xs
xsm
sm
md
lg

ไฮไลท์โนเบลฟิสิกส์ 2018: บทบาทของเลเซอร์ในเทคโนโลยีการแพทย์

เผยแพร่:   ปรับปรุง:   โดย: สุทัศน์ ยกส้าน

Donna Strickland หนึ่งในผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ 2018 ภายในห้องปฏิบัติการ (AFP)
ทุกปีจะมีการมอบรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ให้แก่ผู้ที่พบปรากฏการณ์สำคัญทางฟิสิกส์ หรือสร้างทฤษฎีอธิบายเหตุการณ์ต่างๆ หรือพัฒนาสิ่งประดิษฐ์ที่เป็นนวัตกรรมใหม่ ซึ่งมีประโยชน์ต่อวงการวิทยาศาสตร์หรือสังคม ดังจะเห็นได้แก่รางวัลที่มอบให้แก่การค้นพบคลื่นโน้มถ่วง และการพบอนุภาคพระเจ้า (Higgs boson) ที่คนนอกวงการฟิสิกส์แทบจะไม่มีใครรู้ว่า สิ่งเหล่านั้นมีความสำคัญเพียงใด แต่ในกรณีการมอบรางวัลให้แก่ผู้พัฒนาหลอดไฟ LED (Light Emitting Diode) ที่ทุกคนตระหนักได้ในทันทีว่ามีประโยชน์ต่อมวลมนุษย์ เพราะช่วยประหยัด อีกทั้งลดปัญหาภาวะโลกร้อน และให้แสงสว่างที่มีประสิทธิภาพเหนือกว่าหลอดไฟธรรมดามาก เป็นต้น

สำหรับปี 2018 นี้ รางวัลโนเบลฟิสิกส์ได้ตกเป็นของผลงานที่ได้พัฒนาเลเซอร์ให้เป็นอุปกรณ์วิทยาศาสตร์ สองรูปแบบ คือ รางวัลครึ่งหนึ่งสำหรับสิ่งประดิษฐ์ซึ่งเป็นคีมใช้หนีบจับอนุภาคขนาดเล็กระดับ micron (10-6 เมตร) ซึ่งรวมถึงเซลล์ของสิ่งมีชีวิต เชื้อโรคและไวรัสให้อยู่นิ่งๆ โดยไม่ทำอันตรายใดๆ หรือเคลื่อนย้ายมันไป ณ ตำแหน่งต่างๆ เพื่อให้นักวิทยาศาสตร์สามารถศึกษาธรรมชาติของมันได้อย่างใกล้ชิดเป็นเวลานานๆ

ส่วนอีกครึ่งหนึ่งได้มอบให้แก่ผลงานที่ทำให้เลเซอร์ที่ถูกปล่อยออกมาเป็นห้วงๆ ขนาดเล็ก (pulse) มีพลังงานสูงขึ้นมาก เพื่อใช้ในการผ่าตัดตา และวิเคราะห์ปฏิกิริยา fusion รวมถึงถ่ายภาพปฏิกิริยาเคมีที่เกิดภายในช่วงเวลา 10-15 วินาทีได้
Gerard Mourou หนึ่งในผู้ได้รับบรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ 2018 (REUTERS/Charles Platiau)
ดังที่คณะกรรมการรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ได้ประกาศเมื่อวันที่ 2 ตุลาคมที่ผ่านมานี้ว่า รางวัลครึ่งหนึ่งเป็นของ Arthur Ashkin วัย 96 ปี จากผลงานการประดิษฐ์ คีมแสง (optical tweezer) ที่ใช้หนีบแบคทีเรีย โปรตีน และอะตอมให้อยู่นิ่ง หรือเคลื่อนที่ไปทิศใดก็ได้ โดยการเลื่อนลำแสงเลเซอร์ไป นี่เป็นงานที่ Ashkin ได้ทำไว้ตั้งแต่ปี 1986 ที่ห้องปฏิบัติการ Bell Laboratories ในอเมริกา การรอคอยที่นานถึง 32 ปี ทำให้ Ashkin เป็นผู้มีอาวุโสมากที่สุดในประวัติศาสตร์ที่ได้รับรางวัลโนเบล

