ข่าวสาร

แสงกับรางวัลโนเบล ตอนที่ 30 | ค.ศ.2013 สำหรับวิธีการทดลองใหม่ที่สามารถตรวจวัดและจัดการกับระบบควอนตัมใดๆ

Facebook
Twitter
แสงกับรางวัลโนเบล
บทความ | ดร.ศรัณย์ สัมฤทธิ์เดชขจร
นักวิจัยอาวุโส ศูนย์เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์แห่งชาติ (เนคเทค-สวทช.)

สำหรับอนุภาคอย่างอะตอมโดยเฉพาะอิเล็กตรอนที่โคจรอยู่รอบๆ นิวเคลียสของอะตอม และ โฟทอน มีพฤติกรรมที่เป็นไปตามทฤษฎีควอนตัมฟิสิกส์ เช่น อิเล็กตรอนสามารถอยู่ได้ในสองที่ในเวลาเดียวกันจนกระทั่งเราเริ่มวัดมัน ซึ่งเป็นไปตามกฎความไม่แน่นอนของ Werner Heisenberg

ความไม่แน่นอนในลักษณะดังกล่าวก็จะคล้ายๆ กับประโยคทองของ Erwin Schrodinger ที่ว่าแมวในกล่องสามารถมีชีวิตอยู่และตายได้จนกว่าเราจะดูมันในกล่องถึงจะรู้ว่ามันเป็นอย่างไร ซึ่งในการศึกษาพฤติกรรมระดับควอนตัมของอะตอมและโฟทอนส่วนใหญ่จะต้องไปรบกวนมันก่อนและเมื่อรบกวนมันแล้วมันก็จะหายไป ทำให้ไม่สามารถศึกษาพฤติกรรมระดับควอนตัมของมันได้

อุปสรรคดังกล่าวได้หายไปทันทีเมื่อนักวิทยาศาสตร์สองคนคือ David Wineland และ Serge Haroche ได้เสนอวิธีการทดลองใหม่ที่ช่วยให้สามารถศึกษาพฤติกรรมของอะตอมและโฟทอนในระดับควอนตัมอย่างที่ไม่เคยมีใครทำได้มาก่อน และทำให้เขาทั้งสองได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปีนี้

ระดับควอนตัมของอะตอม
ไดอะแกรมแสดงการทดลองของ David Wineland ในการศึกษาพฤติกรรมระดับควอนตัมของอะตอมด้วยแสง (ภาพจาก nobelprize.org)

สำหรับ David Wineland เขาเริ่มต้นจากการทำงานวิจัยที่เกี่ยวข้องกับการทำให้นาฬิกามีความเที่ยงตรงที่สุด โดยสิ่งสำคัญที่สุดในกระบวนการวิจัย คือ ความแม่นยำในการวัดความถี่ของการสั่นของอะตอมจากแสงที่อะตอมปลดปล่อยออกมา

อะตอมที่เขาศึกษาอยู่นั้นคืออะตอมของ Beryllium ที่มีประจุและถูกกักไว้ในสนามไฟฟ้าภายใต้สภาวะสุญญากาศและอุณหภูมิต่ำ หลังจากนั้นเขาได้ใช้หลักการที่ทำให้อะตอมเย็นลงด้วยเลเซอร์ เพื่อให้อะตอมนั้นอยู่ในระดับชั้นพลังงานที่ต่ำที่สุด ซึ่งจะช่วยลดสัญญาณรบกวนในขณะทำการวัดความถี่ของแสงที่ปลดปล่อยออกมาได้ดีและแม่นยำขึ้น

จุดสำคัญของผลงานที่ทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลอยู่ตรงที่เขาได้ทำการปรับความถี่ของแสงเลเซอร์ ซึ่งจะทำให้สามารถเปลี่ยนระดับชั้นพลังงานของอะตอมให้อยู่ที่ชั้นใดชั้นหนึ่ง หรือ อยู่ระหว่างระดับชั้นพลังงานที่อยู่ใกล้กัน (Superposition of energy states) และทำให้สามารถศึกษาพฤติกรรมทางควอนตัมของอะตอมได้

