ฟิสิกส์อิเล็กทรอนิกส์ตอนที่3 : คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและพฤติกรรมน่าฉงน

 

 

รูปที่ 1 ภาพแสดงลักษณะของหม้อแปลงไฟฟ้าและสัญลักษณ์ทางไฟฟ้า (ภาพจากเอกสารอ้างอิง [1]) 

 

          หม้อแปลงทำหน้าที่ในการแปลงระดับแรงดันไฟฟ้าให้เพิ่ม-ลดได้ตามที่ต้องการ โดยทั่วไปแล้วหม้อแปลงไฟฟ้าจะประกอบไปด้วยขดลวดสองขดหรือมากกว่านั้น โดยจะพันรอบแกนที่ทำมาจากสารที่สามารถแสดงอำนาจแม่เหล็กได้ แต่สิ่งหนึ่งที่น่าสนใจในกรณีนี้ก็คือ จะเป็นไปได้ไหมว่า การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก-ไฟฟ้านี้ จะสามารถแผ่ออกไปได้ในระยะทางไกลๆโดยที่ไม่จำเป็นต้องอาศัยตัวกลางอย่างเช่นในกรณีของหม้อแปลงที่ต้องมีแกนเพื่อเพิ่มความเข้มของสนาม?


         ราวปี 1873 แม็กซ์เวลล์ค้นพบเชิงทฤษฏีว่าการเปลี่ยนแปลงของสนามไฟฟ้าตามเวลาสามารถเหนี่ยวนำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็ก และการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กตามเวลาสามารถเหนี่ยวนำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของสนามไฟฟ้าได้ การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้จะเกิดวนเวียนไปมาก่อเกิดเป็นคลื่นชนิดหนึ่งเคลื่อนที่ออกไปในอากาศได้ เราเรียกคลื่นชนิดนี้ว่าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เมื่อแม็กซ์เวลล์คำนวนความเร็วการเคลื่อนที่ของคลื่นชนิดนี้ก็พบว่ามีค่าเท่ากับความเร็วของแสง


          จึงทำให้เกิดข้อสังเกตุว่าแท้จริงแล้ว “แสง” ก็เป็นรูปแบบหนึ่งของคลื่นชนิดนี้หรือไม่?


          ในปัจจุบัน เป็นที่ทราบกันดีว่าแสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดหนึ่ง เช่นเดียวกับคลื่นวิทยุที่ก็เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดหนึ่งเช่นเดียวกัน ในกรณีของคลื่นวิทยุ เราสามารถใช้วงจรอิเล็กทรอนิกส์สร้างขึ้นมาได้จากวงจรเรโซแนนซ์ที่มีส่วนประกอบหลักเป็นตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำ ดังรูปที่2

 

รูปที่ 2 ภาพแสดงวงจรเครื่องส่งวิทยุอย่างง่าย ที่ประกอบไปด้วยไมโครโฟน ตัวต้านทาน ตัวเก็บประจุ ตัวเหนี่ยวนำ แบตเตอรี่ และทรานซิสเตอร์ (ภาพจากเอกสารอ้างอิง [2]) 
 

          จากวงจรในรูปที่2 ความถี่ของคลื่นวิทยุที่แผ่ออกไป จะแปรผกผันกับค่าของตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำในวงจร แต่ในกรณีของแสง เราไม่สามารถสร้างวงจรอิเล็กทรอนิกส์จากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทั่วๆไปให้มีความถี่เรโซแนนซ์สูงถึงย่านความถี่ของแสงได้ ซึ่งความถี่สูงกว่าความถี่วิทยุถึงราวพันล้านเท่า! แต่เราก็สามารถสร้างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สามารถเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานแสงได้ ตัวอย่างเช่นหลอดไฟแอลอีดีที่ใช้กันอยู่โดยทั่วไปในปัจจุบัน ซึ่งแสงสีน้ำเงินของหลอดแอลอีดีนั้นสร้างได้ยากมาก ทำให้นักฟิสิกส์ที่ค้นพบได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี 2014 เลยทีเดียว[3]   


