ตอนที่ 2: จุดเริ่มต้นของควอนตัม — แสง กับ พลังงานที่มาเป็น “ก้อน”

หากจะพูดถึงจุดเริ่มต้นของฟิสิกส์ควอนตัม ชื่อแรกที่เราต้องพูดถึงคือ แมกซ์ พลังค์ (Max Planck) นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน ผู้ที่เสนอแนวคิดอันเรียบง่ายแต่ปฏิวัติวงการ: พลังงานไม่ได้ปล่อยออกมาอย่างต่อเนื่อง แต่มาเป็น “หน่วยเล็กๆ” หรือที่เขาเรียกว่า ควอนตา (quanta)

แนวคิดนี้ดูเล็กน้อยในเวลานั้น แต่กลับกลายเป็นรากฐานของฟิสิกส์ควอนตัมในศตวรรษที่ 20

ปัญหาที่ฟิสิกส์คลาสสิกอธิบายไม่ได้

ในปลายศตวรรษที่ 19 นักวิทยาศาสตร์พบว่าแบบจำลองฟิสิกส์แบบเดิม ไม่สามารถอธิบายพฤติกรรมของ การแผ่รังสีจากวัตถุดำ (Blackbody radiation) ได้อย่างถูกต้อง

ตามฟิสิกส์คลาสสิก พลังงานรังสีควรเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ เมื่อความยาวคลื่นสั้นลง ส่งผลให้เกิด "Ultraviolet catastrophe" หรือการคาดการณ์ว่าพลังงานจะไม่มีที่สิ้นสุดในช่วงแสงอัลตราไวโอเลต ซึ่งไม่สอดคล้องกับสิ่งที่วัดได้จริง

แผนค์: พลังงานมีหน่วยเล็กสุด

Max Planck เข้ามาแก้ไขปัญหานี้โดยเสนอว่า วัตถุไม่ได้ปล่อยพลังงานออกมาอย่างต่อเนื่อง แต่เป็นก้อนเล็กๆ โดยพลังงานแต่ละก้อนจะมีขนาดตามสมการ:

E=h⋅fE = h \cdot fE=h⋅f 

EEE = พลังงาน

hhh = ค่าคงที่ของพลังค์ (Planck's constant ≈ 6.626 × 10⁻³⁴ J·s)

fff = ความถี่ของคลื่น

นี่คือการประกาศว่า “พลังงานถูกควอนไทซ์” — ไม่ได้ไหลต่อเนื่องอย่างที่เคยเชื่อ

ไอน์สไตน์เสริมแนวคิด

ต่อมาในปี 1905 อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) ได้ต่อยอดแนวคิดของพลังค์ โดยเสนอว่าแสงเองก็มีคุณสมบัติเป็นอนุภาคที่เรียกว่า โฟตอน (photon) เพื่ออธิบายปรากฏการณ์ โฟโตอิเล็กทริก (photoelectric effect)

การทดลองแสดงให้เห็นว่า เมื่อแสงกระทบผิวโลหะ มันสามารถทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกมาได้ แต่เฉพาะเมื่อแสงนั้นมีความถี่มากพอเท่านั้น ไม่ใช่แค่พลังงานรวมของแสง ซึ่งแนวคิดนี้ขัดแย้งกับฟิสิกส์คลาสสิกโดยตรง

Einstein จึงเสนอว่า แสงมีพลังงานเป็น “แพ็ค” ตามสมการเดียวกับ Planck และโฟตอนที่มีพลังงานไม่พอก็จะไม่สามารถปลดปล่อยอิเล็กตรอนได้เลย

งานนี้ทำให้เขาได้รับ รางวัลโนเบลในปี 1921

จุดเริ่มต้นของโลกควอนตัม

แนวคิดของ Planck และ Einstein คือรอยร้าวแรกในกำแพงของฟิสิกส์คลาสสิก มันบอกเราว่า “โลกในระดับเล็กมากนั้นทำงานไม่เหมือนกับโลกที่เราคุ้นเคย” พลังงานไม่ต่อเนื่อง แสงไม่ใช่แค่คลื่น แต่อาจเป็นอนุภาคด้วย

นี่คือต้นกำเนิดของสิ่งที่เรารู้จักในชื่อ "ควอนตัม" — และเป็นเพียงก้าวแรกในเส้นทางที่ยังไปได้ไกลกว่านั้นอีกมาก

บทสรุป

การที่ Planck เสนอว่าพลังงานมาเป็นควอนตา และ Einstein เสริมว่าแสงคือโฟตอน เป็นจุดเปลี่ยนครั้งใหญ่ในประวัติศาสตร์ฟิสิกส์ จากปัญหาทางทฤษฎีเล็กๆ กลายเป็นแนวคิดที่ปูทางสู่จักรวาลใหม่ทางวิทยาศาสตร์

ในตอนถัดไป เราจะเข้าใกล้อนุภาคมากขึ้น ไปดูว่าแบบจำลองอะตอมเปลี่ยนไปอย่างไร และแนวคิดควอนตัมเข้ามาอธิบายพฤติกรรมของอิเล็กตรอนในอะตอมได้อย่างไร

เชิงอ้างอิง

Planck, M. (1901). On the Law of Distribution of Energy in the Normal Spectrum. Annalen der Physik, 4(553), 1–11.

Einstein, A. (1905). On a Heuristic Viewpoint Concerning the Production and Transformation of Light. Annalen der Physik, 17(6), 132–148.

Kragh, H. (1999). Quantum Generations: A History of Physics in the Twentieth Century. Princeton University Press.

Pais, A. (1982). Subtle is the Lord: The Science and the Life of Albert Einstein. Oxford University Press.

Jammer, M. (1966). The Conceptual Development of Quantum Mechanics. McGraw-Hill.