ทวิภาคของคลื่น-อนุภาค
หนึ่งในเรื่องแปลกประหลาดที่สุดในโลกควอนตัม
เรื่องที่ผมจะเล่าให้ฟังต่อไปนี้เป็นเรื่องแปลกประหลาดที่ขัดกับสามัญสำนึกของมนุษย์มาก หากท่านอ่านแล้วรู้สึกว่าไม่น่าเชื่อก็ไม่น่าแปลกใจแต่อย่างใด
นับตั้งแต่ ช่วงต้นศตวรรษที่ 19 (ราวๆ 200 ปีก่อน) เป็นต้นมา นักฟิสิกส์เริ่มเชื่อว่าแสงเป็นคลื่น เพราะมีการทดลองแสดงให้เห็นว่าแสงเลี้ยวเบนได้ และแทรกสอดได้อย่างคลื่น จนกระทั่งอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ อธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกส์ด้วยการมองว่าแสงมีคุณสมบัติเหมือนอนุภาค ส่วนทฤษฎีคลื่นแสงที่มีไม่สามารถอธิบายปรากฏการณ์นี้ได้อย่างเรียบง่าย
ช่วงเวลานั้นนักฟิสิกส์พากันงุนงงสงสัยว่าสรุปแล้วแสงเป็นคลื่นหรืออนุภาคกันแน่ แต่ความสงสัยยังไม่ทันจะจางหาย ในปี ค.ศ. 1924 นักศึกษาระดับปริญญาเอกชาวฝรั่งเศส หลุยส์ เดอ บรอย (Louis de Broglie) เสนอสมมติฐานว่า อนุภาคที่ประกอบขึ้นเป็นสสารต่างๆรอบตัวเรา อาจมีคุณสมบัติของคลื่น โดยเขาได้แสดงสูตรการหาความยาวคลื่นของสสารไว้อย่างชัดเจน
เดอ บรอย เชื่อว่าอนุภาคอาจถูกมองเป็นคลื่นที่มีลักษณะเป็นก้อน เคลื่อนที่ไปด้วยความเร็วเท่ากับอนุภาคนั้นๆ
แนวคิดในวิทยานิพนธ์นี้นับว่ากล้าหาญ และแหวกแนวมาก ตอนนั้นไม่มีใครนึกออกว่าอนุภาคที่มีตำแหน่งและมวลที่ชัดเจนจะแสดงการแทรกสอดหรือเลี้ยวเบนอย่างคลื่นได้อย่างไร (รวมทั้งความกล้าหาญในการเผชิญความเสี่ยงที่วิทยานิพนธ์ไม่ผ่านคณะกรรมการ)
แต่ถ้ามองในแง่หนึ่ง แนวคิดนี้เป็นการสร้างความสมมาตรที่สวยงามให้กับโลกฟิสิกส์ เพราะในเมื่อคลื่นแสง สามารถแสดงคุณสมบัติของอนุภาคได้ อนุภาคก็น่าจะแสดงคุณสมบัติของคลื่นได้เช่นกัน
สุดท้ายคณะกรรมการก็ให้หลุยส์ เดอ บรอย จบปริญญาเอกด้วยวิทยานิพนธ์นั้น
เดอ บรอย และสูตรความยาวคลื่นสสารของเขา
หลังจากนั้นไม่กี่ปี สองนักฟิสิกส์อเมริกัน Clinton Davisson และ Lester Germer ยิงอิเล็กตรอนกระหน่ำใส่ผลึกโลหะนิกเกิล แล้วทำการสังเกตอิเล็กตรอนที่กระเจิงกลับออกมาที่มุมต่างๆ ก็พบว่าอิเล็กตรอนมีค่ามากที่บางมุมและลดลงจนมากที่บางมุม รูปแบบดังกล่าวสามารถอธิบายได้ด้วยการมองว่าอิเล็กตรอนเป็นคลื่น
ในช่วงเวลาไล่เลี่ยกันนั้นเอง ที่ประเทศอังกฤษ จี พี ทอมสัน (George Paget Thomson) นักฟิสิกส์ลูกของ เจเจ ทอมสัน ผู้ค้นพบอนุภาคอิเล็กตรอน ทำการทดลองยิงอิเล็กตรอนใส่แผ่นโลหะบาง อิเล็กตรอนแต่ละอนุภาคที่กระเจิงผ่านโลหะนั้นมาตกกระทบบนฉากเรียงรายเป็นเป็นวงสว่างสลับมืดซ้อนกัน ในลักษณะเดียวกับการเลี้ยวเบนของคลื่น