          เรื่องราวของแสงก็น่าจะจบลงเพียงเท่านี้ ถ้านักฟิสิกส์ไม่ดันไปพบว่า “แสง” ก็มีพฤติกรรมเหมือนเป็นอนุภาคได้!
นักฟิสิกส์พบว่า หากเราทดลองส่องแสงไปที่พื้นผิวของโลหะ ในบางครั้งก็จะมีอิเล็กตรอนหลุดออกมาจากผิวโลหะนั้นได้ หากต่อโลหะนี้เข้ากับวงจรไฟฟ้า ก็จะพบว่าอิเล็กตรอนที่หลุดออกมา สามารถไหลเกิดเป็นกระแสไฟฟ้าในวงจรได้ โดยปริมาณกระแสไฟฟ้าจะขึ้นอยู่กับความเข้มของแสงที่มากกระทบ แต่ความถี่ของแสงจะต้องมากกว่าค่าๆหนึ่ง จึงจะเริ่มเกิดการไหลของกระแสไฟฟ้าในวงจรได้ เราเรียกค่าความที่นี้ว่าค่าความถี่ขีดเริ่ม(threshold frequency)


          การที่อิเล็กตรอนจะหลุดออกมาหรือไม่นั้น ขึ้นอยู่กับค่าความถี่ของแสงที่มาตกกระทบเพียงอย่างเดียวไม่ขึ้นกับความเข้มของแสง สอดคล้องกับอีกการทดลองหนึ่งที่เกิดขึ้นในเวลาไล่เลี่ยกัน คือการทดลองเรื่องการแผ่รังสีของวัตถุดำ ทำให้อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ตระหนักได้ว่าแสงจะต้องมีคุณสมบัติเป็นอนุภาคได้ด้วย เพราะหากแสงเป็นคลื่นแต่เพียงอย่างเดียว อิเล็กตรอนก็น่าจะสามารถสะสมพลังงานจากแสงที่มาตกกระทบ ยิ่งแสงมีความเข้มมาก อิเล็กตรอนก็ยิ่งสามารถสะสมพลังงานได้มากภายในเวลาอันรวดเร็ว จนสามารถหลุดออกมาจากผิวโลหะได้จนเกิดการไหลของกระแสไฟฟ้า แม้ว่าความถี่ของแสงจะมีค่าน้อยเพียงใดก็ตาม ซึ่งสิ่งนี้ไม่เป็นจริง


          ทีนี้ตกลงแล้วแสงเป็นคลื่นหรือว่าอนุภาคกันแน่? แล้วเราจะรู้ได้อย่างไรว่าเมื่อไหร่แสงจะเป็นคลื่นหรือว่าเป็นอนุภาค? คำตอบก็คือ แสงเป็นทั้งคลื่นและอนุภาค แต่จะไม่แสดงพฤติกรรมแบบอนุภาคหรือคลื่นพร้อมๆกัน แสงจะแสดงตัวเป็นอะไรอยู่ที่ชนิดและรูปแบบของการทดลอง!


          โดยปกติแล้ว เมื่อเราส่องแสงผ่านช่องคู่ แสงจะเกิดการแทรกสอดกันหลังจากแสงเคลื่อนที่ผ่านช่องคู่นั้นไปแล้ว ทำให้เมื่อเรานำฉากรับแสงมาวางไว้ด้านหลังช่องคู่ เราจึงจะเห็นริ้วการแทรกสอดของแสงได้อย่างชัดเจน สิ่งที่น่าคิดตอนนี้ก็คือ จะเกิดอะไรขึ้นถ้าหากเราทดลองปล่อยแสงเพียงแค่ 1 อนุภาคให้เคลื่อนที่ผ่านช่องไปที่ฉากหลัง? แน่นอนโดยหลักตรรกะและสามัญสำนึกแล้ว ถ้าแสงมีลักษณะเป็นอนุภาคจริง และถ้าเราปล่อยแสงให้ผ่านช่องไปเพียงแค่หนึ่งอนุภาค อนุภาคแสงหนึ่งตัวนั้นก็น่าจะผ่านช่องใดช่องหนึ่งไปช่องเดียว แล้วไปตกกระทบฉากหลังตรงๆตามแนวเส้นตรง แต่เรื่องน่าประหลาดใจก็เกิดขึ้น เมื่ออนุภาคแสงเพียงแค่อนุภาคเดียวนั้นได้เคลื่อนที่ผ่านช่องไปแล้ว ปรากฏว่า จากการทดลองจริงพบว่า แสงที่ตกกระทบฉากหลังก็ยังสามารถเห็นเป็นริ้วของการแทรกสอดของแสงอยู่ดี! สิ่งนี้เกิดขึ้นได้อย่างไร? หรือว่าอนุภาคหนึ่งอนุภาคนั้นสามารถแยกร่างออกแล้วเคลื่อนที่ผ่านช่องคู่สองช่องพร้อมๆกัน ทำให้เกิดการแทรกสอดกับตัวเองจนเกิดเป็นริ้วของการแทรกสอดเหมือนกับกรณีที่เราส่องแสงปกติผ่านช่องคู่? 


