Superphoton...แสงแบบใหม่

By: terminus
Writer
on Sat, 27/11/2010 - 22:43

ในทางฟิสิกส์มีเหตุการณ์อย่างหนึ่งที่เรียกว่า Bose-Einstein condensate ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่แก๊สของอนุภาค bosons (Bose gas) ถูกกักและลดอุณหภูมิให้มีความหนาแน่นสูงพอจนเกิด "การควบแน่น" ที่อนุภาคส่วนใหญ่อยู่ในสภาวะทางควอนตัมต่ำที่สุดของพลังงานศักย์ที่กักมันเอาไว้ ณ จุดนั้น กลุ่มอนุภาคก็จะประพฤติตัวเหมือนกับว่าเป็นอนุภาคขนาดยักษ์ก้อนเดียวหรือที่เรียกว่า Superparticle

ตั้งแต่ปี 1995 นักวิทยาศาสตร์สามารถสร้าง Superparticle ได้แล้ว เช่น Superparticle ของอะตอม Rubidium โดยการลดอุณหภูมิลงจนเกือบแตะ 0 เคลวิน (-273 องศาเซลเซียส) เป็นต้น ในทางทฤษฎีนั้นอนุภาค bosons ทุกชนิดสามารถเกิด Bose-Einstein condensate ได้หมด แม้แต่อนุภาคแสงหรือโฟตอน (โฟตอนก็เป็น boson) แต่ในทางปฏิบัตินั้นแทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะทำให้แสงมีอุณหภูมิต่ำลงและจำกัดให้มันมีความหนาแน่นเพิ่มขึ้นไปในเวลาเดียวกัน เพราะเมื่อโฟตอนเย็นลง มันก็จะถูกดูดซับหายไปในวัตถุที่อยู่รอบมัน การสร้าง Superphoton จึงเป็นแค่ความฝันทางทฤษฎีที่นักฟิสิกส์ไม่เชื่อว่าจะทำได้จริงๆ

แต่เร็วๆ นี้ ศาสตราจารย์ Martin Weitz, Frank Vewinger, Jan Klärs, และ Julian Schmitt นักฟิสิกส์จาก University of Bonn ได้ทำสิ่งที่เป็นไปไม่ได้ให้เกิดขึ้นแล้ว พวกเขาสามารถลดอุณหภูมิพร้อมกับเพิ่มความหนาแน่นของแสงได้ในเวลาเดียว โดยแทบจะไม่เสียโฟตอนไปเลย!

ทีมนักฟิสิกส์ชุดนี้ทำโดยตั้งกระจกเว้าห่างกัน 1 ไมโครเมตร ระหว่างกระจกทั้งสองนั้น พวกเขาเติมของเหลวที่เป็นสีย้อมลงไปจนเต็ม จากนั้นก็ฉายแสงเลเซอร์สีเขียวเข้าไปในช่องว่างระหว่างกระจก โมเลกุลของสีย้อมจะดูดซับโฟตอนของแสงสีเขียว แล้วก็คายออกมาเป็นโฟตอนของเแสงสีเหลืองซึ่งมีพลังงานต่ำกว่าออกมา แสงที่ออกมาก็จะเด้งสะท้อนไปมาระหว่างกระจกแล้วไปกองรวมกันที่ตรงกลาง เป็นเช่นนี้ไปเรื่อยๆ จนในที่สุดโฟตอนที่อยู่ตรงกลางก็มีอุณหภูมิลดลงต่ำจนเกือบเท่าอุณหภูมืห้อง และมีความหนาแน่นสูงถึงประมาณ 1 พันล้านตัวต่อลูกบาศก์เซนติเมตร เมื่อถึงจุดนั้นแสงที่ตอนแรกเบลอๆ ก็จะรวมกันกลายเป็นจุดสว่างจุดเดียว และมีพฤติกรรมเหมือนอนุภาคโฟตอนขนาดยักษ์ 1 ตัว หรือที่เรียกว่า "Superphoton" นั่นเอง

ตลอดทั้งกระบวนการมีโฟตอนที่หายไปกับการดูดซับที่กระจกเว้าเพียงเล็กน้อยเท่านั้น

หลายคนอาจจะสงสัยว่าทำไมอะตอม Rubidium ถึงต้องลดอุณหภูมิจนเกือบแตะศูนย์องศาสัมบูรณ์กว่าจะเกิด Bose-Einstein condensate แต่กับโฟตอน แค่อุณหภูมืห้องก็เกิดได้แล้ว คำตอบอยู่ที่ความหนาแน่นของอนุภาค เนื่องจากโฟตอน 1 พันล้านตัวต่อลูกบาศก์เซนติเมตรนั้นหนาแน่นกว่าแก๊สอะตอม Rubidium มากมายมหาศาล

