[Trans Physics] Particles Or Wave? อนุภาค หรือ คลื่น?

posted on 14 Aug 2009 22:55 by fairycassiopeia

                                                          อนุภาค หรือ คลื่น?

    จากการศึกษาทางวิทยาศาสตร์ สิ่งหนึ่งที่ได้จากประสบการณ์คือ คำศัพท์ที่ใช้ทางวิทยาศาสตร์ในทุกวันนี้ ไม่สามารถนำมาใช้กับการสรุปเกี่ยวกับประสบการณ์ทางวิทยาศาสตร์ที่จำเป็นต้องใช้ความแม่นยำค่อนข้างสูงในการหาข้อเท็จจริง ตัวอย่างในที่นี้ อย่างเช่นคำว่า Empty ที่แปลว่าว่างเปล่า เมื่อมีภาชนะชิ้นหนึ่งที่เรามองเห็นว่าว่างเปล่า แต่แท้จริงแล้วในความว่างเปล่านี้         ถ้ามองลึกในระดับอนุภาคหรือระดับของกล้องจุลทรรศน์ก็จะพบกับสิ่งต่างๆที่เราไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า ทำให้เกิดความเห็นที่แตกต่างอันนำมาซึ่งการโต้แย้งที่มีเวลายาวนานมานับร้อยปีที่ว่า แสงคืออนุภาคหรือคลื่นกันแน่?
             ต้นกำเนิดของการโต้แย้งนี้เริ่มต้นในศตวรรษที่17เกี่ยวกับทฤษฎีที่กล่าวว่าแสงเป็นคลื่นที่ค้นพบโดยนักฟิสิกส์ชาวดัชท์ที่ชื่อ คริสเตียน ฮอยเกนส์ แต่ก็ไม่ได้เป็นที่ยอมรับเหมือนกับทฤษฎี Corpuscular ของ ไอแซค นิวตัน โดยมีหลักการว่าแสงจะประกอบไปด้วยหน่วยอนุภาคเล็กๆหรือเรียกเป็นภาษาลาตินว่าcorpuscles ซึ่งมีความหมายว่าอนุภาคเล็กๆ และด้วยการค้นพบทฤษฎีนี้ ทำให้ทฤษฎีcorpuscularของไอแซคก็เป็นที่รู้จักกันอย่างกว้างขวางใน100ปีต่อมา

ต่อมาความคิดเห็นเกี่ยวกับเรื่องทฤษฎีของแสงก็ถูกเปลี่ยนแปลงอีกครั้งโดยนักวิจัยชาวอังกฤษชื่อ โทมัส ยัง ได้เสนอการทดลองเรื่องdouble slitในปี1801 โดยเขาได้ฉายแสงผ่านสลิตและพบว่าแสงที่ผ่านทะลุฉากไป จะปรากฏแสงสว่างสลับกันในแนวตั้ง เหมือนกับรูปของคลื่นน้ำ ซึ่งสรุปผลการทดลองได้ว่า แสงมีปฏิกิริยาเหมือนคลื่นโดยที่คลื่นแสงจะมี สันและคลื่น จุดที่สันและคลื่นมาพบกันจะทำให้แอมพลิจูดเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าของ

แอมพลิจูดเดิม ต่อมาทฤษฏีนี้ก็ได้กระจ่างมากขึ้นเมื่อMaxwell เขาได้จัดแสงเป็นระดับหน่วยย่อยของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ในปัจจุบันความคิดเห็นเกี่ยวกับเรื่องแสงนั้นดูเหมือนจะชัดเจนมากขึ้นเนื่องจากพบหลักฐานสำคัญที่เรียกว่า photoelectric effect ซึ่งหมายถึงการกระจายตัวของคลื่นแสงแต่ในการทดลองก็เกิดการตั้งปัญหา ขึ้นเมื่อแสงกระทบกับฉากหรือพื้นผิวในบางครั้งจะเกิดการกระจายตัวของอิเล็กตรอน ทำให้ทฤษฎีนี้เกิดปัญหา นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่ตั้งสมมติฐานไว้ว้า แสงที่สว่างจะมีการกระจายตัวของอิเล็กตรอนได้มากและปล่อยพลังงานได้มากกว่าแสงที่มีความสว่างน้อย แต่ว่า การกำหนดตัวแปรของการทดลองนี้เน้นที่จะศึกษาเรื่องสีของแสงมากกว่าความสว่างของแสง จนได้บทสรุปที่ว่า แสงสีน้ำเงินจะให้พลังงานอิเล็กตรอนได้มากกว่าแสงที่สลัวและแสงสีแดงซึ่งให้พลังงานได้น้อยกว่า

ปัญหานี้ ได้ถูกเสนอแนวความคิดใหม่โดย อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ในปี1905 เขาได้เสนอเรื่องปฏิกิริยาพิเศษบางประการของอิเล็กตรอน โดยสรุปว่าแสงมีคุณสมบัติเป็นอนุภาคและมีคุณสมบัติคล้ายคลื่น โดยการเดินทางของแสงมีเดินทาง มีความถี่ และมีแอมพลิจูดเหมือนกับในทฤษฎีคลื่นที่ได้มีการกล่าวไว้ และแสงมีปริมาณที่เรียกในภาษาลาตินที่เรียกว่า ควอนตัม

บีตส์ของแสงนี้จะเกิดจากการที่โฟตอนที่มีการเดินทางเหมือนคลื่นและกระทบกับอิเล็กตรอน หากความถี่ของแสงต่ำเกินไป อิเล็กตรอนจะถูกกระทบจากโฟตอนเพื่อที่จะปล่อยพลังงานอิเล็กตรอน จึงสรุปผลการทดลองได้ว่า เพราะเหตุใด แสงสีน้ำเงินจึงปล่อยพลังงานออกมาอย่างสม่ำเสมอ ในขณะที่แสงสีแดงที่มีความถี่ต่ำกว่าจึงไม่สามารถปล่อยพลังงานออกมาได้อย่างสม่ำเสมอ เพราะฉะนั้นจึงสามารถสรุปได้ว่า พลังงานที่ปล่อยออกมาและสีของแสงขึ้นอยู่กับความถี่ของแสง

จากการศึกษาจนกระจ่างในครั้งนี้นำมาซึ่งทฤษฎีที่เป็นที่รู้จักกันทั่วไปในปัจจุบันคือทฤษฎี wave duality of light ซึ่งเกิดจากการค้นพบโดยนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสที่อธิบายและสรุปอย่างชัดเจน รวมทั้งสามารถปรับใช้ไม่เพียงแต่เรื่องของแสงเท่านั้น แต่สามารถปรับใช้ได้กับเรื่องที่เกี่ยวกับพลังงานทุกเรื่อง และทฤษฎีของเขานั้นมีผลการทดลองและบทสรุปที่แตกต่างกับทฤษฎีphotoelectric effectและทฤษฎีของไอน์สไตน์ จากการทดลองและทฤษฎีบทที่เขาสามารถค้นพบในครั้งนี้ ทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบล

นอกจากนี้ การค้นพบในครั้งนี้ก็ยังนับว่าไม่สามารถตัดสินว่าเป็นบทสรุปของทฤษฎีเกี่ยวกับแสงที่มีการศึกษากันมาอย่างยาวนานได้แต่อย่างใด หากแต่เป็นเพียงการเริ่มต้นของการค้นพบและหาที่มาเกี่ยวกับทฤษฎี
quantum mechanic