ครั้งแรกในประวัติศาสตร์! ทีมนักฟิสิกส์เผย "รูปร่างที่แท้จริงของแสง" ปลดล็อกปริศนาควอนตัมที่ค้างคามานาน… ภาพที่ดูคล้ายกับดาวฤกษ์ หรือดวงตาที่กำลังเปล่งแสงนี้ คือสิ่งที่เราเฝ้าตามหามาตลอดเพื่อทำความเข้าใจธรรมชาติของอนุภาคที่เดินทางเร็วที่สุดในเอกภพ เหมือนดั่งผู้คุมกฎของความเร็ว เพราะไม่มีสิ่งใดเร็วกว่าแสงได้ และธรรมชาติจะไม่ยอมให้เกิดขึ้น
.
หลายคนอาจมีข้อสงสัยก่อนเลยว่านี่คือการค้นพบสิ่งที่เล็กลงไปกว่าควาร์ก (Quark) หรือเป็นเบาะแสใหม่ของทฤษฎีสตริง (String theory) หรือไม่
.
คำตอบคือยังไม่ใช่ครับ เนื่องจากโฟตอน (Photon) หรืออนุภาคของแสงนั้นเป็นอนุภาคมูลฐาน (Elementary particle) ที่ไม่มีโครงสร้างย่อยลงไปอีกแล้ว แต่งานวิจัยชิ้นนี้ ซึ่งตีพิมพ์ในวารสาร Physical Review Letters เมื่อเดือนพฤศจิกายน ปี 2024 โดยทีมนักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยเบอร์มิงแฮม (University of Birmingham) นำโดย ดร. เบนจามิน หยวน (Dr. Benjamin Yuen) และ ศาสตราจารย์ แองเจลา เดเมเทรียดู (Professor Angela Demetriadou) คือการแก้ปัญหาทางกลศาสตร์ควอนตัมที่ค้างคามานานหลายทศวรรษเกี่ยวกับพฤติกรรมของแสงเมื่อมันมีปฏิสัมพันธ์กับสสาร
.
ในทางฟิสิกส์นั้นแสงมีลักษณะเป็นกลุ่มก้อนของคลื่น (Wave packet) ที่มีความน่าจะเป็นกระจายตัวอยู่ แต่สภาพแวดล้อมทางเรขาคณิตระดับนาโนรอบๆ ตัวมันมีผลอย่างมากในการ "ปั้น" หรือกำหนดรูปร่าง สี และโอกาสในการดำรงอยู่ของอนุภาคแสงนั้นๆ
.
ซึ่งที่ผ่านมาการคำนวณรูปร่างที่แท้จริงทำได้ยากมากเพราะมันมีความเป็นไปได้ของทิศทางและพลังงานที่แสงจะกระจายตัวออกไปแบบไม่สิ้นสุด
.
ทีมวิจัยจึงได้คิดค้นแบบจำลองที่แปลงระบบคลื่นที่ซับซ้อนนี้ให้กลายเป็นชุดพารามิเตอร์จำเพาะที่เรียกว่า ซูโดโหมด (Pseudomodes) ทำให้สามารถคำนวณการแลกเปลี่ยนพลังงานระหว่างตัวกำเนิดแสงกับสสาร และติดตามการแผ่รังสีออกสู่พื้นที่ห่างไกล (Far field) ได้อย่างสมบูรณ์แบบโดยไม่ต้องใช้การประมาณค่าที่ทำให้ข้อมูลสูญหายแบบในอดีต
.
และผลพลอยได้จากการคำนวณอันซับซ้อนนี้เองที่ทำให้คอมพิวเตอร์สามารถสร้างภาพรูปร่างของการกระจายตัวของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าของโฟตอนเดี่ยวออกมาให้เราเห็นภาพได้เป็นครั้งแรก
.
ใช่แล้วครับ ภาพที่เราเห็นนี้ไม่ใช่ภาพถ่ายจากกล้องที่จับภาพอนุภาคแสงได้จริงๆ แต่เป็นภาพจำลองทางคณิตศาสตร์ (Visualization) ที่มีความแม่นยำสูงที่สุดเท่าที่เคยมีมา
.
การรู้รูปทรงทางคณิตศาสตร์ที่ชัดเจนนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งยวด เพราะมันคือการวางรากฐานเพื่อเปิดประตูสู่การออกแบบเทคโนโลยีนาโนโฟโตนิกส์ (Nanophotonics) ขั้นสูง ซึ่งจะทำให้เราสามารถสร้างเซ็นเซอร์ตรวจจับเชื้อโรคในระดับโมเลกุล, การควบคุมปฏิกิริยาเคมีผ่านแสง, การพัฒนาระบบการสื่อสารและคอมพิวเตอร์ควอนตัม (Quantum computing) ที่แม่นยำขึ้น, ไปจนถึงการเพิ่มประสิทธิภาพเซลล์พลังงานแสงอาทิตย์ (Photovoltaic cells) ในอนาคตได้นั่นเอง
[แหล่งอ้างอิง]
[1] Yuen, B., & Demetriadou, A. (2024). Exact Quantum Electrodynamics of Radiative Photonic Environments. Physical Review Letters, 133(20), 203604.
[2] University of Birmingham. (2024, November 18). New theory reveals the shape of a single photon.
#ฟิสิกส์ควอนตัม #วิทยาศาสตร์ #ความรู้รอบตัว #แสง #งานวิจัยใหม่ #เทคโนโลยีอนาคต #ฟิสิกส์ #สาระน่ารู้ #โฟตอน #photon #อนุภาคแสง
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น