นักวิทยาศาสตร์มักถูกสังคมถามซักไซ้อยู่เสมอว่า งานวิจัยวิทยาศาสตร์โดยเฉพาะฟิสิกส์มีประโยชน์อย่างไรบ้าง ถ้าคำตอบเป็นว่า งานที่ทำไปไม่มีประโยชน์ในเชิงรูปธรรม เพราะนักฟิสิกส์ทำวิจัยเพื่อสนองความใคร่รู้ใคร่เห็นเท่านั้นเอง เขาก็จะถูกสังคมลงความเห็นว่าเป็นคนเห็นแก่ตัวที่ถลุง และผลาญเงินภาษีของประชาชนอย่างเลือดเย็น
โลกฟิสิกส์มีตัวอย่างมากมายที่แสดงให้เห็นตั้งแต่อดีตว่า ความอยากรู้อยากเห็นของนักฟิสิกส์ได้นำมาซึ่งเทคโนโลยีที่มีคุณประโยชน์ เช่น เมื่อ Ernest Rutherford ประสงค์จะรู้ว่าในอะตอมมีอะไรบ้าง เขาได้ยิงอนุภาคแอลฟาไปพุ่งชนแผ่นทองคำเปลว (ซึ่งในสายตาคนทั่วไป การกระทำเช่นนั้น ดูไร้ทั้งเหตุผลและสาระ) แต่การทดลองครั้งนั้นได้ทำให้ Rutherford พบนิวเคลียส (nucleus) ซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดพลังงานในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ ทำระเบิดปรมาณูเพื่อยุติสงคราม และทำให้แพทย์มีเทคโนโลยี MRI ที่ใช้วิเคราะห์โรคในอวัยวะของคน
สำหรับในกรณีของ Albert Einstein ซึ่งปรารถนาจะเข้าใจธรรมชาติของอันตรกริยา (interaction) ระหว่างอะตอมกับแสง (ซึ่งก็ดูไร้สาระเช่นกัน) แต่ความต้องการรู้นี้ได้ชี้นำให้ Einstein พบหลักการสร้างเลเซอร์ (laser) ซึ่งนับเป็นสิ่งประดิษฐ์ที่มีประโยชน์มากที่สุดสิ่งหนึ่งแห่งคริสต์ศตวรรษที่ 20 เพราะแพทย์ใช้เลเซอร์ในการผ่าตัดตา ฆ่าเซลล์มะเร็ง สลายนิ่ว วิศวกรใช้เลเซอร์ในการส่งสัญญาณโทรศัพท์ เล่นซีดี สื่อสารในอวกาศ ช่างใช้เลเซอร์ในงานเชื่อม ตัดโลหะ พนักงานซูเปอร์มาร์เก็ตใช้เลเซอร์ในการอ่าน bar code ที่ติดอยู่กับสินค้า นักวิทยาศาสตร์ใช้เลเซอร์ในการวิเคราะห์กลไกการเกิดปฏิกริยาเคมี และกักขังอะตอมให้อยู่นิ่ง เพื่อสร้างมาตรฐานของเวลา รวมถึงใช้เลเซอร์ช่วยตรวจจับคลื่นโน้มถ่วง ตรวจสอบความถูกต้องสมบูรณ์ของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั้งพิเศษและทั่วไป และช่วยวิเคราะห์ความประเสริฐของทฤษฎีควอนตัมด้วย
ด้านนักเทคโนโลยีก็ใช้เลเซอร์ในการพิทักษ์ความปลอดภัย เช่น ช่วยจับขโมย เพราะเวลาขโมยเดินตัดลำแสงเลเซอร์อย่างไม่รู้ตัว สัญญาณเสียงจะดัง วงการบันเทิงใช้เลเซอร์สร้างแสงพิเศษที่น่าตื่นตาตื่นใจ ทหารใช้เลเซอร์ในจรวดนำวิถี และในเครื่องบินไร้คนขับ (drone) นักมาตรวิทยาใช้เลเซอร์ในการวัดระยะทาง นักวิทยาศาสตร์สิ่งแวดล้อมใช้เลเซอร์วัดการขยายตัวของผิวภูเขาไฟเวลาใกล้จะระเบิด วัดความเร็วในการเคลื่อนตัวของธารน้ำแข็ง ตรวจวัดปริมาณมลพิษในบรรยากาศโลก ตำรวจใช้เลเซอร์ตรวจจับคนที่ขับรถเร็วเกินความเร็วที่กำหนด