🌟 TL;DR — สั้น ๆ ก่อนเล่น
ไม่มีเวลาอ่านยาว? วันนี้เราจะมา “สืบคดี” ที่ทำให้ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ได้รับรางวัลโนเบล! นั่นคือการไขปริศนา “โฟโตอิเล็กทริก”
เราจะมาดูกันว่าทำไมทฤษฎี “แสงเป็นคลื่น” ถึง ‘พังไม่เป็นท่า’ เมื่อเจอการทดลองนี้ และทำไมไอเดีย “แสงเป็นก้อน” ของไอน์สไตน์ถึงเป็นคำตอบ… ทั้งหมดนี้ผ่าน Sim ที่ “เล่นแล้วรู้เลย!”
🕵️ คดีพลิก? เมื่อ "คลื่น" ไม่ใช่คำตอบของทุกอย่าง
เอาล่ะครับ มาทวนสถานการณ์กันก่อน ใน [ตอนที่ 1.1] และ [ตอนที่ 1.2] เราจบลงอย่างสวยงามด้วยหลักฐานจากการทดลองสลิตคู่ที่แสดง “ลายนิ้วมือของคลื่น” (แถบมืดสว่าง) ชัดเจนขนาดนั้น ข้อสรุปของนักฟิสิกส์ในยุคนั้นจึงดูเหมือนจะปิดคดีไปแล้วว่า… แสงคือคลื่น
แต่… ในโลกของวิทยาศาสตร์ ไม่มีอะไรจบง่ายขนาดนั้นครับ วันนี้เราจะย้ายสถานที่เกิดเหตุ จาก “สลิตคู่” ไปยัง “แผ่นโลหะ” และเราจะเจอกับปริศนาใหม่ที่ทฤษฎีคลื่น… อธิบายไม่ได้เลย!
🚩 ภารกิจแรก: 'ดึง' อิเล็กตรอนให้หลุดจากโลหะ
ก่อนจะไปถึงแสง เรามาเริ่มที่ตัวเอกของเราในวันนี้ก่อน นั่นคือ “อิเล็กตรอน” ที่เกาะอยู่บนผิวของแผ่นโลหะครับ
ลองนึกภาพว่าอิเล็กตรอนพวกนี้ถูก “ยึด” ไว้กับผิวโลหะด้วยพลังงานบางอย่าง ภารกิจของเราในวันนี้คือการหาทาง “ปลดปล่อย” อิเล็กตรอนพวกนี้ให้เป็นอิสระ ทุกคนสามารถลองทำดูเองได้ด้านล่างนี้เลยครับ!
สังเกตไหมครับ? เราต้อง “ใส่พลังงาน” ให้มันจนถึงค่าค่านึง มันถึงจะหลุดออกมาได้ พลังงานขั้นต่ำที่เปรียบเหมือน “ค่าไถ่ตัว” นี้ นักฟิสิกส์เรียกมันว่า ฟังก์ชันงาน หรือ Work Function ครับ (ชื่อแปลกนิดนึงนะ 🤭)
🧩 ถ้ายังยึดตามหลักฐานเดิมว่า "แสงคือคลื่น"
ทีนี้ เราจะลองใช้ “แสง” เป็นเครื่องมือในการใส่พลังงานเพื่อปลดปล่อยอิเล็กตรอนกันครับ
ถ้าเราเชื่อว่าแสงเป็นคลื่น คุณสมบัติอย่างนึงของคลื่นก็คือ มัน “ต่อเนื่อง” เมื่อยิงมันใส่อิเล็กตรอน อิเล็กตรอนก็จะสะสมพลังงานมากขึ้นเรื่อย ๆ จนในที่สุดก็ต้องมากพอจะหลุดออกมาได้
จะเห็นว่าถึงปรับให้พลังงานจากแสงลดลง อิเล็กตรอนก็ยังหลุดออกมาอยู่ดี แค่ต้องรอนานขึ้นหน่อยเท่านั้น
สรุป : ถ้าแสงเป็นคลื่นจริง ไม่ว่าใช้แสงแบบไหนยิงใส่ ก็ต้องได้อิเล็กตรอนออกมาเสมอถ้ารอนานพอ!
😱 แต่... ผลการทดลองจริงกลับ 'พังไม่เป็นท่า' !
