เรื่องและภาพโดย ไอซี วริศา ใจดี
ฉันเริ่มสนใจการทดลองฟิสิกส์มากขึ้น ในเทอม 2 ปี 1 จึงได้ไปสมัครงานเป็นผู้ช่วยห้องเรียนวิชาการทดลองฟิสิกส์ภาคปฏิบัติ (experimental techniques) ร่วมกับเพื่อนอีก 3 คน รับหน้าที่ช่วยจัดทำเอกสารเตรียมการสอนให้อาจารย์รอบบี เบิร์ก (Professor Robbie Berg) ประสบการณ์นี้เปลี่ยนความคิดที่ฉันเคยมีต่อวิชาฟิสิกส์โดยสิ้นเชิง
ในห้องแล็บที่เต็มไปด้วยโต๊ะโลหะขนาดใหญ่หลายตัว แต่ละตัวมีพื้นผิวเรียบด้านบนที่มีรูเล็ก ๆ จัดเรียงในรูปแบบตาราง สิ่งนี้เรียกว่า แท่นทดลองแสง (optical table) พื้นผิวของแท่นนี้ออกแบบมาเพื่อรองรับการติดตั้งอุปกรณ์ทดลองด้วยสกรู รูต่าง ๆ จะเว้นระยะห่างกันอย่างสม่ำเสมอ โดยทั่วไปอยู่ที่ 1 นิ้ว เพื่อให้จัดวางและปรับตำแหน่งอุปกรณ์ได้ บนโต๊ะประกอบไปด้วยชิ้นส่วนพวกเลนส์ ขาตั้ง และอุปกรณ์การทดลองเกี่ยวกับแสงอีกมากมายที่ฉันไม่เคยเห็นมาก่อน เวลามองไปยังชุดตัวต่อซับซ้อนนี้ ฉันรู้สึกเหมือนกลับไปเป็นเด็กอีกครั้ง เพราะตัวต่อมีลักษณะเหมือนของเล่น ที่นอกจากจะเล่นสนุกได้แล้ว ยังนำมาใช้สำหรับการทดลองระดับสูงเพื่ออธิบายหลักการที่เกี่ยวข้องกับกลศาสตร์ควอนตัมได้อีกด้วย
ภารกิจแรกของพวกเราก็คือ การจัดแนวเลเซอร์ให้หักเหและพุ่งผ่านหลอดดูดน้ำได้ เพื่อแสดงการจัดวางอย่างถูกต้อง โดยไม่สูญเสียความเข้มแสงไประหว่างทาง นั่นหมายถึงความเข้มของลำแสงที่จุดเริ่มต้นและปลายทางต้องใกล้เคียงกันมากที่สุด ฟังดูเหมือนเรื่องง่าย ๆ แต่เอาเข้าจริงพวกเราใช้เวลาหลายชั่วโมงกว่าจะทำภารกิจนี้ได้สำเร็จ ทำให้เราเข้าใจว่าการทดลองเชิงแสงต้องอาศัยความละเอียดสูง ทั้งการวางระยะกระจกให้ได้มุมที่พอดีที่สุดและการปรับตำแหน่งของลำแสงเลเซอร์ รวมไปถึงการจัดลำดับขั้นตอนในการทำงาน ล้วนมีผลต่อความแม่นยำในผลการทดลองทั้งสิ้น
ภาพอุปกรณ์ต่าง ๆ บนแท่นทดลองแสงและตัวอย่างชุดทดลองพื้นฐานเพื่อฝึกการใช้แท่นทดลองแสง ได้แก่ การเปลี่ยนเส้นทางแสงเลเซอร์ให้เข้าสู่เส้นใยออปติกเพื่อวัดความเข้มแสงสำหรับคำนวณหาอัตราการสูญเสียระหว่างการเดินทางของแสง และการทดลองนำแสงเลเซอร์ผ่านหลอดดูดน้ำ
หลังฝึกทักษะพื้นฐานการใช้แท่นทดลองแสงกันแล้ว เราก็เริ่มมาดูการประยุกต์ใช้อุปกรณ์เหล่านี้ในการทดลองฟิสิกส์กันต่อ เริ่มด้วยการสร้างอุปกรณ์ทดลองที่ใช้หลักการแทรกสอดของแสง ที่เรียกว่า อินเตอร์ฟีรอมิเตอร์แบบมัค-เซนเดอร์ (Mach-Zehnder Interferometer: MZI) เพื่อวัดความเปลี่ยนแปลงในเฟสของลำแสง โดยแสงจากแหล่งกำเนิดอย่างเลเซอร์จะถูกแยกออกเป็นสองเส้นทาง ก่อนจะรวมกลับเพื่อศึกษาเปรียบเทียบความแตกต่างของคลื่นทั้งสอง
