รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2018 ฉบับอ่านง่าย

รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปีนี้เพิ่งประกาศกันไปสด ๆ ร้อน ๆ เมื่อวันที่ 2 ตุลาคมที่ผ่านมา ซึ่งรางวัลในปีนี้มอบให้กับผลงานที่เกี่ยวข้องกับการพัฒนาเลเซอร์ฟิสิกส์ (Laser Physics) นักวิทยาศาสตร์ที่ได้รับรางวัลมีทั้งหมด 3 ท่าน โดยครึ่งหนึ่งของรางวัลตกเป็นของ Arthur Ashkin จากผลงานการคิดค้น Optical Tweezers ส่วนอีกครึ่งหนึ่งตกเป็นของ Gérard Mourou และ Donna Strickland จากผลงาน High-Intensity, Ultra-Short Optic Pulses (รางวัลโนเบลสามารถแบ่งกันได้ตามสัดส่วนของผลงาน โดยมีจำนวนผู้รับไม่เกิน 3 ท่าน)
โดยผลงานของ Gérard Mourou และ Donna Strickland จะเกี่ยวข้องกับวิธีการสร้างแสงเลเซอร์ความเข้มสูงออกมาเป็นช่วงสั้น ๆ (High-Intensity, Ultra-Short Optic Pulses) ด้วยแนวคิดที่เรียกว่า Chirped-Pulse Amplification หรือเรียกย่อ ๆ ว่า CPA ซึ่งเป็นเทคนิคพิเศษในการเพิ่มความเข้มให้กับแสงเลเซอร์ โดยวิธีดังกล่าวสามารถทำได้โดยการปล่อยแสงเลเซอร์ออกมาเป็นช่วงสั้น ๆ แล้วทำการแยกสเปกตรัมของแสงเลเซอร์ด้วยอุปกรณ์ทางแสงก่อนที่แสงเลเซอร์จะเดินทางไปถึงเครื่องขยายสัญญาณ จากนั้นจึงทำการบีบรวมแสงเลเซอร์เข้าด้วยกันอีกครั้งจนได้แสงเลเซอร์ที่มีความเข้มสูงขึ้นหลายเท่า เทคนิคนี้ถูกทำไปใช้อย่างแพร่หลายทั้งในการศึกษาระดับอะตอม อุตสาหกรรม และการแพทย์ ส่วนผลงานของคุณปู่ Arthur Ashkin ซึ่งถือว่าเป็นหลักใหญ่ของรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปีนี้คือการคิดค้น Optical Tweezers หรือที่นักฟิสิกส์ชาวไทยหลายท่านตั้งชื่อเก๋ ๆ ให้ว่า คีมคีบเชิงแสง แหนบคีบเชิงแสง ตะเกียบเชิงแสง หรือลำแสงดักจับวัตถุ ก็สุดแล้วแต่จะเรียกกัน แต่ผู้เขียนจะขอเรียกทับศัพท์ว่า Optical Tweezers เพื่อป้องกันความสับสน แนวคิดในการสร้าง Optical Tweezers ที่คุณปู่ Arthur Ashkin เสนอไว้อาศัยหลักการความดันจากการแผ่รังสี (Radiation Pressure) เนื่องจากแสงจะมีความดันค่าน้อย ๆ ซึ่งไม่สามารถสังเกตเห็นได้เมื่อแสงกระทบวัตถุขนาดใหญ่และมีมวลมาก แต่ความดันแสงค่าน้อย ๆ นี้สามารถใช้ผลักวัตถุขนาดเล็กและเบาให้เคลื่อนที่ได้ โดยวิธีการสร้าง Optical Tweezers มีหลักการว่าต้องใช้แสงเลเซอร์ยิงผ่านเลนส์รวมแสงเพื่อบีบแสงให้มีขนาดเล็กลง โดยความเข้มแสงจะสูงที่สุดตรงกึ่งกลางลำแสงและจะค่อย ๆ น้อยลงเมื่อห่างจากจุดกึ่งกลาง พฤติกรรมของแสงเลเซอร์ที่ถูกบีบในลักษณะนี้ส่งผลให้มันสามารถดักจับและเคลื่อนย้ายวัตถุขนาดเล็ก ๆ ที่โปร่งแสงและมีค่าดัชนีการหักเหสูงได้ การดักจับวัตถุด้วย Optical Tweezers สามารถแบ่งการพิจารณาโดยใช้ขนาดของวัตถุและความยาวคลื่นของแสงได้ 2 รูปแบบ คือ


