เทคโนโลยีการวัดความเร็วแสงในตัวกลาง จากอดีตที่มีความเร็วอนันต์ ถึงความเร็วที่มีค่าจนเกือบจะเป็นศูนย์

ใครๆ ก็รู้ว่า แสงเป็นสิ่งที่มีความเร็วมากที่สุดในเอกภพ และเคลื่อนที่อย่างไม่เคยหยุด ตั้งแต่เอกภพเริ่มถือกำเนิด ขณะเคลื่อนที่ผ่านสุญญากาศ แสงมีความเร็ว 299,792,458 เมตร/วินาที และมีความเร็วต่ำกว่านี้ เวลาเคลื่อนที่ในตัวกลางอื่นๆ (เช่น น้ำ แก้ว อากาศ ฯลฯ) โดยความเร็วแสงจะมีค่ามากหรือน้อยเพียงใดนั้น ก็ขึ้นกับอันตรกิริยาระหว่างอะตอมและโมเลกุลในตัวกลาง การจัดเรียงตัวของอะตอม/โมเลกุลว่าเป็นระเบียบหรือสะเปะสะปะเพียงใด ขึ้นกับอุณหภูมิ และความดันที่กระทำต่อตัวกลาง ซึ่งทำให้อะตอมในตัวกลางเคลื่อนที่ไป-มาเร็วหรือช้า ตลอดจนขึ้นกับความหนาแน่นของตัวกลางด้วย




นอกเหนือจากประเด็นที่ว่าแสงมีความเร็วสูงสุดในสุญญากาศแล้ว นักวิทยาศาสตร์ก็ยังสนใจใคร่จะรู้ว่า ความเร็วแสงที่น้อยที่สุดในตัวกลางมีหรือไม่ เราสามารถจะหยุดแสงให้ตกค้างอยู่ในตัวกลางได้หรือไม่ (คือ ไม่ให้มันเคลื่อนที่ผ่านไปได้) และในเวลาเดียวกันก็ไม่ให้ตัวกลางดูดกลืนแสงนั้นด้วย ความสามารถในการทำให้แสงมีความเร็วมากขึ้น/ช้าลงในตัวกลาง มีประโยชน์ใด ๆ ในทางเทคโนโลยีหรือไม่ และตัวกลางที่จะทำให้แสงมีความเร็วช้าลง จะต้องมีสมบัติอะไรบ้าง

หลักการพื้นฐานที่นักวิทยาศาสตร์ใช้อธิบายสาเหตุที่ความเร็วของแสงในตัวกลางมีค่าน้อยกว่าความเร็วแสงในสุญญากาศนั้น คือ เวลาแสงมีอันตรกิริยากับอะตอม อะตอมจะดูดกลืนแสงและกระจายแสง แล้วคายแสง เหตุการณ์นี้จะเกิดขึ้นซ้ำแล้วซ้ำอีกตลอดการเคลื่อนที่ของแสงในตัวกลาง การเสียเวลาเช่นนี้ ทำให้ความเร็วแสงน้อยลง


เมื่อแสงมีความเร็วในตัวกลางน้อยกว่าความเร็วในสุญญากาศ นักวิทยาศาสตร์จึงให้คำจำกัดความของดัชนีหักเหของตัวกลางว่า มีค่าเท่ากับอันตราส่วนระหว่างความเร็วแสงในสุญญากาศต/ความเร็วแสงในตัวกลาง และใช้สัญลักษณ์ n ซึ่งถ้าเป็นกรณีของเพชร n อาจจะมีค่ามากถึง 2.42 นั่นแสดงว่า ความเร็วแสงในเพชรมีค่าเป็น 1/2.42*ความเร็วของแสงในสุญญากาศ

บุคคลแรกๆ ที่ได้พยายามวัดความเร็วของแสงในอากาศ คือ Galileo Galilei (1564‐1642) โดย Galileo ได้ให้ลูกศิษย์ขึ้นไปยืนบนยอดเขา และส่งสัญญาณไฟมาให้ Galileo จับเวลา เมื่อรู้ระยะทางที่ Galileo อยู่ห่างจากยอดเขา และรู้เวลาที่แสงเดินทาง เขาก็จะรู้ความเร็วของแสงได้ ผลปรากฏว่า Galileo จับเวลาไม่ได้ เพราะแสงมีความเร็วสูงมาก