เมื่อมองในมุมหนึ่งก็จะเห็นว่า David Wineland เลือกใช้แสงในการศึกษาพฤติกรรมระดับควอนตัมของอะตอม แต่ในส่วนของ Serge Haroche นั้นจะทำตรงกันข้ามกัน คือ เขาใช้อะตอมในการศึกษาพฤติกรรมระดับควอนตัมของโฟทอน

Serge Haroche
ไดอะแกรมแสดงการทดลองของ Serge Haroche ในการศึกษาพฤติกรรมระดับควอนตัมของโฟทอนด้วยอะตอม (ภาพจาก nobelprize.org)

สิ่งที่ Serge Haroche ดำเนินการ คือ เขาให้โฟทอนสะท้อนกลับไปกลับมาระหว่างกระจกสองชิ้นที่ห่างกันประมาณ 3 เซนติเมตร กระจกทั้งสองทำขึ้นด้วยวัสดุตัวนำยิ่งยวดและอยู่ภายใต้อุณหภูมิประมาณ 0.8 เคลวิน กระจกทั้งสองมีค่าการสะท้อนสูงมาก ซึ่งทำให้โฟทอนที่อยู่ภายในสะท้อนกลับไปกลับมาเทียบได้กับระยะทางถึง 40,000 กิโลเมตรในเวลา 130 มิลลิวินาที ก่อนที่จะถูกลดทอนไปและตรวจวัดได้ยาก

ถึงแม้ว่า ช่วงเวลาเพียง 130 มิลลิวินาที ดูสั้นมาก แต่ก็เพียงพอที่จะทำให้เขาสามารถใส่อะตอมของ Rubidium เข้าไปในช่องว่างของกระจกทั้งสองเพื่อที่จะควบคุมและตรวจวัดโฟทอนที่อยู่ภายในได้

สำหรับอะตอมของ Rubidium นั้นถูกเตรียมให้อยู่ในสถานะของอะตอมแบบ Rydberg มีขนาดประมาณ 1000 เท่าของอะตอม Rubidium ทั่วไปโดยมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 125 นาโนเมตร มีรูปร่างเป็นแบบขนมโดนัท และตอบสนองต่อสนามไฟฟ้าได้ดี

เนื่องจากอะตอม Rubidium และโฟทอนมีความถี่การสั่นไม่ตรงกัน ดังนั้นโฟทอนจะไม่ดูดซับพลังงานของอะตอมไป แต่สิ่งที่เกิดขึ้นคือ อะตอมของ Rubidium จะมีเฟสหรือจังหวะเวลาการสั่นเปลี่ยนไปได้ ซึ่งเฟสของอะตอมที่เปลี่ยนไปสามารถตรวจวัดได้ และ ทำให้รู้ว่ามีโฟทอนอยู่ในช่องว่างระหว่างกระจกทั้งสอง แต่ถ้าเฟสของอะตอมไม่เปลี่ยนแปลง แสดงว่าไม่มีโฟทอนอยู่

วิธีการของ Serge Haroche ทำให้สามารถวัดจำนวนโฟทอนที่อยู่ในช่องว่างระหว่างกระจกได้ และ การใส่อะตอมเข้าไปในช่องว่างระหว่างกระจกทั้งสองในช่วงเวลาที่ต้องการก็สามารถศึกษาพฤติกรรมของโฟทอนที่อยู่ภายในได้นั่นเอง

ประวัติย่อ : David Wineland
David Wineland
David Wineland เป็นนักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน

