NSO

lightแสงที่เคลื่อนที่ในเส้นใยนำแสง
Credit: Mato Rachela
แสงคือช่วงหนึ่งของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ตาของมนุษย์สามารถมองเห็นได้ แสงมีสมบัติที่ซับซ้อนโดยมีลักษณะเหมือนทั้งคลื่นและอนุภาค เราเรียกอนุภาคของแสงว่าโฟตอน (photon) ซึ่งแต่ละอนุภาคเป็นตัวแทนของแสงที่มีพลังงานต่างๆ กล้องถ่ายรูปสามารถนับจำนวนของโฟตอนได้ด้วยอุปกรณ์ที่ชื่อว่า ซีซีดี (CCDs) ซึ่งทำให้ทราบความสว่างหรือที่เรียกในทางดาราศาสตร์ว่าฟลักซ์ (flux)

 

ในขณะเดียวกันธรรมชาติของแสงก็มีลักษณะเหมือนกับคลื่นโดยมีพลังงานและสมบัติต่างๆ เช่นเดียวกับคลื่น

โดยคลื่นทุกชนิด (ไม่ว่าจะเป็น แสง คลื่นน้ำ คลื่นเสียง และคลื่นอื่น ๆ) จะมีสมบัติดังนี้

 

ความยาวคลื่น (λ) : ความยาวของคลื่น 1 ลูก (วัดจากยอดคลื่นถึงยอดคลื่น หรือท้องคลื่นถึงท้องคลื่น)

แอมพลิจูด (A) : ระยะครึ่งหนึ่งจากยอดคลื่นถึงท้องคลื่น

ความถี่ (f) : จำนวนลูกคลื่นที่ผ่านตำแหน่งใดๆ ในหนึ่งหน่วยเวลา

 

wavelengthความยาวคลื่นและแอมพลิจูด
Credit: Kraaiennest
เมื่อพูดถึงแสงที่ตามนุษย์มองเห็น จะหมายถึงคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นอยู่ในช่วง 400 – 700 นาโนเมตร (1นาโมเมตรมีค่าเท่ากับ 1 ในพันล้านส่วนของ 1 เมตร) ซึ่งถือว่าเป็นเพียงช่วงแคบๆ ของแถบคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทั้งหมด นอกจากนี้ความยาวคลื่นยังบ่งบอกถึงสีอีกด้วย โดยความยาวคลื่นมากที่สุดที่มนุษย์มองเห็นได้จะมีสีแดง (ประมาณ 700 นาโนเมตร) และความยาวคลื่นน้อยที่สุดที่มนุษย์มองเห็นได้จะมีสีน้ำเงิน (ประมาณ 400 นาโนเมตร) ส่วนความยาวคลื่นระหว่างสีแดงกับสีน้ำเงินจะปรากฏให้เห็นเป็นสีแบบในรุ้ง ดูรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับสีของแสงที่ตามนุษย์มองเห็นได้ที่นี่

 

แสงทุกความยาวคลื่นเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่ากัน โดยความเร็วแสงในอวกาศมีค่า 300,000 กิโลเมตรต่อชั่วโมง ซึ่งเป็นความเร็วที่มากที่สุดในเอกภพ นอกจากนี้ในทางดาราศาสตร์ใช้ความเร็วของแสงในการกำหนดระยะทาง โดยกำหนดให้ระยะที่แสงสามารถเดินทางได้ใน 1 ปี มีค่าเท่ากับ 1 ปีแสง

emfigแถบของคลื่นแสงที่ตามนุษย์มองเห็น เทียบกับแถบคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทั้งหมด
Credit: NSO
นักวิทยาศาสตร์ค้นพบมานานแล้วว่าแสงเป็นได้ทั้งคลื่นหรืออนุภาคที่เรียกว่าโฟตอน แต่ในบางครั้งก็เกิดการโต้แย้งระหว่างกลุ่มที่เชื่อว่าแสงเป็นคลื่นกับกลุ่มที่คิดว่าแสงเป็นอนุภาค แต่ท้ายที่สุดก็ไม่มีกลุ่มไหนโต้แย้งได้สำเร็จเนื่องจากแสงเป็นได้ทั้งคลื่นและอนุภาค

