แสงเลเซอร์พลังงานสูง
PHOTO : CERN
โลกฟิสิกส์มีตัวอย่างมากมายที่แสดงให้เห็นตั้งแต่อดีตว่า ความอยากรู้อยากเห็นของนักฟิสิกส์ได้นำมาซึ่งเทคโนโลยีที่มีคุณประโยชน์ เช่น เมื่อ Ernest Rutherford ประสงค์จะรู้ว่าในอะตอมมีอะไรบ้าง เขาได้ยิงอนุภาคแอลฟาไปพุ่งชนแผ่นทองคำเปลว (ซึ่งในสายตาคนทั่วไป การกระทำเช่นนั้น ดูไร้ทั้งเหตุผลและสาระ) แต่การทดลองครั้งนั้นได้ทำให้ Rutherford พบนิวเคลียส (nucleus) ซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดพลังงานในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ ทำระเบิดปรมาณูเพื่อยุติสงคราม และทำให้แพทย์มีเทคโนโลยี MRI ที่ใช้วิเคราะห์โรคในอวัยวะของคน
สำหรับในกรณีของ Albert Einstein ซึ่งปรารถนาจะเข้าใจธรรมชาติของอันตรกริยา (interaction) ระหว่างอะตอมกับแสง (ซึ่งก็ดูไร้สาระเช่นกัน) แต่ความต้องการรู้นี้ได้ชี้นำให้ Einstein พบหลักการสร้างเลเซอร์ (laser) ซึ่งนับเป็นสิ่งประดิษฐ์ที่มีประโยชน์มากที่สุดสิ่งหนึ่งแห่งคริสต์ศตวรรษ ที่ 20 เพราะแพทย์ใช้แสงเลเซอร์พลังงานสูงในการผ่าตัดตา ฆ่าเซลล์มะเร็ง สลายนิ่ว วิศวกรใช้แสงเลเซอร์พลังงานสูงในการส่งสัญญาณโทรศัพท์ เล่นซีดี สื่อสารในอวกาศ ช่างใช้เลเซอร์ในงานเชื่อม ตัดโลหะ พนักงานซูเปอร์มาร์เก็ตใช้เครื่องอ่านบาร์โค้ดเลเซอร์ในการอ่านบาร์ โค้ด(barcode reader) ที่ติดอยู่กับสินค้า
นักวิทยาศาสตร์ใช้ เลเซอร์ในการวิเคราะห์กลไกการเกิดปฏิกริยาเคมี และกักขังอะตอมให้อยู่นิ่ง เพื่อสร้างมาตรฐานของเวลา รวมถึงใช้เลเซอร์ช่วยตรวจจับคลื่นโน้มถ่วง ตรวจสอบความถูกต้องสมบูรณ์ของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั้งพิเศษและทั่วไป และช่วยวิเคราะห์ความประเสริฐของทฤษฎีควอนตัมด้วย
ด้านนักเทคโนโลยี ก็ใช้เลเซอร์ในการพิทักษ์ความปลอดภัย เช่น ช่วยจับขโมย เพราะเวลาขโมยเดินตัดลำแสงเลเซอร์อย่างไม่รู้ตัว สัญญาณเสียงจะดัง วงการบันเทิงใช้เลเซอร์สร้างแสงพิเศษที่น่าตื่นตาตื่นใจ ทหารใช้แสงเลเซอร์พลังงานสูงในจรวดนำวิถี และในเครื่องบินไร้คนขับ (drone) นักมาตรวิทยาใช้เลเซอร์ในการวัดระยะทาง นักวิทยาศาสตร์สิ่งแวดล้อมใช้แสงเลเซอร์พลังงานสูงวัดการขยายตัวของผิวภูเขา ไฟเวลาใกล้จะระเบิด วัดความเร็วในการเคลื่อนตัวของธารน้ำแข็ง ตรวจวัดปริมาณมลพิษในบรรยากาศโลก