David Wineland เกิดที่เมือง Wauwatosa มลรัฐ Wiscousin สหรัฐฯ ในเดือนกุมภาพันธ์ ค.ศ. 1944 ในช่วงวัยเด็กมีความสนใจเกี่ยวกับสิ่งของที่มีกลไกรวมทั้งเครื่องยนต์ การฝึกบวกและคูณเลขเร็วก็ถูกฝึกมาตั้งแต่เด็กจากการที่มีบิดาเป็นวิศวกรโยธาและชอบเล่นเกมส์คิดเลขเร็วกับลูกๆ อยู่เสมอ นอกจากนี้ บิดาและมารดายังสอนให้ลูกทุกคนรู้จักประหยัด และ ตั้งใจเรียนหนังสือ ช่วงที่เขาเริ่มเรียนฟิสิกส์ในชั้นมัธยมศึกษาตอนปลายก็เริ่มชอบวิชานี้ทันที เนื่องจากเห็นความเชื่อมโยงระหว่างคณิตศาสตร์ง่ายๆ กับสิ่งที่อยู่รอบๆ ตัว ในปี ค.ศ. 1961 ได้เข้าเรียนที่ University of California Davis โดยเลือกเรียนเอกคณิตศาสตร์ พออยู่ชั้นปีที่ 3 ได้ย้ายไปเรียนต่อที่ University of California Berkeley เน้นฟิสิกส์ ในปี ค.ศ. 1965 เข้าเรียนระดับบัณฑิตศึกษาที่ Harvard University และเริ่มเข้าใจตัวเองว่าควรเน้นไปด้านการทดลองมากกว่าด้านทฤษฎี จากนั้นได้เริ่มทำวิจัยภายในห้องปฏิบัติการของ Norman Ramsey ซึ่งเน้นวิจัยที่เกี่ยวข้องกับการตรวจวัดความถี่ของสเปกตรัม ซึ่งหลังจากจบการศึกษาได้ทำวิจัยหลังปริญญาเอกทางด้านนี้และต่อมาก็เข้าทำงานที่ National Bureau of Standards (ปัจจุบันคือ National Institute of Standard and Technology – NIST) ในหน่วยวิจัยด้านเวลาและความถี่ ซึ่งที่นี่เองเขาได้มีส่วนร่วมในการทำวิจัยที่เกี่ยวข้องกับนาฬิกาอะตอมของซีเซียม และ การทำให้อะตอมเย็นลงด้วยแสงเลเซอร์ ภายหลังต่อมาได้ศึกษาและทดลองทางด้านการประมวลผลข้อมูลระดับควอนตัม (Quantum information processing)

David Wineland เป็นคนที่สี่ของ NIST ที่ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ นอกเหนือจากการทำวิจัยแล้ว David Wineland ยังทำกิจกรรมอื่นๆ เช่น เล่นวอลเล่ย์บอล เล่นซอฟท์บอล และ ขี่จักรยาน ข้อแนะนำที่เขามีให้แก่เด็กรุ่นใหม่ในทุกๆ ครั้งที่มีโอกาสไปเล่าให้เด็กๆ เหล่านี้ฟัง คือ หาสิ่งที่น่าสนใจและทุ่มเททำเต็มความสามารถ

ประวัติย่อ : Serge Haroche
Serge Haroche
Serge Haroche นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส

