02/08/2025
อ่า... จะว่าไงดีล่ะ?
ความเร็วเคลื่อนที่ของโฟตอนอาจไม่คงที่ก็ได้ แต่ความเร็วการตอบสนองต่อสภาพแวดล้อมต่างหากล่ะที่คงที่ อนึ่ง c ใน Maxwell's equation ก็มาจากการใช้ความเร็วเหตุการณ์คือความเร็วการตอยสนองต่อสภาพแวดล้อมไม่ใช่ความเร็วการเคลื่อนที่
ทีนี้ ถ้าแสงเคลื่นที่เร็วไม่เท่ากัน กฏฟิสิกส์จะเพี้ยนไหม? ก็ไม่ เพราะความเร็วเหตุการณ์ ณ จุดหนึ่งในขณะเวลาหนึ่งจะมีความเร็วเดียวเสมอ
แล้วอะไรที่จะทำให้แสงเร็วไม่เท่ากัน? เนื่องจากแสงเป็นพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า สนามแม่เหล็กหรือสนามไฟฟ้าจะมีผลกับมันในเชิงความเร็วเคลื่อนที่ แต่ในด้านความเร็วเหตุการณ์ก็จะยังคงเร็วเท่าเดิม หมายความว่า มนมุมมองของฟิสิกส์ทวิภาค แสงจะปรับยาวคลื่นตามพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้ารอบ ๆ มันและรักษาความเร็วเคลื่นที่ของยอดคลื่นให้เท่าเดิม
เมื่อแสงความเร็วไม่เท่ากันมาพบกันล่ะ?
ทั้งสองแสงจะเคลื่นที่เข้าสู่จุดเดียวกันในขณะเวลาเดียวกันจึงถูกแปลงเป็นความเร็วเดียวกันที่พลังงานคลื่นไม่เท่ากันแทน และหากอนุภาคแสงเข้าขนกันจริง ๆ จะเกิดการกระเจิงคลื่นขึ้น ทำให้เกิดคู่ อิเล็กตรอน-โพสิตรอน ขึ้นชั่วขนะก่อนจะสลายกลายเป็นคู่โฟตอนใหม่ที่เคลื่อนที่ตรงข้ามกัน
สรุปแสงมีอัตราเร็วคงที่รึเปล่า ทำไมถึงเดินช้าในน้ำล่ะ
คำตอบ ไม่ใช่แค่เรื่อง c คือความเร็วแสงในสูญญากาศ
1. เรื่องนี้ต้องแยกก่อนว่าเราพูดระดับไหน อนุภาคของแสง (โฟตอน) หรือ ลำแสง
2. ถ้าหมายถึงอนุภาคโฟตอน โฟตอนจะมีอัตราเร็วเท่ากับ c เสมอ ซึ่งถือว่าอัตราเร็วสูงสุดที่เป็นไปได้ เมื่ออนุภาคใดๆ ไม่ได้รับแรงต้านเลย อนุภาคที่เข้าข่ายกรณีนี้คือ เหล่าอนุภาคที่มีมวลเป็น 0 เช่น โฟตอน, กลูออน และอนุภาคทางทฤษฎีอย่างกราวิตอน
(แต่กลูออนวิธีคิดต่างออกไปมา มันไม่ได้วิ่งอิสระแบบโฟตอน มันปรากฎอยู่ในอัตรกิริยาของควากเท่านั้น)
3. แม้เอาโฟตอนไปวิ่งในที่ที่ ‘ไม่ใช่สูญญากาศ’ เช่นในน้ำ ก็ยังมีอัตราเร็ว c เสมอ มันไม่ได้ช้าลงเลย เพราะถ้าช้าลงนี่ กฎทุกอย่างที่อิง c คือเปลี่ยนหมด เช่น กฏแม่เหล็กไฟฟ้าของ Maxwell
4. แต่ถ้าหมายถึงลำแสงที่มักปรากฎในฟิสิกส์ทั่วไป สามารถมองเป็น ฝูงของอนุภาคโฟตอนได้ อันนี้แหละ ที่มีอัตราเร็วในสุญญากาศเท่ากับ c และจะช้าลงตามตัวกลาง
แล้วทำไมมองอนุภาคเดี่ยวๆ ดันอัตราเร็วคงที่
พอมองเป็นกลุ่มลำแสง ถึงช้าลงได้?
นั่นก็เพราะเวลาที่ลำแสงผ่านตัวกลาง อนุภาคโฟตอนมีอัตราเร็วคงที่ก็จริง แต่มันจะต้องปะทะกับ หมอกอิเล็กตรอนที่อยู่ประจำ ‘อะตอม’ ของตัวกลางนั้นๆ เช่น ลำแสงผ่านน้ำก็ต้องเจอ หมอกอิเล็กตรอนประจำอะตอมไฮโดรเจน/ออกซิเจน
จุดนี้แหละค่ะที่โฟตอนจะโดนกลไกดูดซับโดยอิเล็กตรอน ซึ่งโฟตอนนั้นจะหายไปเลย แต่ไม่ได้หายไปเปล่าๆ อิเล็กตรอนที่ดูดซับไปจะมีพลังงานสูงขึ้นอยู่ในสถานะกระตุ้นได้ (Excited state) แล้วมันจะค่อยๆ คายพลังงานออกมาในรูปโฟตอนตัวใหม่ที่มีอัตราเร็ว c เท่าเดิม (Emission)
ดังนั้นเวลาลำแสงผ่านตัวกลาง จะต้องเสียเวลาไปกับการที่โฟตอน โดนทำลาย-สร้าง-ทำลาย-สร้าง- … วนไป ทำให้เวลาวัด อัตราเร็วรวม (group velocity) มันเลยช้าลงนั่นเอง และเป็นไปตามฟิสิกส์แสงทุกประการ (เช่น Snell law)
ซึ่งเนื้อหาตรงนี้จะอยู่ใน เคมี ม.ปลาย เรื่องโครงสร้างอะตอม และฟิสิกส์ ม.ปลาย แต่เป็นการ simplify มานะคะ
แต่ถ้าเอาแบบจริงจังตาม quantum field theory ตามที่เข้าใจ ต้องพูดว่า โฟตอนถูกรบกวนและเกิดการหน่วงเวลา (phase delay) จากการมีอัตรกิริยากับอิเล็กตรอนของอะตอมมากกว่า
คือโฟตอนหรือจะมองเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าก็ได้ ทำให้เกิดการ polarization ของ electron ในอะตอม สั่นมากขึ้น แล้วก็ emit คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า “ใหม่” ออกมา ซึ่งจะต้องมีการแทรกสอดกับ ‘คลื่นเดิม’ อีก แล้วก็มีการคำนวณอย่างซับซ้อนออกมาได้ คลื่นลัพธ์ตัวใหม่ แน่นอนว่าทั้งหมดคือ กินเวลา
สรุป:
1. โฟตอน อัตราเร็วคงที่ ไม่ว่าอยู่ที่ไหน
2. ลำแสงในสุญญากาศ อัตราเร็วเท่ากับ c
3. ลำแสงในตัวกลาง จะช้าลง
4. เหตุที่ช้าลงทั้งๆ ที่โฟตอนอัตราเร็วคงที่ เพราะเสียเวลาไปเกิดอัตรกิริยาระหว่างโฟตอนผ่านอะตอมของตัวกลาง
