ใน วารสาร Nature Communications ฉบับวันที่ 25 มีนาคมศกนี้ Jinyang Liang ซึ่งเป็นวิศวกรในสังกัด INRS Energie Materaux Telecommunications Research Centre ที่แคนาดา ได้รายงานว่า เขาและคณะได้สร้างกล้องถ่ายรูปที่สามารถถ่ายภาพได้ 156.3 ล้านล้านรูปภายใน 1 วินาที ในขณะที่กล้องธรรมดาซึ่งถ่ายภาพช้า จะถ่ายได้ 200 รูป/วินาที และถ้าเป็นช่างภาพมืออาชีพ ความเร็วของกล้องที่เขาใช้ก็อาจจะเร็วถึง 3,000 ภาพ/วินาที
จุดประสงค์ในการสร้างกล้องที่มีความเร็วสูงมาก ก็เพื่อให้นักฟิสิกส์สามารถเห็นเหตุการณ์ที่เกิดภายในอะตอมได้ว่า เวลามันได้รับแสง อิเล็กตรอนในอะตอมจะกระเด็นหลุดจากอะตอมอย่างไร และให้นักเคมีสามารถเห็นขั้นตอนการเกิดพันธะเคมีจากอันตรกิริยาระหว่างอะตอมกับโมเลกุลว่าดำเนินไปอย่างไร และมีรูปแบบเช่นไร ตลอดจนถึงให้นักชีววิทยาสามารถเห็นเหตุการณ์ที่เกิดภายในเซลล์ของพืช ขณะเกิดปฏิกิริยาการสังเคราะห์พลังงานด้วยแสง (photosynthesis) ซึ่งเหตุการณ์เหล่านี้ ล้วนเป็นเรื่องที่ใช้เวลาสั้นมากระดับ 10^(-15) ถึง 10^(-18) วินาที ช่วงเวลาที่แทบจะทันทีทันใดนี้ ทำให้กล้องถ่ายภาพธรรมดาไม่สามารถถ่ายภาพของเหตุการณ์ได้
ตามปกติทั่วไปเวลาเราเห็นอะไรก็ตามที่สวย หรือเวลาเราประสบเหตุการณ์ที่น่าประทับใจใด ๆ เรามักต้องการจะเก็บภาพที่เห็นนั้นในภาพถ่ายหรือในวิดีโอ เพื่อจะได้หวนกลับมาดูมันอีกในภายภาคหน้า ด้วยความรู้สึกที่เป็นสุข
นี่จึงเป็นความต้องการพื้นฐานของคนเราที่ได้ผลักดันให้นักนวัตกรรมรู้จักสร้างสิ่งประดิษฐ์ที่เรียกว่า กล้องถ่ายรูป อันเป็นอุปกรณ์มีประวัติความเป็นมา ดังต่อไปนี้
เมื่อประมาณ 2,500 ปีก่อน นักปรัชญาชาวจีนชื่อ Mozi (470–391 ปีก่อนคริสตกาล) ได้สังเกตเห็นว่า เวลาให้แสงพุ่งผ่านรูเล็กๆ ที่เจาะผ่านฝาผนัง จะมีภาพหัวกลับของวัตถุปรากฏบนผนังห้องที่อยู่ด้านตรงกันข้ามกับรู
ด้าน Aristotle (384-322 ปีก่อนคริสตกาล) ซึ่งเป็นชาวกรีกแห่งเมือง Stagira ก็ได้เคยเห็นเหตุการณ์นี้เช่นกัน แต่มิได้นำข้อสังเกตนี้ไปสร้างอุปกรณ์ใดๆ
จนกระทั่งถึงยุคของ Alhazen หรือ Hasan ibn al-Haytham (965-1041) นักดาราศาสตร์ชาวอิสลาม ผู้เป็นบิดาของวิชาทัศนศาสตร์เชิงเรขาคณิต ได้เสนอหลักการทำงานของกล้องรูเข็มในการทำให้เกิดภาพ ไว้ในหนังสือที่ตนเขียนชื่อ “Book of Optics” ตั้งแต่ปี 1021
ครั้นถึงคริสต์ศตวรรษที่ 16 Giovanni Battista Della Porta (1535-1615) ซึ่งเป็นนักประดิษฐ์ชาวอิตาเลียนได้ออกแบบสร้างกล้องทาบเงา (camera obscura) เพื่อให้จิตรกรที่ชำนาญการวาดภาพเหมือน เช่น Giovanni Antonio Canal (1697–1768) ชาวอิตาเลียน กับ Johannes Vermeer (1632-1675) ชาวดัตช์ สามารถวาดภาพด้านข้าง (profile) ของขุนนางชั้นสูงได้เหมือนจริงมาก จนทุกคนพากันชื่นชม แต่ก็ยังไม่หมดทั้งใจ เพราะคนที่เป็นนายแบบ จำเป็นต้องนั่งนิ่งติดต่อกันเป็นเวลานาน และต้องมานั่งเป็นแบบหลายต่อหลายครั้ง กว่าการวาดภาพจะเสร็จสิ้น
