ประวัติย่อของแสง (4) – A. แสงเป็นอนุภาค

เราอยู่กับแสงมาตลอดชีวิต มนุษย์ในอดีตตั้งคำถามเกี่ยวกับแสงมาตลอดว่านอกจากมีความสว่างแล้วแสงมีธรรมชาติอย่างไร เครื่องมือในการศึกษาจักรวาลวิทยาสมัยใหม่ก็คือทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ที่เริ่มเป็นที่รู้จักในปี 1905 หัวใจของทฤษฎีนี้ก็คือเรื่องเกี่ยวกับแสง แสงไม่ใช่ให้แค่ความสว่างแต่แสงเป็นกุญแจดอกสำคัญในการไขความลับจักรวาล จะเข้าใจจักรวาลได้จะต้องเข้าใจแสงก่อน

รากฐานของจักรวาลวิทยาสมัยใหม่มาจากข้อมูลจากการสังเกตที่ได้พัฒนาวิธีการได้มาตั้งแต่ต้นศตวรรษ 1900s ร่วมกับทฤษฎีสัมพัทธภาพที่พัฒนาโดยไอน์สไตน์ในช่วงเวลาไล่เลี่ยกัน ความสนใจเริ่มแรกของไอน์สไตน์ไม่ได้อยู่ที่จักรวาลวิทยาหรือดาราศาสตร์ แต่เป็นเรื่องเกี่ยวกับแสง/อะตอม-โมเลกุล ไอน์สไตน์เริ่มเป็นที่รู้จักในปี 1905 เมื่อเขาเสนอบทความที่สำคัญทางฟิสิกส์ถึง 4 เรื่อง(ไม่นับวิทยานิพนธ์ของเขา)ในขณะที่ทำงานเป็นเสมียนจดสิทธิบัตร ไอน์สไตน์เล่าว่าเมื่อตอนอายุ 16 เขาเคยตั้งคำถามทำนองว่าจะเป็นอย่างไรหากเราสามารถวิ่งไล่ตามแสงได้ ! ไอน์สไตน์จะตั้งคำถามนี้จริงหรือไม่ไม่สำคัญ แต่นี่เป็นคำถามที่แหลมคมคำถามหนึ่ง เราจะเห็นแสงเปลี่ยนไปไหมถ้าเราวิ่งไล่ตามแสงได้ ?

1. แสงมีหน้าตาหรือเปล่า ?

ถ้าถามว่าอะไรที่คุณคิดว่าวิ่งเร็วที่สุดเท่าที่ประสบการณ์ของคุณมี คุณคงไม่พลาดที่จะตอบว่าก็แสงไง เวลาที่เราส่องไฟจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งเรามักคิดว่าแสงสามารถเดินทางไปได้ในทันทีทันใด หรือไม่ก็ใช้เวลาน้อยกว่าสิ่งอื่นใดที่เรารู้จัก คนรู้มานานแล้วว่าแสงถึงแม้ว่าจะเร็วแค่ไหนแต่ก็ต้องใช้เวลาในการเดินทาง ปัจจุบันเรารู้ว่าในหนึ่งวินาทีแสงเดินทางได้เกือบ 300 ล้านเมตร ยิ่งกว่าในพริบตา

คุณมีประสบการณ์เห็นอะไรที่เคลื่อนที่เร็วจนมองไม่เห็นหน้าตาของสิ่งนั้นอยู่แล้ว เราจะเห็นเป็นเส้นๆเป็นริ้วๆผ่านหน้าเราไป ในหนังเรื่องหนึ่งมนุษย์สายฟ้าวิ่งได้เร็วมากจนเราเห็นเพียงริ้วรอยการวิ่ง แต่ถ้าเราวิ่งไล่ตามมนุษย์สายฟ้าได้หล่ะ เราจะเห็นรูปร่างหน้าตามนุษย์สายฟ้าไหม ในหนังเรื่องหนึ่งซุปเปอร์แมนวิ่งไล่ตามมนุษย์สายฟ้าได้เขาเห็นหน้าตามนุษย์สายฟ้า แต่ถ้าเปลี่ยนมนุษย์สายฟ้าเป็นแสงหล่ะ ซุปเปอร์แมนจะสามารถวิ่งไล่ตามแสงแล้วเห็นหน้าตาของแสงไหม ?

แสงปรากฏในเราเห็นในรูปความสว่าง ที่ไหนมีความสว่างเราบอกว่าที่นั่นมีแสง แต่แสงมีการเคลื่อนที่ตลอดเวลา ดังนั้นความสว่างที่เราเห็นก็คือการเคลื่อนที่ของ “ตัวตนของแสง” ถ้าหากเราต้องการเห็นตัวตนของแสง เราก็ต้องวิ่งเร็วเกือบเท่าหรือเท่ากับความเร็วแสง(หรืออาจจะมากกว่าความเร็วแสง!) เพื่อที่จะได้เห็นตัวตนของมัน

2. อะไรคือตัวตนของแสง

มนุษย์ทุกคนเห็นแสงมาตั้งแต่เกิด แต่เราเคยตั้งคำถามไหมว่าตัวตนของแสงคืออะไร? ก่อนคริสตกาลราว 300 ปี ยูคลิด-Euclid นักคณิตศาสตร์ชาวกรีกสังเกตการสะท้อนของแสงเมื่อกระทบผิววัตถุว่าคล้ายกับการสะท้อนของลูกบอลที่มีความยืดหยุ่น เมื่อตกกระทบผิวที่สะท้อนแสงที่มุมเอียงเท่าใดก็สะท้อนออกมาที่มุมเอียงเท่านั้น นี่อาจเป็นข้อสังเกตแรก(จากคนมีชื่อเสียง)ที่มองว่าตัวตนของแสงเป็นเม็ดเล็กๆคล้ายวัตถุ

3. แสงที่คนรุ่นก่อนรู้จัก

นอกจากความเข้าใจพื้นๆจากการสังเกตเช่นว่าแสงเดินทางเร็วมาก ความสนใจเกี่ยวกับแสงในอดีตโฟกัสไปที่การสะท้อนจากพื้นผิววัสดุที่แสงตกกระทบและสะท้อนออกมา และการที่แสงสามารถผ่านทะลุสิ่งของที่โปร่งอย่างเช่นน้ำหรือแก้วได้แต่ก็มีการหักเหเส้นทางการเคลื่อนที่ภายในน้ำหรือตัวกลางนั้น เรื่องนี้เป็นที่สังเกตกันมานานเช่น ปโตเลมี(Ptolemy)แห่งโรมันเคยพยายามที่จะหาความสัมพันธ์ที่ถูกต้องระหว่างมุมตกกระทบกับมุมหักเหแต่ไม่สำเร็จ

นอกจากนี้ธรรมชาติของแสงคือมีความร้อนและมีได้หลายสี แสงแดดมีสีขาว ท้องฟ้ามีสีฟ้า บางเวลาเห็นเป็นสีแดง เหล็กเวลาถูกเผาเปล่งแสงออกมาหลายสี เรื่องสีของแสงมีคำตอบในช่วงปี 1600s ส่วนเรื่องความร้อนเพิ่งเริ่มเข้าใจช่วงปี 1800s