ส่วนอีกครึ่งหนึ่งของรางวัลเป็นของ Gerard Mourou วัย 74 ปีในสังกัด Ecole Polytechnique ในฝรั่งเศสกับ Donna Strickland วัย 59 ปี แห่งมหาวิทยาลัย Waterloo ในแคนาดา จากผลงานการสร้างเทคนิค CPA (chirped pulse amplification) ที่ใช้เพิ่มความเข้มของห้วงแสง (pulse) ให้มีความเข้มสูงเพื่อประโยชน์ในการใช้รักษามะเร็ง เชื่อมตัดแผ่นเหล็กหนา และใช้ในการสร้างสสารชนิดใหม่ คือ Bose-Einstein Condensate ซึ่งเป็นสสารควอนตัมมีอุณหภูมิต่ำถึง 10-9 องศาเคลวินได้

ประเด็นที่น่าสนใจเกี่ยวกับ Stickland คือ เธอเป็นสตรีคนที่สามที่ได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ หลังจาก Madam Marie Curie ซึ่งได้รับ 1/4 ของรางวัลสาขาฟิสิกส์ในปี 1903 จากการศึกษาธรรมชาติของกัมมันตรังสี และรับรางวัลโนเบลสาขาเคมีคนเดียวเต็มๆ ในปี 1911 จากการพบเรเดียม ส่วนสตรีคนที่สอง คือ Maria Goeppert Mayer ที่รับ 1/4 ของรางวัลโนเบลฟิสิกส์ปี 1963 จากการเสนอทฤษฎีโครงสร้างของนิวเคลียสในอะตอม ซึ่งเป็นที่รู้จักในนาม Nuclear Shell Model ที่ใช้อธิบายสมบัติและโครงสร้างของนิวเคลียสว่าเกิดจากอันตรกริยาระหว่าง spin ของนิวคลีออนในนิวเคลียสกับโมเมนตัมเชิงมุมของอนุภาคเหล่านั้น และได้เป็นหลักการที่นักวิทยาศาสตร์ใช้ในการสร้างธาตุใหม่

ถึงปี 2018 Donna Strickland ก็ได้รับ 1/4 ของรางวัลเป็นคนที่สาม และนับเป็นเหตุการณ์ที่เกิดไม่บ่อย เพราะสถิติการมอบรางวัลโนเบลฟิสิกส์ตั้งแต่ปี 1901 จนถึงปัจจุบัน มีผู้ชายได้รับรางวัล 206 คน และผู้หญิงได้รับ 3 คน จึงคิดเป็น 0.014% ของผู้ชาย นั่นคือถ้ามีผู้ชาย 100 คนที่ได้รับรางวัล จะมีผู้หญิงที่ได้รางวัลโนเบลฟิสิกส์เพียง 1.5 คนเท่านั้นเอง

ตลอดเวลาร่วม 120 ปีที่มีการตั้งรางวัลนี้ได้มีสตรีหลายคนที่สมควรได้รับ แต่ไม่ได้ เพราะถูกสังคมวิชาการกีดกัน และเข้าใจผิดที่คิดว่า ผู้หญิงไม่มีความสามารถเท่าเทียมผู้ชายในการวิจัยฟิสิกส์ แม้แต่ Madam Curie เองก็เคยถูกกล่าวหาว่า “โหน” สามี Pierre Curie เธอจึงต้องพิสูจน์ตนเองในการทำงานวิจัยเคมี จนได้พบธาตุ radium

ด้าน Lise Meitner สตรีชาวเยอรมัน ก็เป็นนักฟิสิกส์อีกคนหนึ่งที่สมควรได้รับรางวัล ในฐานะที่ได้เสนอคำอธิบายปรากฏการณ์แบ่งแยกนิวเคลียสของ U-235 โดยการยิงด้วยนิวตรอนที่มีความเร็วต่ำ ออกเป็นนิวเคลียสของธาตุ barium กับ krypton ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ fission ที่ใช้ในการสร้างระเบิดปรมาณู และเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ตามที่ Otto Hahn ได้เห็นเหตุการณ์เป็นคนแรก แต่ไม่สามารถอธิบายได้ ครั้นเมื่อถึงเวลาประกาศรางวัลโนเบลเคมี Hahn ได้รับรางวัลแต่เพียงผู้เดียว และ Meitner ไม่ได้ เพราะ Meitner เป็นผู้หญิง และมีเชื้อชาติยิว

