กำเนิดแห่งทฤษฎีควอนตัม: การแผ่รังสีของวัตถุร้อน
ในช่วงปี ค.ศ. 1890 นั้น นักฟิสิกส์สามารถใช้ทฤษฎีที่มีอยู่อธิบายธรรมชาติได้อย่างกว้างขวาง
- ทฤษฎีกลศาสตร์และกฎแรงโน้มถ่วงของนิวตัน ใช้อธิบายการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ ได้จนถึงการเคลื่อนไหวของลูกปืนใหญ่
- เทอร์โมไดนามิกส์ (Thermodynamics)ใช้อธิบายธรรมชาติของความร้อน อุณหภูมิ และสมบัติเชิงความร้อนของสสาร
- ทฤษฎีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic theory)ใช้อธิบายคุณลักษณะของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอย่างแสง สนามไฟฟ้า สนามแม่เหล็ก
ทั้งหมดนี้เรียกรวมๆได้ว่า ฟิสิกส์แบบฉบับ (classical physics) ซึ่งเกิดขึ้นจากการสะสมองค์ความรู้ด้านการสังเกต ทดลอง และวิเคราะห์ ผ่านกาลเวลามาอย่างยาวนาน นับตั้งแต่ยุคของกาลิเลโอ
พลังแห่งการอธิบายธรรมชาติของฟิสิกส์แบบฉบับนำไปสู่การสร้างสรรค์เครื่องไม้เครื่องมือ จนถึงโครงสร้างทางวิศวกรรมมากมายตราบจนทุกวันนี้ แต่ในช่วงปี ค.ศ. 1890 นั้น ไม่มีใครรู้เลยว่าโลกฟิสิกส์กำลังจะได้พบกับสิ่งใหม่ที่จะทำลายหลักความเชื่อเก่าๆลงจนแทบไม่เหลือเค้าเดิม โดยเริ่มจากปัญหาการแผ่รังสีของวัตถุร้อน
เมื่อเหล็กถูกเผาจนร้อนจัด มันจะเปล่งแสงสีแดง
แต่ถ้าเผาด้วยอุณหภูมิที่สูงขึ้น มันจะเปล่งสีส้มและเมื่อมันร้อนยิ่งขึ้นไปอีกมันจะเปล่งสีเหลืองสว่าง ความพยายามอธิบายปรากฏการณ์ดังกล่าวจนเกิดเป็นกฎหลักๆขึ้นมา 2 ข้อ
1. นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน ชื่อ วิลเฮ็ล์ม วีน (Wilhelm Wien) สามารถใช้ความรู้เกี่ยวกับเทอร์โมไดนามิกส์และทฤษฎีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า อธิบายได้อย่างชัดเจนว่า ยิ่งวัตถุมีอุณหภูมิสูง สีที่มันจะเปล่งออกมาให้เราเห็นนั้นยิ่งมีความถี่สูง การค้นพบดังกล่าวมีชื่อว่า กฎการกระจัดของวีน (Wien's displacement law) ซึ่งเป็นประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับการระบุอุณหภูมิของดาวฤกษ์ ดาวฤกษ์ที่มีอุณหภูมิสูงจะเป็นสีน้ำเงิน ส่วนดาวฤกษ์อุณหภูมิต่ำจะปรากฏเป็นสีแดง
2. นักฟิสิกส์ชื่อ โจเซฟ สเตฟาน (Josef Stefan) นำผลการทดลองเรื่องนี้มาวิเคราะห์จนได้ข้อสรุปเชิงคณิตศาสตร์ที่ชัดเจนว่ายิ่งวัตถุมีอุณหภูมิสูง พลังงานโดยรวมที่มันเปล่งออกมาก็จะยิ่งมาก และต่อมา ลุดวิก โบลตซ์มาน (Ludwig Boltzmann) ลูกศิษย์ของเขาสร้างทฤษฎีมารองรับ การค้นพบนี้มีชื่อว่ากฎของสเตฟาน-โบลตซ์มาน (Stefan–Boltzmann law) ซึ่งใช้ในการคำนวณพลังงานที่แผ่ออกจากดวงอาทิตย์ จนถึง รังสีความร้อนที่แผ่ออกมาจากร่างกายมนุษย์ได้
