ความเร็วแสง
สุทัศน์ ยกส้าน
ภาคีสมาชิกราชบัณฑิตยสถาน

หยิบมือเมื่อเราแหงนมองฟ้า ภายใต้มลภาวะทางแสง และถ้าหากเราเห็นดวงดาวได้เพียงเท่านี้ ทางช้างเผือกที่ค่อนข้างจาง เพราะแสงของมัน ต้องเดินทาง มาจากจุดที่ไกลแสนไกล ก็คงเป็นเรื่องยากเกินเอื้อม ที่เราจะเห็นได้ (ผู้เขียนอาศัยอยู่ชานเมืองใหญ่อย่างกรุงเทพฯ มาร่วมสิบปี เคยได้เห็นทางช้างเผือก จากที่บ้านเพียงแค่สองสามครั้ง ซึ่งก็เป็นเพราะท้องฟ้าในคืนนั้น มีสภาพดีเยี่ยมเป็นพิเศษ เป็นท้องฟ้าหลังฝนตก ทั้งยังมีโชคช่วย นั่นคือไฟฟ้าดับเป็นบริเวณกว้าง) หากต้อการจะเห็นทางช้างเผือก เราคงเลี่ยงไม่ได้ ที่จะต้องเลือกสถานที่ดูดาว ที่อยู่ห่างจากมลภาวะทางแสง ให้มากที่สุด นั่นคือในชนบท โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ตามอุทยานแห่งชาติ และเลือกวัน ที่ปราศจากแสงจันทร์รบกวน ท้องฟ้าไม่มีเมฆหมอกบดบัง
การสังเกตทางช้างเผือกนั้น ไม่ต้องใช้อุปกรณ์อะไรช่วย นอกจากตาเปล่า เพราะมีขนาดใหญ่ และมีความสว่างมากพอสมควร ภายใต้ท้องฟ้าที่ดี อย่างไรก็ตาม การใช้กล้องสองตาส่องเข้าไปสำรวจ ในบริเวณทางช้างเผือก จะทำให้เราเกิดความประทับใจ กับดาวระยิบระยับมากมาย ดุจดั่งเม็ดทราย และจะสามารถสังเกตเห็น กระจุกดาวและกลุ่มก๊าซเรืองแสง สว่างไสวจำนวนมาก รวมทั้งแถบฝุ่นสีคล้ำ ที่บดบังแสงดาวที่หนาแน่นด้วย
หน้าร้อนนี้ ให้โอกาสตัวเองสักครั้ง ที่จะออกไปสัมผัส และรับรู้ว่า รอบๆ ตัวเรานั้น ไม่ได้มีเพียงโลกใบเล็กๆ แคบๆ ที่เต็มไปด้วยมลภาวะดวงนี้เท่านั้น แต่ยังมีอาณาจักรแห่งดวงดาว และเพื่อนบ้านของเรา รอคอยเราอยู่ทุกยามค่ำคืน คัมภีร์ไบเบิลของคริสต์ศาสนา กล่าวว่า เมื่อแรกเริ่ม จักรวาลมืดสนิท จนกระทั่งพระเจ้าได้ประทานแสงให้ แล้วสวรรค์ ก็สว่างไสว แต่ทฤษฎีกำเนิดของจักรวาล ที่นักวิทยาศาสตร์เชื่อขณะนี้ แถลงว่าเมื่อ 13.000 ล้านปีก่อนนี้ จักรวาลได้อุบัติ จากการระเบิดของสสารที่ร้อนจัด และมีความหนาแน่นสูง จนหาที่สุดมิได้ และหลังจากการระเบิดแล้ว การขยายตัวอย่างรวดเร็ว ได้ทำให้อุณหภูมิของจักรวาลลดต่ำลง จนกระทั่ง มีอุณหภูมิเพียง 3.000 องศาสัมบูรณ์ ภายในเวลา 5 แสนปี แล้วอุณหภูมิก็ลดต่ำอีก เมื่อรังสีต่างๆ ที่แผ่กระจายทั่วจักรวาล กลายเป็นรังสีอินฟราเรด จากนั้น จักรวาลก็มืดสนิทอีกครั้งหนึ่ง และเมื่อเวลาที่ผ่านไป นานประมาณ 1,000 ล้านปี ยุคมืดของจักรวาลก็สิ้นสุดลง เมื่อดาวฤกษ์ต่างๆ เริ่มถือกำเนิด และแรงดึงดูดแบบโน้มถ่วง ได้ทำให้ปฏิกิริยานิวเคลียร์ในดาวฤหษ์ ปลดปล่อยแสง จักรวาลจึงได้ลุกโชติช่วงชัชวาล อีกคำรบหนึ่ง