Serge Haroche เกิดเมื่อวันที่ 11 กุมภาพันธ์ ค.ศ. 1944 ที่เมือง Casablanca ประเทศโมร๊อกโค จากการที่มีบิดาและมารดาเรียนมาในสายสังคม คือ บิดาเป็นทนายและมารดาเป็นครูสอนวรรณกรรมฝรั่งเศสและเยอรมัน ทำให้ได้รับการส่งเสริมให้รักการอ่าน ทัศนศึกษาในพิพิธภัณฑ์ และ ถกประเด็นเรื่องที่เกี่ยวกับประวัติศาสตร์โบราณและการเมือง ในปี ค.ศ. 1956 ครอบครัวได้ย้ายมาที่ปารีส ฝรั่งเศส ซึ่งเขาได้เรียนที่ Lycée Carnot และเป็นนักเรียนในระดับหัวแถวของชั้น เขาสนใจทั้งวรรณกรรม ประวัติศาสตร์ คณิตศาสตร์ และ วิทยาศาสตร์กายภาพ โดยเฉพาะดาราศาสตร์และแคลคูลัส ซึ่งทำให้เขาเข้าใจตัวเองว่าต้องการเป็นนักวิทยาศาสตร์ และทำให้มุ่งมั่นมากขึ้นจนสามารถเข้าเรียนที่ Ecole Normale Supérieure ได้ในปี ค.ศ. 1963 ในมหาวิทยาลัยแห่งนี้เขาได้เรียนวิชาฟิสิกส์สมัยใหม่และเริ่มรับรู้เกี่ยวกับเรื่องของควอนตัมจากอาจารย์ที่ชื่อ Alfred Kastler (รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี ค.ศ. 1966) Jean Brossel และ Claude Cohen-Tannoudji (รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี ค.ศ. 1997)

ความประทับใจที่เกิดขึ้นโดยเฉพาะกับวิชาควอนตัมทำให้เขาตั้งใจที่จะเป็นนักฟิสิกส์ด้านควอนตัมเลย ในปี ค.ศ. 1967 ได้ทำวิทยานิพนธ์ระดับปริญญาโทและเอกกับ Claude Cohen-Tannoudji และหลังจากจบการศึกษาแล้ว ได้เข้าทำวิจัยหลังปริญญาเอกต่อที่ Stanford University โดยเข้าร่วมทีมกับ Arthur Schawlow (รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี ค.ศ. 1981) ทั้งยังได้มีโอกาสร่วมงานกับอาจารย์หนุ่มอย่าง Theodor Hänsch (รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี ค.ศ. 2005) เมื่อกลับมาปารีสในปี ค.ศ. 1973 เขาได้เข้าทำงานที่ Ecole Normale Supérieure และตั้งห้องวิจัยของตัวเองขึ้นจากการสนับสนุนของ Jean Brossel (หัวหน้าภาควิชาฟิสิกส์ขณะนั้น) ที่เห็นด้วยกับข้อเสนอโครงการวิจัยของเขาที่ส่งกลับมาให้พิจารณาก่อนกลับมา

ต่อมาในปี ค.ศ. 1975 ได้ดำรงตำแหน่งศาสตราจารย์ที่ Paris VI University และในปี ค.ศ. 1999 ทาง Claude Cohen-Tannoudji และ Pierre-Gilles de Gennes (รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี ค.ศ. 1991) ได้ชวนให้ไปทำงานที่ Collége de France ซึ่งมีชื่อเสียงมากและเป็นมหาวิทยาลัยที่ไม่มีการสอบ และ ไม่มีการลงทะเบียนเรียน เพียงแต่อาจารย์ในมหาวิทยาลัยแห่งนี้จะต้องบรรยายให้กับสาธารณชนในเรื่องใหม่ๆ ทุกปี และคณาจารย์ในมหาวิทยาลัยแห่งนี้จะประชุมหารือกัน 3 ครั้งต่อปีเพื่อคัดสรรคนใหม่ๆ เข้ามาและหารือเรื่องที่จะบรรยาย ในปี ค.ศ. 2000 ทางมหาวิทยาลัยแห่งนี้ก็ได้คัดเลือกเขาเข้าไปร่วมงาน

แหล่งข้อมูล
  • G. Brumfiel, “Physics Nobel for quantum optics,” Nature, Vol. 190, p. 152, October 2012.
  • https://nobelprize.org , accessed Feb 2019.
  • https://en.wikipedia.org , accessed Feb 2019.
  • ศรัณย์ สัมฤทธิ์เดชขจร, โฟโทนิกส์ มหัศจรรย์แห่งแสง, นานมีบุ๊คพับลิเคชัน, กรุงเทพฯ, กุมภาพันธ์ 2549.

บทความที่เกี่ยวข้อง