วิทยาการ “อัตโตฟิสิกส์” สำคัญอย่างไร จึงได้ครองรางวัลโนเบล 2023

เมื่อวันอังคารที่ 3 ต.ค. ที่ผ่านมา คณะกรรมการรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปีนี้ ได้ประกาศยกย่องผลงานดีเด่นของนักวิทยาศาสตร์ 3 คน ผู้ทำการทดลองจนค้นพบเทคนิคการยิงลำแสงความเร็วสูงในระดับอัตโตวินาที (Attosecond Pulses) ซึ่งสามารถนำไปใช้ประโยชน์ในการศึกษาพลวัตของอนุภาคอิเล็กตรอน ขณะที่มันกำลังเคลื่อนที่หรือเปลี่ยนระดับพลังงานในสสารต่าง ๆ ได้

อย่างไรก็ตาม หลายคนยังคงงุนงงสงสัยว่า ความเร็วที่ยิ่งกว่าชั่วพริบตาในระดับอัตโตวินาที ซึ่งมนุษย์ธรรมดายากจะจินตนาการไปถึงนั้น มันเป็นความเร็วแบบไหนกันแน่ และเราจะนำวิทยาการ “อัตโตฟิสิกส์” (Attophysics) หรือเทคนิคการใช้ลำแสงความเร็วสูงยิ่งยวดดังกล่าว มาสร้างนวัตกรรมที่เป็นประโยชน์ต่อชีวิตประจำวันของเราได้อย่างไรบ้าง

ดร.ฮันส์ เจค็อบ เวอร์เนอร์ นักวิจัยจากสถาบัน ETH Zurich ของประเทศสวิตเซอร์แลนด์ อธิบายกับสำนักข่าวเอเอฟพีว่า ความเร็วระดับอัตโตวินาทีนั้น คือช่วงเวลาสั้นที่สุดที่มนุษย์สามารถตรวจวัดได้โดยตรงในปัจจุบัน ซึ่งเท่ากับ 0.000000000000000001 วินาที หรือ 10 ยกกำลัง -18 วินาที

1 อัตโตวินาที ยังกินเวลาเท่ากับ 1 ในล้านล้านล้านส่วนของ 1 วินาที หรือ 1 ในล้านล้านล้านส่วนของชั่วขณะที่หัวใจเต้นทุกครั้ง ซึ่งตัวเลข 1 ล้านล้านล้านนั้น เท่ากับอายุจักรวาลของเราในหน่วยวินาทีพอดี (13,800 ล้านปี)

1 อัตโตวินาที ยังเท่ากับการแบ่งช่วงเวลา 1 วินาที ออกเป็นพันล้านส่วน จากนั้นจึงแบ่ง 1 ในพันล้านส่วนข้างต้น ออกเป็นพันล้านส่วนอีกครั้ง จึงจะได้ช่วงเวลาที่แสนสั้นสุดขั้วระดับอัตโตวินาทีตามที่ต้องการได้

เหตุที่เราต้องพยายามสร้างลำแสงหรือเลเซอร์ที่ยิงได้ด้วยความเร็วสุดยอดดังกล่าว เนื่องจากมันเป็นความเร็วในระดับที่อนุภาคอิเล็กตรอนเคลื่อนตัวในธรรมชาติ โดยปกติอนุภาคประจุลบชนิดนี้วิ่งวนรอบนิวเคลียสของอะตอมไฮโดรเจน ด้วยความเร็วสูงถึง 150 อัตโตวินาทีต่อรอบ ซึ่งมนุษย์ไม่มีทางที่จะติดตามบันทึกภาพได้ทัน และไม่สามารถจะควบคุมอิเล็กตรอนด้วยอุปกรณ์ที่มีความเร็วต่ำกว่าได้เลย