ด้วยเหตุนี้ บรรดาคนทุกคนที่เกี่ยวข้องกับโลกของการถ่ายภาพ จึงต้องการจะมีเทคโนโลยีการบันทึกภาพเหมือนจริง แต่ต้องใช้เวลาไม่นาน และได้พบว่าจำเป็นต้องมีการสร้างกล้องที่มีอุปกรณ์เสริม เช่น เลนส์เพื่อโฟกัสภาพ shutter ที่ปิด-เปิดได้เพื่อรับปริมาณแสง และมีฟิล์มไวแสง เพื่อใช้บันทึกภาพ
ในปี 1802 Thomas Wedgwood (1771-1805) กับ Humphry Davy (1778–1829) สองนักเคมีชาวอังกฤษ ได้บุกเบิกการประดิษฐ์ฟิล์มถ่ายรูป โดยใช้แผ่นกระดาษที่เคลือบด้วย silver nitrate ซึ่งเป็นสารประกอบที่ไวแสง แต่ได้พบว่าภาพที่ปรากฏบนกระดาษในระยะแรก พอจะดูออกว่าเป็นภาพอะไร แต่ต่อมาอีกไม่นานฟิล์มก็มืดลงๆ จนภาพได้หายไปในที่สุด
ประวัติศาสตร์ได้บันทึกว่า เทคโนโลยีการถ่ายภาพได้ถือกำเนิดในอังกฤษและฝรั่งเศสอย่างเป็นอิสระจากกันภายในเวลาไล่เลี่ยกัน โดยในปี 1814 Joseph Nicéphore Niépce (1765–1833) ได้พยายามประดิษฐ์ฟิล์มไวแสง ด้วยการใช้ยางของต้น Judea มาเคลือบแผ่นแก้วใส แล้วราดแผ่นแก้วด้วยสารละลาย silver nitrate ทำให้ได้แผ่น negative ที่มีสีตรงข้ามกับสีจริง เช่น สีขาวในวัสดุต้นแบบจะเป็นสีดำในภาพ และสีดำจะปรากฏเป็นสีขาว Niépce ได้เรียกเทคนิคการวาดภาพด้วยแสงอาทิตย์ว่า heliography และภาพ “View from the Window at Le Gras” ที่ Niépce ถ่ายในปี 1826 ได้กลายมาเป็นภาพถ่ายที่นับว่าโบราณที่สุดในโลก
ในเวลาเดียวกับ Niépce ก็ได้ข่าวว่าชาวฝรั่งเศสชื่อ Louis Jacques Mandé Daguerre (1787-1851) ก็สนใจเรื่องเทคโนโลยีการถ่ายภาพเช่นกัน จึงเสนอแนะว่า เราทั้งสองคนน่าจะมาทำงานร่วมกัน ดังนั้นคนทั้งสองจึงได้ทำงานร่วมกันตั้งแต่ปี 1829 จนกระทั่ง Niépce เสียชีวิต หลังจากนั้น Daguerre ก็ได้ทำงานต่อไปอย่างเอกเทศ และได้พบว่าแผ่นโลหะเงินที่ถูกเคลือบด้วย silver iodide เวลาถ่ายภาพเรียบร้อยแล้ว ถ้ามีการนำแผ่นไปรมไอปรอท แผ่นจะสามารถเก็บภาพได้อย่างถาวร Daguerre จึงได้ชื่อว่า เป็นบิดาอีกคนหนึ่งของเทคโนโลยีถ่ายภาพ
ในปี 1839 William Henry Fox Talbot (1800–1877) นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ ได้ประสบความสำเร็จในการถ่ายภาพเช่นกัน ภายในเวลาไล่เลี่ยกับ Daguerre ภาพที่ Talbot ถ่าย ได้ถูกนำไปจัดแสดงที่พิพิธภัณฑ์ประจำมณฑล Wiltshire ในประเทศอังกฤษ ก่อนที่ Daguerre จะนำผลงานของเขาออกแสดงที่ Paris ในฝรั่งเศส และเมื่อ Talbot ได้รู้ข่าวการจัดแสดงภาพของ Daguerre เขาก็รีบเขียนรายงานการค้นพบของเขา แล้วนำไปเสนอต่อสมาคม Royal-Society เป็นการอ้างการค้นพบของเขาว่าได้เกิดขึ้นเป็นครั้งแรกในโลก