           เพื่อที่จะได้ความชัดเจนว่าแสงหนึ่งอนุภาคนั้นมีพฤติกรรมเช่นไรในขณะที่กำลังจะเคลื่อนที่ผ่านช่องคู่ไป นักฟิสิกส์จึงได้นำเครื่องตรวจจับอนุภาคแสงไปติดตั้งที่ช่องคู่เพื่อตรวจจับว่าแสงเคลื่อนที่ผ่านช่องคู่ช่องไหนกันแน่ และอาจทำให้ทราบถึงวิธีที่อนุภาคแสงแยกร่างออกมา แต่ทว่าธรรมชาติกลับเล่นตลกซ้ำอีกครั้ง เมื่อนักฟิสิกส์นำเครื่องตรวจจับไปติดตั้งแล้ว ปรากฏว่าเหมือนอนุภาคแสงตัวนั้นจะรู้ทัน มันจึง “เลือก” ที่จะเคลื่อนที่ผ่านช่องคู่ไปเพียงช่องใดช่องหนึ่งเพียงช่องเดียว ผลลัพธ์ที่ได้ก็คือ ริ้วของการแทรกสอดหายไป อนุภาคแสงเคลื่อนที่ไปตกกระทบกับฉากรับภาพด้านหลังตรงๆตามสามัญสำนึกเฉยเลย! เราเรียกการทดลองนี้ว่าการทดลองช่องคู่ (double-slit experiment)

 

รูปที่ 3 ภาพแสดงแสงหนึ่งอนุภาคเคลื่อนที่ผ่านช่องใดช่องหนึ่งเพียงช่องเดียวมาตกกระทบฉากรับแสงในแนวเส้นตรง (ภาพจากเอกสารอ้างอิง [4]) 

          เรื่องประหลาดของแสงยังไม่จบเพียงเท่านี้ แสงจะแทรกสอดกันหรือไม่ จะขึ้นอยู่กับว่าเราสนใจที่จะวัดหรือไม่ว่าแสงหนึ่งอนุภาคนั้นจะเคลื่อนที่ผ่านช่องไหนของช่องคู่ ดังนั้นหากเราติดตั้งเครื่องวัดไว้หลังช่องคู่ เอาให้ห่างออกมามากๆหน่อยจนแน่ใจว่าเจ้าอนุภาคแสงหนึ่งอนุภาคนั้นจะต้อง “ตัดสินใจให้เสร็จ” ก่อนที่จะมาถึงเครื่องตรวจจับ ว่าจะผ่านช่องเดียวหรือสองช่อง ดังนั้นการมีหรือไม่มีเครื่องตรวจจับจะต้องไม่ส่งผลต่อพฤติกรรมของอนุภาคของแสง กล่าวคือ ถ้ามีการแทรกสอดเกิดขึ้น เครื่องตรวจจับจะต้องตรวจจับได้ว่ามีการแทรกสอดเกิดขึ้น แต่ถ้าอนุภาคของแสงเลือก 1 ช่องที่จะผ่าน เครื่องตรวจจับก็จะต้องสามารถบอกได้โดยทันทีว่าอนุภาคแสงเลือกที่จะผ่านช่องไหนออกมา แต่สิ่งที่เกิดขึ้นจริงจากการทดลองก็คือ อนุภาคแสงยังคงสามารถ “เปลี่ยนใจ” ได้ กล่าวคือหากเรานำเครื่องมือตรวจจับไปติดตั้งเพื่อวัดว่าอนุภาคแสงจะผ่านช่องไหนออกมา แสงจะไม่เกิดการแทรกสอดกับตัวเอง แต่จะเลือกเพียง 1 ช่องผ่านออกมา แต่ถ้าเราไม่ติดตั้งเครื่องตรวจจับ แสงจะยังคงแทรกสอดกันได้เหมือนเดิม แม้ว่าแสงจะผ่านช่องคู่ออกมาแล้วก็ตาม ซึ่งตามปกติแล้ว การมีหรือไม่มีอยู่ของเครื่องตรวจจับไม่ควรส่งผลต่อพฤติกรรมของอนุภาคของแสงหลังจากผ่านช่องคู่ออกมาแล้ว สิ่งที่เกิดขึ้นจริงอาจจะสามารถมองได้เป็น 2 ความเป็นไปได้คือ