การแผ่รังสีของวัตถุที่ร้อนดูเหมือนจะไม่มีปัญหาอะไร
แต่จริงๆแล้วธรรมชาติของมันซับซ้อนไปกว่านั้น
เหล็กที่ร้อนจัดจนเราเห็นว่าเปล่งสีแดงนั้นมีการแผ่รังสีออกมาทุกช่วงความยาวคลื่น ทั้งม่วง คราม น้ำเงิน เขียว เหลือง ส้ม แดง แต่ที่เราเห็นเพียงสีแดงเป็นเพราะว่ามันเปล่งสีแดงออกมามากที่สุดจนกลบสีอื่นๆหมด ดังนั้นถ้าเรามีเครื่องวัดที่ละเอียดพอ เราจะพบว่ามันเปล่งสีอื่นๆออกมาด้วย แต่น้อยกว่าสีแดง
ปัญหาเริ่มเกิดขึ้นเมื่อนักฟิสิกส์พยายามสร้างกฎที่อธิบายได้อย่างครอบคลุมว่าวัตถุร้อนจะเปล่งสีใด ที่ความเข้มเท่าใด ไม่ใช่แค่ทำนายว่ามันจะเปล่งสีใดออกมามากที่สุด แต่ต้องอธิบายได้ทุกสีที่มันเปล่งออกมา
ผลการคำนวณด้วยทฤษฎีแบบคลาสสิคให้ผลลัพธ์ว่า วัตถุร้อนจะเปล่งรังสีความยาวคลื่นสั้นออกมามากที่สุด พูดง่ายๆว่ามันบ่งชี้ว่าเหล็กร้อนๆจะเปล่งสีม่วงออกมาให้เราเห็นมากกว่าสีอื่นๆเสมอไม่ว่ามันจะมีอุณหภูมิเท่าใด ซึ่งมันไม่สอดคล้องกับการทดลอง
เส้นประคือ ผลการคำนวณด้วยทฤษฎีคลาสสิค ส่วนเส้นทึบรูปภูเขาคือผลการทดลองจริง
การที่ทฤษฎีไม่สามารถอธิบายผลจากการทดลองได้บ่งชี้ถึงปัญหาบางอย่างภายใน นักฟิสิกส์ยุคนั้นพยายามแก้ปัญหานี้ หนึ่งในนั้นคือ นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันผู้มีนามว่า มักซ์ พลังค์ (Max Planck)
เขาพยายามแก้ปัญหานี้ด้วยการลองผิดลองถูก (มั่วไปมั่วมา) จนได้สูตรที่อธิบายการทดลองได้เป็นอย่างดี แน่นอนว่าการสร้างสูตรขึ้นมานั้นนับว่าเจ๋งแล้ว แต่เขายังพบอีกว่า สูตรดังกล่าวถูกสร้างขึ้นได้ด้วยการอธิบายว่า พลังงานที่วัตถุร้อนปลดปล่อยออกมาเกิดจากหน่วยย่อยๆมากมายที่ปลดปล่อยพลังงานออกมาได้ ซึ่งเขาเรียกว่า ตัวสั่น (oscillator)
ตัวสั่นเหล่านี้จะปลดปล่อยพลังงานออกมาแบบเป็นก้อนๆไม่ต่อเนื่อง (พลังงานแต่ละก้อนมีความสัมพันธ์โดยตรงกับความถี่)
Max Planck
แนวคิดนี้นับว่าแปลกประหลาด เพราะกระบวนการเปล่งพลังงานที่ไม่ต่อเนื่องนั้นไม่เคยมีปรากฏในฟิสิกส์แบบฉบับ และไม่เคยมีการทดลองใดๆสังเกตพบ ความไม่ต่อเนื่อง ดังกล่าว ถูกเรียกว่า Plank's quantum hypothesis
คำว่า ควอนตัม แปลว่าความไม่ต่อเนื่อง ซึ่งกฎการแผ่รังสีของพลังค์ ได้กลายเป็นกฎที่ใช้อธิบายการแผ่รังสีดีที่สุด และเป็นจุดเริ่มต้นของทฤษฎีควอนตัม
อย่างไรก็ตามใช่ว่านักฟิสิกส์ในยุคนั้นจะรับได้กับแนวคิดนี้
แต่หลังจากนั้นไม่นานก็มีงานวิจัยหนึ่ง อธิบายธรรมชาติของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าด้วยความไม่ต่อเนื่องของพลังงาน ได้เป็นอย่างดี ซึ่งจะเล่าให้ฟังในครั้งถัดๆไปครับ
- 80
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2025 Blockdit