เทคนิคที่ Talbot พบในปี 1851 คือใช้แสงจากประกายไฟ (electric spark) ที่ลุกสว่างจ้าเพื่อถ่ายภาพ นี่คือการถือกำเนิดของการถ่ายภาพที่ใช้แฟลช (flash)
ในปี 1844 Talbot ได้เรียบเรียงหนังสือชื่อ “Pencils of Nature” ที่มีภาพประกอบเป็นจำนวนมาก และเป็นภาพที่เขาถ่ายด้วยตนเอง นี่จึงเป็นหนังสือเล่มแรกของโลกที่มีภาพประกอบจำนวนมากเป็นภาพถ่าย
ตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา โลกก็เริ่มเปลี่ยนแปลง เพราะเทคโนโลยีถ่ายภาพได้เข้ามาเกี่ยวข้องกับมนุษย์ด้วย การบันทึกภาพของเหตุการณ์และสถานที่ต่าง ๆ ที่น่าสนใจ ตลอดจนถึงการได้เห็นภาพถ่ายของบุคคลสำคัญ ทำให้คนทั่วไปรู้จักเมื่อได้เห็นภาพของคนสำคัญ เช่น ดารา นักร้อง นักการเมือง นักวิทยาศาสตร์ ฯลฯ ว่า มีหน้าตาและบุคลิกเช่นไร ซึ่งการนำเสนอภาพเหล่านี้เป็นภาพประกอบในบทความที่เขียนเผยแพร่ มักมีผลกระทบต่อความรู้สึกของคนที่อ่านบทความด้วย
วิวัฒนาการของเทคโนโลยีการถ่ายภาพได้ก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องมาเป็นลำดับ ตามความเจริญด้านวัฒนธรรมในการทำงานของมนุษย์ ซึ่งต้องการความรวดเร็วยิ่งขึ้น ๆ ในแทบทุกกิจกรรม เช่น ต้องการคอมพิวเตอร์ที่สามารถคำนวณได้เร็วขึ้น โดยสารเครื่องบินที่บินเร็วยิ่งขึ้น ต้องการการสื่อสาร และการเดินทางที่สะดวกและรวดเร็วขึ้น เมื่อสรรพสิ่งใด ๆ ในโลกล้วนเคลื่อนที่ด้วยความเร็วมากยิ่งขึ้นเช่นนี้ เทคโนโลยีการถ่ายภาพของเหตุการณ์ก็จำเป็นต้องมีวิวัฒนาการด้านความเร็วในการถ่ายภาพด้วย
นักฟิสิกส์ได้พบว่าอุปกรณ์หลักที่ได้ทำให้ความต้องการประเด็นนี้บรรลุผล คือ การมีรูรับแสง (aperture) ที่ปรับขนาดได้ และมี shutter ที่ไว โดยรูรับแสงสามารถควบคุมลำแสงให้มีขนาดใหญ่หรือเล็กได้ ส่วน shutter เป็นตัวที่ทำหน้าที่เปิดให้แสงเข้า หรือปิดไม่ให้แสงผ่านไปจนถึงฟิล์ม ระยะเวลาที่ shutter เปิด มีชื่อเรียกว่าความไวของ shutter ซึ่งตามปกติจะมีความเร็วช้าต่างๆ กัน ตามภารกิจที่ต้องการจะทำ shutter ที่ไวมักใช้กับการถ่ายภาพวัตถุที่เคลื่อนที่เร็ว เช่น รถแข่ง จรวดที่กำลังทะยานขึ้น นก hummingbird ที่กำลังบิน ฯลฯ และ shutter ที่ไวมาก จะสามารถจับภาพของของสิ่งที่เคลื่อนที่เร็วมากให้อยู่ “นิ่ง” ได้ โดยการทำให้ภาพไม่เลื่อน ภาพจึงคมชัด แต่ถ้าใช้ shutter ช้า ถ่ายภาพวัตถุที่เคลื่อนที่เร็ว ภาพที่ได้จะมัว เพราะภาพของวัตถุที่ปรากฏบนแผ่นฟิล์มจะเลื่อน ภาพจึงเบลอ ตามปกติ shutter ที่ไว มักใช้ร่วมกับฟิล์มที่ไวแสง ส่วน shutter ที่ช้า มักใช้กับวัตถุที่เคลื่อนที่ช้ามาก ๆ หรือใช้ในการถ่ายภาพของวัตถุในบริเวณที่มีแสงน้อย
