แสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดหนึ่ง

ข้อแตกต่างที่สำคัญระหว่าง คลื่น และ อนุภาค คือลักษณะการส่งผ่านพลังงาน เนื่องจากการส่งผ่านพลังงานของอนุภาคนั้น อนุภาคจะเป็นตัวนำพาพลังงานไปถึงจุดหมาย เช่น การเตะลูกบอล มีการส่งผ่านพลังงานจากเท้าผ่านลูกบอล แล้วลูกบอลนั้นจะนำพาพลังงานต่อไปยังจุดหมาย ซึ่งจะเห็นว่าลูกบอลจะเคลื่อนที่ไปกับพลังงานนั้นด้วย

สำหรับการส่งผ่านพลังงานของ คลื่นนั้น ตัวกลางจะไม่ได้เคลื่อนที่ตามไปด้วย รูปข้างล่างเป็นการส่งผ่านพลังงานคลื่นในเส้นเชือก จะเห็นว่าจุดสีแดงบนเส้นเชือกนั้นไม่ได้เคลื่อนที่ตามคลื่นไปด้วย แต่จะเคลื่อนที่ขึ้นลงอยู่ตำแหน่งเดิม ซึ่งจะแตกต่างจากการส่งผ่านพลังงานของอนุภาค

พบว่า มีอิเล็กตรอนหลุดออกมาจากผิวโลหะ ซึ่งปรากฎการณ์นี้ไม่สามารถใช้คุณสมบัติด้านความเป็นคลื่นของแสงมาอธิบายได้ ต่อมาไอสไตน์จึงได้เสนอว่า กรณีนี้แสงควรมีคุณสมบัติเป็นอนุภาคชื่อว่าโฟตอน (Photon)

ปรากฎการณ์โฟโตอิเล็กทริก

ปรากฏการณ์ที่โลหะปลดปล่อยอิเล็กตรอนออกมาเมื่อถูกฉายด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า อย่างเช่นรังสีเอ๊กซ์(X-ray) อิเล็กตรอนที่ถูกปล่อยออกมาถูกเรียกว่า โฟโตอิเล็กตรอน (photoelectron) ปรากฏการณ์ดังกล่าวถูกเรียกอีกอย่างหนึ่งว่า Hertz Effect ตามชื่อของผู้ค้นพบ คือ นายเฮนริค รูดอล์ฟ เฮิร์ทซ์(Heinrich Rudolf Hertz)

แล้วตกลง แสงเป็นอะไรกันแน่?

ในปี ค. ศ. 1924 นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสชื่อ หลุยส์ เดอบรอยล์ (Louis de Broglie ) จึงเสนอแนวคิดว่า ถ้าแสงที่เป็นคลื่นแสดงสมบัติเป็นอนุภาคได้ สิ่งที่เป็นอนุภาค ก็ควรแสดงสมบัติเป็นคลื่นได้ สิ่งใดที่แสดงสมบัติคู่เป็นได้ทั้งคลื่นและอนุภาค เรียกว่ามี ทวิภาพของคลื่นและอนุภาคแสงเป็นได้ทั้งคลื่น และอนุภาค แสงจึงมีทวิภาพของคลื่นและอนุภาค

จากการศึกษาต่อมา พบว่า อิเล็กตรอนซึ่งเป็นอนุภาคแสดงสมบัติของคลื่นได้ คือเลี้ยวเบนและแทรกสอดได้ และสามารถหาความยาวคลื่นของอนุภาคได้ เรียกความยาวคลื่นของอนุภาค นี้ว่า ความยาวคลื่นเดอบรอยล์
อนุภาคที่จะแสดงสมบัติเป็นคลื่นได้ ต้องเป็นอนุภาคที่มีขนาดเล็ก

เดอบรอยล์ ได้นำความรู้เรื่องทวิภาพของคลื่นและอนุภาค ไปอธิบายทฤษฎีอะตอมของบอร์ ข้อ 2 ให้สมบูรณ์ ขึ้น โดยอธิบายว่าอิเล็กตรอนที่จะไม่มีการแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา อิเล็กตรอนตัวนั้นต้องแสดงสมบัติเป็นคลื่นนิ่ง โดยมีความยาวของเส้นรอบวงเป็นจำนวนเต็มเท่าของความยาวคลื่นของอิเล็กตรอน ถ้าคิดว่าอิเล็กตรอนเป็นอนุภาค จะไม่สามารถอธิบายได้