ตำรวจใช้เลเซอร์ตรวจจับคนที่ขับรถ เร็วเกินความเร็วที่กำหนด นักฟิสิกส์ใช้เลเซอร์ทำให้ระบบอะตอมมีอุณหภูมิต่ำจนแทบจะเป็นศูนย์องศา สัมบูรณ์เพื่อทดสอบสมบัติควอนตัมของระบบอนุภาค และใช้แสงเลเซอร์พลังงานสูงที่มีความเข้มสูงน็อคอิเล็กตรอนที่โคจรอยู่วงใน สุดของอะตอมออกไปจากวงโคจร เพื่อสร้างรังสีเอ็กซ์พลังงานสูง นักวิทยาศาสตร์ด้านพลังงานใช้แสงเลเซอร์พลังงานสูงสร้างพลังงานไฟฟ้า โดยกระบวนการ fusion ซึ่งจะทำให้โลกมีพลังงานใช้อย่างไม่มีที่สิ้นสุด
เมื่อ ครั้งที่ Einstein เริ่มครุ่นคิดเรื่องเหตุการณ์ที่จะเกิดขึ้นเวลาอะตอมได้รับแสง นักฟิสิกส์ในเวลานั้นรู้เพียงว่า เมื่อใดที่อิเล็กตรอนซึ่งกำลังโคจรรอบนิวเคลียสได้รับพลังงาน มันจะมีพลังงานมากขึ้น คือจะอยู่ในสถานะกระตุ้น แต่มันไม่สามารถอยู่ในสถานะดังกล่าวได้นาน จึงต้องปล่อยพลังงานส่วนเกินออกมาในรูปของแสงที่สามารถวัดได้จาก เครื่องวัดแสง (LUX Meter) นักฟิสิกส์เรียกกระบวนการปล่อยแสงในลักษณะนี้ว่า การปล่อยแสงที่เกิดขึ้นเอง (spontaneous emission) ตามธรรมชาติ
ถึงปี 1918 Einstein ก็ได้พบกระบวนการปล่อยแสงอีกรูปแบบหนึ่งจากเครื่องมือวัดแสง(LUX Meter) ซึ่งเรียกว่าการปล่อยแสงที่เกิดจากการเร้า (stimulated emission) ซึ่งจะเกิดเวลาอะตอมมีอิเล็กตรอนอยู่ในสถานะกระตุ้นอยู่แล้วได้รับแสงที่มี พลังงานเท่ากับพลังงานกระตุ้นพอดี อิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นนั้นจะปล่อยแสงออกมาในทันที ดังนั้นจากเริ่มต้นที่มีแสงในปริมาณหนึ่งผ่านเข้ามาในอะตอม หลังการเร้า แสงที่ถูกปล่อยออกมาจะมีปริมาณเพิ่ม (จากที่ผ่านเข้ามารวมกับที่ถูกเร้าให้ปล่อย) ซึ่งแสงนี้มีความยาวคลื่นเท่าแสงที่มาเร้าทุกประการ แสงทั้งสอง (เดิมกับใหม่) นอกจากจะมีความยาวคลื่นเท่ากันแล้ว ยังเคลื่อนที่ไปทางเดียวกัน และอย่างพร้อมเพรียงกันด้วย คือ เป็นแสงอาพันธ์ (coherent light) กัน
แนวคิดนี้มิได้รับการพัฒนาต่อจนอีก 42 ปีต่อมา คือจนถึงเดือนพฤษภาคม ค.ศ.1960 Theodore Maiman ได้ทดลองใช้แท่งทับทิมที่ถูกโด้ปด้วยอะตอมโครเมียม โดยนำแท่งทับทิมนั้นมาฉาบด้วยโลหะเงินที่ปลายทั้งสองข้างเพื่อให้สะท้อน แสงกลับไปกลับมาภายในแท่ง แล้ว Maiman นำหลอดไฟแฟลช (flash lamp) ที่มีรูปทรงเป็นเกลียวมาสวมรอบแท่ง ดังนั้นเมื่อเปิดและปิดหลอดไฟเป็นจังหวะ แสงจากหลอดจะกระตุ้นเร้าอิเล็กตรอนในอะตอมโครเมียมจำนวนมากที่อยู่ในสถานะ กระตุ้นให้ปล่อยแสงอาพันธ์ออกมา และแสงที่ถูกสะท้อนกลับไป-กลับมา จะเร้าอิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นให้ปล่อยแสงอาพันธ์ออกมาอีก ในที่สุด แสงที่ออกมาจะมีความเข้มสูงจนตาเปล่าสามารถเห็นได้และวัดได้จาก เครื่องมือวัดแสง(LUX Meter) เป็นแสง laser จากอักษรต้นของคำว่า Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