นักฟิสิกส์ใช้เลเซอร์ทำให้ระบบอะตอมมีอุณหภูมิต่ำจนแทบจะเป็นศูนย์องศาสัมบูรณ์เพื่อทดสอบสมบัติควอนตัมของระบบอนุภาค และใช้เลเซอร์ที่มีความเข้มสูงน็อคอิเล็กตรอนที่โคจรอยู่วงในสุดของอะตอมออกไปจากวงโคจร เพื่อสร้างรังสีเอ็กซ์พลังงานสูง นักวิทยาศาสตร์ด้านพลังงานใช้เลเซอร์สร้างพลังงานไฟฟ้าโดยกระบวนการ fusion ซึ่งจะทำให้โลกมีพลังงานใช้อย่างไม่มีที่สิ้นสุด
เมื่อครั้งที่ Einstein เริ่มครุ่นคิดเรื่องเหตุการณ์ที่จะเกิดขึ้นเวลาอะตอมได้รับแสง นักฟิสิกส์ในเวลานั้นรู้เพียงว่า เมื่อใดที่อิเล็กตรอนซึ่งกำลังโคจรรอบนิวเคลียสได้รับพลังงาน มันจะมีพลังงานมากขึ้น คือจะอยู่ในสถานะกระตุ้น แต่มันไม่สามารถอยู่ในสถานะดังกล่าวได้นาน จึงต้องปล่อยพลังงานส่วนเกินออกมาในรูปของแสง นักฟิสิกส์เรียกกระบวนการปล่อยแสงในลักษณะนี้ว่า การปล่อยแสงที่เกิดขึ้นเอง (spontaneous emission) ตามธรรมชาติ
ถึงปี 1918 Einstein ก็ได้พบกระบวนการปล่อยแสงอีกรูปแบบหนึ่ง ซึ่งเรียกว่าการปล่อยแสงที่เกิดจากการเร้า (stimulated emission) ซึ่งจะเกิดเวลาอะตอมมีอิเล็กตรอนอยู่ในสถานะกระตุ้นอยู่แล้วได้รับแสงที่มีพลังงานเท่ากับพลังงานกระตุ้นพอดี อิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นนั้นจะปล่อยแสงออกมาในทันที ดังนั้นจากเริ่มต้นที่มีแสงในปริมาณหนึ่งผ่านเข้ามาในอะตอม หลังการเร้า แสงที่ถูกปล่อยออกมาจะมีปริมาณเพิ่ม (จากที่ผ่านเข้ามารวมกับที่ถูกเร้าให้ปล่อย) ซึ่งแสงนี้มีความยาวคลื่นเท่าแสงที่มาเร้าทุกประการ แสงทั้งสอง (เดิมกับใหม่) นอกจากจะมีความยาวคลื่นเท่ากันแล้ว ยังเคลื่อนที่ไปทางเดียวกัน และอย่างพร้อมเพรียงกันด้วย คือ เป็นแสงอาพันธ์ (coherent light) กัน
แนวคิดนี้มิได้รับการพัฒนาต่อจนอีก 42 ปีต่อมา คือจนถึงเดือนพฤษภาคม ค.ศ.1960 Theodore Maiman ได้ทดลองใช้แท่งทับทิมที่ถูกโด้ปด้วยอะตอมโครเมียม โดยนำแท่งทับทิมนั้นมาฉาบด้วยโลหะเงินที่ปลายทั้งสองข้างเพื่อให้สะท้อนแสงกลับไปกลับมาภายในแท่ง แล้ว Maiman นำหลอดไฟแฟลช (flash lamp) ที่มีรูปทรงเป็นเกลียวมาสวมรอบแท่ง ดังนั้นเมื่อเปิดและปิดหลอดไฟเป็นจังหวะ แสงจากหลอดจะกระตุ้นเร้าอิเล็กตรอนในอะตอมโครเมียมจำนวนมากที่อยู่ในสถานะกระตุ้นให้ปล่อยแสงอาพันธ์ออกมา และแสงที่ถูกสะท้อนกลับไป-กลับมา จะเร้าอิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นให้ปล่อยแสงอาพันธ์ออกมาอีก ในที่สุด แสงที่ออกมาจะมีความเข้มสูงจนตาเปล่าสามารถเห็นได้เป็นแสง laser จากอักษรต้นของคำว่า Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