 

คลื่นทุกชนิดมีสมบัติเหมือนกันไม่ว่าจะเป็นคลื่นขนาดเล็กที่เกิดในสระน้ำหรือคลื่นขนาดใหญ่ในทะเล โดยพื้นฐานแล้วคลื่นคือการสั่นสะเทือนของตัวกลางต่าง ๆ เช่น น้ำ และอากาศ ตัวอย่างเช่นคลื่นเสียงที่เกิดจากการพูดมีแหล่งกำเนิดจากกล่องเสียงของผู้พูดไปยังหูของผู้ฟัง โดยคลื่นเสียงจำเป็นต้องมีอากาศเป็นตัวกลางในการเคลื่อนที่

นักวิทยาศาสตร์ค้นพบมานานแล้วว่าแสงเป็นได้ทั้งคลื่นหรืออนุภาคที่เรียกว่าโฟตอน แต่ในบางครั้งก็เกิดการโต้แย้งระหว่างกลุ่มที่เชื่อว่าแสงเป็นคลื่นกับกลุ่มที่คิดว่าแสงเป็นอนุภาค แต่ท้ายที่สุดก็ไม่มีกลุ่มไหนโต้แย้งได้สำเร็จเนื่องจากแสงเป็นได้ทั้งคลื่นและอนุภาค

คลื่นทุกชนิดมีสมบัติเหมือนกันไม่ว่าจะเป็นคลื่นขนาดเล็กที่เกิดในสระน้ำหรือคลื่นขนาดใหญ่ในทะเล โดยพื้นฐานแล้วคลื่นคือการสั่นสะเทือนของตัวกลางต่าง ๆ เช่น น้ำ และอากาศ ตัวอย่างเช่นคลื่นเสียงที่เกิดจากการพูดมีแหล่งกำเนิดจากกล่องเสียงของผู้พูดไปยังหูของผู้ฟัง โดยคลื่นเสียงจำเป็นต้องมีอากาศเป็นตัวกลางในการเคลื่อนที่

 

wavelengthFigure 1: ความยาวคลื่นและแอมพิลจูดอัตราเร็วในการเคลื่อนที่ของคลื่นขึ้นอยู่กับตัวกลางที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่าน เช่น ในอากาศคลื่นเสียงเดินทางด้วยอัตราเร็ว 340 เมตรต่อวินาที แต่ในน้ำคลื่นเสียงเดินทางด้วยอัตราเร็ว 1,500 เมตรต่อวินาที

 

ถ้านำเศษไม้ไปลอยอยู่ในทะเล เศษไม้จะเคลื่อนที่ขึ้นลงเมื่อคลื่นเคลื่อนที่ผ่าน ระยะทางระหว่างจุดสองจุดที่ทำให้เศษไม้เคลื่อนที่ขึ้นสูงสุดหรือต่ำสุดคือความยาวคลื่น (รูปที่ 1) จำนวนครั้งที่เศษไม้เคลื่อนที่ขึ้นและลงในทุกวินาทีคือความถี่  ในทะเลคลื่นเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วไม่มากความถี่จึงมีค่าน้อย แต่สำหรับคลื่นเสียงอาจสั่นได้หลักร้อยถึงหลักพันครั้งในทุกวินาที โดยความถี่และความยาวคลื่นมีความสัมพันธ์กันดังนี้

  • ความยาวคลื่น = อัตราเร็ว / ความถี่

 

ความถี่คือจำนวนรอบของการสั่นที่เกิดขึ้นใน 1 วินาที มีหน่วยเป็น เฮิรตซ์ (Hertz) ซึ่งตั้งชื่อตามนักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน ส่วนความยาวคลื่นจะวัดในหน่วยเมตร (สำหรับคลื่นแสงจะใช้หน่วยนาโนเมตร)

 

wavelength2Figure 2: องค์ประกอบของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