3.1 ปรัชญา

ความรู้ทางวิทยาศาสตร์เริ่มแรกมาจากฝั่งตะวันตกผ่านนักคิดที่เรียกว่า “นักปรัชญา-philosopher” ที่พยายามจะอธิบายโลกรอบตัวโดยใช้เหตุผลและความจริงจากการสังเกตเห็นเป็นหลักและหลีกเลี่ยงการอิงกับความเชื่อ ตำนาน คัมภีร์ ศาสนา(อียิปต์, ยิว…) หรือเรื่องลึกลับต่างๆ ปรัชญาพัฒนาโดยชาวกรีกโบราณ ในยุคเริ่มแรกผ่านบุคคลที่มีชื่อเสียงยุคก่อนคริสตกาลเช่น ซอกกราตีส-Socrates, เพลโต-Plato และ อริสโตเติ้ล-Aristotle ซึ่งเป็นอาจารย์และศิษย์ตามลำดับกันมา นักปรัชญาเหล่านี้เกิดช่วงก่อนคริสตกาลราว 5-600 ปีและมีอิทธิพลทางความคิดมาหลายศตวรรษ

นักปรัชญาก่อนหน้าซอกกราตีส(Pre-Socrates) มุ่งเน้นที่จะอธิบายการเกิดและความเป็นไปของสิ่งต่างๆรอบตัว เช่น ธาเลส-Thales อธิบายว่าที่เกิดแผ่นดินไหวเพราะว่าโลกลอยอยู่บนน้ำ, ลิวซิปปัส-Leucippus และ เดโมคริตุส-Democritus เชื่อว่าโลกนี้ประกอบไปด้วยหน่วยเล็กๆที่แบ่งแยกไม่ได้-atom ความรู้ในลักษณะอย่างนี้เรียกว่าเป็นความรู้เกี่ยวกับธรรมชาติหรือ ปรัชญาธรรมชาติ-natural philosophy

ในยุคซอกกราตีสได้วางรากฐานวิธีคิดและวิธีได้มาซึ่งความรู้ไว้อย่างกว้างขวาง ทำให้ปรัชญาไม่ได้มุ่งเน้นอธิบายธรรมชาติของวัตถุแต่เพียงอย่างเดียว แต่ยังครอบคลุมเรื่องความรู้สึกนึกคิด จริยธรรมคุณธรรม สุนทรียภาพ และการเมืองการปกครองไว้ด้วย ต่อมาเมื่อชาวกรีกถูกปกครองโดยชาวโรมันในราวปี 5-600 ปรัชญากรีกก็ถูกลดบทบาทลงและถูกแทนที่ด้วยศาสนาคริสต์ที่อาณาจักรโรมันนับถือ

3.2 วิทยาศาสตร์

Science อย่างที่เป็นไปในปัจจุบันพัฒนามาจากปรัชญาธรรมชาติแนวกรีก ต่างกันตรงที่ไม่ได้ใช้ตรรกะหรือเหตุผลในการหาความรู้แต่เพียงอย่างเดียว แต่ใช้การพิสูจน์ให้เห็นจริง (empirical) เป็นเครื่องมือในการตัดสินความถูกต้องของความรู้ และการพิสูจน์นั้นจะต้องผ่านการ “ชั่งตวงวัด” อย่างแม่นยำและจะ “ถือการพิสูจน์ให้เห็นจริงเป็นข้อสรุปแม้ว่าผลจากการพิสูจน์นั้นจะขัดแย้งกับสามัญสำนึกหรือการใคร่ครวญโดยตรรกะก็ตาม”

ในทางปรัชญาจะถือว่า science(มีความหมายเดียวกับ knowledge) เป็นหนึ่งในวิธีการที่ได้มาซึ่งความรู้หรือบางทีเรียกว่า(พวก) empiricism-พวกที่ต้องแสดงให้เห็นกับตาได้ยินกับหู หรือถ้าเป็นวิชาเรียนก็จัดว่าเป็น Philosophy of Science แต่สำหรับ Scientist ส่วนใหญ่จะมองว่า science แยกออกมาจากปรัชญาโดยสิ้นเชิงและเป็นคนละพวกกันเพราะปรัชญาพิสูจน์โดยใช้ตรรกะอย่างเดียวโดยใช้ความจริงจากเท่าที่สังเกตได้อย่างหยาบๆมาเป็นวัตถุดิบในการคิด

3.3 ปรัชญาตายแล้ว ?

สตีเฟ่น ฮอกิ้ง-Stephen Hawking นักฟิสิกส์ที่มีชื่อเสียงได้เคยทิ้งระเบิดใส่วงการปรัชญาในหนังสือ Grand Design (ปี 2010) ว่า

สตีเฟ่น ฮอร์กิ้ง, 1942-2018, ชาวอังกฤษ

“เราต่างก็มีชีวิตอยู่ในช่วงเวลาสั้นๆที่สำรวจได้เพียงส่วนเล็กๆของจักรวาล แต่มนุษย์เป็นพวกอยากรู้อยากเห็น เราสงสัย เราค้นหาคำตอบ อาศัยอยู่ในโลกที่กว้างใหญ่ที่มีความเมตตาและความโหดร้ายสลับกันไปมา กำลังจ้องมองสวรรค์เบื้องบนอันเวิ้งว้าง คนตั้งคำถามมากมาย เราจะเข้าใจโลกที่เราอยู่ได้อย่างไร จักรวาลเป็นไปอย่างไร อะไรคือธรรมชาติของความจริง สิ่งต่างๆรอบตัวมาจากไหน จักรวาลต้องการผู้สร้างหรือไม่ พวกเราส่วนใหญ่ไม่ไปเสียเวลาไปกังวลกับคำถามเหล่านี้ แต่(ในความเป็นจริง)พวกเราเกือบทุกคนกังวลบ้างเป็นบางครั้ง”

โดยปกตินี่เป็นคำถามทางปรัชญา แต่ปรัชญาตายแล้ว-philosophy is dead ปรัชญาตามการพัฒนาทางวิทยาศาสตร์สมัยใหม่ไม่ทัน โดยเฉพาะฟิสิกส์ Scientist กลายเป็นผู้ถือไฟนำส่องทางไปสู่การค้นพบและการล่าหาความรู้”

โดยรวมๆแล้วหนังสือเล่มนี้จะเปรียบเทียบ science กับ God มากกว่า แต่นี่เป็นสองย่อหน้าสั้นๆที่ฮอกิ้งเปรยขึ้นมา แต่ก็สร้างปฎิกิริยาจากนักปรัชญาทั่วโลกไม่น้อย

นักวิทยาศาสตร์โดยเฉพาะนักฟิสิกส์มักคิดว่าปรัชญาเป็นพวกนักคิดนักวิเคราะห์นักวิจารณ์อย่างเดียวไม่หาความรู้ด้วยการทดลองให้เห็นจริง ก็จริงส่วนหนึ่งที่มีนักปรัชญาจนถึงปัจจุบันยังคงอาศัยการใคร่ครวญในทุกเรื่องและมองว่าการพิสูจน์ให้เห็นจริงเป็นเพียงวิธีการหนึ่งในการได้มาซึ่งความรู้ไม่ใช่ทั้งหมด