ทุกวันนี้ นักวิทยาศาสตร์ได้ตระหนักแล้วว่า แสงเป็นสารที่ลึกลับที่สุดชนิดหนึ่งในจักรวาล ในอดีตเมื่อ 330 ปีก่อนนี้ lsaac Newton เชื่อว่า แสงประกอบด้วยอนุภาคเล็ก ๆ ที่เคลื่อนที่ไป ในแนวเส้นตรง ดังนั้น เวลาแสงตกกระทบกระจก มันจะสะท้อน ในลักษณะเดียวกันกับ เวลาลูกบอลชนกำแพงแต่ ในปี 2345 Thomas Young ได้แสดงให้โลกประจักษ์ว่า แสงมีธรรมชาติเสมือนคลื่น เพราะเวลาเรารวมแสง มันสามารถหักล้าง หรือเสริมกันได้ เช่นเดียวกับคลื่นทั่วไป อีกทั้งสามารถเลี้ยวเบน เวลาเคลื่อนที่ ผ่านใกล้ขอบของวัสดุ เหมือนการเคลื่อนที่ ของคลื่นน้ำในสระ ซึ่งมุมมองนี้ ได้รับการยืนยันโดย James Clerk Maxwell ซึ่งเป็นผู้ที่ได้พบว่า แสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดหนึ่ง เพราะมันมีทั้งสนามไฟฟ้า และสนามแม่เหล็กในตัวของมัน และสำหรับแสงที่ตาเรามองเห็นนั้น จะมีความยาวคลื่นตั้งแต่ 400-700 นาโนเมตร (1 นาโนเมตร = 10-9 เมตร) แต่การทดลองศึกษา คุณสมบัติของแสง ขณะทำปฏิกิริยากับสสาร เมื่อต้นคริสต์ศตวรรษที่ 20 นี้ กลับทำให้นักฟิสิกส์ตระหนักว่า แสงสามารถ แสดงคุณสมบัติของคลื่น หรืออนุภาคได้ ซึ่งมันจะแสดงคุณสมบัติ ด้านคลื่น หรืออนุภาค ก็ขึ้นกับสิ่งแวดล้อม และสถานการณ์ที่เราทดลอง
ส่วนชาวบ้านนั้น ก็รู้ว่าแสงมีความเร็วที่สูงมาก จนไม่มีสสารอะไร หรือใครในจักรวาล จะมีความเร็วเท่า และแสงไม่อยู่นิ่ง คือมันจะเคลื่อนที่ตลอดเวลา และนักเรียนก็รู้ว่า นักวิทยศาสตร์ใช้ความเร็วแสง เป็นตัวกำหนดความยาวมาตรฐาน 1 เมตร เป็นต้น
ทุกวันนี้ นักวิทยาศาสตร์ และนักเทคโนโลยีทุกคนรู้ดีว่า การรู้ความเร็วแสงอย่างถูกต้อง เป็นเรื่องที่มีความสำคัญมาก สมการ E=mc2 ของ Einstein แสดงให้เห็นว่า หากเราทำให้มวล m กิโลกรัมของสสาร สลายหายไป เราก็จะได้พลังงาน E จูล ซึ่งหาได้จาก การเอา m คูณด้วยความเร็วแสง ( c ) ยกกำลัง และในทางตรงกันข้าม หากเรากำจัดพลังงาน E จูล