสดงสมบัติของสสารได้พร้อมกัน

ในปี 1933 Peter Kapitza (รางวัลโนเบลฟิสิกส์ปี 1978 จากการพบของเหลวยวดยิ่ง และ Paul Dirac (รางวัลโนเบลฟิสิกส์ปี 1933 จากการสร้างทฤษฎี quantum electrodynamics) ได้เสนอความคิดว่าแสงที่มีสมบัติคลื่น คือมีรูปลักษณ์เป็นเนินและแอ่งที่มีขนาดสม่ำเสมอ ถ้าแสงถูกส่งไปสะท้อนกลับไปกลับมาระหว่างแผ่นกระจกราบ จะทำให้เกิดคลื่นนิ่ง (standing wave) จึงมีสภาพเป็น grating ที่สามารถเลี้ยวเบนอิเล็กตรอนที่ไปกระทบมันได้

ข้อเสนอเรื่องปรากฎการณ์ Kapitza-Dirac นี้ ไม่ได้รับการยืนยันโดยการทดลองเป็นเวลานานร่วม 70 ปี เพราะเทคโนโลยีที่ต้องใช้ในการพิสูจน์เรื่องนี้ยังไม่ดีพอ คือ นักทดลองจำเป็นต้องใช้เลเซอร์แบบห้วง (pulsed laser) ที่มีความเข้มสูง

ในปี 2001 Herman Batelaan, Daniel Freimund และ Kayvan Aflatoon แห่งมหาวิทยาลัย Nebraska-Lincoln ในสหรัฐอเมริกา ได้รายงานในวารสาร Nature ฉบับที่ 413 หน้า 142 ว่า หลังจากที่ให้อิเล็กตรอนพุ่งผ่านเกรตติงแสงแล้ว มันจะเลี้ยวเบนเป็นแถบมืดและแถบสว่าง โดยมีความเข้มของการเลี้ยวเบนบนฉากปรากฏเป็นยอดสูงและต่ำ เหมือนดังความเข้มที่เกิดเวลาแสงเลี้ยวเบนผ่านเกรตติงทุกประการ ดังนั้นปรากฏการณ์ Kapitza-Dirac จึงยืนยันว่าทั้งอิเล็กตรอนและแสงต่างก็มีสมบัติทวิภาพ

ในวารสาร Proceedings of the National Academy of Sciences ฉบับที่ 474 หน้า 623 ที่เผยแพร่ในปี 2011 A. Ourjourntsev กับคณะได้รายงานผลการทดลองที่แสดงว่า เวลาโมเลกุลอะตอมคู่ได้รับรังสีอัลตราไวโอเลต เช่น โมเลกุลที่ประกอบด้วยอะตอมชนิดเดียวกัน เวลารับแสงอะตอมทั้งสองในโมเลกุลนั้นจะปล่อยอิเล็กตรอนที่อยู่วงนอกสุด (photoionization) ออกมา ซึ่งอิเล็กตรอนจะทำตัวเป็นคลื่นสสารไปสอดแทรกกันบนฉาก จนเกิดเป็นแถบมืดและแถบสว่าง

ในการทดลองครั้งนั้น ผู้วิจัยได้ใช้โมเลกุลของไนโตรเจน (N2) ซึ่งประกอบด้วยอะตอม N (ไนโตรเจน) สองอะตอมที่เหมือนกัน เมื่อโมเลกุลได้รับแสงเลเซอร์ อะตอม N ทั้งคู่จะปล่อยอิเล็กตรอนสองอิเล็กตรอนที่โคจรรอบนิวเคลียสออกมา กระบวนการ photoelectron emission ที่อิเล็กตรอนถูกปลดปล่อยจากอะตอมโดยแสงนี้เป็นกุญแจสำคัญที่แสดงให้เห็นว่า คลื่นสสารสามารถแสดงปรากฏการณ์แทรกสอดได้เหมือนคลื่นแสง

การทดลองขั้นต่อไป คือ นักทดลองจะใช้โมเลกุลที่ประกอบด้วยอะตอมต่างชนิดกัน เช่น CO หรือ NH3 เพื่อให้เห็นปรากฏการณ์ Fano นี้บ้าง

อ่านเพิ่มเติมจาก Interaction of Intensed Laser Light with Free Electrons โดย M.V. Fedorov จัดพิมพ์โดย Harwood Academic Publishers ปี 1991





เกี่ยวกับผู้เขียน

สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย

อ่านบทความ สุทัศน์ ยกส้าน ได้ทุกวันศุกร์









กำลังโหลดความคิดเห็น...