แสงคืออะไรและมีมวลหรือไม่ ?
ธรรมชาติของแสง (Light) เป็นสิ่งที่มนุษย์สนใจศึกษามาช้านาน แม้แสงจะช่วยให้เรามองเห็นสิ่งต่างๆได้ แต่ธรรมชาติพื้นฐานของมันกลับลึกลับเสียจนยิ่งศึกษาเพื่อทำความเข้าใจมันเท่าไหร่ กลับยิ่งมีปริศนาใหม่ๆผุดออกมาท้าทายมากขึ้นเท่านั้น
ในบทความนี้ จะเริ่มต้นจากการอธิบายธรรมชาติของแสงในกรอบทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าก่อน
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Wave) คือ สนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าที่สั่นไหวไปมา โดยการเปลี่ยนแปลงของสนามไฟฟ้าจะเหนี่ยวนำให้เกิดสนามแม่เหล็กและการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กจะเหนี่ยวนำให้เกิดสนามไฟฟ้าอย่างต่อเนื่อง คลื่นชนิดนี้จึงแผ่กระจายได้โดยไม่ต้องอาศัยตัวกลางใดๆ ถ้าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีความยาวคลื่นในช่วงราวๆ 400- 700 นาโนเมตร ดวงตามนุษย์เราจะสามารถมองเห็นได้ นั่นก็คือแสงนั่นเอง ส่วนความยาวคลื่นช่วงอื่นๆนั้นตาเรามองไม่เห็น แต่อุปกรณ์ที่ถูกออกแบบมาอย่างดีสามารถตรวจจับได้ *
แต่ไม่ว่าเราจะมองเห็นมันหรือไม่ ทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า แสดงให้เห็นว่าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทุกรูปแบบล้วนเดินทางในสุญญากาศด้วยอัตราเร็วเท่ากันหมด คือ 299,792,458 เมตร ต่อวินาที และมีคุณสมบัติพื้นฐานตั้งแต่การหักเห เลี้ยวเบน ฯลฯ ไม่ต่างกัน
แต่การปฏิวัติเกิดขึ้น เมื่ออัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ นำเสนอทฤษฎีที่ใช้อธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกส์ เขาเสนอว่าแสงนอกจากจะมีคุณบัติของคลื่น ยังมีคุณสมบัติของอนุภาคเรียกว่า โฟตอน (Photon) ด้วย นอกจากนี้ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ยังทำนายว่าแสงจะเดินทางเป็นเส้นโค้งเมื่อเคลื่อนที่เข้าใกล้มวลค่ามากๆ
คำถามคือ อนุภาคแสงมีมวลหรือไม่?
การที่แสงเดินทางเป็นเส้นโค้งเมื่อเคลื่อนที่เฉียดมวล อาจทำให้หลายคนคิดไปว่าแสงมีมวล ไม่ต่างจากสสารต่างๆ ส่งผลให้มันได้รับอิทธิพลจากแรงโน้มถ่วง แต่ในปัจจุบัน นักฟิสิกส์ยอมรับว่า อนุภาคโฟตอนนั้นเป็นอนุภาคที่ไม่มีมวล (Massless particle) หรือ มีมวลเป็นศูนย์ และ ยังมีประจุไฟฟ้าเป็นศูนย์ด้วย
ในมุมมองเชิงทฤษฎี หากอนุภาคโฟตอนมีมวลที่ไม่เป็นศูนย์ มันย่อมไม่สามารถเร็วเท่าแสงได้ เพราะ อนุภาคมีมวลที่เคลื่อนที่เร็วเท่าแสงจะมีค่าพลังงานเป็นอนันต์ ซึ่งขัดแย้งกับค่าพลังงานที่ตรวจวัดได้ทางการทดลอง นอกจากนี้ทฤษฎีฟิสิกส์ที่ใช้อธิบายแรงพื้นฐานก็บ่งชี้ว่าโฟตอนไม่มีมวล ส่วนการทดลองต่างๆก็พบว่าโฟตอนไม่มีมวลเช่นกัน
คำอธิบายเรื่องความโค้งของแสงที่เคลื่อนที่เฉียดใกล้มวล เป็นผลมาจากการที่มวลที่มีค่ามาก ทำให้กาลอวกาศรอบๆโค้งงอ ส่งผลให้แสงเดินทางไปบนความโค้งนั้น ทำให้เราเห็นว่ามันเคลื่อนที่เป็นเส้นโค้ง เส้นทางดังกล่าวเป็นเส้นทางสั้นที่สุดที่แสงใช้ในการเดินทาง คล้ายกับการเส้นทางสั้นที่สุดที่เราจะเดินไปบนผิวโลกย่อมโค้งไปตามผิวโลก
Yarkovsky effect
อย่างไรก็ตาม ถึงแม้แสงจะไม่มีมวล แต่มันก็มีโมเมนตัม ซึ่งโมเมนตัมเป็นปริมาณที่แสดงถึงอำนาจการชน หรือกระแทก (collision) แม้ว่าโมเมนตัมของแสงต่อพื้นที่จะมีค่าน้อยมากจนยากจะสังเกตผลของมัน แต่ผลจากโมเมนตัมของแสงนั้นมีอยู่จริงทำให้แสงมีแรงดัน(radiation pressure) ซึ่งสามารถสังเกตได้กับวัตถุทางดาราศาสตร์ที่มีการหมุนอย่างดาวหาง โดยดาวหางได้รับแรงดันจากแสงอาทิตย์ในขณะที่มันเคลื่อนที่เข้ามาใกล้ดวงอาทิตย์ ทำให้เกิดผลเชิงการเคลื่อนที่ซึ่งปัจจุบันนักดาราศาสตร์ศึกษาปรากฏการณ์นี้กันอยู่ เรียกว่า Yarkovsky effect
อีกทั้งโมเมนตัมของแสงยังทำให้เกิดเทคโนโลยียานอวกาศที่เรียกว่า เรือใบสุริยะ (light sail) ซึ่งใช้แรงดันจากแสงที่ตกกระทบใบเรือที่ทำจากวัสดุบางเบาและมีขนาดใหญ่เพื่อขับเคลื่อนยานไปสำรวจอวกาศได้ ปัจจุบันเทคโนโลยีดังกล่าวมีการระดมทุนเพื่อสร้างขึ้นและกำลังอยู่ในขั้นตอนทดสอบอยู่
หากถามต่อว่าทำไมโฟตอนจึงไม่มีมวล คำถามนี้ตอบได้ด้วยทฤษฎีเกจ (Gauge Theory) ซึ่งกล่าวถึงความสมมาตรทีนำไปสู่คำตอบนี้ได้ ส่วนรายละเอียดจะเป็นอย่างไรนั้นผมจะเล่าให้ฟังในอนาคตครับ
อ้างอิง
*ความยาวคลื่นที่มากกว่าความยาวคลื่นแสง คือ รังสีอินฟราเรด คลื่นไมโครเวฟ และคลื่นวิทยุ
ความยาวคลื่นที่น้อยกว่าความยาวคลื่นแสง คือ รังสียูวี รังสีเอกซ์ และ รังสีแกมมา
- 32
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2025 Blockdit