เราก็จะได้สสารที่มีมวล m กิโลกรัม ซึ่งมีค่าเท่ากับ E/c2 เช่นกัน หรือในกรณีทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ ของ Einstein ซึ่งระบุว่า ใครก็ตาม ที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสม่ำเสมอ ไม่ว่าจะเคลื่อนที่ เข้าหาหรือออกจากแหล่งแสง เขาก็จะวัดความเร็วของแสง ได้ 299,792,458 เมตร/วินาทีเสมอ นอกจากนี้ ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ ยังมีบทบัญญัติอีกว่า มนุษย์ไม่สามารถออกแรงผลักวัตถุ จนวัตถุมีความเร็วเท่าแสง ทั้งนี้เพราะ เวลาวัตถุมีความเร็ว มวลของมันจะเพิ่ม และเมื่อมันมีมวลมากขึ้น แรงที่จำเป็นในการผลักมัน ก็มากตาม และเมื่อวัตถุมีความเร็วใกล้แสง มวลของวัตถุก็จะมากมหาศาล ซึ่งนั่นก็หมายความว่า เราต้องออกแรงมาก จนหาที่สุดมิได้ ซึ่งเราไม่มี ยกตัวอย่างเช่น ขณะที่อิเล็กตรอน มีความเร็วเท่ากับ 99.99995% ของแสง มวลของมันได้เพิ่มมากเป็น 1,000เท่าของมวลขณะอยู่นิ่ง หรือในการวัดระยะทาง ระหว่างโลกกับดวงจันทร์ ถ้าเรารู้เวลา ที่แสงเดินทาง จากโลกถึงดวงจันทร์แล้ว สะท้อนกลับมาสู่โลก หากคูณเวลาดังกล่าว ด้วยความเร็วแสง แล้วหารด้วยสอง เราก็จะรู้ระยะห่างระหว่างโลกกับดวงจันทร์ทันที เป็นต้น
ตามปกติ เวลาแสงเคลื่อนที่ผ่านสุญญากาศ ไม่ว่าแสงนั้น จะเป็นแสงอินฟราเรด หรือแสงอัลตราไวโลเลต ความเร็วของแสงที่วัดได้ จะเท่ากันเสมอ แต่เวลาแสงที่เคลื่อนผ่านสสาร เช่น น้ำ หรือ อากาศ หรือ แก้ว ความเร็วแสงในสสาร จะน้อยกว่าความเร็วแสงในสุญญากาศเสมอ นักฟิสิกส์เรียกอัตราส่วน ระหว่างความเร็วแสงในสุญญากาศ กับความเร็วในสสารว่า ดัชนีหักเหของสสารนั้นๆ เช่น เวลาเรากล่าวว่า ดัชนีหักเหของเพชร เท่ากับ 2.4 นั่นหมายความว่า แสงเคลื่อนที่ในสุญญากาศ ได้เร็วกว่าในเพชร 2.4 เท่า
ประวัติศาสตร์ได้จารึกว่า ในปี 2150 Galileo เป็นบุคคลแรก ที่ได้พยายามวัดความเร็วแสง โดยให้ชายสองคน ยืนถือตะเกียงบนยอดเขาสองลูก ที่อยู่ห่างกันประมาณ 10 กิโลเมตร และตะเกียงมีที่ปิด-เปิดแสง การไม่มีนาฬิกาจับเวลาที่มีสมรถภาพ ทำให้ Galileo ประสบความล้มเหลว ในการวัดความเร็วแสง เพราะผู้ทดลองได้รายงานการเห็นแสงตะเกียง อย่างทันทีทันใด จนเขาไม่สามารถจับเวลา ที่แสงเดินทางได้ Galileo จึงสรุปเพียงว่าแสงมีความเร็วที่สูงมาก