λ = ความยาวคลื่น

E = แอมพลิจูดของคลื่นไฟฟ้า

M = แอมพลิจูดของคลื่นแม่เหล็ก

 

แสงและอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้ามีความสัมพันธ์กัน เมื่ออนุภาคที่มีประจุ (เช่น อิเล็กตรอน และโปรตอน) เกิดความเร่ง จะทำให้เกิดการปลดปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา ซึ่งแสงก็เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดหนึ่งนั่นเอง คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแตกต่างจากคลื่นเสียงและคลื่นผิวน้ำเล็กน้อย เนื่องจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าประกอบด้วยคลื่นสองชนิดโดยคลื่นชนิดแรกเคลื่อนที่ในสนามไฟฟ้า และคลื่นอีกชนิดเคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็ก คลื่นทั้งสองชนิดที่มาประกอบกันจะเคลื่อนที่ไปพร้อมกันด้วยความยาวคลื่นและความถี่เท่ากัน แต่คลื่นทั้งสองจะตั้งฉากกัน (รูปที่ 2)

 

อีกสมบัติหนึ่งของแสงคือสามารถเคลื่อนที่ได้โดยไม่ต้องอาศัยตัวกลาง ทำให้แสงจากดาวเคราะห์ ดาวฤกษ์ และวัตถุอื่น ๆ สามารถเคลื่อนที่มายังโลกได้ แสงเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วประมาณ 300,000 กิโลเมตรต่อวินาที ดวงอาทิตย์อยู่ห่างจากโลกประมาณ 150 ล้านกิโลเมตร แสงจากดวงอาทิตย์ต้องใช้เวลาประมาณ 8 ในการเดินทางจากดวงอาทิตย์มายังโลก

 

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีช่วงความยาวคลื่นที่กว้างมากตั้งแต่หลายกิโลเมตรจนถึงหนึ่งในล้านล้านเมตร แต่ในความเป็นจริงความยาวคลื่นไม่มีขอบเขตที่แน่นอนโดยอาจจะมากกว่าหรือน้อยกว่านี้ก็ได้ โดยคลื่นทั้งหมดมีลักษณะคล้าย ๆ กัน โทรทัศน์และวิทยุสามารถรับคลื่นได้ในช่วงความยาวคลื่นตั้งแต่ 1 ถึง 100 เมตร ซึ่งเป็นช่วงความยาวคลื่นที่เป็นคลื่นวิทยุ เตาอบไมโครเวฟสามารถผลิตคลื่นที่มีความยาวประมาณ 1 เซนติเมตร เมื่อเราเปิดหลอดไฟความร้อนที่รู้สึกได้เมื่อสัมผัสกับแสงจากหลอดไฟนั่นคือคลื่นที่อยู่ในช่วงอินฟราเรด แสงที่ตามองเห็นมีความยาวคลื่นประมาณ 400 ถึง 700 นาโนเมตร แสงสีเหลืองจากไฟที่ส่องถนนมีความยาวคลื่นประมาณ 600 นาโนเมตร คลื่นที่มีความยาวคลื่นสั้นลงมาคืออัลตราไวโอเลตซึ่งทำให้ผิวของเราเป็นสีแทน คลื่นที่มีความยาวคลื่นสั้นลงมาอีกคือเอกซ์เรย์ซึ่งถูกนำมาใช้ในทางการแพทย์ โดยมีความยาวคลื่นอยู่ในระดับส่วนในร้อยล้านส่วนของเมตร คลื่นที่มีความยาวคลื่นสั้นกว่าเอกซ์เรย์คือแกมมาเรย์ซึ่งมีประโยชน์ในการรักษาโรคมะเร็ง แกมมาเรย์มีความยาวคลื่นอยู่ในระดับส่วนในล้านล้านส่วนของเมตร แกมมาเรย์เกิดขึ้นจากปฏิกิริยานิวเคลียร์เช่นเดียวกับที่เกิดขึ้นในแกนกลางของดวงอาทิตย์และดาวฤกษ์อื่น ๆ