ปัจจุบัน เทคโนโลยีการสร้างแสงเลเซอร์พลังงานสูงได้พัฒนาไปมาก เช่นนอกจากจะใช้ตัวกลางที่เป็นของแข็งในการทำแล้ว โลกยังมี dye laser ที่ใช้สารละลายสีย้อม มีเลเซอร์แก๊สที่ใช้แก๊สฮีเลียม-นีออน และเลเซอร์ที่ใช้ argon-ion แสงเลเซอร์พลังงานสูงที่มี free-electron ซึ่งเป็นอิเล็กตรอนที่ถูกเร่งจนมีความเร็วใกล้ความเร็วแสง ซึ่งเมื่ออิเล็กตรอนเหล่านั้นผ่านไปในสนามแม่เหล็กที่มีความเข้มไม่สม่ำเสมอ อิเล็กตรอนจะเปล่งแสงออกมาหลายความยาวคลื่นตั้งแต่ infrared, ultraviolet และ x-ray แต่จะเป็นชนิดใดนั้นก็ขึ้นกับความเร่งของอิเล็กตรอนในขณะนั้น
ใน ขณะที่เครื่องเร่งอนุภาค LHC ที่ CERN กำลังค้นหาอนุภาค Higgs ทาง Lawrence Livermore National Laboratory ในสหรัฐอเมริกาก็กำลังเดินหน้าด้วยโครงการ National Ignition Facility (NIF) มูลค่า 4,000 ล้านเหรียญและมีเป้าหมายที่น่าตื่นเต้นไม่แพ้กัน เพราะโครงการนี้มีอุปกรณ์สร้างเลเซอร์ 192 เครื่องที่จะปล่อยแสงเลเซอร์พลังงานสูงออกมาเป็นห้วง ห้วงหนึ่งๆ นาน 10-9 วินาที ซึ่งคิดเป็นพลังงาน 50 เท่าของพลังงานทั้งหมดที่โลกใช้ในเวลาเดียวกัน (แต่ใช้สั้นมาก) พลังงานแสงทั้ง 192 ลำ จะโฟกัสที่หยดไฮโดรเจนเหลวให้รวมกันเป็นฮีเลียม โดยใช้ปฏิกิริยา fusion ซึ่งจะให้กำเนิดพลังงานมหาศาล
เพราะ เทคนิคนี้เป็นปฏิกิริยาเดียวกันกับที่เกิดในดาวฤกษ์ ดังนั้นโครงการ NIF เสมือนจะนำดาวฤกษ์ลงมาให้ดูกันในห้องปฏิบัติการบนโลก เพื่อให้ทุกคนประจักษ์ว่า การมีพลังงานใช้อย่างไม่มีที่สิ้นสุดนั้นเกิดขึ้นได้อย่างไร
ปัจจุบัน นักฟิสิกส์มีความประสงค์จะสร้างแสงเลเซอร์พลังงานสูงให้มีพลังงานสูงยิ่ง ขึ้นไปอีก และนั่นก็คือ การศึกษาทัศนศาสตร์เชิงสัมพัทธภาพระดับสูงสุดยอด (ultrarelativistic optics) ซึ่งจะทำได้ถ้ามีแสงเลเซอร์พลังงานสูงที่ถูกปล่อยออกมาเป็นห้วง นานประมาณ 10-15 วินาที - 10-18 วินาที และถ้าสร้างห้วงแสงลักษณะนี้ได้ นักฟิสิกส์ก็คาดหวังจะเห็นปรากฏการณ์มหัศจรรย์เกิดขึ้นในสุญญากาศ รวมถึงที่ใกล้ขอบภายนอกของหลุมดำ เพราะในทฤษฎีของ Hawking หลุมดำสามารถทำให้เกิดอนุภาคกับปฏิยานุภาคได้เช่นกัน โดยอนุภาคหนึ่งจะเคลื่อนที่หนีไปจากหลุมดำ แต่อีกอนุภาคหนึ่งจะเคลื่อนที่ลงหลุมดำ
เหตุการณ์นี้จะเกิด เมื่อสุญญากาศได้รับพลังงานมากเพียงพอ ที่จะสร้างอนุภาคได้ และนี่จะเป็นแนวทางหนึ่งในการศึกษาทฤษฎีแรงโน้มถ่วงเชิงควอนตัม (quantum theory of gravity)
Cr.ผู้จัดการ