ปัจจุบันเทคโนโลยีการสร้างเลเซอร์ได้พัฒนาไปมาก เช่นนอกจากจะใช้ตัวกลางที่เป็นของแข็งในการทำแล้ว โลกยังมี dye laser ที่ใช้สารละลายสีย้อม มีเลเซอร์แก๊สที่ใช้แก๊สฮีเลียม-นีออน และเลเซอร์ที่ใช้ argon-ion เลเซอร์ที่มี free-electron ซึ่งเป็นอิเล็กตรอนที่ถูกเร่งจนมีความเร็วใกล้ความเร็วแสง ซึ่งเมื่ออิเล็กตรอนเหล่านั้นผ่านไปในสนามแม่เหล็กที่มีความเข้มไม่สม่ำเสมอ อิเล็กตรอนจะเปล่งแสงออกมาหลายความยาวคลื่นตั้งแต่ infrared, ultraviolet และ x-ray แต่จะเป็นชนิดใดนั้นก็ขึ้นกับความเร่งของอิเล็กตรอนในขณะนั้น
ในขณะที่เครื่องเร่งอนุภาค LHC ที่ CERN กำลังค้นหาอนุภาค Higgs ทาง Lawrence Livermore National Laboratory ในสหรัฐอเมริกาก็กำลังเดินหน้าด้วยโครงการ National Ignition Facility (NIF) มูลค่า 4,000 ล้านเหรียญและมีเป้าหมายที่น่าตื่นเต้นไม่แพ้กัน เพราะโครงการนี้มีอุปกรณ์สร้างเลเซอร์ 192 เครื่องที่จะปล่อยแสงเลเซอร์ออกมาเป็นห้วง ห้วงหนึ่งๆ นาน 10-9 วินาที ซึ่งคิดเป็นพลังงาน 50 เท่าของพลังงานทั้งหมดที่โลกใช้ในเวลาเดียวกัน (แต่ใช้สั้นมาก) พลังงานแสงทั้ง 192 ลำ จะโฟกัสที่หยดไฮโดรเจนเหลวให้รวมกันเป็นฮีเลียม โดยใช้ปฏิกิริยา fusion ซึ่งจะให้กำเนิดพลังงานมหาศาล
เพราะเทคนิคนี้เป็นปฏิกิริยาเดียวกันกับที่เกิดในดาวฤกษ์ ดังนั้นโครงการ NIF เสมือนจะนำดาวฤกษ์ลงมาให้ดูกันในห้องปฏิบัติการบนโลก เพื่อให้ทุกคนประจักษ์ว่า การมีพลังงานใช้อย่างไม่มีที่สิ้นสุดนั้นเกิดขึ้นได้อย่างไร
แรงดลใจอีกประการหนึ่งในการทำงานของนักฟิสิกส์ในโครงการ NIF คือ ต้องการศึกษาอันตรกริยาระหว่างแสงกับสุญญากาศ เพราะในมุมมองของทฤษฎีควอนตัม สุญญากาศมิได้ว่างเปล่า (คือไม่มีอะไรเลย) แต่ประกอบด้วยอนุภาคเสมือนและปฏิยานุภาคเสมือน (คือไม่จริง) ที่ผุดเข้าผุดออก (มีและดับ) ในสุญญากาศตลอดเวลา ดังนั้น ถ้าแสงเลเซอร์มีความเข้มสูง สนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีในแสงก็จะมีอันตรกริยา (คือมีแรงกระทำ) กับอนุภาคเหล่านั้นในลักษณะที่ไม่มีใครคาดว่าจะเป็นไปได้ เพราะสุญญากาศจะไม่เป็นตัวกลางที่ไม่มีอะไรอีกต่อไป แต่จะเป็นตัวกลางที่มีพฤติกรรมลักษณะประหลาดชนิดที่คาดไม่ถึง เพราะถ้าแสงมีพลังงานมาก อนุภาคเสมือนก็จะกลายเป็นอนุภาคจริง ที่จะอยู่แยกกันโดยสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความเข้มสูงกว่า 8x1018 โวลท์/เมตร และเมื่อเหตุการณ์นี้เกิด สุญญากาศก็จะกลายสภาพเป็นทะเลอนุภาคที่เดือดพล่าน
แต่การจะเห็นสุญญากาศเดือดนี้ นักฟิสิกส์ต้องสร้างเลเซอร์ที่มีความเข้มสูงกว่า 1030 วัตต์/ตารางเซนติเมตร คือมากกว่าความสามารถของ NIF ปัจจุบันประมาณ 1012 เท่า
