เคยรู้สึกไหมครับว่าพอได้ยินคำว่า “ควอนตัมฟิสิกส์” ทีไร ภาพในหัวมักจะเป็นทฤษฎีสุดล้ำในหนัง Sci-Fi ที่สวนทางกับสามัญสำนึกของเราทุกอย่าง?
ถูกต้องแล้วครับ… แต่นักวิทยาศาสตร์ไม่ได้ค้นพบความแปลกประหลาดนั้นในวันเดียว! มันคือบทสรุปของ “มหากาพย์การสืบสวน” ที่ยาวนาน
ตลอด 3 เดือนนี้ จะพาคุณย้อนรอยไปเป็นนักสืบร่วมไขคดีนี้ไปด้วยกัน โดยเราจะเก็บ “หลักฐาน” ชิ้นสำคัญ 2 ชิ้นที่ดูเหมือนจะขัดแย้งกันอย่างสิ้นเชิง ก่อนจะนำไปสู่บทสรุปสุดทึ่งในโลกควอนตัม โดยที่คุณสามารถ “ลงมือทดลอง” ได้ด้วยตัวเองผ่าน Interactive Simulation ที่เราเตรียมไว้ให้
เดือนที่ 1 (บทความนี้): เก็บหลักฐานชิ้นที่ 1 ที่บอกว่า แสงคือ “คลื่น” ด้วยการทดลอง “สลิตคู่” ที่สั่นสะเทือนวงการ
เดือนที่ 2: พบกับหลักฐานชิ้นที่ 2 ที่บอกว่า แสงคือ “อนุภาค” ด้วยการทดลองที่ทำให้ไอน์สไตน์ได้รางวัลโนเบล
เดือนที่ 3: นำหลักฐานที่ขัดแย้งกันทั้งสองชิ้นมาประกอบร่างกัน และเผยโฉมหน้าของ “ควอนตัมฟิสิกส์” ตัวจริง!
พร้อมจะเริ่มการเดินทางหรือยังครับ? ถ้าพร้อมแล้ว… ไปที่การทดลองแรกกันเลย!
บทเรียนแรกจากผิวน้ำ : ศิลปะแห่งการ 'แทรกสอด'
ก่อนจะไปถึงเรื่องแสงเจ้าปัญหา เรามาเริ่มจากสิ่งที่ทุกคนคุ้นเคยและเห็นภาพง่ายที่สุดกันก่อน นั่นคือ “คลื่นน้ำ” ครับ
ลองนึกภาพว่าคุณโยนหินลงไปในสระน้ำนิ่งๆ สิ่งที่เห็นคือคลื่นที่แผ่ออกไปเป็นวงกลมใช่ไหมครับ? ทีนี้… จะเกิดอะไรขึ้นถ้าเรามี “แหล่งกำเนิดคลื่น” สองแหล่งที่อยู่ใกล้ๆ กัน?
ใน Simulation ด้านล่างนี้ เป็นผิวน้ำที่มีเครื่องกำเนิดคลื่นสองอัน ตอนนี้อันนึงเปิดอยู่และสร้างคลื่นออกไปรอบๆ เป็นวงกลม แต่ถ้าอยากรู้ว่าจะเกิดอะไรขึ้นเมื่อมีคลื่นอีกอันเข้ามาร่วมแจม ก็ลองกดปุ่มเปิดเครื่องกำเนิดคลื่นอีกอันดูสิครับ
ลองเปิดสวิตช์ให้เครื่องทำงานพร้อมกันดูนะ แล้วดูว่าคลื่นจะออกมาหน้าตาแบบไหน
พอกดเปิดสองอันพร้อมกันปุ๊บ! เราจะเห็นลวดลายแปลกๆ เกิดขึ้นมา บางจุดคลื่นดูสูงขึ้นกว่าเดิม แต่บางจุดผิวน้ำกลับเรียบสนิทราวกับไม่มีอะไรเกิดขึ้น ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า “การแทรกสอด” (Interference) ครับ
บริเวณที่ สันคลื่นเจอกับสันคลื่น มันจะเสริมกันให้สูงขึ้นไปอีก (เรียกว่า การแทรกสอดแบบเสริมกัน)
บริเวณที่ สันคลื่นเจอกับท้องคลื่น มันจะหักล้างกันจนเรียบ (เรียกว่า การแทรกสอดแบบหักล้างกัน)
เมื่อ 'ช่องว่าง' กลายเป็น 'แหล่งกำเนิดคลื่น'
“โอเค เข้าใจเรื่องแหล่งกำเนิดสองอันแล้ว แต่บทความนี้จะพูดถึง ‘สลิตคู่’ ไม่ใช่เหรอ?”
ใช่แล้วครับ! คำถามต่อไปคือ แล้วถ้าเราไม่ได้มีสองแหล่งกำเนิดล่ะ? แต่มีคลื่นลูกใหญ่ๆ วิ่งมาเจอกำแพงที่มี “ช่องเปิด” หรือ “สลิต (Slit)” สองช่องแทน?