ในเวลาต่อมาการทดลองของใครต่อใครก็ไม่สามารถวัดความเร็วของแสงได้ ดังนั้น René Descartes (1596-1650) ซึ่งเป็นนักคณิตศาสตร์ที่มีชื่อเสียงชาวฝรั่งเศส จึงได้กล่าวสรุปว่า แสงมีความเร็วสูงมากถึงอนันต์ นั่นคือ แสงจากดาวฤกษ์ทุกดวง เดินทางถึงโลกพร้อมกันหมด ไม่ว่าดาวฤกษ์เหล่านั้นจะอยู่ห่างจากโลกใกล้หรือไกล ต่างกันเพียงใด ซึ่งถ้าข้อสรุปนี้เป็นจริง ประวัติดาราศาสตร์ที่แสดงลำดับการเกิดดาวฤกษ์หรือกาแล็กซีต่างๆ ก็จะไม่มีเลย


บุคคลแรกที่สามารถวัดความเร็วแสงได้ “สำเร็จ” คือ Olaus “Ole” Christensen Römer (1644-1710) ซึ่งได้ตระหนักว่า ถ้าการวัดความเร็วแสงมิสามารถกระทำได้บนโลก เพราะระยะทางที่เกี่ยวข้องสั้นมาก นักวิทยาศาสตร์ก็จะต้องพยายามวัดความเร็วแสงที่มาจากดาวฤกษ์ในอวกาศ

Römer เป็นชาวเดนมาร์ก เขาเกิดที่เมือง Arhus และได้เข้าเรียนดาราศาสตร์ที่มหาวิทยาลัย Copenhagen ขณะเป็นนักศึกษา Römer เรียนหนังสือได้ดีมาก จนอาจารย์ผู้สอนได้ไว้วางใจให้เป็นผู้ตรวจสอบผลงานทางดาราศาสตร์ทั้งหมดที่ Tycho Brahe (1546-1601) ได้เขียนไว้ก่อนจะเสียชีวิต เพื่อจัดส่งไปตีพิมพ์เผยแพร่

การรู้ข้อมูลดาราศาสตร์อย่างละเอียด ได้ทำให้นักภูมิศาสตร์ในเวลานั้นสามารถระบุตำแหน่งของเส้นรุ้ง และเส้นแวงที่เมืองต่าง ๆ ตั้งอยู่บนโลกได้ ความสำเร็จในการตรวจสอบข้อมูลของ Tycho ทำให้ Römer ได้รับเชิญไปทำงานต่อที่ Paris ในฝรั่งเศส โดยทำงานประจำที่หอดูดาวที่นั่น และในเวลาเดียวกันก็เป็นพระอาจารย์ขององค์รัชทายาทในพระเจ้า Louis ที่ 13 ด้วย

ความสามารถทางดาราศาสตร์ของ Römer ได้ทำให้มีการกำหนดตำแหน่งของเส้นแวง (longitude) ที่ 0° ใหม่ โดยได้เปลี่ยนจากเส้นแวงที่ศูนย์องศา ซึ่งลากผ่านหมู่เกาะ Madeira ของโปรตุเกส มาตั้งแต่ปี 1506 ให้มาลากผ่านกรุง Paris ในปี 1667 ซึ่งเป็นรัชสมัยสมเด็จพระเจ้า Louis ที่ 14 เพราะ ณ เวลานั้น ฝรั่งเศสเป็นชาติมหาอำนาจของโลก และเส้นแวงที่ 0° ได้ถูกกำหนดใหม่ โดยให้ลากผ่านเมือง Greenwich ในอังกฤษ เมื่อปี 1884 เมื่ออังกฤษได้เป็นชาติมหาอำนาจแทนฝรั่งเศส


