แสงเป็นคลื่นหรืออนุภาค ?

ในยุคเดิม เริ่มมีการตั้งทฤษฎีโดยนิวตันว่าแสงเป็นอนุภาค!!

โดยเสนอแนวความคิดแสงเป็นอนุภาคที่ส่งติดต่อกันออกมา เมื่ออนุภาคเหล่านั้นเข้า สู่นัยน์ตา ทำให้เกิดความรู้สีกในการมองเห็นภาพต่างๆและสามารถอธิบายกฏการสะท้อนแสงและหักเหของแสงโดยใช้ทฤษฎีที่ว่าแสงเป็นอนุภาค

จนกระทั่งต่อมาได้มีการทดลองต่าง ๆ เกี่ยวกับแสงเกิดขึ้นมากมายจนพบว่าแสงมีคุณสมบัติของคลื่นเช่น การทดลองที่แสดงสมบัติการแทรกสอดและการเลี้ยวเบนของแสงแล้ว แนวคิดที่ว่าแสงเป็นคลื่นจึงได้รับการยอมรับ

จากนั้นมาเมื่อแมกซ์เวลล์ได้ทำนายการมีอยู่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า แล้วพบว่า ความเร็วของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีค่าเท่ากับความเร็วของแสง แสงจึงถูกจัดเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดหนึ่ง

จนกระทั่งต่อมาเมื่อเริ่มมีการศึกษาลงลึกถึงในระดับอะตอม มีการทดลองหนึ่งซึ่งขัดแย้งกับทฤษฏีที่ว่าแสงเป็นคลื่น นั่นคือ ปรากฎการณ์โฟโตอิเล็กทริกที่เมื่อฉายแสงใส่โลหะ พบว่า มีอิเล็กตรอนหลุดออกมาจากผิวโลหะ ซึ่งปรากฎการณ์นี้ไม่สามารถใช้คุณสมบัติด้านความเป็นคลื่นของแสงมาอธิบายได้ ต่อมาไอสไตน์จึงได้เสนอว่า กรณีนี้แสงควรมีคุณสมบัติเป็นอนุภาคชื่อว่าโฟตอน (Photon)

ปรากฎการณ์โฟโตอิเล็กทริก

ปรากฏการณ์ที่โลหะปลดปล่อยอิเล็กตรอนออกมาเมื่อถูกฉายด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า อย่างเช่นรังสีเอ๊กซ์(X-ray) อิเล็กตรอนที่ถูกปล่อยออกมาถูกเรียกว่า โฟโตอิเล็กตรอน (photoelectron) ปรากฏการณ์ดังกล่าวถูกเรียกอีกอย่างหนึ่งว่า Hertz Effect ตามชื่อของผู้ค้นพบ คือ นายเฮนริค รูดอล์ฟ เฮิร์ทซ์(Heinrich Rudolf Hertz)

แล้วตกลง แสงเป็นอะไรกันแน่?

ในปี ค. ศ. 1924 นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสชื่อ หลุยส์ เดอบรอยล์ (Louis de Broglie ) จึงเสนอแนวคิดว่า ถ้าแสงที่เป็นคลื่นแสดงสมบัติเป็นอนุภาคได้ สิ่งที่เป็นอนุภาค ก็ควรแสดงสมบัติเป็นคลื่นได้ สิ่งใดที่แสดงสมบัติคู่เป็นได้ทั้งคลื่นและอนุภาค เรียกว่ามี ทวิภาพของคลื่นและอนุภาคแสงเป็นได้ทั้งคลื่น และอนุภาค แสงจึงมีทวิภาพของคลื่นและอนุภาค

จากการศึกษาต่อมา พบว่า อิเล็กตรอนซึ่งเป็นอนุภาคแสดงสมบัติของคลื่นได้ คือเลี้ยวเบนและแทรกสอดได้ และสามารถหาความยาวคลื่นของอนุภาคได้ เรียกความยาวคลื่นของอนุภาค นี้ว่า ความยาวคลื่นเดอบรอยล์
อนุภาคที่จะแสดงสมบัติเป็นคลื่นได้ ต้องเป็นอนุภาคที่มีขนาดเล็ก

เดอบรอยล์

เดอบรอยล์ ได้นำความรู้เรื่องทวิภาพของคลื่นและอนุภาค ไปอธิบายทฤษฎีอะตอมของบอร์ ข้อ 2 ให้สมบูรณ์ ขึ้น โดยอธิบายว่าอิเล็กตรอนที่จะไม่มีการแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา อิเล็กตรอนตัวนั้นต้องแสดงสมบัติเป็นคลื่นนิ่ง โดยมีความยาวของเส้นรอบวงเป็นจำนวนเต็มเท่าของความยาวคลื่นของอิเล็กตรอน ถ้าคิดว่าอิเล็กตรอนเป็นอนุภาค จะไม่สามารถอธิบายได้