แต่ในปัจจุบันมีผู้ที่เรียนมาทางด้านฟิสิกส์แล้วหันไปต่อทางด้านปรัชญาแล้วมาวิเคราะห์วิจารณ์ความรู้ทางด้านฟิสิกส์อยู่ไม่น้อย อย่างเช่นสาขา Philosophy of Physics ซึ่งมีบทความวิจัยหลายเรื่องที่อธิบายในแง่มุมด้านธรรมชาติวิทยาได้ดีกว่านักฟิสิกส์กระแสหลักเสียอีก(ในความเห็นของผม) แต่น่าเสียดายที่นักฟิสิกส์กระแสหลักบางคนแสดงความดูแคลนว่าผู้ที่ไปทางด้านนี้คือพวกที่ไม่มีความสามารถที่จะวิจัยทางด้านฟิสิกส์อาชีพจึงเลี่ยงมาเอาดีทางอื่น ซึ่งเป็นทัศนะที่คับแคบ

เรื่องที่ผมจะเขียนต่อไปนี้จะไปในแนวธรรมชาติวิทยาผสมกับฟิสิกส์กระแสหลัก ไม่ใช่เอาความรู้จากตำราหรืองานวิจัยของนักฟิสิกส์อาชีพมาเขียนให้คุณอ่าน แต่จะสอดแทรกความเห็นซึ่งคุณอาจจะเห็นด้วยหรือไม่เห็นด้วยก็ได้ ผมจะเริ่มจากนักปรัชญาที่ถือกันว่าเป็นผู้นำความคิดในเรื่องกลไกมาอธิบายโลกและจักรวาล เขาคือ เรอเน เดคาร์ท (Rene Descartes)

4. แสงของเดคาร์ท

เดคาร์ท-Decartes(1596–1650) นักปรัชญาชาวฝรั่งเศสเป็นผู้ที่สนใจเรื่องแสงอยู่ไม่น้อย เขามีปรัชญาว่าโลกประกอบไปด้วยสองอย่างคือ สสาร(matter/body) กับจิตวิญญาณ(spirit) เขาสนใจว่าสิ่งที่เรามองเห็นด้วยตา(matter)แล้วผ่านไปสมองถูกแปลงเป็นความรับรู้(spirit)ได้อย่างไร ถ้าคุณเคยได้ยินคำกล่าวทำนองว่า “เพราะเราคิดจึงมีเรา” ที่มาก็คือ “I think therefore I am” เจ้าของวลีนี้ก็คือเขา

Rene Descarted, 1596-1650, ชาวฝรั่งเศส

4.1 ผู้ริเริ่มปรัชญาสมัยใหม่

เดคาร์ทเป็นชื่อที่คนเรียนวิทยาศาสตร์อาจไม่ค่อยคุ้นนอกจากคำว่า Cartesian coordinate ซึ่งก็ไม่มีหลักฐานที่แน่นอนว่าเขาเป็นคนเอามาใช้คนแรก แต่ที่เริ่มจากเดคาร์ทก่อนก็เพราะว่าเขาได้รับการยกย่องว่าเป็นบิดาแห่งปรัชญาสมัยใหม่ เป็นทั้งนักคณิตศาสตร์และนักวิทยาศาสตร์ แม้ว่าคำอธิบายเกี่ยวกับแสงและจักรวาลของเขาจะไม่ถูกต้องในปัจจุบัน แต่ก็ได้รับการยอมรับว่าเป็นสะพานที่เชื่อมโยงระหว่างจักรวาลวิทยาแบบโบราณที่อิงกับความเชื่อเพียงอย่างเดียวมาเป็นความเชื่อที่อิงกับกลไกและเหตุผล (แต่เดคาร์ทมีความเชื่อใน God ในฐานะผู้สร้างจากนั้นก็ปล่อยให้กลไกทั้งหมดทำงานไป)

เดคาร์ทเป็นคนร่วมสมัยกับกาลิเลโอ(Galileo Galilei)และเคปเลอร์(Johannes Kepler)์ งานของทั้งสามคนมีความสำคัญต่อประวัติศาสตร์ของวิทยาศาสตร์และฟิสิกส์ในช่วงบุกเบิก งานของพวกเขาถูกส่งผ่านให้กับคนรุ่นถัดมาอย่าง ฮอยเก้น(Christiaan Huygens) ฮุค(Robert Hoooke) และนิวตัน(Isaac Newton) และคนสำคัญอื่นๆ

4.2 ปรัชญาของเดคาร์ท

เดคาร์ทมีความเชื่อว่าปรากฏการณ์ทั้งหมดในโลกนี้เกิดจากการสัมผัสและกระทบกันขององค์ประกอบขนาดเล็กส่งต่อกันไป ไม่มีเหตุอะไรส่งผลออกไปอีกที่หนึ่งโดยไม่ผ่านการกระทบกันไปเป็นทอดๆจนถึงปลายทาง และเขาเชื่อว่าความรู้จากการคิดตรึกตรองและการใช้เหตุผลมีความสำคัญมากกว่าความรู้จากประสบการณ์จริงจนการอธิบายบางเรื่องก็กลายเป็น metaphysics ไป

(metaphysics ภาษาไทยมักใช้คำว่าอภิปรัชญา มีความหมายทำนองว่าความรู้อันยิ่งใหญ่อันวิเศษ แต่นักวิทยาศาสตร์หมายถึงสิ่งที่ไม่สามารถรับรู้ได้สังเกตได้และไม่ควรไปศึกษาให้เสียเวลา เป็นเรื่องที่นอกเหนือหรือไม่เกี่ยวกับฟิสิกส์-หรือวิทยาศาสตร์ ในที่นี้ผมจะเขียนทับศัพท์และถือความหมายตามอย่างหลัง)

ตามปรัชญาของเดคาร์ท ปรากฏการณ์ทางธรรมชาติทั้งหมดในจักรวาลมีพื้นฐานมาจากหลักสองอย่างคือ สสาร-matter กับการเคลื่อนที่-motion(แบบหมุน) ด้วยความเชื่อว่าจักรวาลมีผู้สร้าง เขาเชื่อว่า “ผู้สร้าง-Creator” สร้างสสารจากนั้นก็ทำให้มันหมุนโดยยังคงรักษาสิ่งที่สร้างไว้ให้คงเดิมไม่ให้เพิ่มขึ้นหรือลดลง (นักปรัชญาบางคนยกให้เดคาร์ทเป็นผู้ริเริ่มหลักการทรงมวล)

4.3 จักรวาลแห่งการหมุนวน

เขาเชื่อว่าสิ่งต่างๆในจักรวาลสร้างมาจากองค์ประกอบเล็กๆที่มีคุณลักษณะต่างกัน วัตถุที่เราเห็นรอบตัว โต๊ะ เก้าอี้ บ้าน โลก ดาวเคราะห์ต่างๆสร้างมาจากองค์ประกอบที่มีลักษณะหยาบ วัตถุที่เปล่งแสงได้อย่างเช่นเทียนไข เหล็กที่ร้อน ดวงอาทิตย์ ดาวฤกษ์ต่างๆสร้างมาจากองค์ประกอบที่มีลักษณะละเอียด ที่ว่างประกอบด้วยองค์ประกอบที่มีลักษณะยืดหยุ่น ในภาษาสมัยใหม่องค์ประกอบที่เดคาร์ทพูดถึงตรงกับคำว่า particle หรือ corpuscle ต่อไปนี้จะใช้คำว่าอนุภาค หรือกล่าวได้ว่าเดคาร์ทเชื่อว่าจักรวาลประกอบขึ้นมาจากอนุภาคสามลักษณะ