หลังจากที่ Galileo ได้เห็นดวงจันทร์บริวาร 4 ดวงของดาวพฤหัสบดี อันได้แก่ Io, Europa, Callisto และ Ganymede แล้ว เมื่อปี 1610 Römer ก็ได้ติดตามสังเกตดูดวงจันทร์ทั้ง 4 โดยเฉพาะดวงจันทร์ Io เป็นกรณีพิเศษ เพราะ Io โคจรอยู่ใกล้ดาวพฤหัสบดีมากที่สุด จึงมีความเร็วสูงสุด การติดตาม Io เป็นเวลานานถึง 10 ปี ทำให้ Römer รู้ว่า Io ใช้เวลานาน ประมาณ 40 ชั่วโมง ในการโคจรรอบดาวพฤหัสบดีครบหนึ่งรอบ และในบางเวลา Io ก็ได้หายไปจากสายตา เพราะไปอยู่เบื้องหลังดาวพฤหัสบดี แล้วจะปรากฏตัวออกมาอีกในเวลาต่อมา ช่วงเวลาที่ Io ถูกดาวพฤหัสบดีบดบังนี้ มีค่าต่าง ๆ กัน ขึ้นกับตำแหน่งของดาวพฤหัสบดีและของโลก

การพบความจริงนี้ ทำให้ Römer ตระหนักได้ว่า แสงมีความเร็วจำกัด (finite) คือ ไม่ใช่อนันต์ เพราะถ้าแสงมีความเร็วมากถึงอนันต์ เวลาที่ Io หายลับไปจากสายตาคนบนโลก ก็จะต้องมีค่าเท่ากันหมด และเหตุผลที่ทำให้เวลาที่เกิดปรากฏการณ์ Io คราส มีค่าต่างกัน เพราะแสงต้องใช้เวลานานไม่เท่ากันในการเดินทางจาก Io ถึงโลก


การจับตาดู Io คราส ขณะโลก ดาวพฤหัสบดี กับ Io และดวงอาทิตย์อยู่ข้างเดียวกัน กับในเวลาอีก 6 เดือนต่อมา เมื่อโลก ดวงอาทิตย์ และดาวพฤหัสบดี กับ Io อยู่คนละข้างกัน ทำให้เวลาที่เห็น Io คราสแตกต่างกันถึง 22 นาที (ตัวเลขเวลาที่วัดได้ในปัจจุบัน คือ 16 นาที) นี่จึงเป็นเวลาที่แสงใช้ในการเดินทางได้ระยะทางเท่ากับเส้นผ่านศูนย์กลางวงโคจรของโลกรอบดวงอาทิตย์

Römer ยังได้สังเกตเห็นอีกว่า เวลาที่แตกต่างกันประมาณ 22 นาทีนั้น ไม่เป๊ะ เท่ากันทุกครั้ง แต่จะเร็วขึ้น ถ้าโลกกับดาวพฤหัสบดีเคลื่อนที่เข้าหากัน แต่เวลาจะนานขึ้น ถ้าโลกกับดาวพฤหัสบดีพุ่งหนีจากกัน


ดังนั้น เมื่อ Römer รู้ขนาดวงโคจรของโลกรอบดวงอาทิตย์ ซึ่งเขาคิดว่าเป็นวงกลม จากข้อมูลที่วัดได้โดย Jean Dominique Cassini (1625-1712) ว่ามีค่า = 292 ล้านกิโลเมตร (ตัวเลขปัจจุบัน คือ 300 ล้านกิโลเมตร และวงโคจร มิใช่เป็นวงกลม แต่เป็นวงรี)

ความเร็วแสงในสุญญากาศที่ Römer วัดได้ จึงมีค่า = 225,000 กิโลเมตร/วินาที (ซึ่งต่ำกว่าค่าจริงประมาณ 25%)

ข้อมูลความเร็วแสงที่ได้นี้ ไม่มีใครในเวลานั้นสนใจ ยกเว้น Christiaan Huygens (1629-1695) แม้แต่ Cassini เอง ก็ไม่เชื่อ เพราะเขาไม่ไว้ใจเรื่องตัวเลขเวลาที่แตกต่างกัน (เวลาที่วัดได้ในปัจจุบัน คือ 996 วินาที โดยเฉลี่ย)