แผนภาพของเครื่องอินเตอร์ฟีรอมิเตอร์แบบมัค-เซนเดอร์ โดย M คือกระจก (mirror) และ BS คือ ตัวแยกลำแสง (beam splitter) ที่ทำหน้าที่แบ่งแสงครึ่งหนึ่งให้ผ่านไปตรง ๆ ส่วนอีกครึ่งหนึ่งให้สะท้อนเป็นมุมฉาก (ภาพนี้เป็นภาพร่างที่เราใช้เป็นต้นแบบในการสร้างเป็น MZI ในต่อไป) โดยเลเซอร์ที่เราใช้เป็นเลเซอร์แสงสีเขียว ซึ่งมีความยาวคลื่น 532 นาโนเมตร เส้นประสีแดงและน้ำเงินแสดงให้เห็นถึงแสงเลเซอร์ที่มีความเข้มแสงเท่ากันซึ่งถูกแยกออกเป็นสองทาง ก่อนจะกลับมารวมกันในที่สุด
ผลการทดลองนี้บ่งบอกถึงความแตกต่างระหว่างเส้นทางทั้งสองที่แสงเดินทางผ่าน เครื่องนี้ประกอบด้วยอุปกรณ์หลายชิ้นเพื่อช่วยนำแสงเลเซอร์ให้เดินทางไปยังทิศทางที่เราต้องการ ยิ่งมีมากชิ้นก็ยิ่งต้องใช้ความแม่นยำสูง จึงนิยมใช้ในการวัดที่ต้องการความละเอียดขั้นสุดอย่างการทดลองเกี่ยวกับควอนตัม ที่แม้แต่ความสั่นสะเทือนของโต๊ะเพียงเล็กน้อยหรือลมหายใจก็ส่งผลให้คลื่นแทรกสอดที่เราเห็นนั้นขยับได้เลย
การทดลองสร้างเครื่องอินเตอร์ฟีรอมิเตอร์แบบมัค-เซนเดอร์ที่มีองค์ประกอบหลักคือ ตัวแยกลำแสง (beam splitter: BS) กระจก (mirror: M) หลอดแก้วที่เชื่อมต่อกับกระบอกฉีด (glass cell and syringe) รวมถึงตัวกรองแสงเลเซอร์ (neutral density filter wheel) เพื่อความปลอดภัยต่อสายตาผู้ทำการทดลอง
ขั้นตอนสุดท้ายในการทดลองคือการจัดวางหลอดแก้วที่เชื่อมกับกระบอกฉีดไว้ในเส้นทางของเลเซอร์ นี่เป็นการเพิ่มปัจจัยที่ส่งผลให้เส้นทางหนึ่งแตกต่างจากอีกเส้น สิ่งที่เราเห็นในช่วงระหว่างการดูดหรืออัดอากาศผ่านกระบอกฉีดก็คือ เส้นการแทรกสอดที่ปรากฏบนฉากมีการเคลื่อนที่เปลี่ยนไป เป็นผลมาจากการเปลี่ยนแปลงของความดันภายในหลอดแก้วที่ส่งผลให้ดัชนีหักเห (refractive index) ของอากาศในหลอดนั้นเปลี่ยนไป คลื่นที่เดินทางแยกไปสองทางเมื่อกลับมารวมกันอีกครั้งจะมีความแตกต่างในเฟสของคลื่นทำให้เกิดการแทรกสอด
ภาพวงสีเขียวที่เห็นบนฉากถ้าขยายดูชัด ๆ จะเห็นรูปแบบการแทรกสอดของคลื่น (interference pattern) ซึ่งก็คือแถบสว่างสลับแถบทึบดังที่ปรากฏในภาพ นั่นบ่งบอกถึงว่าแสงเลเซอร์ที่มาจากจุดกำเนิดเดียวกันเมื่อถูกแยกออกเป็นสองเส้นทางแล้ว หากเส้นทางหนึ่งมีตัวแปรที่แตกต่างไประหว่างทาง เช่น ระยะทาง ตัวกลาง จะทำให้คลื่นทั้งสองนั้นไม่เหมือนกันอีกต่อไป พอมารวมกันอีกครั้งจึงเกิดความแตกต่างที่แสดงผลออกมาในรูปของแถบทึบสำหรับการแทรกสอดแบบหักล้าง (destructive interference) หรือการที่คลื่นทั้งสองหักล้างกันจนหมดจึงไม่มีแสงออกมา ในทางกลับกันก็อาจมีการแทรกสอดแบบเสริม (constructive interference) ที่มีลักษณะเป็นแถบสว่างหากคลื่นมีการผนวกรวมกันจนมีความเข้มเพิ่มขึ้น และการเปลี่ยนแปลงของรูปแบบการแทรกสอดนี้นำมาใช้วัดการเปลี่ยนแปลงของดัชนีหักเหในหลอดแก้วได้ การทดลองนี้จึงเป็นตัวอย่างหนึ่งที่แสดงประโยชน์ของการใช้แสงเลเซอร์และเครื่อง MZI ในการตรวจวัดความเปลี่ยนแปลงที่ต้องการความละเอียดแม่นยำสูง