เดคาร์ทมีความเชื่อว่าอำนาจใดๆจะส่งผลกับสิ่งอื่นได้จะต้องมีการสัมผัส แต่มีบางอย่างเช่นแม่เหล็กสามารถส่งแรงถึงกันได้แม้จะไม่มีการสัมผัส หรือตำแหน่งของดวงจันทร์มีผลต่อน้ำขึ้นน้ำลงบนโลกได้ เดคาร์ทอธิบายว่าที่ว่างไม่ได้ไม่มีอะไรอย่างที่เราเข้าใจ ที่ว่างประกอบไปด้วยอนุภาคเล็กๆจำนวนมากอัดแน่นกันไปหมด ที่ว่างถูกกินที่โดยอนุภาคเหล่านี้จนไม่มีที่ว่างที่แท้จริง แรงจากแม่เหล็กอันหนึ่งสามารถส่งไปยังอีกอันหนึ่งได้โดยผ่านอนุภาคที่อยู่ในที่ว่างและส่งต่อกันไปเป็นทอดๆจนถึงแม่เหล็กอีกอันหนึ่ง ที่ว่างในลักษณะที่มีบางสิ่งแผ่กระจายอยู่เรียกว่าอีเธอร์-aether

(อีเธอร์เป็นคำที่อริสโตเติ้ลใช้เรียกธาตุลำดับที่ห้านอกเหนือจาก ดิน-Earth, น้ำ-Water, ลม-Air, ไฟ-Fire หมายถึงบางสิ่งบางอย่างที่ปกคลุมสเปซไปทั่วทั้งจักรวาล รายละเอียดของอีเธอร์เปลี่ยนไปตามยุคสมัยแล้วแต่ว่าใครจะเชื่อว่ามีลักษณะอย่างไร แต่ความหมายร่วมกันคือบางสิ่งบางอย่างที่แผ่กระจายไปทั่วที่ว่าง)

อนุภาคทั้งสามลักษณะนี้เคลื่อนที่แบบหมุนวนไปเรื่อยๆเรียกว่าเป็น Vortex theory หรือทฤษฎีกระแสน้ำวน อนุภาคไฟจำนวนมากเมื่อมาหมุนร่วมกันก็จะคล้ายกระแสน้ำวนและก่อกำเนิดดวงดาวส่องสว่างอย่างเช่นดวงอาทิตย์ของเราที่ใจกลางน้ำวน การหมุนของอนุภาคสสารก่อให้เกิดดาวอย่างโลกและดวงจันทร์ที่ใจกลาง ส่วนการหมุนของอนุภาคอีเธอร์ที่อัดแน่นอยู่ในที่ว่าง(จนไม่เหลือที่ว่าง)ทำหน้าที่ส่งผ่านการสั่นกระเพื่อม(เดคาร์ทใช้คำว่าความดัน)จากสิ่งหนึ่งไปยังอีกสิ่งหนึ่ง เช่นส่งผ่านแสงจากดวงดาวมายังตาเรา

รูปจาก Principiae Philosophiae 1644, part 3, Visible World โดย Rene Descartes แสดงลักษณะกระแสวนของอนุภาคต่างๆที่ก่อให้เกิดสสารที่ศูนย์กลาง

แสงที่เราเห็นคือปรากฏการณ์การหมุนของอนุภาคอีเธอร์ที่สัมผัสกับอนุภาคในไฟแล้วส่งการหมุนไปให้อนุภาคอีเธอร์ตัวถัดไป และส่งผ่านต่อไปเป็นทอดๆ(ส่งความดันตามภาษาเดคาร์ท)จนกระทั่งถึงอนุภาคอีเธอร์ที่สัมผัสกับลูกตาเรา อนุภาคอีเธอร์ที่หมุนด้วยความเร็วที่ต่างกันจะทำให้เราเห็นสีที่ต่างกัน

(ที่ว่าส่งผ่านความดันหมายถึงส่งผ่านการกระทำจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งโดยไม่มีการเคลื่อนที่ของอนุภาคอีเธอร์-นอกจากการหมุน เพราะอีเธอร์ของเดคาร์ทต้องเติมเต็มจนไม่มีที่ว่างเหลืออยู่ เพราะหากมีที่ว่างเหลืออยู่ก็จะทำให้การกระทำใดๆสามารถส่งผ่านถึงกันได้โดยไม่ต้องสัมผัส)

4.4 สูตรการหักเหของแสง

เป็นที่รู้กันมานานแล้วว่าลำแสงเมื่อส่องผ่านแก้วจะสะท้อน(reflection)ออกมาคล้ายกับลูกบอลและสามารถทะลุเข้าไปได้แต่เบี่ยงเบน(refraction) ทิศทางการเคลื่อนเข้าหาเส้นตั้งฉาก ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า reflection/refraction

เมื่อแสงหักเห “เข้าหา” เส้นตั้งฉากเมื่อผ่านเข้าตัวกลางที่หนาแน่นกว่าในทางกลับกันหากแสงวิ่งผ่านเข้าไปในตัวกลางที่หนาแน่นน้อยกว่าก็จะหักเห “ออกจาก” เส้นตั้งฉาก ความรู้เรื่องการหักเหและการสะท้อนแสงถูกนำมาใช้ประโยชน์โดยนักปรัชญาธรรมชาติและชาวบ้านมานาน ตัวอย่างที่ชัดเจนก็คือการทำเลนส์เพื่อส่องวัตถุเล็กๆ(microscope)และการทำกล้องส่องดูดาว(telescope) และการฝนเลนส์เป็นรูปสามเหลี่ยมที่เรียกว่าปริซึม(prism)แล้วนำมาให้แสงผ่านก็จะเห็นแสงกระจายออกมาคล้ายสีรุ้งอีกด้านหนึ่ง

ทิศทางการหักเหของแสงขึ้นกับความหนาแน่นของตัวกลางและทิศที่แสงวิ่ง

ความสนใจของคนรุ่นก่อนคือความสัมพันธ์ระหว่างมุมตกกระทบและมุมสะท้อนเป็นอย่างไร สมมติฐานง่ายๆคือมุมตกกระทบเป็นสัดส่วนกับมุมหักเหแต่ก็ถูกเฉพาะในมุมแคบๆ มีหลักฐานว่าสเนล(Willebrord Snell, 1580–1626) ในปี 1621 เคยคิดสูตรความสัมพันธ์ระหว่างมุมตกกระทบกับมุมหักเหมาก่อน โดยใช้คณิต high school ธรรมดาร่วมกับการทดลองพบว่าอัตราส่วน sine ของมุมตกกระทบและมุมหักเหคงที่เสมอ แต่ไม่ได้อธิบายเหตุผลว่าสัดส่วนนี้เกี่ยวข้องกับฟิสิกส์ของแสงอย่างไร

สูตรของสเนล

เดคาร์ทมีความสนใจในปรากฏการสะท้อนและหักเหของแสง เขาพยายามอธิบายเหตุผลว่าปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นได้อย่างไร งานเขียนเกี่ยวกับแสงของเขาปรากฏใน Dioptrics/Dioptrique (Optics ในภาษาอังกฤษ) ในปี 1637