เทคโนโลยีการวัดความเร็วแสงในตัวกลางต่าง ๆ สามารถวัดได้แม่นยำมากขึ้น ๆ จนปัจจุบันเรารู้ว่า ความเร็วแสงในน้ำ มีค่า 2.3*10^8 เมตร/วินาที และในอากาศ ความเร็วแสงมีค่า 299,702,547 เมตร/วินาที ดังนั้นดัชนีหักเหของอากาศ จึงมีค่าเท่ากับ 1.0003

ปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์ได้พบว่า เวลาให้แสงเคลื่อนที่ผ่านกลุ่มอะตอมของ rubidium-87 ที่อุณหภูมิ 10^(-9) องศาเซลเซียส ความเร็วของแสงในกลุ่มอะตอมนั้น จะมีค่าเท่ากับ 90 เมตร/วินาที

และถ้าให้แสงเคลื่อนที่ผ่านกลุ่มอะตอมของ sodium-23 ที่อุณหภูมิใกล้ 10^(-7) nanokelvin ความเร็วแสงก็จะลดลงเหลือ 17 เมตร/วินาทีเท่านั้นเอง ซึ่งเร็วกว่าความเร็วในการวิ่ง 100 เมตรของนักกรีฑาระดับท็อปไม่มากเลย

แต่การทำให้อุณหภูมิของตัวกลางมีค่าน้อยมากนี้ แม้จะทำให้ความเร็วของแสงลดลงได้มากก็ตาม การทำเช่นนี้ได้ ต้องอาศัยอุปกรณ์ที่มีราคาแพงมาก และต้องอาศัยความรู้ด้านกลศาสตร์ควอนตัมของสสารด้วย






ในอดีตเราเคยทราบกันว่า เราสามารถจะเห็นปรากฏการณ์ควอนตัมได้ ถ้าระบบนั้นมีขนาดเล็กระดับอะตอม เงื่อนไขอีกประการหนึ่งที่ควรทราบ คือ ถึงแม้ระบบนั้นจะมีขนาดใหญ่ที่ตาเปล่าสามารถมองเห็นได้ก็ตาม แต่ถ้าระบบมีอุณหภูมิต่ำมาก เราก็จะเห็นปรากฏการณ์ควอนตัมได้เหมือนกัน เช่น ในตัวนำยวดยิ่ง และของไหลยวดยิ่ง

ตามปกติในการลดความเร็วแสง เราสามารถจะทำได้โดยใช้ตัวกลางเข้าไปขัดขวางทางเดินแสง แต่ถ้าจะทำให้ความเร็วแสงลดลงมาก จนถึงระดับที่รถจักรยานก็สามารถเคลื่อนที่ได้เร็วกว่าแสง เราจำเป็นจะต้องใช้ตัวกลาง เช่น BEC

BEC เป็นสสารสถานะที่ 5 (ของแข็งเป็นสถานะที่ 1 ของเหลวที่ 2 แก๊สที่ 3 และพลาสมาที่ 4) ซึ่งมีสมบัติทั่วไป คือ เป็นอะตอมอิสระ แต่เวลาอุณหภูมิของระบบลดต่ำถึงระดับ nanokelvin (10^(-9)) ความยาวคลื่นของอะตอมเหล่านี้ สามารถหาได้จากสูตร




หลอมรวมกัน เป็น superatom ที่มีฟังก์ชันคลื่นเพียงหนึ่งเดียว นั่นคือ อะตอมทุกตัวเคลื่อนทีไปด้วยความเร็วเท่ากัน ในทิศเดียวกัน และการเคลื่อนที่ลักษณะนี้ สามารถเห็นได้ชัด โดยใช้กล้องจุลทรรศน์ สารควบแน่นลักษณะนี้ จึงได้ชื่อว่า สารควบแน่น Bose-Einstein ตามชื่อของ Satyendra Nath Bose (1894-1974) กับ Albert Einstein (1879-1955) เพราะ Bose ได้ศึกษาสมบัติของอะตอมที่มี quantum spin = 0 เช่น photon เมื่อปี 1924 จากนั้น Einstein ก็ได้ต่อยอดความคิดของ Bose และได้ทำนายว่า อนุภาคที่ Bose ศึกษา (เรียกอนุภาค boson) สามารถรวมกลุ่มกันได้ที่อุณหภูมิต่ำมากๆ จนเป็นซูปควอนตัม (quantum soup)