โลกของอะตอมเป็นโลกที่จิ๋วจนตามองไม่เห็น แต่อะตอมมักแสดงพฤติกรรมที่มีบทบาทสำคัญมากในการประยุกต์เทคโนโลยียุคใหม่ ในโลกที่ทันสมัยอันมีอนุภาคที่เคลื่อนที่เร็วสูงมากระดับความเร็วแสง เช่น ทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัมได้พยากรณ์ว่า อิเล็กตรอนจะใช้เวลานานประมาณ 24*10(-18) วินาที ในการโคจรรอบนิวเคลียสได้ครบหนึ่งรอบ หรือใน 1 วินาทีอิเล็กตรอนจะสามารถโคจรรอบนิวเคลียสได้เป็นล้านล้านล้านรอบ และในปรากฏการณ์ photoelectric ที่มีอิเล็กตรอนกระเด็นหลุดออกจากแผ่นโลหะ เวลามีแสงที่มีความถี่เหมาะสมมาตกกระทบ อิเล็กตรอนจะใช้เวลานานประมาณ 10^(-15) วินาที ในการผละแผ่นโลหะ ผลการคำนวณเหล่านี้ ได้กระตุ้นให้นักฟิสิกส์ต้องการจะเห็นเหตุการณ์ที่กำลังเกิดขึ้น และต้องการจะวัดเวลาตามที่ทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัมได้ทำนายไว้ เพื่อยืนยันว่า ทฤษฎีมีความถูกต้องสมบูรณ์แบบทุกประการหรือไม่ หรือจำเป็นจะต้องมีการปรับปรุงอย่างไร
การได้เห็นลักษณะการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในปรากฏการณ์ต่างๆ จึงเป็นความต้องการพื้นฐานที่นักวิทยาศาสตร์ทุกคน ต้องการจะเห็นด้วยตา ดังนั้นการเห็นนี้จึงเปรียบเสมือนการที่นักวิทยาศาสตร์ได้เข้าไปเยือนโลกใหม่ที่น่าตื่นเต้นพอ ๆ กับการได้เห็นสิ่งมีชีวิตต่างดาว
เพราะเวลาและระยะทางที่เกี่ยวข้องกับเหตุการณ์นี้มีขนาดสั้นมากๆ ดังนั้นนักฟิสิกส์จึงมีหน่วยวัดเวลาที่มีสั้น ดังนี้
เวลา 10^(-6) วินาที เรียก 1 microsecond (ms)
เวลา 10^(-9) วินาที เรียก 1 nanosecond (ns)
เวลา 10^(-15) วินาที เรียก 1 femtosecond (fs)
และ เวลา 10^(-18) วินาที เรียก 1 attosecond (as)
อายุของเอกภพที่เท่ากับ 13,800 ล้านปี จึงนานประมาณ 4.3*10^(17) วินาที และคิดเป็น 4.3*10^(35) อัตโตวินาที ส่วนการวิ่งเร็ว 100 เมตร ที่ใช้เวลา 10 วินาที ซึ่งถ้าเราถ่ายภาพการวิ่งนี้ ด้วยกล้องที่ไวแบบ ultrafast ระดับ attosecond และให้ 1 attosecond นานเท่ากับ 1 วินาที ภาพยนตร์ของการวิ่ง 100 เมตรนี้ ก็จะใช้เวลานานประมาณ 320 ล้านปี
S = tc = 10^(-18)*3*10^8 = 3*10^(-10) เมตร = 0.3 นาโนเมตร
ในที่นี้ t คือ เวลา = 10^(-18) วินาที และ c คือ ความเร็วแสง = 3*10^8 เมตร/วินาที
ห้วงแสงหรือกระสุนแสงที่มีเวลาการสั่นของคลื่นระดับ attosec จึงถูกสร้างขึ้น เพื่อจะได้เห็นการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนโดยเฉพาะ ผลงานนี้เป็นผลงานของนักฟิสิกส์ 3 คน คือ Pierre Agostini (1941-ปัจจุบัน), Ferenc Krausz (1962-ปัจจุบัน) และ Anne L'Huillier (1958-ปัจจุบัน) ซึ่งได้ทำให้คนทั้งสามได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ประจำปี 2023