สตรีคนต่อมาที่พลาดรางวัลโนเบลฟิสิกส์คือ Madam C.S. Wu ผู้ได้ทดลองพบว่า ในการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสีที่ให้รังสีบีต้า (อนุภาคอิเล็กตรอน) โดยอาศัยอันตรกริยาอ่อน (weak interaction) เหตุการณ์ที่เกิดขึ้นจะปราศจากสมมาตร คือ ซ้าย-ขวา (parity) เพราะอิเล็กตรอนที่เกิดจากการสลายตัวจะมีจำนวน spin ชี้ขึ้นไม่เท่ากับจำนวน spin ชี้ลง นี่เป็นการค้นพบที่สำคัญมากในวิชาฟิสิกส์ของอนุภาคมูลฐาน และผลการทดลองของเธอยืนยันความถูกต้องของทฤษฎีที่ Tsung-Dao Lee กับ Chen Ning Yang เสนอ แต่เมื่อถึงเวลาตัดสินผลปรากฏว่า Lee กับ Yang ได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ปี 1957 ร่วมกัน แต่เธอไม่ได้ เพราะเป็นผู้หญิง และมีเชื้อชาติจีน

สำหรับสตรีคนที่สามที่พลาดรางวัลโนเบลฟิสิกส์คือ Jocelyn Bell ซึ่งได้สังเกตเห็น คลื่นวิทยุที่ถูกส่งมาจากส่วนลึกของอวกาศอย่างสม่ำเสมอ เพราะเธอไม่เข้าใจในความสม่ำเสมอของสัญญาณที่เห็นว่าเกิดจากสาเหตุใด หรือถูกส่งมาโดยใคร เธอจึงนำข้อมูลไปให้อาจารย์ที่ปรึกษาวิทยานิพนธ์ของเธอดู Anthony Hewish ได้วิเคราะห์สัญญาณ และพบว่า ต้นกำเนิดของสัญญาณ คือ ดาวนิวตรอนที่ส่งสัญญาณมาเป็นช่วงๆ ทุก 1.33730113 วินาที คำอธิบายของ Hewish ทำให้เขาได้รับ 1/2 ของรางวัลโนเบลฟิสิกส์ปี 1974 ส่วน Bell ไม่ได้ เพราะเธอเป็นผู้หญิง และเป็นเพียงนิสิตที่กำลังทำวิทยานิพนธ์ระดับปริญญาเอก

เหตุการณ์ทำนองเดียวกันนี้ได้เกิดขึ้นกับ Donna Strickland และ Gerard Mourou ซึ่งเป็นนิสิตปริญญาเอก และอาจารย์ที่ปรึกษาวิทยานิพนธ์ตามลำดับ แต่ผลกลับไม่เหมือนกันเลย เพราะ Donna โชคดีที่เกิดในยุค Metoo เธอจึงได้รับ 1/4 ของรางวัลโนเบล

ตั้งแต่ที่มีการจัดตั้งรางวัลโนเบล เมื่อปี 1901 – ปัจจุบัน สำหรับรางวัลทางวิทยาศาสตร์ซึ่งได้แก่ เคมี สรีรวิทยา หรือแพทย์ศาสตร์ และฟิสิกส์นั้น มีนักวิทย์ผู้ชายที่ได้รับรางวัลรวมทั้งสิ้น 609 คน ที่เป็นผู้หญิงมีเพียง 20 คน ซึ่งแบ่งได้ดังนี้ ในสาขาเคมี ผู้ชายที่ได้รับรางวัลมี 204 คน ผู้หญิง 5 คน สาขาแพทย์ผู้ชายรับรางวัล 199 คน ผู้หญิง 12 คน และสาขาฟิสิกส์ผู้ชายรับ 206 คน ผู้หญิง 3 คน ความไม่สมดุลทางเพศ (100:3) ได้ทำให้คณะกรรมการรางวัลโนเบลได้ขอให้มีการเสนอชื่อบุคคลโดยคำนึงถึง สมดุลทางเพศประเทศที่ทำงาน และหัวข้อวิจัยเพื่อเพิ่มความหลากหลายในการให้รางวัลด้วย ตั้งแต่ปี 2019 เป็นต้นไป

สำหรับผลงานของ Ashkin ที่ประดิษฐ์คีมที่ทำด้วยแสง (optical tweezer) นั้น ใช้หลักการว่า แสงไม่ว่าจะเป็นแสงชนิดใด (อัลตราไวโอเลต, แสงที่ตาเห็น, อินฟราเรด, รังสีเอ็กซ์ และรังสีแกมมา) ล้วนเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า คือ มีทั้งสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าในตัวคลื่น และสนามนี้เคลื่อนที่ไปในลักษณะของคลื่น โดยมีอัมปลิจูด (amplitude) มาก แล้วค่อยๆ ลดลง จากนั้นมีการกลับทิศของสนาม ดังนั้น ถ้านักวิทยาศาสตร์สามารถควบคุมสนามเหล่านี้ได้ ทั้งในประเด็นเรื่องทิศและขนาดที่แสงเคลื่อนที่ไปในบางบริเวณ ก็จะสามารถปรับเปลี่ยนอันตรกริยาระหว่างสนามกับสสารในบริเวณนั้นได้ และนี่ก็คือเทคนิคที่ Ashkin สร้างเป็นคนแรก