คำทำนายของ Einstein ไม่ได้รับการพิสูจน์ว่า สามารถเกิดขึ้นได้จริง จนกระทั่งปี 1995 (Einstein เสียชีวิตในปี 1955) โดย Eric Allin Cornell (1961-ปัจจุบัน) กับ Carl Edwin Wieman (1951-ปัจจุบัน) แห่ง Joint Institute for Laboratory Astrophysics ซึ่งได้ลดอุณหภูมิของแก๊ส rubidium-87 จนกระทั่งมีอุณหภูมิ 17 nanokelvin โดยอาศัยเทคนิค laser cooling กับ Wolfgang Ketterle (1957-ปัจจุบัน) แห่ง Massachusetts Institute of Technology ซึ่งใช้แก๊สอะตอม sodium-23 ที่อุณหภูมิ 500 nanokelvin ก็สามารถสร้าง BEC ได้เช่นกัน


ความสำเร็จของคนทั้งสาม ในการสร้างสสารสถานะใหม่ ทำให้ได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ประจำปี 2001 ร่วมกัน

นอกจาก BEC จะเป็นสสารสถานะใหม่แล้ว BEC ยังนำนักฟิสิกส์ไปสู่โลกเทคโนโลยีใหม่ๆ อีก เช่น ใช้ทำนาฬิกาอะตอม (atomic clock) ที่เดินได้เที่ยงตรง อย่างผิดพลาดไม่เกิน 1 วินาที ในเวลาพันล้านปี ใช้ทำอะตอมเลเซอร์ (atom laser) ซึ่งจะปล่อยอะตอมที่มีความยาวคลื่นเดียวกันออกมา ทำให้สามารถโฟกัสลำอะตอมได้ จนมีความเข้มสูงมาก เพื่อใช้ในการทำ integrated chip และใช้ BEC ในการชะลอความเร็วแสง เพื่อให้สามารถเก็บข้อมูล และส่งผ่านข้อมูลได้อย่างมีประสิทธิภาพมาก เพื่อใช้ในระบบคมนาคมทางไกลแบบควอนตัม (quantum communication) และใช้ BEC เป็นสวิตช์แสง (optical switch) ตลอดไปจนถึงการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมในอนาคต

ในส่วนของการสร้างองค์ความรู้ใหม่นั้น BEC ก็ได้บุกเบิกวิทยาการด้านทัศนศาสตร์ที่ไม่เป็นเชิงเส้น (non-linear optics) เช่น ทำให้เกิดแสงที่มีความถี่เป็นสองเท่าของความถี่เดิม จากการดูดกลืน photon ไป 2 อนุภาค หรือเพิ่มความถี่เป็น 3 เท่า จากการดูดกลืน photon 3 อนุภาค ฯลฯ ด้วยเหตุนี้ความเข้มของแสงที่ออกมาจากตัวกลางก็จะเพิ่มมากขึ้น เป็นจำนวนเท่าด้วย

ประโยชน์อีกประการหนึ่ง คือ ใช้ BEC ในการผลิตแสงที่มีความยาวคลื่นสั้นมาก (ultrashort UV) เพื่อใช้อ่านหนังสือที่มีขนาดตัวอักษรเล็กมากๆ ได้

โดยสรุป เทคโนโลยีที่ใช้ในการลดความเร็วแสงมีได้หลายวิธี เช่น


1. ใช้ BEC

2. ใช้ photonic crystal

3. ใช้ electromagnetically induced transparency (EIT)

หรือ 4. ใช้ stimulated Brillouin scattering (SBS)
ฯลฯ

เพื่อคุณประโยชน์ทางด้าน quantum communication technology ที่จะมีในอนาคต

อ่านเพิ่มเติมจาก Nield, David (2024-02-10). "Scientists Slowed Down Light by 10,000 Times in an Experiment". ScienceAlert. Retrieved 2024-02-12


ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน : ประวัติการทำงาน - ราชบัณฑิตสำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย

อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" ได้ทุกวันศุกร์