ต่อมาในปี 2219 นักดาราศาสตร์ชาวเดนมาร์กชื่อ Oie Romer ก็ได้ชื่อว่าเป็นผู้ประสบความสำเร็จ ในการวัดความเร็วแสงเป็นคนแรก โดยการสังเกตดูปรากฏการณ์จันทรุปราคา ของดาวพฤหัสบดี ขณะดวงจันทร์ชื่อ Io โคจรหายลับ ข้างหลังดาวพฤหัสบดี ซึ่งเขาได้พบว่า เวลาโลกอยู่ใกล้ดาวพฤหัสบดีมากที่สุด และเวลาที่โลกอยู่ไกลจากดาวพฤหัสบดีมากที่สุด คืออีก 6 เดือนต่อมา ดวงจันทร์ Io ใช้เวลาหายลับไปเบื้องหลังดาวพฤหัสบดี นานต่างกันประมาณ 1,450 วินาที Romer ให้เหตุผลของเวลาที่แตกต่างกันนี้ว่า มันเป็นเวลาที่แสงใช้ในการเดินทาง ข้ามวงโคจรของโลกรอบดวงอาทิตย์ และเมื่อเขาใช้ตัวเลขความยาว เส้นผ่าศูนย์กลางวงโคจรของโลก 311 ล้านกิโลเมตร (ตัวเลขขณะนั้น) เขาวัดความเร็วแสงได้เท่ากับ 214,482 กิโลเมตรต่อวินาที (ซึ่งผิดพลาดจากตัวเลขจริงประมาณ 28.5 %)
การวัดความเร็วแสงในเวลาต่อมา ได้รับการพัฒนาให้ถูกต้อง และละเอียดยิ่งขึ้น โดยใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ แทนเครื่องจักรกล จนทำให้ความเร็วแสง เป็นปริมาณที่นักวิทยาศาสตร์ สามารถวัดได้ ถูกต้องที่สุดค่าหนึ่งในธรรมชาติ (ผิดพลาดไม่เกิน 0.0006671 %) ดังนั้นในปี 2526 สมาพันธ์วิทยาศาสตร์นานาชาติ จึงได้กำหนดให้แสง มีความเร็ว 299,792,458 เมตรต่อวินาที ตลอดไป และได้กำหนดความยาวมาตรฐาน 1 เมตรใหม่ โดยให้เป็นระยะทางที่แสงเคลื่อนที่ได้ ใน 1/299,792,458 วินาที
แม้ว่าความเร็วของอนุภาคใดๆ จะสูงกว่าความเร็วแสง ในสุญญากาศไม่ได้ก็ตาม แต่เราสามารถเร่งอนุภาค ให้มีความเร็ว สูงกว่าความเร็วแสง ในสสารได้ เช่น เรารู้ว่าความเร็วแสงในน้ำเท่ากับ 0.6 เท่าของความเร็วแสงในสุญญากาศ ทั้งนี้เพราะเวลาแสงเคลื่อนที่ผ่านไปในน้ำ ขณะมันพุ่งผ่านอะตอม ของไฮโดรเจนและออกซิเจน อิเล็กตรอนในอะตอมของธาตุทั้งสอง จะดูดกลืนแสง แล้วปลดปล่อยแสงนั้นออกมาอีก การเสียเวลาเยี่ยงนี้ ทำให้แสงเคลื่อนที่ไปในน้ำ ได้ช้ากว่าเวลาที่มันเคลื่อนที่ ผ่านสุญญากาศ ซึ่งมันไม่ได้ปะทะอะไรเลย แต่ถ้าเรามีอนุภาคนิวตรอน ที่มีความเร็ว 0.8 เท่าของความเร็วแสงในสุญญากาศ พุ่งผ่านในน้ำ อันตรกริยา (interaction) ระหว่างนิวตรอนความเร็วสูง กับอะตอมของไฮโดรเจน และออกซิเจน จะทำให้นิวตรอน แผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งจะปรากฏทุกครั้ง ที่ความเร็วของนิวตรอน สูงกว่าความเร็วของแสงในน้ำ นักฟิสิกส์เรียกรังสีดังกล่าวนี้ว่า รังสี Ceren kov ซึ่งสามารถเห็นได้ ในน้ำที่หล่อเลี้ยงเตาปฏิกรณ์ปรมาณู เป็นต้น