จากผลงานที่ใช้เทคนิคซึ่งมีชื่อเรียกว่า high-order harmonic generation โดยเริ่มต้นด้วยการใช้กระสุนแสงเลเซอร์ที่มีความยาวระดับ femtosecond คือ เป็นแสง infrared ยิงอะตอมของแก๊สมีตระกูล (noble gas) เช่น helium, neon, argon, krypton, xenon เมื่อสนามไฟฟ้าที่มีในกระสุนแสงนั้นสั่นขึ้น-ลง ณ เวลาหนึ่งมันจะขับอิเล็กตรอนให้พุ่งหนีนิวเคลียส ครั้นเมื่อสนามไฟฟ้าที่มีในกระสุนแสงนั้นกลับทิศทาง มันก็จะขับอิเล็กตรอนตัวนั้นให้พุ่งกลับไปชนนิวเคลียส เพื่อให้อิเล็กตรอนหวนกลับคืนสู่สถานะเดิม การเปลี่ยนแปลงวงโคจรใหม่ของเหล่าอิเล็กตรอนจึงเกิดขึ้น ซึ่งจะทำให้อิเล็กตรอนเหล่านั้นปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่เป็นจำนวนเท่าของรังสี infrared ที่ใช้ คือ เป็น high-order harmonics ซึ่งจะแทรกสอดแบบเสริมกันและทำลายล้างกัน ทำให้ได้กระสุนแสงที่มี amplitude สั่นขึ้น-ลงนานระดับ 10^(-18) attosecond วินาที คือ จากคลื่น infrared ที่ใช้ จะได้กระสุนแสงที่เป็นคลื่น XUV (extreme ultraviolet) ที่สามารถเห็นการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนได้
พัฒนาการสำหรับเรื่องนี้ในเวลาต่อมา คือ ทำให้กระสุนแสง laser ที่เกิดขึ้น เป็นแสงที่มีความยาวคลื่นเพียงหนึ่งเดียว คือ ไม่มีคลื่นอื่น ๆ มารบกวนหรือปะปน และกระสุนแสงเหล่านั้น ควรอยู่ห่างกันอย่างสม่ำเสมอ
เพราะเวลากระสุนแสงแรกกระทบอะตอม แล้วทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลง กระสุนแสงที่สอง ซึ่งตามมาติดๆ ก็จะสามารถถ่ายภาพการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นในอะตอมได้ในทันที
นักกรีฑาต้องการทำลายสถิติโลกของความเร็วในการวิ่งมากสักปานใด นักวิจัยด้านฟิสิกส์อัตโตก็ต้องการจะสร้างอุปกรณ์ shutter ที่ทำลายสถิติโลกของความเร็วเช่นกัน และนี่ก็คือ งานที่ Jinyang Liang กับคณะได้ทำไป และผลงานได้รับการตีพิมพ์เผยแพร่ในวารสาร Nature Communications เมื่อเร็วๆ นี้ คือ พวกเขาได้สร้างกล้องถ่ายภาพที่สามารถถ่ายภาพได้มากถึง 156.3*10^(-12) ภาพ ภายในเวลาหนึ่งวินาที อุปกรณ์ SCARF (จากคำเต็ม Swept-Coded Aperture Real-time Femto photography) สามารถเห็นการเปลี่ยนแปลงพลังงานของอิเล็กตรอนในสารกึ่งตัวนำ และการเปลี่ยนแปลงสภาพแม่เหล็กของอะตอมในโลหะผสมได้ เทคโนโลยีใหม่ตลอดไปจนถึงเซฟโต (zepto) และเทคโนโลยีย็อคโต (yocto) จะสามารถสร้างองค์ความรู้ใหม่ทางฟิสิกส์ ชีววิทยา เคมี วัสดุศาสตร์ และวิศวกรรมศาสตร์ได้
อ่านเพิ่มเติมจาก Palacios A, Martín F (2020). "The quantum chemistry of attosecond molecular science". WIREs Computational Molecular Science. 10 (1): e1430. doi:10.1002/wcms.1430
ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน : ประวัติการทำงาน - ราชบัณฑิตสำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" ได้ทุกวันศุกร์