โดยใช้วัสดุโปร่งใส เช่น เม็ดพลาสติกที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางยาว 10-6 เมตร (หรือเซลล์ของสิ่งมีชีวิต ที่นักชีววิทยาต้องการให้อยู่นิ่ง เวลาใช้กล้องจุลทรรศน์ส่องดู) เม็ดจึงมีสภาพเป็นกลาง (คือ มีประจุบวกและลบเท่ากัน) ดังนั้นเมื่อเม็ดพลาสติกถูกสนามไฟฟ้ากระทำ ประจุบวกจะแยกไปทางทิศหนึ่ง และประจุลบจะแยกตัวไปอยู่อีกทิศหนึ่ง ณ เวลานี้เม็ดพลาสติกจึงมีสภาพเป็นขั้วคู่ไฟฟ้า (electric dipole) ที่สามารถแสดงปรากฏการณ์ polarization ได้

ในส่วนของลำแสงเลเซอร์ที่ใช้กันตามปรกติ ความเข้มของแสงจะมีค่ามากที่สุดที่บริเวณส่วนกลางของลำแสง และจะมีความเข้มน้อยลงที่บริเวณขอบ อันตรกริยาระหว่างสนามไฟฟ้าที่ไม่สม่ำเสมอนี้จะทำให้เกิดแรงที่มีทิศเข้าหาจุดศูนย์กลางของลำแสง ซึ่งถ้าลำแสงมีความสมมาตร แรงลัพธ์ที่กระทำต่อเม็ดพลาสติกจะมีค่าเท่ากับศูนย์ ซึ่งมีผลทำให้เม็ดพลาสติกอยู่นิ่ง และถ้าเลื่อนลำแสงไป เม็ดพลาสติกก็จะเลื่อนตาม เสมือนถูกหนีบไปโดยคีมแสงนั้น
คณะกรรมการรางวัลโนเบลอธิบายถึงหนึ่งในผลงานที่ได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ 2018 ซึ่งเป็นเทคโนโลยีแสงที่เสมือนคีมใช้หนีบจับอนุภาคขนาดเล็กระดับ micron ซึ่งรวมถึงเซลล์ของสิ่งมีชีวิต เชื้อโรคและไวรัสให้อยู่นิ่งๆ โดยไม่ทำอันตรายใดๆ หรือเคลื่อนย้ายมันไป ณ ตำแหน่งต่างๆ เพื่อให้นักวิทยาศาสตร์สามารถศึกษาธรรมชาติของมันได้อย่างใกล้ชิดเป็นเวลานานๆ
ในการทดลองเบื้องต้น Ashkin ได้นำเม็ดพลาสติกรูปทรงกลมไปติดที่ปลายของโมเลกุล DNA ซึ่งทำให้โมเลกุลยืดตัวออก ส่วนยืดของโมเลกุลทำให้เรารู้สมบัติเชิงกลของ DNA และรู้ว่า DNA มีปฏิสัมพันธ์กับสภาพแวดล้อมอย่างไร

ในปี 1987 Ashkin ได้ใช้อุปกรณ์นี้ในการจับยึดแบคทีเรีย โดยไม่ได้ทำอันตรายมัน เมื่อถึงวันนี้นักชีววิทยาใช้คีมแสงในการศึกษาการทำงานของ organelle ภายในเซลล์ และแพทย์ใช้แยกเซลล์ดีออกจากเซลล์ที่ติดเชื้อ ฯลฯ

ความจริง Ashkin น่าจะได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ตั้งแต่ปี 1997 แล้ว เพราะเขากับ Steven Chu ได้พัฒนาเทคนิคที่เรียกว่า laser cooling ซึ่งทำให้อะตอมมีความเร็วน้อยลง โดยใช้แสงเลเซอร์ และเมื่อความเร็วของอะตอมลดลง อุณหภูมิของอะตอมก็ลดลงด้วย เทคนิคนี้จึงสามารถทำให้อุณหภูมิของอะตอมลดลงจนถึง 10-9 องศาเคลวินได้ และทำให้สสารชนิดใหม่ คือ Bose-Einstein Condensate ถือกำเนิด แต่ Ashkin ไม่ได้รับรางวัล เพราะ Chu ได้รับรางวัลร่วมกับ William Philips และ Claude Cohen-Tannoudji Ashkin จึงเป็นส่วนเกิน แต่อีก 20 ปีต่อมา ความผิดหวังก็ได้กลายเป็นความสมหวัง แม้ในงานมอบรางวัลโนเบล Ashkin จะเดินทางไปรับด้วยตนเองไม่ได้ เพราะอายุมากแล้ว แต่ Chu ก็ได้รับเชิญไปร่วมเป็นสักขีพยานแทน