ความสำเร็จในครั้งนี้ได้พิสูจน์ความสมบูรณ์ของทฤษฎี Bose-Einstein condensate และเป็นการสาธิตให้เห็นอีกครั้งว่าอนุภาคใดๆ ก็สามารถมีสภาพเป็นได้ทั้งสสารและคลื่น นอกจากนี้ Superphoton ยังเปิดหน้าต่างความหวังใหม่ในการสร้างแสงเลเซอร์ที่มีความยาวคลื่นสั้นๆ เช่น UV หรือ X-ray อีกด้วย แสงเลเซอร์ความยาวคลื่นสั้นๆ มีประโยชน์มากมาย เช่น อุปกรณ์ Optical Electronics ที่ทำให้มีขนาดเล็กละเอียดลงไปได้อีก, เทคนิค Spectroscopy ที่มีความละเอียดและแม่นยำสูงขึ้น เป็นต้น

ที่มา NewScientist, Science Daily, Live Science, PhysOrg, Popular Science

ขอบคุณ "น้องธี" (เพื่อนภาคฟิสิกส์ของผมเอง) สำหรับคำอธิบายเรื่อง Bose-Einstein condensate (เพราะฉะนั้นหากมีตรงไหนผิด โทษมัน ผมไม่ได้เรียนฟิสิกส์มา)

15 Comments

hisoft's picture

อาจจะเอามาทำฉายภาพโฮโลแกรมกลางอากาศได้ใช่ไหมครับ?

ป.ล. ที่มาเยอะมากมาย

The Phantom Thief

mementototem's picture

พยายามทำความเข้าใจกับเรื่องนี้แต่งงมาก

เมื่อมันเป็นก้อนแล้ว มันจะยังส่องแสงอยู่อีกไหม ถ้าไม่แล้วทำยังไงถึงจะให้มีแสงออกมา มันจะเคลื่อนย้ายได้ไหม? (เข้าใจว่าแสงคือโพตอน)

ปล. นึกถึง "ลูกแก้วแสง" ในเร็กกะ แห่ะ ๆ

lancaster's picture

สงสัยว่าจะสังเกตมันได้ยังไง ถ้าสังเกตได้แปลว่ามีแสงออกมารึเปล่า? ถ้ามีแสงออกมาก็คือมันคายโฟตอนออกมารึเปล่า? งงด้วยคนครับ 555

terminus's picture

นั่นสิ ผมก็งงว่ามันจะรูปร่างยังไง

รูปในแหล่งที่มา มีอันหนึ่งเป็นภาพจินตนาการของ superphoton ส่วนอีกอันเป็นภาพโชว์อุปกรณ์ ไม่รู้เหมือนกันว่าเค้าทำยังไงจึงรู้ว่ามันเกิด superphoton แล้ว

tontpong's picture

อุม่าย คน post ยังไม่รุ แล้วใครจะรุละนี่.. เอ้า น้องธี มาตอบด่วน

tontpong's picture

แสงเลเซอร์ความยาวคลื่นต่ำๆ .. น่าจะใช้ว่า .. แสงเลเซอร์ความยาวคลื่นสั้นๆ ??

mementototem's picture

พยายามหาข้อมูลเพิ่มด้วยความสงสัย แล้วก็เข้าใจว่า:

  • อนุภาค (particle) ในที่นี้หมายถึงโปตอน
  • แสงก็คือโปตอน เมื่อกระทบกับสิ่งไหนจะดูดซึมหายไป แต่จะสะท้อนบนวัสดุประเภทกระจก
  • เมื่อแสงเย็นลดสีจะเปลี่ยนไป (สีฟ้าร้อนกว่าสีแดง - ในกรณีความร้อนเกิดจากวัตถุชนิดเดียวกัน)
  • pigment จะลดความร้อนของแสงลง ทำให้สีของแสงเปลี่ยนไป (เย็นลง)
  • เมื่อโปตอนเย็นลง และมีความหนาแน่นสูง โปตอนก็จะจับตัวกันเป็นก้อน (แต่ก็ยังยิงเลเซอร์เข้าไปตลอด)
  • (สมมุติว่ามันเป็นก้อน) ก้อนของโปตอนที่ว่า ยังเล็กอยู่มาก มองไม่เห็นอยู่ดี
  • และมันก็เคลื่อนที่เหมือนโปตอนปกติ (จากเมื่อก่อนเป็นโปตอน 1 ตัวก็เป็นโปตอน 2 ตัวประมาณนี้)
  • แสงที่ยิงไปทั้งหมดไม่ได้จับเป็นก้อนเพียงก้อนเดียว 1 ก้อน แต่เป็นก้อนเล็ก ๆ หลาย ๆ ก้อน และก้อนเหล่านั้นเคลื่อนที่ออกมาให้เห็นด้วยสีที่เปลี่ยนไป และมีความเข้มข้นสูง (สว่างจ้า) เราจึงเห็นมัน
  • ส่วนเลเซอร์นั้น เป็นการเพิ่มจำนวนโปเตอนให้มีความเข้มข้นต่อพื้นที่สูง ซึ่งทำให้เกิดความร้อนสูงขึ้น โปตอนจึงไม่จับตัวกัน
  • แนวคิดของการทดลองนี้คือ ทำแสงเลเซอร์ให้เย็นลง และเพิ่มความหนาแน่นของโปตอนขึ้นไปอีก
  • ถ้าปิดเลเซอร์ superphoton จะค่อย ๆ หายไป จำนวนโปตอนจะค่อย ๆ ลดลงจนไม่หนาแน่นพอที่จะทำให้เกิด superphoton และแสงจะหายไปในท้ายที่สุด
tontpong's picture
1] ทำไมเรียก โปตอน ตลอดอ่ะ.. หรือว่ามันคนละตัวกะ โฟตอน? 2] สงสัยเปนพักๆ มานานละ แต่พออยู่กะคอมก้อลืม(แกมขี้เกียจ) - วัสดุที่แสงสะท้อน ต้องมีคุณสมบัติเปนยังไง ? - วัสดุที่แสงส่องผ่าน ต้องมีคุณสมบัติเปนยังไง ?
mementototem's picture
  1. ไม่ทราบเหมือนกันทำไมถึงชอบพิมพ์เป็น โปตอน หรือ โปรตอน แทนที่จะเป็น โฟตอน ทั้ง ๆ ที่รู้ว่า มันคนละตัวกัน

  2. คุณสมบัติของวัตถุต่อแสง (วัตถุชนิดนึงอาจจะมีหลายคุณสมบัติก็ได้)

    • สะท้อนแสง คือ เปลี่ยนทิศทางของแสงให้กลับมาอยู่ด้านเดียวกับแหล่งกำเนิดแสง
    • โปร่งใส คือ ให้แสงผ่านไปได้ทั้งหมด อนุภาคโฟตอนยังวิ่งไปในทิศทางเดิมของมัน
    • โปร่งแสง คือ ให้แสงผ่านไปได้บางส่วน อนุภาคโฟตอนบางส่วนวิ่งไปในทิศทางเดิม แต่บางส่วนชนกับโมเลกุลของวัตถุ ทำให้โฟตอนเปลี่ยนทิศทางไปแบบไม่เป็นระเบียบ
    • (แถม) ทึบแสง คือ ไม่ยอมให้แสงผ่านไปได้ มันจะดูดกลืนโฟตอนเอาไว้ทั้งหมด
    • (แถม) หักเหแสง คือ เปลี่ยนทิศทางของแสงไปแบบเป็นระเบียบ แต่ตามทิศทางที่แสงส่องไป

ประมาณนี้แหละครับ ถ้าสงสัยตรงไหน ลองเสนอความคิดของคุณมาดูได้ เผื่อว่าผมเข้าใจผิดไปจะได้เข้าใจถูกสักที ผมเองไม่ได้เรียนมาด้านนี้ พอดีผมเรียนเรื่องการไหลก็อิเล็กตรอนเป็นหลัก (แต่ลืมจะหมดแล้ว) แห่ะ ๆ

tontpong's picture

สงสัยจะถามผิดไป .

จะถามทำนองว่า สามารถทำให้..
- แสงส่องผ่านแผ่นเหล็กเหมือนที่ผ่านกระจกได้มั้ย ได้/ไม่ได้เพราะอะไร
- แสงสะท้อนผิวเรียบทุกชนิดมั้ย หรือวัสดุอะไรที่เรียบกริ๊บ ก้อไม่สะท้อน
- หรือทำนองคล้ายกัน.. ทำไมแสงไม่สะท้อนกระจกเช่นของผิวเรียบอื่นๆ

Thaina's picture

แสงส่องผ่านกระจกได้เพราะการเรียงตัวของโมเลกุลกระจก มีช่องว่างขนาดใหญ่กว่าขนาดของอะตอมกระจก และเปนระเบียบ ครับ
นึกภาพตาข่ายมุ้งลวดได้เลย ว่าแสงส่องผ่านได้เพราะเหตุนั้นแหละ