อีกตัวอย่างการประยุกต์ใช้ MZI ที่หลายคนน่าจะรู้จักกันดีก็คือ การทดลองไลโก (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory: LIGO) ที่ใช้ในการตรวจจับคลื่นแรงโน้มถ่วง (gravitational waves) ซึ่งเป็นระลอกคลื่นในปริภูมิ-เวลา (space-time) ที่เกิดจากเหตุการณ์รุนแรงในจักรวาล เช่น การรวมตัวของหลุมดำ LIGO ก็ใช้เทคนิคคล้ายกับ MZI ที่เราสร้างนี่ละ แต่ขนาดใหญ่กว่ามาก แขนทั้งสองที่ตั้งฉากกันนั้นยาวข้างละ 4 กิโลเมตร และมีแสงเลเซอร์ที่ถูกแยกออกไปสองแขนก่อนจะสะท้อนกลับมารวมกัน ในเวลาปกติไม่มีปัจจัยที่ทำให้สองแขนแตกต่างกัน คลื่นทั้งสองที่กลับมารวมกันก็จะหักล้างกันพอดี แต่หากมีคลื่นแรงโน้มถ่วงเดินทางผ่านมา แขนข้างหนึ่งจะหดหรือยืดออกเพียงเล็กน้อย คลื่นที่เดินทางมาก่อนรวมกันก็มีความแตกต่างในเฟส (phase difference) ทำให้เกิดการแทรกสอด เพราะไม่ได้หักล้างกันพอดีเป๊ะ ส่วนที่เหลืออยู่ก็เกิดเป็นแสงที่ตรวจจับได้ ซึ่งเครื่องนี้ตรวจวัดคลื่นแรงโน้มถ่วงได้ด้วยความแม่นยำสูงถึง 10-19 เมตร
แผนภาพแสดงการทำงานของ LIGO ภาพดัดแปลงมาจาก https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/popular-physicsprize2017-1.pdf โดยคุณ Johan Jarnestad, The Royal Swedish Academy of Sciences
จากประสบการณ์การทำงานในครั้งนี้ ฉันได้เรียนรู้การทดลองมากมายที่ออกแบบสร้างสรรค์ขึ้นเพื่อใช้ศึกษาสิ่งที่เรามองไม่เห็น ผลลัพธ์ที่ได้คือคำตอบของคำถามที่ว่าเราจะศึกษาฟิสิกส์ได้อย่างไร ทำไปเพื่ออะไร จากเดิมที่ฉันเคยรู้สึกว่าทฤษฎีและสมการฟิสิกส์ที่จับต้องไม่ได้นั้นมันยากที่จะเข้าใจ ก็เริ่มเห็นเป็นภาพที่อธิบายได้อย่างชัดเจนยิ่งขึ้นผ่านการลงมือปฏิบัติจริงด้วยตนเอง
ณ จุดนี้ทำให้ฉันเห็นถึงความสัมพันธ์ที่เกี่ยวเนื่องกันระหว่างดาราศาสตร์ที่ศึกษาจักรวาลที่มีขนาดใหญ่กับฟิสิกส์ที่ศึกษากฎของธรรมชาติตั้งแต่อนุภาคที่มีขนาดเล็กจิ๋ว ความสนใจดาราศาสตร์ได้พาฉันกลับมาเชื่อมโยงกับฟิสิกส์อีกครั้ง เมื่อฉันตัดสินใจเลือกเรียนคณะฟิสิกส์ดาราศาสตร์ที่ศึกษาเกี่ยวกับการใช้หลักฟิสิกส์มาอธิบายธรรมชาติและการทำงานของปรากฏการณ์และวัตถุในจักรวาล ไปจนถึงการศึกษาอนุภาคต้นกำเนิดของจักรวาลผ่านการทดลองในห้องแล็บ ไม่ว่าจะศึกษาเชิงทฤษฎีผ่านการเขียนโค้ดจำลองปรากฏการณ์เพื่อทำความเข้าใจความเป็นมาของจักรวาลผ่านหลักการฟิสิกส์ หรือการใช้ข้อมูลจากกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่เพื่อมาวิเคราะห์วิจัยโครงสร้างของจักรวาลผ่านการสำรวจโดยตรง ก็รวมอยู่ในสาขานี้ด้วย ฟิสิกส์ดาราศาสตร์จึงนับเป็นศาสตร์ผสมที่ดูเหมือนจะเฉพาะเจาะจงแต่กว้างขวางทีเดียว
แล้วคนที่เรียนฟิสิกส์ดาราศาสตร์ เขาศึกษาอะไรกันบ้าง ? ฉบับต่อไปฉันจะมาเล่าให้ฟังนะ
About Author
