แสงเลเซอร์ใช้จับอะตอม และทำให้อะตอมเย็นลงได้
ความนิยมของผู้ชม: / 2
แย่มากดีมาก 

 

ศรัณย์ สัมฤทธิ์เดชขจร
From bkkbiznews


 

เมื่ออาทิตย์ที่แล้วอุทยานวิทยาศาสตร์มีสัมมนาวิชาการโดย Prof. Claude Cohen-Tannoudji นักฟิสิกส์รางวัลโนเบลประจำปี พ.ศ. 2540 ในเรื่อง Manipulating Atoms with Light ซึ่งผมก็ได้มีโอกาสได้เกริ่นนำในช่วงก่อนสัมมนา เลยอยากถือโอกาสนี้มาเล่าให้ฟังว่า แสงเลเซอร์ที่สามารถนำมาเผากระดาษให้ไหม้ ตัดเหล็ก และเชื่อมเหล็กได้นั้น ยังสามารถนำมาใช้จับอะตอม และทำให้อะตอมเย็นลงได้ 

โดยปกติเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นอะตอมภายในวัตถุจะเคลื่อนที่เร็วขึ้น ถ้าวัตถุนั้นเป็นของแข็ง อะตอมภายในของแข็งก็จะมีการสั่นไปมาเร็วขึ้น แต่ถ้าเป็นก๊าซ อะตอมก็จะเคลื่อนที่ได้เร็วมากขึ้น ยกตัวอย่างเช่น ณ อุณหภูมิห้องอะตอมของอากาศสามารถเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเฉลี่ยถึง 500 เมตร/วินาที หรือ 1800 กิโลเมตร/ชั่วโมง ทีเดียว ดังนั้นการที่จะทำให้อะตอมของก๊าซเย็นลงได้นั้นจะต้องสามารถชะลอการเคลื่อนไหวของอะตอมให้ได้

การที่อะตอมเคลื่อนไหวได้ช้ามากๆ จนเกือบจะหยุดนิ่งนั้นจะต้องทำให้อะตอมเย็นลงอยู่ที่ระดับเกือบศูนย์องศาสัมบูรณ์ หรือที่ประมาณเกือบ -273 องศาเซลเซียส ซึ่งระดับอุณหภูมินี้ทำได้ไม่ง่ายเลยนะครับ เพราะว่า ถ้าเราเปรียบเทียบกับระดับอุณหภูมิของสิ่งต่างๆ ที่เรารู้จะพบว่า น้ำแข็งตัวที่ 0 องศาเซลเซียส อุณหภูมิของไนโตรเจนเหลวอยู่ที่ -196 องศาเซลเซียส และอุณหภูมิของจักรวาลอยู่ที่ -270 องศาเซลเซียส ซึ่งก็ยังไม่พอที่จะทำให้อะตอมเย็นลง และหยุดการเคลื่อนไหวลงได้

แนวคิดของการนำแสงเลเซอร์มาช่วยให้อะตอมเย็นลงนั้น ได้มีการนำเสนอขึ้นในปี พ.ศ. 2518 โดย Theodor W. H?nsh, Arthur L. Shawlow (นักฟิสิกส์รางวัลโนเบล ปี พ.ศ. 2524) David Wineland และ Hans G. Dehmelt (นักฟิสิกส์รางวัลโนเบลปี พ.ศ. 2532) แต่ก็ต้องรอจนกระทั่งปี พ.ศ. 2528 จึงประสบผลสำเร็จ ซึ่งทำให้นักฟิสิกส์สามคน คือ Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudij และ William D. Phillips ได้รับรางวัลโนเบลในปี พ.ศ. 2540

หลักการของการทำให้อะตอมเย็นลงได้นั้นจะต้องอาศัยสองกระบวนการหลักๆ คือ จะต้องลดพลังงานจลน์ หรือความเร็วของอะตอมลงก่อน จากนั้น จะต้องจับอะตอม หรือกักบริเวณอะตอมให้ได้ด้วย 