ดังนั้นจึงสรุปได้ว่าแสงมีคุณสมบัติคู่คือเป็นได้ทั้งคลื่นแสงและอนุภาค ขึ้นอยู่กับสถานการณ์นั่นเอง ในบางสถานการณ์เช่น การทดลองสลิตคู่ แสงชอบในการเป็นคลื่นมากกว่า มันจึงแสดงคุณสมบัติของความเป็นคลื่น ในขณะที่บางสถานการณ์แสงอยากเป็นอนุภาคมากกว่า เช่น ในปรากฎการณ์โฟโตอิเล็กทริกนั่นเอง

จากทฤษที่ว่า แสงมีลักษณะเป็นสมบัติคู่ คือเป็นได้ทั้งคลื่นและอนุภาค และถึงแม้ว่ามีการทดลองมากมายที่ประสบความสำเร็จในการสังเกตคุณสมบัติความเป็นอนุภาคและคลื่นของแสง แต่การทดลองเหล่านั้นก็ไม่ได้สังเกตคุณสมบัติเหล่านี้ในเวลาเดียวกัน

ภาพถ่ายครั้งแรกของแสงในรูปอนุภาคและคลื่น

นักวิทยาศาสตร์จาก EPFL ได้สามารถบันทึกภาพของแสงซึ่งมีทั้งคลื่นและอนุภาพได้ในเวลาเดียวกัน งานวิจัยที่ยิ่งใหญ่ชิ้นนี้ได้ถูกตีพิมพ์ในวารสารNature Communications ทีมวิจัยนำโดย Fabrizio Carbone จาก EPFL ได้ทำการดำเนินการทดลอง โดยการใช้อิเล็กตรอนในการถ่ายภาพแสง พวกเขาได้ทำการเก็บภาพของแสงเป็นครั้งแรก

การทดลองนี้เริ่มจากการปล่อยลำแสงเลเซอร์ไปยังสายไฟโลหะขนาดระดับนาโน ลำแสงเลเซอร์นี้จะไปเพิ่มพลังงานให้กับอนุภาคที่มีประจุในสายไฟ ทำให้อนุภาคเหล่านั้นเกิดการสั่น

แสงเดินทางตามสายไฟขนาดเล็กนี้ในสองทิศทางที่เป็นไปได้ เสมือนกับรถที่เดินทางบนถนนทั้งขาไปและขากลับ เมื่อคลื่นแสงเดินทางในทิศทางตรงกันข้ามมาเจอกัน จะก่อให้เกิดคลื่นใหม่ซึ่งเรียกว่า คลื่นนิ่ง (standing wave) คือคลื่นที่ไม่เคลื่อนที่ และคลื่นนิ่งซึ่งแผ่รังสีไปรอบรอบสายไฟนี้จะกลายเป็นแหล่งกำเนิดแสงสำหรับการทดลอง

ทีมนักวิจัยได้ทำการยิงลำอิเล็กตรอนไปใกล้กับสายไฟ และใช้มันสำหรับการถ่ายภาพคลื่นนิ่งของลำแสงนั้น เมื่ออิเล็กตรอนเกิดปฎิกิริยากับลำแสงที่กำลังแผ่มาจากสายไฟนั้น พวกมันจะถูกทำให้เร็วขึ้นหรือช้าลง ด้วยการใช้กล้องจุลทรรศน์ความเร็วสูงในการถ่ายภาพบริเวณที่มีการเปลี่ยนแปลงของความเร็วของอิเล็กตรอนนี้ เหล่านักวิจัยก็สามารถสร้างภาพและมองเห็นคลื่นแสงได้ ซึ่งทำหน้าที่คล้ายลายนิ้วมือของคลื่นแสงตามธรรมชาติ

-ขอขอบคุณ https://www.scimath.org/lesson-physics/item/7311-2017-06-14-15-35-21