          1. อนุภาคแสงมีกลไกบางอย่างที่สามารถ “ย้อนเวลากลับไปเปลี่ยนใจ” เลือกว่าจะผ่านช่องคู่ช่องไหน หรือจะผ่านทั้งสองช่องพร้อมกัน หรือ 

          

          2. จริงๆแล้วอนุภาคของแสง “ยังตัดสินใจไม่ได้” แม้ว่าจะเลยจุดที่จะต้องตัดสินใจเลือกมาแล้วว่าจะผ่านช่องใดช่องหนึ่งหรือว่าจะผ่านทั้งสองช่องพร้อมกัน แม้ว่าอนุภาคแสงจะเคลื่อนที่ผ่านช่องมาแล้ว แต่ก็ยังไม่สามารถตัดสินใจได้ อาจเรียกได้ว่าอนุภาคของแสงสามารถเคลื่อนที่ผ่านช่องคู่มาได้แบบขอยังไม่ตัดสินใจ จนกว่าจะทราบว่าผู้ทดลองจะทำการติดตั้งเครื่องมือตรวจจับหรือไม่ ถ้ามี อนุภาคแสงจะเลือกช่องใดช่องหนึ่งเพื่อใช้ผ่านมา ริ้วการแทรกสอดก็จะไม่เกิดขึ้น แต่ถ้าไม่มีเครื่องตรวจจับ แสงก็จะเปลี่ยนใจผ่านสองช่องพร้อมกัน อนุภาคแสงกำลังเล่นอยู่กับผู้ทดลอง! เราเรียกปรากฏการณ์นี้ว่า สถานะซ้อนทับ (superposition state) เราจะไม่สามารถรู้ข้อมูลอะไรได้เลยจนกว่าจะทำการวัด! 

         

          หากผู้อ่านยังงงๆ เราอาจยกตัวอย่างให้เข้าใจอย่างง่ายๆได้อีกตัวอย่างหนึ่งคือกรณีของแมวของชโรดิงเจอร์ (Schrödinger’s Cat) แมวที่อยู่ในกล่องปิดทึบพร้อมกับใส่อาหารปกติกับอาหารที่เป็นพิษเอาไว้ แมวจะอยู่ในสถานะซ้อนทับระหว่างยังมีชีวิตอยู่หรือว่าเสียชีวิตไปแล้ว เราบอกได้เพียงความน่าจะเป็นเท่านั้น และเมื่อเราเปิดกล่องออกดู แมวจะมีความเป็นไปได้เพียงแบบเดียวเท่านั้น คือถ้ายังไม่เสียชีวิตก็คือเสียชีวิตไปแล้ว


          ปรากฏการณ์สถานะซ้อนทับที่เราไม่สามารถคำนวนหรือพยากรณ์ผลลัพธ์ล่วงหน้า(ก่อนการทดลอง) ได้ว่าอนุภาคมูลฐาน (เช่น แสงหรืออนุภาคอิเล็กตรอน) จะมีสถานะออกมาเป็นเช่นไร นับได้ว่าเป็นหนึ่งในปรากฏการณ์ที่มีเสน่ห์น่าศึกษามากที่สุดปรากฏการณ์หนึ่งในวิชาฟิสิกส์เลยทีเดียว

 

เรียบเรียงโดย
 

อภิสิทธิ์ ศรีประดิษฐ์

นักศึกษาระดับปริญญาเอก
ภาควิชาวิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส์และโทรคมนาคม
คณะวิศวกรรมศาสตร์มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี

อ้างอิง
[1] https://encrypted-tbn0.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcQmnjUOJogWnLO_uEFk-
     PL6W19CVYXbOsvnqQ&usqp=CAU (สืบค้นเมื่อวันที่ 24 ธันวาคม พ.ศ. 2563)

[2] https://i.stack.imgur.com/XScNH.jpg     (สืบค้นเมื่อวันที่ 24 ธันวาคม พ.ศ. 2563)

[3] https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2014/summary/

[4] http://abyss.uoregon.edu/~js/21st_century_science/lectures/lec13.html

[5] Feynman, Richard (1985). QED: The strange theory of light and matter. Princeton University Press. ISBN 0-691-08388-6.