ดังนั้นจึงสรุปได้ว่าแสงมีคุณสมบัติคู่คือเป็นได้ทั้งคลื่นแสงและอนุภาค ขึ้นอยู่กับสถานการณ์นั่นเอง ในบางสถานการณ์เช่น การทดลองสลิตคู่ แสงชอบในการเป็นคลื่นมากกว่า มันจึงแสดงคุณสมบัติของความเป็นคลื่น ในขณะที่บางสถานการณ์แสงอยากเป็นอนุภาคมากกว่า เช่น ในปรากฎการณ์โฟโตอิเล็กทริกนั่นเอง

จากทฤษที่ว่า แสงมีลักษณะเป็นสมบัติคู่ คือเป็นได้ทั้งคลื่นและอนุภาค และถึงแม้ว่ามีการทดลองมากมายที่ประสบความสำเร็จในการสังเกตคุณสมบัติความเป็นอนุภาคและคลื่นของแสง แต่การทดลองเหล่านั้นก็ไม่ได้สังเกตคุณสมบัติเหล่านี้ในเวลาเดียวกัน

ภาพถ่ายครั้งแรกของแสงในรูปอนุภาคและคลื่น

นักวิทยาศาสตร์จาก EPFL ได้สามารถบันทึกภาพของแสงซึ่งมีทั้งคลื่นและอนุภาพได้ในเวลาเดียวกัน งานวิจัยที่ยิ่งใหญ่ชิ้นนี้ได้ถูกตีพิมพ์ในวารสารNature Communications ทีมวิจัยนำโดย Fabrizio Carbone จาก EPFL ได้ทำการดำเนินการทดลอง โดยการใช้อิเล็กตรอนในการถ่ายภาพแสง พวกเขาได้ทำการเก็บภาพของแสงเป็นครั้งแรก

การทดลองนี้เริ่มจากการปล่อยลำแสงเลเซอร์ไปยังสายไฟโลหะขนาดระดับนาโน ลำแสงเลเซอร์นี้จะไปเพิ่มพลังงานให้กับอนุภาคที่มีประจุในสายไฟ ทำให้อนุภาคเหล่านั้นเกิดการสั่น

แสงเดินทางตามสายไฟขนาดเล็กนี้ในสองทิศทางที่เป็นไปได้ เสมือนกับรถที่เดินทางบนถนนทั้งขาไปและขากลับ เมื่อคลื่นแสงเดินทางในทิศทางตรงกันข้ามมาเจอกัน จะก่อให้เกิดคลื่นใหม่ซึ่งเรียกว่า คลื่นนิ่ง (standing wave) คือคลื่นที่ไม่เคลื่อนที่ และคลื่นนิ่งซึ่งแผ่รังสีไปรอบรอบสายไฟนี้จะกลายเป็นแหล่งกำเนิดแสงสำหรับการทดลอง

ทีมนักวิจัยได้ทำการยิงลำอิเล็กตรอนไปใกล้กับสายไฟ และใช้มันสำหรับการถ่ายภาพคลื่นนิ่งของลำแสงนั้น เมื่ออิเล็กตรอนเกิดปฎิกิริยากับลำแสงที่กำลังแผ่มาจากสายไฟนั้น พวกมันจะถูกทำให้เร็วขึ้นหรือช้าลง ด้วยการใช้กล้องจุลทรรศน์ความเร็วสูงในการถ่ายภาพบริเวณที่มีการเปลี่ยนแปลงของความเร็วของอิเล็กตรอนนี้ เหล่านักวิจัยก็สามารถสร้างภาพและมองเห็นคลื่นแสงได้ ซึ่งทำหน้าที่คล้ายลายนิ้วมือของคลื่นแสงตามธรรมชาติ

ในขณะที่ปรากฎการณ์นี้แสดงให้เห็นถึงธรรมชาติของคลื่นแสง มันก็แสดงให้เห็นถึงพฤติกรรมด้านอนุภาคของแสงในเวลาเดียวกันด้วย เมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่เข้าใกล้คลื่นนิ่งของแสงในสายไฟ พวกมันจะกระทบกับอนุภาคของแสงนั่นคือ โฟตอน อย่างที่ได้กล่าวไปข้างต้น สิ่งนี้เองจะส่งผลกระทบต่อความเร็วของอิเล็กตรอน ทำให้มันเคลื่อนที่เร็วขึ้นหรือช้าลงนั่นเอง การเปลี่ยนแปลงของความเร็วนี้ปรากฎอยู่ในรูปของการแลกเปลี่ยนของพลังงาน“กลุ่ม (packets) หรือควอนตา (quanta)” ระหว่างอิเล็กตรอนและโฟตอน การเกิดขึ้นของพลังงาน packets นี้เองที่แสดงให้เห็นว่า แสงในสายไฟนั้นมีพฤติกรรมเหมือนอนุภาค

ขอบคุณภาพถ่ายแสงในรูปคลื่นและอนุภาคจาก www.aroundscience.com