ทุกวันนี้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมด สามารถทำงานได้ด้วยการควบคุมความเคลื่อนไหวของอิเล็กตรอน ซึ่งมนุษย์ยังคงประดิษฐ์อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ให้มีความเร็วสูงสุดได้แค่ระดับนาโนวินาทีเท่านั้น ส่วนการศึกษาอนุภาคมูลฐานในระดับที่เล็กกว่าอะตอมก่อนหน้านี้ นักวิทยาศาสตร์ทำได้เพียงแค่การศึกษานิวเคลียส ซึ่งมีขนาดใหญ่และเชื่องช้ากว่าอิเล็กตรอนมาก ด้วยการตรวจวัดในระดับเฟมโตวินาที ( 10 ยกกำลัง -15 วินาที)

แต่หากเราสามารถเร่งความเร็วในการทำงานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ให้ขึ้นมาอยู่ในระดับอัตโตวินาทีได้สำเร็จ โลกจะได้เห็นชิปคอมพิวเตอร์หรือไมโครโปรเซสเซอร์รุ่นใหม่ ที่ประมวลผลข้อมูลได้ด้วยความเร็วสูงกว่าปัจจุบันถึงพันล้านเท่า

ศาสตราจารย์ แอนน์ ลุยวิเยร์ นักฟิสิกส์เชื้อสายฝรั่งเศส-สวีเดน หนึ่งในผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปีนี้ คือคนแรกที่ค้นพบเครื่องมือซึ่งช่วยเปิดประตูสู่โลกของอิเล็กตรอนให้แก่แวดวงวิทยาศาสตร์ หลังจากที่ก่อนหน้านี้เราไม่สามารถมองเห็นหรือตรวจวัดความเคลื่อนไหวของอนุภาคชนิดนี้ได้อย่างแม่นยำเลย

เทคนิคของศ.ลุยวิเยร์ ใช้เลเซอร์พลังงานสูงสร้างลำแสงที่ยิงด้วยความถี่สั้น ๆ ในระดับอัตโตวินาทีขึ้นได้ ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ที่ทำงานร่วมทีมเดียวกันกับศ. ลุยวิเยร์ อธิบายโดยเปรียบเทียบว่า “มันเหมือนกับการถ่ายทำภาพยนตร์ เราใช้วิธีบันทึกภาพความเคลื่อนไหวของอิเล็กตรอนในแต่ละชั่วขณะ โดยฉายแสงเพื่อบันทึกภาพไปทีละเฟรมอย่างต่อเนื่องกันด้วยความถี่สูง”

ดังนั้นวิทยาการอัตโตฟิสิกส์จึงช่วยให้เราศึกษาปรากฏการณ์ที่เกิดจากปฏิสัมพันธ์ระหว่างแสงกับสสารได้ โดยสามารถจะตรวจสอบกระบวนการทางเคมีและฟิสิกส์ที่เกิดขึ้นภายในโมเลกุล ด้วยความเร็วที่เหนือกว่าช่วงเวลาการจัดเรียงตัวเข้าสู่ระดับพลังงานใหม่ของอิเล็กตรอน ซึ่งจะช่วยเพิ่มพูนความเข้าใจเรื่องพลวัตทางควอนตัมของมัน รวมทั้งวิเคราะห์อนุภาคและปฏิกิริยาเคมีได้ในระดับละเอียด อันจะนำไปสู่การควบคุมความเคลื่อนไหวของอิเล็กตรอนได้แบบเรียลไทม์ในที่สุด

ลำแสงซึ่งมีความถี่สั้นที่สุดที่มนุษย์เคยทำได้ อยู่ที่ 43 อัตโตวินาที ซึ่งพัฒนาโดยทีมวิจัยของดร. เวอร์เนอร์ เมื่อไม่กี่ปีก่อน แต่ในอดีตทีมของศ.ปิแอร์ อากอสตินี หนึ่งในผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ของปีนี้ เคยทำความเร็วสูงสุดได้ที่ 250 อัตโตวินาที เมื่อปี 2001 ก่อนจะถูกทีมของศ. เฟอเรนซ์ เคราซ์ ผู้ร่วมพิชิตรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี 2023 อีกท่าน ล้มแชมป์ไปด้วยความเร็ว 80 อัตโตวินาที ในปี 2008