เดคาร์ทคิดความสัมพันธ์แบบเดียวกับของสเนลแต่ให้เหตุผลว่าแสงหักเหเพราะอะไร เขาอธิบายว่าแสงในน้ำ-แก้ว-หรือตัวกลางอื่นใดที่หนาแน่นกว่าอากาศจะเคลื่อนที่เร็วขึ้นแต่ภาพฉายของแสงในแนวขนานกับผิวสัมผัสระหว่างอากาศกับตัวกลางจะเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วสม่ำเสมอจึงทำให้แสงต้องเบี่ยงเบนเข้าหาเส้นตั้งฉากกับพื้นผิวเมื่อผ่านเข้ามา ยิ่งต้องเคลื่อนที่เร็วมากในตัวกลางก็จะต้องยิ่งหักเหเข้าหาเส้นตั้งฉากมากขึ้น แต่ปัจจุบันเหตุผลของเดคาร์ทนั้นผิด

สมมติฐานของเดคาร์ทเพื่ออธิบายการหักเหของแสง

(ลองคิดง่ายๆ ให้คุณเล่นเกมส์วิ่งเฉียงๆเข้าหาเส้นตรงที่ขีดไว้บนพื้น แล้วมีกติกาว่าเมื่อคุณข้ามเส้นตรงนั้นไป ให้คุณวิ่งเร็วขึ้นและต้องรักษาอัตราเร็วของเงาของคุณในแนวเส้นตรงนั้นให้เท่ากับตอนที่คุณยังไม่ข้ามเส้นตรงมา คุณจะผ่านเกมส์นี้ได้ถ้าคุณวิ่งเฉเข้าหาเส้นที่ตั้งฉากกับเส้นตรงบนพื้นนั้น)

โดยอาศัยตรีโกณธรรมดา sine = ด้านตรงข้ามมุม / ด้านฉาก(ซึ่งเท่ากับรัศมี) เดคาร์ทพิสูจน์ได้ว่าหากใช้สมมติฐานสองข้อข้างต้น เมื่อมุมตกกระทบและมุมหักเหเปลี่ยนไป อัตราส่วนในแนวเส้นประ A:B จะเท่ากับ C:D เสมอ

เดคาร์ทได้ผลเช่นเดียวกับสเนลโดยอาศัยสมมติฐานง่ายๆสองข้อ

วิธีตามรูปข้างต้นปรากฏในบทความของเดคาร์ท แต่หากอาศัยสมมติฐานสองข้อของเขาก็สามารถนำมาหาค่าคงที่ของอัตราส่วน sine ในรูปอัตราเร็วของแสงด้วยมุมมองที่ง่ายกว่า (ซึ่งผลออกมาผิด !)

ผลจากสมมติฐานของเดคาร์ท ทำให้ได้อัตราส่วนอัตราเร็วแสง (ซึ่งผิด)

เดคาร์ทไม่ได้อ้างอิงว่าเขาเคยอ่านงานของสเนลหรือไม่ หลังจากถูกแก้ไขข้อผิดพลาดโดยฮอยเก้นในเวลาต่อมาแล้ว ในบทความทางปรัชญาบางทีก็เรียกสูตรนี้ว่า Snell-Descartes law แต่ในทางวิทยาศาสตร์/ฟิสิกส์มักเรียกว่า Snell’s law เฉยๆ

5. ฮุค vs นิวตัน

โรเบิร์ต ฮุค-Robert Hooke (1635-1703) และไอแซค นิวตัน-Isaac Newton (1642-1727) เป็นนักปรัชญาและนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษร่วมสมัยที่ถือว่าเป็นคู่ปรับในเรื่องของแสง ชาวอังกฤษสองคนนี้ทำให้ความสนใจเกี่ยวกับแสงเข้มข้นขึ้น

ตั้งแต่ปี 1663 ราชสำนักอังกฤษได้สนับสนุนให้เกิดราชสมาคม-royal society ให้เป็นสภานที่ที่ให้นักปรัชญามาเสนอผลงานทางความคิดและการทดลอง ฮุคทำงานเป็นผู้ดูแลการสาธิตการทดลองต่างๆให้แก่ผู้เข้าร่วมประชุม และตัวเขาเองก็มีผลงานหลายอย่างเช่นการประดิษฐ์กล้องจุลทรรศน์ที่ทำให้เริ่มส่องเห็นสิ่งมีชีวิตเล็กๆได้ เป็นผู้เริ่มใช้คำว่า เซลล์-cell เป็นเจ้าของกฏของฮุคที่ว่าด้วยแรงต้านของสปริง เป็นต้น (ต่อไปคุณจะพบว่าฮุคไม่ได้เป็นแค่สปริงตามที่เราเรียนกันมาในชั้นมัธยม)

นิวตันเริ่มเป็นที่รู้จักเมื่อเขาได้รับเชิญให้เข้าร่วมราชสมาคมหลังจากที่ได้ส่งกล้องโทรทัศน์แบบสะท้อนแสง-reflecting telescope ให้สมาคมพิจารณาในปี 1671 กล้องนี้ใช้เทคนิคการสะท้อนแสงจากกระจกแทนที่จะใช้เลนซ์หักเหแสงอย่างที่นิยมใช้อยู่และมีขนาดเล็กกว่า

ทั้งฮุคและนิวตันได้รับการยอมรับว่าเป็นผู้รอบรู้และได้กลายเป็นคู่ขับเคี่ยวที่สำคัญในสมัยนั้น ทั้งคู่สนใจในเรื่องคล้ายๆกันเช่น แสง การเคลื่อนที่ การสั่นสะเทือน สภาพความโน้มถ่วง ประเด็นเผ็ดร้อนที่ทำให้ทั้งคู่ต้องมาเจอกันเป็นครั้งแรกก็คือเรื่องของ “แสง”

6. แสงของฮุค

ฮุคมองแสงคล้ายๆกับที่เดคาร์ตมองคือแสงเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดจากการสั่นสะเทือนในอีเธอร์จากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง แต่อีเธอร์ของฮุคไม่ใช่อนุภาคที่หมุนวนแบบเดียวกับเดคาร์ท คำอธิบายเกี่ยวกับแสงปรากฏในงานเขียนชื่อ Micrographia ในปี 1665 ซึ่งแสงเป็นเพียงเรื่องหนึ่งในนั้น(ส่วนใหญ่เป็นภาพและคำอธิบายเกี่ยวกับสิ่งมีชีวิตเล็กๆจำพวกแมลงเพราะเขามีความสนใจเรื่องเลนส์ขยายภาพมาก่อน)

Robert Hooke, 1635-1703 ชาวอังกฤษ

ฮุคเชื่อว่าการเคลื่อนที่ของแสงจากแหล่งกำเนิดคล้ายกับการเคลื่อนที่ของคลื่นน้ำเมื่อเราโยนก้อนหินเล็กๆลงไป โดยจุดศูนย์กลางก็คือแหล่งกำเนิดแสง น้ำเปรียบได้กับอีเธอร์ การเห็นการแผ่กระจายของน้ำเปรียบได้กับเห็นแสง ความคิดนี้ถูกต่อยอดโดยฮอยเก้นในเวลาต่อมากลายเป็นทฤษฎีคลื่นแสง

ฮุคเริ่มเข้ากันไม่ได้กับนิวตันตั้งแต่ครั้งแรกที่นิวตันส่งกล้องโทรทัศน์สะท้อนแสงไปให้ราชสมาคมพิจารณาแล้วทางนั้นก็ถามความเห็นไปยังฮุค ฮุคบอกว่าเขาประดิษฐ์มันขึ้นมาก่อน! และตามมาด้วยประเด็นที่ขัดแย้งลึกลงไปอีกคือเรื่อง “สีของแสง” ฮุคมองว่าธรรมชาติดั้งเดิมของแสงคือเป็นสีขาว แสงสีขาวเป็นแสงบริสุทธิ์ไม่มีองค์ประกอบอื่นใด แต่นิวตันเชื่อว่าแสงสีขาวเกิดจากการผสมของแสงหลายสี สองคนนี่ต่างกันอย่างสิ้นเชิง !