การทดลองของ Davission และ Germer
การทดลองทั้งสองถูกวิเคราะห์ได้ด้วยสูตรความยาวคลื่นของ เดอ บรอย กลายเป็นหลักฐานที่ชัดเจนว่าอิเล็กตรอนสามารถแสดงคุณสมบัติของคลื่นได้จริงๆ
ในเวลาต่อมามีการทดลองพบคุณสมบัติของคลื่นในอนุภาคนิวตรอน จนถึง อนุภาคที่ใหญ่ในระดับโมเลกุล (ส่วนสสารที่มีขนาดใหญ่ในระดับเม็ดฝุ่นขึ้นไปนั้น ไม่สามารถแสดงคุณสมบัติเชิงคลื่นให้เราสังเกตเห็นได้เพราะความยาวคลื่นของมันจะสั้นมากๆจนไม่ส่งผลให้เกิดปรากฏการณ์ใดๆได้)
หลุยส์ เดอ บรอย ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์จากแนวคิดดังกล่าว ส่วนนักทดลองทั้งหมดที่กล่าวมานี้ก็ได้รับรางวัลโนเบลกันโดยถ้วนหน้า
การเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนในการทดลองของ จี พี ทอมสัน
อย่างไรก็ตาม แม้ผลการทดลองจะยืนยันว่าอนุภาคอย่างอิเล็กตรอน แสดงคุณสมบัติของคลื่นได้ แต่มันก็ยังเป็นเรื่องแปลกประหลาดที่ไม่มีข้อสรุปอยู่ดีว่าแสงเป็นคลื่นหรืออนุภาคกันแน่? แล้วอิเล็กตรอนเป็นคลื่นหรืออนุภาคกันแน่?
ในปี ค.ศ. 1928 นีลส์ บอร์ สุดยอดนักฟิสิกส์มาพร้อมกับมุมมองหนึ่งที่ช่วย set up สามัญสำนึกใหม่ในการมองโลกควอนตัม ด้วยหลักการแห่งการเติมเต็ม (Complementarity principle) กล่าวคือ ธรรมชาติของระบบทางควอนตัมนั้นอาจเปรียบได้กับเหรียญที่มีสองหน้า หน้าหนึ่งแสดงคุณสมบัติของอนุภาคส่วนอีกหน้าแสดงคุณสมบัติของคลื่น แต่จะไม่แสดงออกพร้อมๆกัน และธรรมชาติของทั้งสองอย่างนี้เติมเต็มความเป็นจริงได้อย่างสมบูรณ์
สรุปคือ อิเล็กตรอนและแสงเป็นบางสิ่งบางอย่างที่มีคุณสมบัติของคลื่นและอนุภาคนั่นเอง
กล้องจุลทรรศน์อิเล
ธรรมชาติความเป็นคลื่นของอิเล็กตรอน กลายเป็นหลักการสำคัญที่ใช้ในเทคโนโลยีกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนที่นักชีววิทยาใช้
กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงนั้นมีขีดจำกัดอยู่เพราะแสงจะไม่สะท้อนสิ่งที่มีขนาดพอๆกันหรือเล็กกว่าความยาวของคลื่นแสง ดังนั้นการใช้มองให้เห็นวัตถุที่มีขนาดเล็กกว่านั้น ย่อมต้องการสิ่งที่มีความยาวคลื่นน้อยกว่า ซึ่งเมื่อปรับความเร็วของอิเล็กตรอนอย่างเหมาะสมจะใช้มันในการส่องวัตถุขนาดเล็กแทนคลื่นแสงด้วยกำลังแยกภาพสูงมากๆได้
ทฤษฎีของเดอ บรอย นั้นส่งผลที่ลึกซึ้งต่อโลกฟิสิกส์มาก
มันทำให้นักฟิสิกส์พยายามอธิบายอนุภาคในมุมมองของคลื่น หนึ่งในนั้นคือ สมการคลื่นของชโรดิงจอร์
ไว้จะเล่าให้ฟังในอนาคตครับ
- 48
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