เมื่อ 50 ปีก่อนที่โลกเริ่มมีเลเซอร์ใช้ พลังของเลเซอร์ในเวลานั้นก็สูงพอที่ทำให้ดัชนีหักเหของตัวกลางเปลี่ยน เพราะเวลาเลเซอร์เดินทางผ่านตัวกลาง อันตรกริยาระหว่างเลเซอร์กับอะตอมในตัวกลางได้ทำให้สมบัติของอะตอมเปลี่ยนแปลง ดังนั้นดัชนีหักเหของตัวกลางก็จะเปลี่ยนตาม นี่คือต้นกำเนิดของปรากฏการณ์ nonlinear optics (ทัศนศาสตร์ที่ไม่เป็นเชิงเส้น) และในกรณีที่เลเซอร์มีกำลังสูง อิเล็กตรอนในอะตอมก็จะถูกเลเซอร์เร่งจนมีความเร็วสูงมาก สถานการณ์เช่นนี้จะทำให้มีวิทยาการใหม่คือ relativistic optics หรือทัศนศาสตร์เชิงสัมพัทธภาพ
ปัจจุบันนักฟิสิกส์มีความประสงค์จะสร้างเลเซอร์ให้มีพลังงานสูงยิ่งขึ้นไปอีก และนั่นก็คือ การศึกษาทัศนศาสตร์เชิงสัมพัทธภาพระดับสูงสุดยอด (ultrarelativistic optics) ซึ่งจะทำได้ถ้ามีแสงเลเซอร์ที่ถูกปล่อยออกมาเป็นห้วง นานประมาณ 10-15 วินาที - 10-18 วินาที และถ้าสร้างห้วงแสงลักษณะนี้ได้ นักฟิสิกส์ก็คาดหวังจะเห็นปรากฏการณ์มหัศจรรย์เกิดขึ้นในสุญญากาศ รวมถึงที่ใกล้ขอบภายนอกของหลุมดำ เพราะในทฤษฎีของ Hawking หลุมดำสามารถทำให้เกิดอนุภาคกับปฏิยานุภาคได้เช่นกัน โดยอนุภาคหนึ่งจะเคลื่อนที่หนีไปจากหลุมดำ แต่อีกอนุภาคหนึ่งจะเคลื่อนที่ลงหลุมดำ
เหตุการณ์นี้จะเกิดเมื่อสุญญากาศได้รับพลังงานมากเพียงพอ ที่จะสร้างอนุภาคได้ และนี่จะเป็นแนวทางหนึ่งในการศึกษาทฤษฎีแรงโน้มถ่วงเชิงควอนตัม (quantum theory of gravity)
ดังนั้น การใช้เลเซอร์สร้างรังสี Hawking ก็จะเป็นเรื่องที่น่าสนใจอีกประเด็นหนึ่งสำหรับนักฟิสิกส์ในอนาคต และถ้าเขาสร้างเลเซอร์ที่สามารถเร่งอิเล็กตรอนจนมีความเร็วใกล้แสงได้ นักฟิสิกส์ก็จะสามารถทำการทดลองในประเด็นเหล่านี้ได้ดีกว่าเครื่องเร่งอนุภาค LHC นั่นคือ นักฟิสิกส์ที่เชี่ยวชาญเลเซอร์จะสามารถทำงานฟิสิกส์ด้านอนุภาคพลังงานสูงได้ทันที
ขณะนี้เรายังไม่มีเทคโนโลยีในระดับนี้ แต่ในอีก 10-20 ปี เรื่องนี้ก็ไม่แน่ แต่เมื่อถึงเวลานั้นเราอาจมีเครื่องเร่งรังสีแกมมา ให้ชนกัน (gamma - gamma collider) ซึ่งจะเป็นระบบที่มีพลังงานสูงกว่า LHC เป็นล้านเท่า ทั้งนี้และทั้งนั้นก็เพื่อแสดงว่า สุญญากาศให้กำเนิดอนุภาคได้ แต่อนุภาคที่จะเกิดนั้นอาจจะเป็นอะไรที่ไม่มีใครคาดถึง
อ่านเพิ่มเติมจาก “How the Laser Happened: Adventures of a Scientist โดย C.H. Townes จัดพิมพ์โดย Oxford University Press ปี 1999
เกี่ยวกับผู้เขียน
สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ สุทัศน์ ยกส้าน ได้ทุกวันศุกร์