ส่วนการเรียงตัวของโลหะทั้งหลายมักจะแพ็คกันหนาแน่นแทบไม่มีช่องว่าง
เคยมีเหมือนกันที่มีการทดลอง รีดทองให้เรียบเปนแผ่นบาง 1 โมเลกุล แสงก็สามารถส่องผ่านได้บ้างเล็กน้อย แต่ส่วนใหญ่จะสะท้อนมากกว่า

แสงสะท้อนวัตถุที่ไม่ดูดกลืนแสงครับ
แม้แต่ผนังปูนขรุขระแสงก็สะท้อน แค่ว่ามันไม่เปนระเบียบ
ลองเอาน้ำยากัดแก้วมาราดกระจก จะเห็นเปนสีขุ่นๆ ไม่ใช่เพราะมันไม่สะท้อน แต่มันสะท้อนไม่เปนระเบียบจนเรามองไม่เห็นภาพสะท้อน
แต่ถ้าเอาไฟฉายมาฉาย มันก็ยังสะท้อนแสงได้อยู่
เรียบไม่เรียบไม่ค่อยเกี่ยวกับว่ามันจะสะท้อนหรือไม่ เกี่ยวกับว่ามันดูดแสงหรือเปล่าต่างหากครับ
วัสดุที่เรียบให้ตายแสงก็ไม่สะท้อน ก็วัตถุสีดำทั้งหลายแหล่น่ะครับ อย่างเช่นกระดาษดำ หรือเอากระจกเรียบๆ ไปทาสีดำ มันก็ดูดแสง

นึกภาพตามได้เลยครับว่า แสง คือลูกบอลกลมๆลูกนึง เราขว้างไปหาผนัง
ถ้าผนังเรียบกริ๊บ เราขว้างไปทางไหนมันก็สะท้อนไปตามนั้น
ถ้าผนังขรุขระมากๆ บางทีโยนไป มันก็เด้งไปอีกทาง
ถ้าผนังแข็งโป๊ก ลูกบอลก็สะท้อนออกด้วยความแรงเท่าเดิม
ถ้าผนังนิ่มๆ หรือเหลวๆหนืดๆ ก็สะท้อนได้น้อย
สำหรับแสงแล้ว ของสีขาวคือผนังแข็ง ของสีดำคือผนังนิ่ม สีอื่นๆคือมีจังหวะแข็งสลับกับนิ่ม ทำให้มันสะท้อนเฉพาะลูกบอลที่ขว้างมาตรงจังหวะกับมัน(อันนี้คือเรื่องความถี่คลื่นแสง)

ลองดู ถ่าน กับ เพชร เปนคาร์บอนเหมือนกัน ต่างกันที่การจัดเรียงอะตอม ทำให้เพชรทั้งสะท้อนทั้งทำให้แสงส่องผ่านได้(ถ้าเรียงเพชรให้เรียบๆ ก็แผ่นกระจกดีๆนี่เอง)
ส่วนถ่าน แสงไม่ส่องผ่าน แถมดำสนิทไม่สะท้อนแสงด้วย

tontpong's picture
วัตถุดำดูดกลืนแสง หรือวัตถุดูดกลืนแสงเลยเหนเปนสีดำ แล้วไมพลาสติคสีดำเรียบๆ ถึงสะท้อนแสง.. รึมีไรเคลือบ น่าจะมีหลายคนนะ ที่แอบใช้เปนกระจก ใช้ดีกว่าสีขาวอีก ส่วนเรื่องวัตถุโปร่งใส.. เหมือนจะเคลียร์ละ ขอบคุณค้าบ
Thaina's picture

ถ้าพูดให้ถูกก็ใช่ครับ เพราะวัตถุดูดแสง เราถึงเห็นเปนสีดำ

ส่วนที่ว่า ทำไมพลาสติกสีดำแต่เรียบ ก็ยังสะท้อนแสง
เพราะมันเป็นแสงที่ส่องตรงไงครับ คือแสงอาทิตย์มันแรงมาก จนแม้แต่สีดำก็ดูดไม่ไหว ทำให้แสงที่พุ่งเข้าตรงๆ สะท้อนออกได้แม้ว่าจะเปนสีดำ
แต่ถ้าไม่ได้อยู่ที่มุมที่แสงอาทิตย์สะท้อนก็จะเห็นเปนสีดำเพราะแสงสว่างจากจุดอื่นไม่แรงพอ ก็โดนดูดไป

sanwithz's picture

ผมเคยได้ยินอาจารย์บอกว่า ถ้าทำได้จริง จะสามารถนำมาประยุกต์ใช้ได้หลายอย่างมาก เช่นนำมาทำเป็นตัวนำไฟฟ้า เพราะจะไม่มีแรงต้านไฟฟ้าเลย ส่วนเรื่องรายละเอียดของ Bose-Einstein condensate ก้ยังไม่แม่นเหมือนกันครับ