1. ขนาดของวัตถุมีค่ามากกว่าความยาวคลื่นของแสงมาก (Ray Optics Regime)
กรณีนี้สามารถอธิบายอย่างง่ายได้ว่า เมื่อลำแสงเข้ากระทบกับพื้นผิวของวัตถุ ลำแสงจะเกิดการหักเหที่ผิวของวัตถุตามกฎของสเนลล์ (Snell's Law) แล้วทะลุเข้ามาใกล้จุดศูนย์กลางของวัตถุ จากนั้นจึงเกิดการหักเหออกไปสู่ภายนอก เนื่องจากอนุภาคของแสงหรือโฟตอนมีโมเมนตัม ผลที่เกิดขึ้นคือมีการถ่ายเทโมเมนตัมระหว่างแสงกับวัตถุ จึงทำให้โมเมนตัมของวัตถุเปลี่ยนแปลงไป เป็นผลให้วัตถุเคลื่อนตัวเข้าสู่จุดกึ่งกลางของลำแสงและถูกดักจับเอาไว้ในที่สุด 2. ขนาดของวัตถุมีค่าน้อยกว่าความยาวคลื่นของแสงมาก (Rayleigh Regime)
กรณีนี้เมื่อเราทำการยิงแสงเลเซอร์ออกไปชนกับวัตถุจะทำให้เกิดแรงสองแรงกระทำต่อวัตถุ แรงแบบแรกเรียกว่า Gradient Force เป็นแรงที่เกิดจากผลต่างของความเข้มแสง แรงนี้จะพยายามลากวัตถุให้ไปอยู่บริเวณกึ่งกลางลำแสงซึ่งเป็นจุดที่มีความเข้มแสงสูงที่สุด ส่วนแรงแบบที่สองเรียกว่า Scattering Force แรงชนิดนี้มีทิศทางเดียวกันกับแสงที่เข้ามากระทบวัตถุ แต่จะต้องมีค่าน้อยกว่าแรงแบบแรกเพื่อให้ผลลัพธ์ที่เกิดขึ้นจากแรงทั้งสองส่งผลให้วัตถุถูกดักจับ (Trapping) อยู่ภายในจุดโฟกัสของลำแสง สรุปอย่างง่ายก็คือเมื่อเราทำการฉายแสงเลเซอร์ผ่านเลนส์รวมแสงเข้าไปยังวัตถุขนาดเล็กที่โปร่งแสง ผลที่เกิดขึ้นคือจะมีแรงที่พยายามจับวัตถุเอาไว้ให้เคลื่อนที่ตามแสง ถ้าหากขนาดของวัตถุกับความยาวคลื่นของแสงมีค่าใกล้เคียงกัน ผลลัพธ์ที่เกิดขึ้นก็ยิ่งมีแนวโน้มในทางที่ดีนั่นเอง ปัจจุบัน เทคนิค Optical Tweezers ถูกนำไปประยุกต์ใช้อย่างมหาศาล เช่น การวิจัยในระดับอะตอม ชีวโมเลกุล เทคโนโลยีทางการแพทย์ เทคโนโลยีการผลิตยา นาโนอิเล็กทรอนิกส์ และอื่น ๆ อีกมากมาย แต่สิ่งที่น่าสนใจในงานมอบรางวัลประจำปีนี้คือ คุณปู่ Arthur ได้กลายเป็นผู้ที่อาวุโสที่สุดขณะได้รับรางวัลโนเบล เพราะปัจจุบันคุณปู่ท่านมีอายุถึง 96 ปีแล้ว ส่วนคุณ Donna ก็กลายเป็นสตรีคนที่ 3 ของโลกที่ได้รับรางวัลโนเบลสาขานี้ ทั้งยังเป็นสตรีคนแรกในรอบ 55 ปีที่ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์อีกด้วย


 

เรียบเรียงโดย

สมาธิ ธรรมศร
ภาควิชาวิทยาศาสตร์พื้นพิภพ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์

• [1] https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2018/summary/
• [2] https://cuos.engin.umich.edu/researchgroups/hfs/facilities/chirped-pulse-amplification/
• [3] http://home.uni-leipzig.de/pwm/web/?section=introduction&page=opticaltraps