ตามหลักการแล้ว แต่ละช่องเปิดนั้นจะทำหน้าที่กลายเป็น “แหล่งกำเนิดคลื่นวงกลมอันใหม่” ขึ้นมาทันที ผลลัพธ์ก็คือ… มันก็เหมือนกับเรามีแหล่งกำเนิดคลื่นสองอันนั่นแหละ!
ลองดูใน Simulation ต่อไปนี้ได้เลยครับ เราเพิ่ม “ฉาก” เข้าไปด้านหลังเพื่อดูผลลัพธ์ที่เกิดขึ้นให้ชัดเจนขึ้นด้วย
ลองหมุนหรือซูมดูในมุมมองต่าง ๆ ได้นะ จะได้เห็นภาพมากขึ้น
เห็นไหมครับ? บนฉากที่อยู่ด้านหลัง เราจะเห็น “แถบ” ที่เกิดจากน้ำกระเพื่อมแรง (เสริมกัน) สลับกับ “แถบ” ที่น้ำนิ่ง (หักล้างกัน) อย่างชัดเจน
บทสรุปสำคัญของพาร์ทนี้คือ : ถ้ามีอะไรสักอย่างที่เป็น “คลื่น” วิ่งผ่านช่องเปิดคู่ มันจะสร้างลวดลายการแทรกสอดเป็นแถบบนฉากเสมอ… จำประโยคนี้ไว้ให้ดีๆ นะครับ
ถึงคิวพระเอก : เมื่อ 'แสง' ต้องเข้าด่านสลิตคู่
เอาล่ะครับ ถึงคิวของพระเอกเจ้าปัญหาของเรา… “แสง”
ถ้าเราลองคิดตามสามัญสำนึกแบบตรงไปตรงมา แสงเดินทางเป็นเส้นตรงใช่ไหมครับ? ถ้าเรายิงแสงเลเซอร์ผ่านช่องเปิดสองช่อง เราก็ควรจะเห็น “จุดสว่างสองจุด” บนกำแพงด้านหลัง… ถูกไหม?
แต่ทีนี้เราลองมาดูกันดีกว่าว่าจริง ๆ แล้วจะเกิดอะไรขึ้น ตรงนี้พี่ ๆ ออนดีมานด์เราทำการทดลองจริง ๆ มาให้ดูเลย ด้วยการใช้อุปกรณ์ง่าย ๆ แค่ Laser Pointer ยิงผ่านกระดาษที่ถูกคัตเตอร์กรีดเป็นช่องเล็กๆ สองช่องไว้แล้ว
ผลลัพธ์มันชัดเจนมาก! สิ่งที่เราเห็นบนกำแพงไม่ใช่จุดสว่าง 2 จุด แต่กลับเป็น “แถบสว่าง-มืดสลับกัน” ซึ่งหน้าตาเหมือนกับแพทเทิร์นการแทรกสอดของคลื่นน้ำเป๊ะๆ! (ใครอยากลองทำตามดู อุปกรณ์หาง่ายมาก และเป็นการทดลองเกี่ยวกับควอนตัมไม่กี่อย่างที่ทุกคนทำเองได้ที่บ้านเลยนะครับ!)
คำตอบแรกมาแล้ว... แต่เรื่องเพิ่งจะเริ่มต้น!
ตอนนี้เราได้หลักฐานชิ้นแรกที่สำคัญที่สุดไว้ในมือแล้วนะครับ : แสงแสดงคุณสมบัติเป็นคลื่น
เพราะถ้าแสงเป็นแค่อนุภาคที่วิ่งเป็นเส้นตรง เราจะไม่มีวันเห็นแถบมืดสว่างที่เกิดจากการแทรกสอดแบบนี้เด็ดขาด
สำหรับใครที่อยากเห็นภาพการแทรกสอดของแสงให้ชัดขึ้นไปอีก แต่ขี้เกียจตัดกระดาษเอง เรามี Simulation การทดลองยิงแสงผ่านสลิตคู่มาให้ลองเล่นกันปิดท้ายครับ
ในนี้ทุกคนสามารถลองปรับค่าต่างๆ ได้ตามใจชอบเลย ลองเล่นดูได้เลยว่าค่าพวกนี้ส่งผลต่อหน้าตาของแถบมืดสว่างอย่างไร
แต่ยังไม่ต้องไปซีเรียสกับตัวเลขหรือสูตรคำนวณนะครับ ขอแค่ให้เห็นภาพก็พอ เพราะในบทความตอนต่อไป เราจะเอา Simulation ตัวนี้แหละ ไปใช้ “ทำข้อสอบ A-Level” กันแบบเจาะลึก!
สำหรับตอนนี้ ขอให้สนุกกับการสร้างลวดลายแทรกสอดของแสงนะครับ แล้วเจอกันในตอนหน้าครับ!