เรารู้อยู่แล้วว่าแสงมีพฤติกรรมที่เป็นได้ทั้งคลื่น และอนุภาค ดังนั้นเมื่ออนุภาคของแสงชนกับอะตอม ก็จะเกิดการแลกเปลี่ยนโมเมนตัมกัน เหมือนกับเวลาที่รถชนกัน หรือลูกสนุกเกอร์ชนกันนั่นล่ะครับ ผลที่ได้ก็คือ เราสามารถชะลอความเร็วของอะตอมลงได้ แต่ไม่มากนัก ที่เป็นเช่นนี้ก็เพราะว่าขนาดของอะตอมนั้นใหญ่กว่าขนาดของอนุภาคของแสง หรือ โฟทอนมาก เราจึงต้องใช้อนุภาคของแสงจำนวนมาก หรือในอีกความหมายหนึ่งก็คือ เราต้องใช้พลังงานของแสงพอสมควรที่จะทำให้อะตอมลดความเร็วในการเคลื่อนที่ลงมากๆ

นอกจากนี้ (จากบทความ "จากอิเล็กตรอนสู่แสง" เมื่อสี่สัปดาห์ก่อน) เราก็รู้ว่าอิเล็กตรอนในอะตอมสามารถดูดซับพลังงานแสงเข้าไปได้ด้วย และเมื่ออิเล็กตรอนลดระดับพลังงานลงมาก็จะปล่อยแสงออกมาโดยผ่านกระบวนการ Spontaneous หรือ Stimulated emission ซึ่งแสงที่ได้จากกระบวนการแรกจะมีทิศทางที่ไม่แน่นอน และทำให้โมเมนตัมของอะตอมเปลี่ยนไปในทางที่ลดลงได้ ส่วนแสงที่ได้จากกระบวนการหลังนั้นจะมีทิศทางที่แน่นอน ทำให้โมเมนตัมเปลี่ยนแปลงน้อยมาก

แต่เนื่องจากสสารที่อยู่ในสถานะก๊าซในบริเวณหนึ่งๆ นั้นมีอะตอมอยู่จำนวนมาก ซึ่งเคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่ไม่เท่ากัน และคนละทิศละทางกัน ส่งผลให้ความถี่แสงที่อะตอมแต่ละตัวเห็นก็แตกต่างกันออกไปด้วย ปรากฏการณ์นี้ก็คือ ปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ (Doppler effect) ที่เราเจอะเจอกันบ่อยๆ ในชีวิตประจำวัน เช่น เสียงแตรรถแหลมขึ้นเมื่อรถคันนั้นวิ่งเข้าหาเรา ผลของปรากฏการณ์นี้ก็คือ ทำให้อะตอมบางตัวลดความเร็วลง แต่ก็มีอะตอมอีกหลายตัวที่ยังเคลื่อนที่เร็วอยู่ เพราะไม่ได้มีการแลกเปลี่ยนโมเมนตัมกับโฟทอนได้ดีเท่าไหร่

วิธีการแก้ไขทำได้โดยใช้สนามแม่เหล็กเข้ามาช่วย เพื่อให้อะตอมในบริเวณที่ต้องการมีระดับพลังงานที่เหมาะสมที่จะสามารถแลกเปลี่ยนโมเมนตัมกับโฟทอนได้ ซึ่งในครั้งแรกๆ ทีมของ Dr. William D. Phillips ก็ทำให้อะตอมเย็นลงมาถึงที่ระดับ -272.9 องศาเซลเซียส หรือ 100 มิลลิเคลวิน นอกจากนี้ยังสามารถปรับความถี่แสงให้เหมาะสมกับอะตอมที่เคลื่อนที่ได้เร็วกว่าอะตอมอื่น ซึ่งจะช่วยให้อะตอมเย็นลงกว่าเดิมได้

เพื่อให้มีความเสถียรมากขึ้นทางทีมของ Prof. Steven Chu ก็ได้ยิงแสงจาก 6 ทิศทาง ตามแนวแกนในสามมิติ ก่อให้เกิดกลุ่มของอะตอมที่เย็นลง ซึ่งเรียกว่า Optical Molasses และ ทำให้อะตอมเย็นลงมาอยู่ที่ระดับ -272.99 องศาเซลเซียส หรือ 1 มิลลิเคลวิน การควบคุมเลเซอร์ และ สนามแม่เหล็ก อย่างรวดเร็วในการทำให้อะตอมเย็นลงก็จะเพิ่มประสิทธิภาพของผลลัพธ์ได้ดีขึ้น ซึ่งทีมของ Prof. Cohen ก็ได้ทำสำเร็จ