6.1 แสงสีขาวบริสุทธิ์และเป็นเนื้อเดียว

ปรากฏการณ์ที่แสงสีขาวกระจายออกมาเป็นแถบสีหลายสีหลังผ่านตัวกลางที่หนาแน่นกว่าเป็นที่รู้กันดีมาก่อน ฮุคอธิบายว่าแสงสีต่างๆเกิดขึ้นก็เพราะว่าตัวกลางไปทำอะไรบางอย่างกับแสงสีขาวทำให้มันผิดเพี้ยนไปหรือสูญเสียความบริสุทธิ์ไปซึ่งทำให้แสงแสดงออกมาในลักษณะที่มีสีเปลี่ยนไป (ไม่ใช่เพราะว่าตัวกลางอย่างปริซึมไปแยกองค์ประกอบของแสงสีขาวตามที่นิวตันเสนอในเวลาต่อมา)

ฮุคอธิบายว่าลำแสงที่เราเห็นคล้ายกับเป็นลำแสงย่อยๆหลายลำมัดรวมกันอยู่ หากลากเส้นตั้งฉากกับลำแสงก็จะได้ระนาบหน้าแสง(หรือเรียกว่าหน้าคลื่นในเวลาต่อมา) หน้าคลื่นของแสงสีขาวในขณะที่ก่อนจะกระทบกับตัวกลางที่หนาแน่นมากกว่าเป็นแสงเนื้อเดียวที่มีความเป็นระเบียบหน้าคลื่นขนานกันและตั้งฉากกับเส้นลำแสง แต่พอทะลุผ่านเข้าไปในตัวกลางแสงยังเป็นเนื้อเดียวอยู่เหมือนเดิมแต่หน้าคลื่นถูกทำให้บิดไปเราจึงเห็นแสงเปลี่ยนสีไป

6.2 ตัวกลางทำให้แสงสีขาวเปลี่ยนสี

เช่นเดียวกับเดคาร์ท ฮุคเชื่อว่าแสงเคลื่อนที่เร็วขึ้นเมื่อเข้าไปในตัวกลาง เขาอธิบายว่าแถบสีที่มีมุมหักเหมากขึ้นจากซ้ายไปขวาเกิดจากการที่หน้าคลื่นเดียวกัน(เส้นที่ฉากกับลำแสงที่ตีคู่ขนานกันมา)ตกกระทบพื้นผิวในเวลาที่ต่างกัน เส้นซ้ายสุดจะใช้เวลาเดินทางในตัวกลางมากกว่าเส้นขวาสุด ระหว่างเส้นลำแสงทั้งสองจะใช้เวลาเดินทางในตัวกลางมากไปน้อยลดหลั่นกันไปจากซ้ายไปขวา ลำแสงทางซ้ายเข้าก่อนจึงอยู่ในตัวกลางนานกว่าจึงเบี่ยงเบนจากแนวเดิมไปไกลกว่า(มุมหักเหน้อยกว่า) ลำแสงทางขวาเข้าช้ากว่าจึงเบี่ยงเบนจากแนวเดิมไปไม่ไกล(มุมหักเหมากกว่า)

ฮุคอธิบายว่าแสงสีขาวถูกตัวกลางทำให้บิดเบี้ยวไปจึงเกิดเป็นแถบสี
สนใจรายละเอียดอ่านจาก Micrographia ประมาณหน้า 60-61

โดยสรุป แสงสีฟ้า*ที่เห็นทางซ้ายสุดเป็นปรากฏการณ์จากการถูกต้านการเคลื่อนที่ในตัวกลางเป็นเวลานานกว่าแสงสีแดงที่เห็นทางขวาสุดที่เพิ่งเข้ามาในตัวกลางทีหลัง แสงสีอื่นระหว่างกลางเกิดจากถูกต้านในเวลาที่ลดหลั่นกันไปตามลำดับเวลาที่เส้นรังสีกระทบผิวสัมผัสจากซ้ายไปขวา

(*ใน Micrograhia เขาใช้คำว่า blue จริงๆหมายถึง violet ที่เบี่ยงเบนมากสุด-มุมหักเหแคบ)

ทั้งหมดนี้มาจากความเชื่อของฮุคว่าแสงสีขาวเป็นแสงเนื้อเดียวไม่มีส่วนผสมและไม่ได้มีแสงสีอื่นๆเป็นองค์ประกอบ ตัวกลางใดๆจึงไม่ได้แยกองค์ประกอบของแสงสีขาวแต่เนื้อสารภายในตัวกลางต่างหากที่ไปทำให้แสงสีขาว(ซึ่งไม่มีองค์ประกอบ)เกิดการผิดเพี้ยนไปจากสภาพเดิมจึงปรากฏให้เราเห็นเป็นสีที่ต่างกันราวกับว่าแต่ละสีต่างมีมุมหักเหเป็นของตัวเอง(ซึ่งฮุคไม่ได้เชื่อเช่นนั้น)

การอธิบายของฮุคเป็นแบบที่ปัจจุบันเรียกว่า qualitative คืออธิบายโดยใช้เหตุผล หลักการ แนวคิด ให้เห็นคุณลักษณะไม่ใช่แบบ quantitative ที่ต้องมีตัวเลขหรือสมการมาประกอบเพื่อสามารถนำไปสู่การพิสูจน์โดยการชั่งตวงวัดได้ ซึ่งปัจจุบันคำอธิบายของฮุคนั้นผิด แสงสีขาวไม่ได้เป็นแสงเนื้อเดียวแต่เกิดจากแสงหลายสีมาประกอบกันซึ่งกลับกับที่ฮุคอธิบายอย่างชัดเจน และคำอธิบายนี้มาจากคนรุ่นน้องในอีกหนึ่งปีถัดมาที่ชื่อว่า “นิวตัน”

7. แสงของนิวตัน

เมื่อพูดถึงนิวตันคนมักจะนึกถึงกฏการเคลื่อนที่และแรงโน้มถ่วง แต่นิวตันแจ้งเกิดมาจากเรื่องเกี่ยวกับแสงและเกือบจะถูกแจ้งดับเพราะเรื่องเดียวกัน เพราะมีการโต้แย้งในเรื่องนี้กับนักปรัชญาและนักวิทยาศาสตร์รุ่นพี่เจ้าถิ่นในราชสมาคมอังกฤษอย่าง โรเบิร์ท ฮุค