ด้าน Mourou กับ Strickland นั้นได้สร้างเทคนิค CPA ขึ้นมา เพราะรู้ว่า ในบางโอกาสและในบางสถานการณ์ นักฟิสิกส์ต้องการใช้แสงเลเซอร์ที่มีกำลังสูงมาก ภายในช่วงเวลาที่สั้นมาก และได้พบว่า ถ้าเพิ่มความเข้มของแสงมากไป ในที่สุดตัวกลางที่แสงเคลื่อนที่ผ่านจะถูกทำลาย ดังนั้นก่อนที่ Mourou กับ Strickland จะพัฒนา CPA ความเข้มของแสงเลเซอร์จึงมีค่าจำกัด จนทำให้ไม่สามารถนำไปใช้ในการสร้างเตาปฏิกรณ์ fusion หรือถ่ายภาพปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นในเวลาสั้นระดับ 10-15 วินาทีได้ และไม่สามารถเห็นการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในอะตอมได้ ฯลฯ

เพื่อจะเอาชนะข้อจำกัดนี้ ในปี 1985 Strickland ซึ่งเป็นนิสิตปริญญาเอกที่มหาวิทยาลัย Rochester ในอเมริกา ซึ่งมี Mourou เป็นอาจารย์ที่ปรึกษาจึงเสนอวิธีก้าวข้ามอุปสรรคนี้ โดยการแยกแสงเลเซอร์ห้วงสั้นๆ (pulse) ออกตามความถี่ (แสงเลเซอร์ที่ใช้มีหลายความถี่ที่ใกล้เคียงกัน) โดยใช้ปริซึม เส้นใยนำแสง กระจก และเกรตติง (grating) ซึ่งจะแยก pulse ย่อยๆ ออกมา แล้วทำให้ pulse ย่อยมีความยาวคลื่นมากขึ้น โดยใช้ amplifier เมื่ออัมปลิจูดของคลื่นลด กำลังของ pulse ก็ลดตาม จากนั้นก็ขยาย pulse ให้อัมปลิจูดมีค่ามากขึ้น โดยใช้ amplifier อีก แล้วรวบรวม pulse ที่มีอัมปลิจูดมากนี้มาอัดให้เป็น pulse สั้น ความเข้มของ pulse จึงมากขึ้นตามที่ต้องการ

พัลส์ของแสงที่ทั้งสองใช้มีความยาวระดับ micrometer -10-6 เมตร และมีกำลัง 1022 วัตต์/ตารางเมตร จึงมีประโยชน์มากในการทำศัลยกรรมตา เพราะทำให้คนทั้งโลกไม่จำเป็นต้องใช้แว่น งานวิจัยนี้เป็นงานวิจัยชิ้นแรกของ Strickland ที่ทำให้เธอได้รับปริญญาเอก และรับรางวัลโนเบล ขณะได้รับการประกาศผลว่าเธอมีตำแหน่งวิชาการเป็นแค่รองศาสตราจารย์ ท่านอธิบการบดีของมหาวิทยาลัย Waterloo ได้เข้ามาชี้แจงเรื่องนี้ว่า ตั้งแต่วันนี้เธอคงไม่ต้องส่งเอกสารมากเพื่อเข้ารับการประเมินผลเป็นศาสตราจารย์เหมือนคนอื่นๆ แต่โลกก็มีข้อสังเกตอีกประการหนึ่งว่า คุณภาพของวิทยานิพนธ์ระดับปริญญาเอกที่มหาวิทยาลัย Rochester นั้น สูงมาก คือ ถ้าจบได้ ก็อาจจะได้รับรางวัลโนเบล

อ่านเพิ่มเติมจาก Acceleration and Trapping of Particles by Radiation Pressure โดย A. Ashkin ใน Physical Review Letters ฉบับที่ 24 วันที่ 26 มกราคม ปี 1970

สุทัศน์ ยกส้าน

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

อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" จาก "ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน" ได้ทุกวันศุกร์



กำลังโหลดความคิดเห็น...