STKC

10 อันดับการทดลองทางวิทยาศาสตร์ที่งดงามที่สุด (11)
การแทรกสอดของอิเล็กตรอน
Young's double-slit experiment applied to the interference of single electrons


สุรศักดิ์  พงศ์พันธุ์สุข
กลุ่มวิจัยและพัฒนานิวเคลียร์
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)

ทั้ง เซอร์ไอแซก นิวตัน (Sir Isaac Newton) และ ทอมัส ยัง (Thomas Young) ไม่ได้ถูกต้องทั้งหมดเกี่ยวกับ ธรรมชาติของแสง เพราะจะบอกง่าย ๆ อย่างนิวตันว่าแสงเป็นอนุภาค ก็พูดไม่ได้เต็มปาก หรือจะอธิบายแท้ ๆ อย่าง ทอมัส ยัง ว่าแสงเป็นคลื่น ก็ไม่ได้อีกเช่นกัน เพราะถึงแม้เมื่อตอน 5 ปีแรกของศตวรรษที่ 20 มัคซ์ พลังค์ (Max Planck) และถัดมาก็ แอลเบิร์ต ไอน์สไตน ์ (Albert Einstein) ตามลำดับ ที่ได้แสดงให้เห็นว่า แสงถูกปลดปล่อยและ ดูดกลืนในลักษณะเป็นอนุภาคกลุ่มย่อย ๆ หรือ “แพกเกต” (packet) ที่เรียกว่า โฟตอน (photon) แต่ทว่าการทดลอง อื่น ๆ ต่อมา กลับแสดงให้เห็นตาม ๆ กันมาว่าแสงก็ เป็นคลื่นเช่นกัน

จากนั้นพัฒนาการ ของ ทฤษฎีควอนตัม (quantum theory) ใน 2-3 ทศวรรษต่อมา ก็ประนีประนอมแนวคิดทั้งสองว่า เป็นไปได้ทั้งคู่ กล่าวคือ โฟตอนและอนุภาคย่อยกว่าอะตอม (subatomic particle) ทั้งหลาย เช่น อิเล็กตรอน โปรตอน ล้วนแสดงคุณภาพที่เติมเต็มกันและกันคือเป็นทั้งคลื่นและอนุภาค อย่างที่นักฟิสิกส์เรียกขานกันว่า เวฟวิเคิล (wavicle)

ในการอธิบายเรื่องนี้นักฟิสิกส์พากันพูดว่า ให้เลียนแบบการทดลองกับแสงข อง ทอมัส ยัง คือ การสาธิตดับเบิลสลิต ของยัง (Young’s double –slit demonstration) แต่เปลี่ยนมาใช้ “ลำอนุภาคอิเล็กตรอน” แทนการใช้ “แสง” ซึ่ง กระแสของอนุภาคก็จะเป็นไปตามกฎของกลศาสตร์ควอนตัม คือจะแยกออกเป็นสองส่วนที่เล็กลงและ แทรกสอด (interference) กันและกัน และจะปรากฏเห็นเป็นแถบมืดกับสว่างทาบบนฉากแบบเดียวกับแสง อันแสดงว่าอนุภาคมี พฤติกรรมเช่นเดียวกับคลื่น

หลักการของ การทดลองดับเบิลสลิต คือ แสงจากต้นกำเนิดแสงผ่าน Q คือ ช่องยาวรีเดี่ยว (single slit) จากนั้นผ่านมายัง O และ O’ คือ ช่องยาวรีคู่ (double slit) จึงเป็นแสงอาพันธ์ (coherent light) จากสองแหล่งที่สามารถเกิดการแทรกสอด (interference) ซึ่งกันและกัน (http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/7/70/Youngs_slits.gif)

จากภาพ a ถึง e อิเล็กตรอนจากดับเบิลสลิตค่อย ๆ ก่อตัวจนเห็นเป็นแถบอย่างชัดเจน (http://en.wikipedia.org/wiki/File:Double-slit_experiment_results_Tanamura _2. jpg)

แต่ที่กล่าวมานี้ ต้องรอจนถึง ค.ศ. 1961 เคลาส์ เยินส์สัน (Claus J?nsson) ที่มหาวิทยาลัยทือบิงเงน (T?bingen) ประเทศเยอรมนีจึงทำการทดลองนี้ให้เห็นเป็นจริงได้สำเร็จ และขณะนั้นก็ไม่มีใครตื่นเต้นอย่างจริงจังกับผลการทดลอง นั้น รวมทั้งรายงานการทดลองก็ซึมซับหายไปในวงการวิทยาศาสตร์อย่างเงียบเชียบ

ความงดงามของการทดลองนี้จัดอยู่ในอันดับที่หนึ่ง

สรุป 10 อันการทดลองทางวิทยาศาสตร์ที่งดงามที่สุด

1

Young's double-slit experiment applied to the interference of single electrons (1961)

2

Galileo's experiment on falling bodies (1600s)

3

Millikan's oil-drop experiment (1910s)

4

Newton's decomposition of sunlight with a prism (1665-1666)

5

Young's light-interference experiment (1801)

6

Cavendish's torsion-bar experiment (1798)

7

Eratosthenes' measurement of the Earth's circumference (3rd century BC)

8

Galileo's experiments with rolling balls down inclined planes (1600s)

9

Rutherford's discovery of the nucleus (1911)

10

Foucault's pendulum (1851)