ปรากฏว่าเมื่อนักวิทยาศาสตร์ลงมือทดลองจริงในห้องแล็บ พวกเขากลับพบกับผลลัพธ์ที่ “ช็อกโลก” และสวนทางกับทฤษฎีคลื่นอย่างสิ้นเชิง
นั่นคือในการทดลองบางครั้ง ไม่ว่ารอยังไงอิเล็กตรอนก็ไม่หลุดมาสักที ซึ่งบางคนก็สังเกตได้ว่าในการทดลองเหล่านี้ แสงที่ใช้มักจะเป็นแสงสีแดง สีเหลือง
แต่พอลองใช้แสงสีม่วง น้ำเงิน อิเล็กตรอนก็หลุดมาแทบจะทันทีโดยไม่ต้องรอ แม้ว่าแสงจะสลัวมากก็ตาม
โลกฟิสิกส์ในตอนนั้นมืดแปดด้าน จนกระทั่งฮีโร่ของเรา… อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ได้เสนอไอเดียที่บ้าบิ่นที่สุดขึ้นมา
💡 ไอเดียพลิกโลกของไอน์สไตน์: แสงมาเป็น "ก้อน"
ไอน์สไตน์เสนอว่า… “ถ้าแสงไม่ได้เป็นคลื่นที่ต่อเนื่องล่ะ?”
จะเป็นยังไงถ้าแสงเดินทางมาเป็น “ก้อนพลังงาน” เล็กๆ หรือเป็น “แพ็กเกจ” พลังงานแทน?
เขาเรียกก้อนพลังงานนี้ว่า Quanta ของแสง (เราเริ่มเข้าสู่โลกของควอนตัมฟิสิกส์กันแล้วนะ!) ซึ่งทุกวันนี้เราเรียกว่าอนุภาค “โฟตอน” โดยแต่ละก้อนจะมีพลังงานเท่าใดนั้น ขึ้นอยู่กับ “สี” ของแสงเท่านั้น
ทีนี้ลองมาดูการทดลองเดิม แต่ด้วยไอเดียใหม่ของไอน์สไตน์กันครับ
คราวนี้จะเห็นว่าพอแสงมาทีละก้อน อิเล็กตรอนก็ต้องรับพลังงานมาทั้งก้อนในคราวเดียว ไม่มีการค่อย ๆ สะสมพลังงานอีกแล้ว
ถ้าพลังงานของแต่ละก้อนไม่มากพออิเล็กตรอนก็ไม่หลุด แถมยังจะคายก้อนโฟตอนคืนกลับมาทันทีอีกด้วย (การคายกลับมานี้เกิดขึ้นเร็วมาก จนบางทีเราก็จะบอกว่าโฟตอนสะท้อนกลับมาเหมือนไม่เกิดอะไรขึ้นกับอิเล็กตรอนเลย)
แต่ถ้าพลังงานของก้อนโฟตอนมากพอ อิเล็กครอนของเราก็จะรับไว้และถูกปลดปล่อยเป็นอิสระในที่สุด
บทสรุป: แฟ้มคดีที่ซับซ้อนยิ่งกว่าเดิม
ไอเดีย “แสงเป็นก้อน” ของไอน์สไตน์นี้เอง ที่สามารถอธิบายผลการทดลองโฟโตอิเล็กทริกได้สมบูรณ์แบบ และนี่คือผลงานที่ทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบล (ไม่ใช่ทฤษฎีสัมพัทธภาพอย่างที่หลายคนเข้าใจผิด!)
และตอนนี้… แฟ้มคดีของเราก็ยิ่งซับซ้อนขึ้นไปอีก:
หลักฐานชิ้นที่ 1 (สลิตคู่): บอกว่าแสงคือ “คลื่น”
หลักฐานชิ้นที่ 2 (โฟโตอิเล็กทริก): บอกว่าแสงคือ “ก้อน” (อนุภาค)
แล้วตกลงมันเป็นอะไรกันแน่!?
ก่อนที่เราจะไปถึงบทสรุปในตอนที่ 3… แน่นอนว่าไอเดียสุดล้ำของไอน์สไตน์นี้ ก็ต้องโผล่ในข้อสอบ A-Level ด้วยเช่นกัน!
ในตอนหน้า (2.2) เราจะเอา Simulation “โฟตอน” นี้ ไปลุยโจทย์ A-Level กันแบบเห็นภาพเหมือนเดิม เตรียมตัวให้พร้อมครับ!