Issac Newton, 1642-1727 ชาวอังกฤษ

เท่าที่เราทุกคนสังเกตแสงเดินทางเป็นเส้นตรงคล้ายกับธรรมชาติของวัตถุที่มีการเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงเมื่อไม่มีอะไรไปเบี่ยงเบนมัน(กฏข้อที่ 1 ของนิวตันในเวลาต่อมา) นิวตันเชื่อว่าแสงประกอบไปด้วยอนุภาคเล็กๆ(เขาเรียกว่า corpuscle) ซึ่งโดยธรรมชาติเคลื่อนที่เป็นเส้นตรง การที่แสงเคลื่อนที่ผ่านตัวกลางที่มีความหนาแน่นต่างกันแล้วเกิดการเบี่ยงเบนก็เป็นผลมาจากการกระทำของตัวกลางคล้ายกับลูกบอลที่เคลื่อนที่เป็นเส้นตรงแล้วถูกกระทบให้เบี่ยงเบนการเคลื่อนที่ การสะท้อนของแสงที่ผิวตัวกลางคล้ายกับการสะท้อนของลูกบอลนี่ไม่เป็นปัญหานักในการอธิบายว่าแสงประกอบไปด้วยเม็ดเล็กๆ แต่ที่เป็นปัญหาคือกลไกอะไรที่ทำให้แสงหักเหเส้นทางเมื่อผ่านเข้าไปในตัวกลางที่โปร่งอย่างแก้วหรือน้ำ

7.1 นิวตันกับการหักเหของแสง

ในขณะที่เดคาร์ทและฮุคมองว่าแสงคือการสั่นสะเทือนในอีเธอร์(กล่าวแบบรวมๆ) นิวตันกลับมองว่าแสงไม่ใช่อะไรนอกจากเม็ดเล็กๆ-corpuscle ที่เคลื่อนที่ไปในที่ว่างและสีก็เป็นคุณสมบัติของแสงโดยตรงไม่เกี่ยวกับตัวกลางที่แสงเดินทางผ่าน แสงสีขาวเกิดจากแสงหลายสีมาผสมกัน การหักเหภายในตัวกลางทำให้สีที่รวมกันอยู่แยกออกมา แสงสีขาวไม่ใช่สีบริสุทธิ์แต่เกิดจากผสมแสงสี red, orange, yellow, green, blue, indigo และ violet

(เจ็ดสีนี้เป็นชื่อที่นิวตันเรียกและเรียกตามสีเด่นๆ ไม่ได้หมายความว่ามีแค่เจ็ดสี ถ้านับเฉดสีด้วยก็จะนับไม่ถ้วน บางคนอาจนับเป็นหกสี เช่น orange ไม่นับเพราะถือว่าเป็น red และบางครั้งเมื่อพูดถึงสีที่หักเหมากที่สุด-เบนใกล้เส้นฉากมากสุดก็จะใช้คำว่า blue แทน violet)

หลังจากที่ฮุคอธิบายที่มาของแสงสีต่างๆเมื่อผ่านตัวกลางด้วยกระดาษเพียงไม่กี่หน้าใน micrographia-1665 นิวตันเล่าว่าในปี 1666 เขาปิดห้องให้มืดสนิทในตอนกลางวันแล้วเจาะรูที่ผนังจากนั้นก็เอาปริซึมสี่เหลี่ยมไปวางใกล้ๆรู แล้วสังเกตลำแสงที่ผ่านปริซึมไปกระทบบนฉากที่อยู่ห่างออกไป 22 ฟุต (การทดลองนี้เดคาร์ทเคยทำมาแล้วแต่ใช้ระยะที่สั้นกว่า) แล้วสังเกตเห็นแสงแดดสีขาวกระจายออกมาเจ็ดสีที่ฉากเป็นรูปผืนผ้าขนาดใหญ่ (เพราะปริซึมถ่างแถบสีออกมาและเขาตั้งฉากรับที่ระยะไกลจึงเห็นแถบสีชัดขึ้น)

นิวตันกับปริซึมในตำนาน 1666
ภาพ sketch จริงๆจากนิวตัน

7.2 แสงสีขาวไม่บริสุทธิ์

เขาสรุปว่าแสงสีขาวเกิดจากการรวมตัวกันของแสงสีอื่นๆ (แถบหลายสีเรียกว่าสเปกตรัม-spectrum) เขาสรุปว่าแสงสีขาวเกิดจากแสงหลายสีมารวมกันและเพราะว่าแสงแต่ละสีมีมุมหักเหไม่เท่ากันจึงเห็นแต่ละสีกระจายตัวออกมา และเมื่อผ่านการหักเหครั้งที่สองก็จะเห็นสเปกตรัมชัดขึ้น

นิวตันใช้ปริซึมเพื่อทำให้แถบสีกว้างขึ้น

หากเอาแสงสีขาวมากระจายออกเป็นเส้นสเปกตรัมแล้วออกแบบเครื่องมืออย่างปราณีตให้เส้นสเปกตรัมเหล่านั้นกลับมารวมกันใหม่ก็จะได้แสงสีขาวกลับมาอีกครั้ง แต่ถ้าหากแยกเอาแสงสีพื้นเช่นสีแดงออกมาแล้วนำมาผ่านปริซึมแสงนั้นก็เพียงแต่หักเหโดยไม่มีการแตกเป็นสเปกตรัมอีก นี่เป็นการพิสูจน์ที่หนักแน่นในความเห็นของนิวตันว่าแสงมีขาวไม่ใช่สีที่บริสุทธิ์ ซึ่งข้อสรุปนี้ถูกจนถึงปัจจุบัน

ข้อสังเกตในอดีต : ในขณะที่นิวตันใช้ปริซึมในการทดลองเกี่ยวกับแสงสี ปริซึมไม่ได้เป็นเครื่องมือที่ได้รับความสนใจจากนักทดลองนัก

ข้อสังเกตในปัจจุบัน : มีรูปที่ปรากฏตามเว็บไซต์หลายแห่งที่เอาปริซึมสองอันมาวางซ้อนกันแล้วบอกว่าเป็นการทดลองของนิวตันในการพิสูจน์แยกแสงสีขาวแล้วรวมกลับไปเป็นแสงสีขาวอีกที (สังเกตที่การหักเหของปริซึมอันที่สอง)

ตัวอย่างรูปการรวมสีที่มักอ้างว่าเป็นการทดลองของนิวตัน

ในบทความของนิวตันปี 1672 ไม่มีการวางปริซึมแบบนี้ A Letter of Mr. Isaac

การจัดการเครื่องมือเพื่อการพิสูจน์เรื่องนี้ปรากฏชัดในหนังสือ Opticks (1704) (หน้า 153-156 ของเอกสาร pdf) ซึ่งจะต้องมีการวางทิศของแสงและปริซึมอย่างเหมาะสม

หรือจะต้องใช้เลนส์รวมแสงมาประกอบและมีการจัดมุมตกกระทบของแสงแต่ละสีบนปริซึมให้ลงตัวด้วย

7.3 Corpuscle ของนิวตันมีมวล

เมื่อแสงสีขาวประกอบมาจากอนุภาคแสงหลายสีแล้วนิวตันก็มีภาระที่จะต้องอธิบายว่าอะไรทำให้อนุภาคแสงเบี่ยงเบนการเคลื่อนที่และทำไมถึงได้หักเหที่มุมต่างกัน นิวตันอธิบายว่าแสงสีม่วงมีมวลน้อยกว่าแสงสีแดง แสงระหว่างกลางมีมวลลดหลั่นกันไป เมื่ออนุภาคแสงเคลื่อนที่ไปในตัวกลางก็จะถูกดึงดูดจากอนุภาคภายในตัวกลางที่บริเวณผิวสัมผัสด้วยขนาดแรงที่เท่ากันในทิศที่ตั้งฉากกับเส้นสัมผัส จึงทำให้อัตราเร็วเพิ่มขึ้นในทิศนั้นและเบี่ยงเข้าหาเส้นตั้งฉาก อนุภาคแสงสีม่วงมีมวลน้อยกว่าจึงถูกเบี่ยงเบนจากแนวเดิมได้ง่ายกว่าอนุภาคแสงสีแดงซึ่งมีมวลมากกว่า ในบริเวณที่ลึกเข้ามาจากผิวสัมผัสแรงดึงดูดภายในตัวกลางหักล้างกันไปเพราะมีสมมาตรรอบด้าน(ที่ผิวขาดสมมาตรระหว่างด้านอากาศกับด้านตัวกลางจึงเกิดแรงดึงดูดสุทธิในทิศตั้งฉากกับผิวเข้าหาตัวกลางที่หนาแน่นกว่า)

