Nuclear Science
STKC 2555

นอร์แมน แรมซีย์

สุรศักดิ์ พงศ์พันธุ์สุข
กลุ่มวิจัยและพัฒนานิวเคลียร์
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)

          เพิ่งเขียนถึงนาฬิกาอะตอมเล็กที่สุดไปไม่นาน คราวนี้ขอเขียนถึงคนต้นคิดเทคนิคที่นำมาใช้ผลิตนาฬิกาอะตอม (atomic clock) เขาคือ...
          นอร์แมน แรมซีย์ (Norman Ramsey) นักฟิสิกส์ชาวอเมริกันจากมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด เจ้าของ รางวัลโนเบลร่วม สาขาฟิสิกส์ เมื่อปี 1989 (รางวัลครึ่งหนึ่ง) เพิ่งเสียชีวิตไปเมื่อวันที่ 4 พฤศจิกายน (2554) นี้เอง ด้วยวัย 96 ปี ผลงานของแรมซีย์เจาะลึกโครงสร้างของอะตอมด้วยความเที่ยงสูง ในประกาศรางวัลโนเบลบอกว่า “for the invention of the separated oscillatory fields method and its use in the hydrogen maser and other atomic clocks” ความรู้นี้ต่อมานำมาพัฒนา “นาฬิกาอะตอม” รวมถึงการใช้ประโยชน์ทางการแพทย์อย่างหนึ่ง ซึ่งปัจจุบันใช้กันอย่างกว้างขวาง ได้แก่ การสร้างภาพของนิวเคลียสของอะตอมในร่างกายของเราเพื่อการวินิจฉัยโรค ที่เรียกว่า การสร้างภาพด้วยเรโซแนนซ์แม่เหล็ก (magnetic resonance imaging หรือ MRI)

นอร์แมน แรมซีย์

ผลงานรางวัลโนเบล

atomic-beam magnetic resonance

          ผลงานบุกเบิกของแรมซีย์เมื่อทศวรรษ 1940 สืบทอดมาจากงานของอาจารย์ที่ปรึกษาปริญญาเอกของเขา ซึ่งก็เป็นผู้ได้รับรางวัลโนเบลเช่นกัน คือ อิสิโดร์ ไอแซก ราบิ (Isidor Isaac Rabi) จากมหาวิทยาลัยโคลัมเบีย เมื่อปี 1937 ราบิได้สร้างเทคนิคที่เรียกว่า atomic-beam magnetic resonance เพื่อศึกษาโครงสร้างของอะตอมโดยการ เจาะลึกเข้าไปดูการเปลี่ยนแปลงระดับพลังงานกับรังสี วิธีการคือ การผ่านลำอะตอมผ่านเข้าไปในสนามแม่เหล็กเอกพันธุ์ (homogeneous magnetic field) ก่อน แล้วจึงผ่านต่อไปในสนามแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งมีความถี่การแกว่งกวัดเดี่ยว (single oscillating) ที่พอดีเหนี่ยวนำการเปลี่ยนระดับพลังงาน (transition) ในอะตอม จากสถานะพื้น (ground state) เป็นสถานะกระตุ้น (excited state) ดังนั้น รังสีที่อะตอมปลดปล่อยออกมา จึงมีความถี่ลักษณะเฉพาะ (characteristic frequency) หรือมีความยาวคลื่นซึ่งขึ้นอยู่กับความแตกต่างของพลังงานระหว่าง 2 ระดับ
กรณีที่ความไม่สม่ำเสมอ (inhomogeneity) ของสนามแม่เหล็กเกิดขึ้น พบว่าทำให้เส้นเรโซแนนซ์ (resonance line) กว้างขึ้น และส่งผลลบต่อความแม่นของการทดลอง ในปี 1949 แรมซีย์ได้ดัดแปรวิธีของราบิ โดยการใช้ สนามแกว่งกวัด แยกเป็น 2 สนาม ดังนั้น อะตอมทั้งหลายก็จะเกิดสถานะกระตุ้น ได้ด้วยสนามใดสนามหนึ่งใน 2 ช่วงนี้ จึงเกิดแบบอย่างการแทรกสอด (interference pattern) ที่มีสภาพไว (sensitivity) ขึ้นอยู่กับระยะห่างระหว่าง สนามการแกว่งกวัด ทั้งสอง ซึ่งเทคนิคนี้เพิ่มความแม่นให้แก่วิธีของราบิเป็นอันมาก โดยลดความกว้างของ เส้นสเปกตรัมแทรนซิชัน (transition spectral line) ได้มากถึง 35 เปอร์เซ็นต์

การแทรกสอดเป็นสมบัติของคลื่นที่มีต้นกำเนิดจาก 2 แหล่ง เมื่อมาชนกันก็อาจเสริมหรือหักล้างกัน

          ผลงานนี้เป็นการเปิด “หนทางใหม่” ในการวัดสเปกตัมพลังงานของอะตอมได้แม่นยำยิ่งขึ้น และต่อมา ก็ถูกนำมาใช้กับนาฬิกาอะตอมที่ใช้ซีเซียม ซึ่งให้เวลาที่แม่นยำมีมาตรฐานแก่เราตั้งแต่ปี 1967 เป็นต้นมา นอกจากนี้ในปี 1960 แรมซีย์กับเพื่อนร่วมงานยังได้ริเริ่มพัฒนาเมเซอร์ไฮโดรเจน (hydrogen maser) ซึ่งเป็นอุปกรณ์ผลิต คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอาพันธ์ (coherent electromagnetic waves) โดยร่วมมือกันกับ แดเนียล เคลปป์เนอร์ จากเอ็มไอที

คลื่นอาพันธ์มียอดคลื่น-ท้องคลื่นตรงกัน และมีแอมพลิจูดเท่ากันด้วย

          สองผลงานนี้รวมกันที่ทำให้แรมซีย์ได้รับรางวัลโนเบลครึ่งหนึ่งในปี 1989 อีกครึ่งแบ่งกัน 2 คน คือ ฮันส์ เดห์เมลต์ (Hans Dehmelt) แห่งมหาวิทยาลัยวอชิงตัน และโวล์ฟกัง พอล (Wolfgang Paul) แห่งมหาวิทยาลัยบอนน์ประเทศเยอมนี จากผลงาน “การพัฒนาเทคนิคดักจับไอออน” (development of the ion-trap technique)
แรมซีย์เกิดวันที่ 27 สิงหาคม 1915 ที่วอชิงตัน เรียนคณิตศาสตร์ที่วิทยาลัยโคลัมเบีย นิวยอร์ก และได้ปริญญาตรีเมื่อปี 1935 จากนั้นไปประเทศอังกฤษศึกษาวิชาฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ ได้ปริญญาตรีมาอีกหนึ่งใบ แล้วกลับมาทำปริญญาเอกที่มหาวิทยาลัยโคลัมเบีย ศึกษา “เรโซแนนซ์แม่เหล็ก” ซึ่งเป็นสาขาใหม่ โดยมี ราบิ เป็นอาจารย์ที่ปรึกษา แรมซีย์อยู่ที่โคลัมเบียจนถึงปี 1947 จึงย้ายไปอยู่ที่ มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด จนเกษียณเมื่อปี 1986

จากเรื่อง Norman Ramsey: 1915–2011 โดย Michael Banks บรรณาธิการข่าว Physics World

โพสต์เมื่อ : 22 พฤศจิกายน 2554