ถึงแม้เรารู้ว่า ความเร็วแสงในสสาร จะน้อยกว่าความเร็วแสง ในสูญญากาศก็ตาม แต่ความเร็วดังกล่าวก็ไม่เคยน้อยกว่า 50 % ดังนั้นเมื่อ Lene Vestergaard Hau แห่งมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด ในสหรัฐอเมริกา ได้แถลงในปี 2541 ว่า เธอพบวิธีชะลอแสง จนกระทั่งมีความเร็วเพียง 17 เมตรต่อวินาที ซึ่งนับว่าช้ากว่าความเร็ว ของจักรยานเพียงเล็กน้อยเท่านั้นเอง วงการวิทยาศาสตร์จึงตื่นเต้น กับข่าวความสำเร็จนั้นมาก และเมื่อปีกลายนี้ Hau ก็ได้ประกาศ อีกว่าเธอพบ วิธีบังคับแสง แทบไม่ให้เคลื่อนที่ไปไหนมาไหน คือให้อยู่นิ่ง ๆ ได้โดยใช้สสาร BEC (Bose Einstein Condensate) เป็นตัวกักขัง โลกเคยรู้ว่าสสารในธรรมชาติมี 4 สถานะ คือ ของแข็ง ของเหลว ก๊าซ และพลาสมา (plasma) บัดนี้โลกได้รู้เพิ่มว่า BEC เป็นสสารสถานะที่ 5 เพราะประกอบด้วย อะตอมที่มีคุณสมบัติเหมือนกันทุกประการ และมีอุณหภูมิประมาณ 0.000.0001 องศาสัมบูรณ์ ในการทดลองชะลอแสงนั้น Hau ได้พบว่า เมื่อเธอปล่อยคลื่นแสงเลเซอร์ ที่ยาว 1 กิโลเมตร ให้กระทบ BEC ซึ่งประกอบด้วย อะตอมของโซเดียม ที่ลอยอยู่ในภาชนะ และความดันในภาชนะเท่ากับ 0.00.000.000.000.001 เท่าของความดันบรรยากาศ อะตอมจำนวน 2.5 ล้านอะตอมของ BEC ได้ชะลอความเร็วของแสงลง จนเหลือเพียง 17 เมตรต่อวินาที โดยคลื่นแสงที่เคยมีความยาว 1 กิโลเมตร ได้หดตัวลงจนมีความยาวเพียง 10 เมตร และเมื่อคลื่นเคลื่อนที่ผ่านทะลุ BEC ไปแล้ว มันก็พุ่งต่อไป ด้วยความเร็ว 299,792,458 เมตรต่อวินาที Hau อธิบายเหตุการณ์นี้ว่า เปรียบเสมือนกับการยืนอยู่ใกล้ทางรถไฟ แล้วมีแผ่นกระดาษขนาดใหญ่ ขึงขวางทางรถไฟ ขณะที่รถไฟ พุ่งชนแผ่นกระดาษ เราก็คาดหวังว่า แผ่นกระดาษจะขาดกระจุย แต่ผลปรากฎว่า เมื่อหัวรถจักรกระทบกระดาษ มันถูกกระดาษดูดกลืน แล้วภายในเวลา 2 วินาที รถไฟทั้งขบวนก็หายเข้าไปในกระดาษ จากนั้นทุกอย่างก็สงบเงียบ แล้วอีก 1 วินาทีต่อมา หัวรถจักร ก็ปรากฎอีกทางด้านหนึ่งของกระดาษ พร้อมกับนำขบวนรถไฟ ที่มีความยาวเท่าเดิม พุ่งต่อไปด้วยความเร็วเดิมจนสายตา