นิวตันอธิบายว่าอนุภาคแสงในตัวกลางถูกแรงสุทธิในแนวฉากใกล้กับผิวสัมผัสดึงจึงหักเห

ผิวของตัวกลางคล้ายกับไป “กระตุก” อนุภาคแสงในแนวตั้งฉากกับผิวในช่วงเวลาสั้นๆแล้วทำให้อนุภาคแสงเปลี่ยนเส้นทางในแนวตั้งฉาก ก็เท่ากับว่าอัตราเร็วของอนุภาคแสงในแนวขนานกับผิวไม่เปลี่ยนแปลง ซึ่งให้ผลเช่นเดียวกับสมมติฐานของเดคาร์ท ผลก็คือจะได้สมการที่ผิดเช่นเดียวกัน

ทฤษฏี corpuscle ของแสงของนิวตันให้ผลเช่นเดียวกับเดคาร์ท (ซึ่งผิด)

คำอธิบายในแนวนี้เกิดขึ้นทีหลัง หลังจากที่นิวตันหันมาสนใจเรื่องการเคลื่อนที่และแรง ซึ่งการเสนอว่าแสงเคลื่อนที่ในตัวกลางที่หนาแน่นมากด้วยอัตราเร็วที่มากกว่าขัดกับสามัญสำนึกเพราะตัวกลางที่หนาแน่นมากกว่าน่าจะหน่วงการเคลื่อนที่ของอนุภาคทุกชนิดรวมทั้งแสง ซึ่งต่อมาจนถึงปัจจุบันถือว่าผิดรวมทั้งการที่แสงมีมวลด้วย

ปัญหาอีกอย่างหนึ่งคือถ้าแสงเป็นอนุภาคแล้วเวลาที่มันตกกระทบผิวสัมผัสมันจะตัดสินใจอย่างไรมันควรจะสะท้อนกลับหรือทะลุเข้าไปในตัวกลาง ? ทำไมภายใต้สถานการณ์เดียวกันแสงถึงตอบสนองด้วยพฤติกรรมที่ต่างกัน ซึ่งคำตอบต้องรอถึงศตวรรษ 1900s เพราะคำตอบอยู่ในทฤษฎีควอนตัม

7.3 ถอยดีกว่า

นิวตันประกาศการค้นพบของเขาด้วยการบรรยายสาธารณะในสองสามปีถัดมา และเขียนเป็นบทความในปี 1672 ในชื่อ New Theory about Light and Color และเริ่มมีปัญหากับโรเบริ์ต ฮุคอย่างเผ็ดร้อน เพราะมันต่างแสงจากที่ฮุคอธิบายอย่างสิ้นเชิง !

นอกจากนี้นิวตันยังถูกวิจารณ์อย่างรุนแรงจากคนในราชสมาคมเพราะไม่ปรากฏว่ามีใครสามารถทำปริซึมแล้วให้ผลเหมือนกับที่เขากล่าวอ้างและในเอกสารเขาก็ไม่ได้ให้รายละเอียดเพื่อให้ใครไปทำการทดลองซ้ำได้ และนิวตันก็ให้คำตอบที่ไม่ค่อยประทับใจเท่าไหร่เช่นบอกว่าต้องเป็นปริซึมแบบพิเศษที่เนื้อต้องทำมาจากที่โน้นที่นี่ ปริซึมในสมัยนั้นแม้จะเป็นที่รู้จักกันดีแต่ก็อยู่ในฐานะของเล่นอันหนึ่งซึ่งไม่มีใครมองว่ามันจะใช้เป็นเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ได้

นิวตันจำเป็นต้องถอยและหันไปทุ่มเทเรื่องการเคลื่อนที่และความโน้มถ่วงแทน ต่อมาเขาได้ตีพิมพ์ผลงานที่ถือว่าคลาสสิคตลอดกาลคือ Principia ในปี 1687 จากนั้นจึงหันกลับมาตีพิมพ์ผลงานเกี่ยวกับแสงอีกครั้งในชื่อ Opticks ในปี 1704 หนึ่งปีหลังจากที่โรเบอร์ท ฮุค จากไป ! และความเชื่อมั่นในทฤษฎีอนุภาคแสงก็เริ่มขึ้น

8. แสงเป็นคลื่น ?

ก่อนหน้านั้นในปี 1678 คริสเตียน ฮอยเก้นส์ (Christaan Huygens) ได้พิจารณางานของเดคาร์ทและนิวตันแต่ก็ยังไม่พอใจกับการอธิบาย เขาได้เสนอแนวคิดใหม่ว่าแสงคล้ายกับคลื่นเสียงที่เป็นการขยับของตัวกลาง(อากาศ)อันเนื่องมาจากแหล่งกำเนิดเสียง ทำนองเดียวกันแสงคือการเคลื่อนที่ของอีเธอร์อันเนื่องมาจากแหล่งกำเนิดแสง(อีเธอร์ของเขาต่างกับของเดคาร์ท อย่างน้อยก็ขยับเขยื้อนได้) ฮอยเก้นส์ตีพิมพ์เอกสารฉบับสมบูรณ์ในปี 1690 (หลังจาก Principia ของนิวตันสามปี) โดยสามารถพิสูจน์ Snell’s law ได้(แบบที่เดคาร์ทเคยทำแต่คราวนี้ได้สูตรที่ถูกต้อง)โดยอาศัยหลักคลื่นทรงกลมของเขา

ในขณะผู้ยิ่งใหญ่แห่งยุคสามคนคือ เดคาร์ท, ฮุค และนิวตันทำความผิดร่วมกันในความเชื่อที่ว่าแสงเร็วขึ้นเมื่อเคลื่อนที่ในตัวกลางที่หนาแน่น ฮอยเก้นกลับมีความเชื่อกลับกัน(และมาถูกทาง)ว่าแสงเคลื่อนที่ช้าลง !

จวบจนเขาตาย(1695) ฮอยเก้นก็ไม่สามารถลบล้างความเชื่อว่าแสงเป็นอนุภาคแบบนิวตันได้ บางคนวิเคราะห์ว่าเป็นเพราะบารมีของนิวตันหลังจากตีพิมพ์ Principia แต่จากนั้นราวร้อยปีกว่าปี Corpuscular Theory of Light ก็เริ่มถูกท้าทายโดยคนรุ่นถัดมา

ตอนต่อไป :

ประวัติย่อของแสง (b) – แสงเป็นคลื่น
ประวัติย่อของแสง (c) – แสงเป็นควอนตัม
ประวัติย่อของแสง (d) – แสงเป็นสนามควอนตัม

จรัสพรรณ เปรมปรีบุตร
0