ในการวัดอุณหภูมิของอะตอมของก๊าซที่ต่ำขนาดนี้สามารถทำได้โดยดูที่การขยายตัวของกลุ่มอะตอมที่จับตัวกันอยู่ ถ้ากลุ่มอะตอมใหญ่ก็หมายถึงว่าอะตอมมีพลังงานมาก และมีอุณหภูมิสูง อีกวิธีการหนึ่งก็คือ การทำให้อะตอมเริ่มร้อนขึ้น แล้วสังเกตอัตราการขยายตัวของกลุ่มอะตอม ซึ่งสามารถนำมาคำนวณหาความเร็ว (พลังงานจลน์) และ อุณหภูมิของอะตอมได้

เมื่ออะตอมเย็นลงแล้วนักวิทยาศาสตร์ก็สามารถเข้าใจพฤติกรรมของอะตอมได้ลึกซึ้งขึ้น เช่น ทำให้สามารถสังเกตการเปลี่ยนระดับพลังงานของอะตอมได้ง่ายขึ้น เข้าใจการชนกันของอะตอม และการเกิดพันธะทางเคมีได้ดีขึ้น สามารถควบคุมอะตอมได้ง่ายขึ้น เมื่อนำอะตอมมาแทรกสอดกัน ก็สามารถวัดค่าการเปลี่ยนแปลงของแรงโน้มถ่วงได้ละเอียด และถูกต้องมากขึ้น สามารถนำมาใช้ปรับปรุงความถูกต้องของนาฬิกาอะตอม และสามารถศึกษาสถานะหนึ่งของสสารที่เรียกว่า Bose-Einstein Condensation หรือเรียกย่อๆ ว่า BEC

สำหรับทฤษฎีทาง BEC นั้นถูกคิดค้นโดย Albert Einstein และ Satyendra Nath Bose ในปี พ.ศ. 2467 ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ทั้งสองพบว่าที่อุณหภูมิต่ำๆ (น้อยกว่า -272.999999 องศาเซลเซียส) จะทำให้อะตอมรวมกลุ่มกัน และเรียงซ้อนทับกันอยู่ที่ระดับพลังงานที่ต่ำที่สุด ส่งผลให้อะตอมทั้งหมดเหมือนกับเป็นอะตอมเพียงอะตอมเดียว และยากที่แยกได้ว่าอะตอมใดอยู่ตำแหน่งไหน

ซึ่งหลังจากนักวิทยาศาสตร์สามารถทำให้อะตอมเย็นลงได้แล้ว ก็ได้มีการต่อยอดจนสามารถทำให้อะตอมอยู่ในสถานะที่เป็น BEC ได้ในปี พ.ศ. 2538 หรือ 71 ปี หลังจากที่ได้มีการคิคค้นทฤษฎีทาง BEC โดย Eric A. Cornell, Wolfgang Ketterle และ Carl E. Wieman และอีก 6 ปีต่อมา (พ.ศ.2544) ทั้งสามคนก็ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์

ปัจจุบันนี้สถิติอุณหภูมิต่ำสุดของ BEC ที่ทำได้อยู่ที่ 450 พิโคเคลวิน หรือ 450 หารด้วยหนึ่งล้านล้าน เคลวิน โดยทีมของ Wolfgang Ketterle ที่ MIT ครับ


Views: 2151

Be first to comment this article

Only registered users can write comments.
Please login or register.

Powered by AkoComment Tweaked Special Edition v.1.4.6
AkoComment © Copyright 2004 by Arthur Konze - www.mamboportal.com
All right reserved

 
< ก่อนหน้า   ถัดไป >

Statistics

สถิติผู้เยี่ยมชม: 49561512

Who's Online

ขณะนี้มี 13 บุคคลทั่วไป ออนไลน์