นักวิทยาศาสตร์หลายคนคิดว่า เทคโนโลยีการชะลอและหยุดแสงวิธีนี้ จะมีประโยชน์มาก ในการทำคอมพิวเตอร์ควอนตัม (quantumcomputer) ในอนาคต เพราะมีความฝันว่า จะสร้างคอมพิวเตอร์ที่ใช้อะตอม แทนที่จะใช้อิเล็กตรอน ในการนำข้อมูล และคำนวณมานานแล้ว ดังนั้นการรู้วิธีควบคุม สถานะของอะตอมใน BEC และรู้ทฤษฎีควอนตัม จะทำให้เรามีโพรเซสเซอร์ (processor) ที่มีสมรรถภาพสูงมากยิ่งไปกว่านั้น การรู้วิธีทำให้แสงมีความเร็วต่ำ จะช่วยให้นักฟิสิกส์เข้าใจเหตุการณ์ที่เกิดขึ้น ในบริเวณรอบ ๆ หลุมดำดีขึ้นอีกด้วย
นักวิทยาศาสตร์อีกหลายคน ก็กำลังตื่นเต้น กับการใช้เทคนิคนี้ ในการทำอินเทอร์เน็ตควอนตัม (quantum internet) ซึ่งใช้แสงจากกลุ่มอะตอมใน BEC นำข้อมูลไปสู่กลุ่มอะตอมในอีก BEC หนึ่ง แต่ความเป็นไปได้ในการส่งอีเมล์ลักษณะนี้ คงต้องคอยอีกนาน
ถึงแม้ว่า ณ วันนี้ นักวิทยาศาสตร์ส่วนมาก จะมีความเห็นพ้องกันว่า ความเร็วแสงเป็นค่าที่ไม่แปรเปลี่ยน (คือ 299,792,458 เมตรต่อวินาทีเสมอไป) แต่ก็มีนักฟิสิกส์บางคน ที่คิดว่าเมื่อจักรวาลถือกำเนิด หลังการระเบิดครั้งยิ่งใหญ่ใหม่ๆ แสงมีความเร็วสูง ยิ่งกว่าปัจจุบันมาก อันเป็นผลสืบเนื่องจา การขยายตัวของจักรวาลอย่างรวดเร็ว แบบ exponential นั่นคือ ความเร็วแสงขึ้นกับอายุของจักรวาล แต่เมื่อไม่มีวิธีใดจะทดสอบความคิดนี้ นักฟิสิกส์ส่วนมาก จึงยังไม่ยินยอม น้อมรับในความถูกต้องของเรื่องนี้
ดังนั้นเราอาจสรุปได้ว่า จากหลักฐานที่ปรากฏ จนกระทั่งถึงวินาทีนี้ ไม่ว่าธรณีจะถล่ม ทวีปจะทลาย อารยธรรมจะสลาย หรือมนุษย์จะมลายหมดโลก ความเร็วแสงในสุญญากาศ ก็ไม่มีวันเปลี่ยน ชั่วนิรันดร์
 
รูปบน: อุปราคาของดวงจันทร์ M ขณะโคจรไปอยู่เบื้องหลังดาวพฤหัสบดี J ซึ่งใช้เวลานานประมาณ L/c เมื่อ L คือระยะทางระหว่างโลกกับดาวพฤหัสบดี และ c คือความเร็วแสง
รูปล่าง: ในอีก 6 เดือนต่อมา เมื่อโลกอยู่อีกด้านหนึ่งของวงโคจร และดาวพฤหัสบดี ได้เคลื่อนที่ไปประมาณ 15 องศา เวลาในการเกิดอุปราคา ณ ตำแหน่งนี้ นานประมาณเท่ากับ ความยาว (L+D)/c เมื่อ D คือความยาวเส้นผ่าศูนย์กลางวงโคจรของโลกรอบดวงอาทิตย์