ว้าว! กล้องความเร็วสูงจับภาพขณะ “โฟตอน” วิ่งในขวด (ความรู้ทางฟิสิกส์ แสงคืออะไร)

 

Image # 2. แอ���รียส� �วล��� (��าย) และ รา�ม� รัสการ� (�วา) �ักวิ�ัย�อ�ม�อ�ี�ั��ากล�อ���า�ภา��วาม�ร�วสู��ี�สามาร�สร�า��ลิ�ภา���า�อ����อ��ี���ลื�อ��ี����ว���ำอั�ลม���

คลิกชมคลิป ความละเอียดระดับ SD

คลิก  Image # 3. hd-people-mobile-image-750x352px

นักวิจัยเอ็มไอทีพัฒนาระบบถ่ายภาพความเร็วสูงที่สามารถจับภาพได้ถึงวินาทีละล้านล้านภาพ จนสามารถสร้างคลิปภาพช้าขณะ “โฟตอน” วิ่งในขวดน้ำอัดลม 1 ลิตรได้ เชื่อจะเป็นประโยชน์ต่อวงการแพทย์ อุตสาหกรรม งานวิจัย รวมถึงวงการถ่ายภาพทั่วไปได้

ราเมช รัสการ์ (Ramesh Raskar) ผู้ช่วยศาสตราจารย์จากห้องปฏิบัติการมีเดียแล็บ (Media Lab) สถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซต์ส (Massachusetts Institute of Technology) หรือเอ็มไอที (M.I.T.)สหรัฐฯ เผยว่าทีมวิจัยของเขาได้สร้างกล้องบันทึกภาพช้าที่เราสามารถเห็นโฟตอน (photon) หรืออนุภาคแสงเคลื่อนที่ไปในที่ว่าง ซึ่งก่อนหน้านี้มีกล้องที่สามารถบันทึกภาพกระสุนยิงทะลุลูกแอปเปิลได้ แต่ระบบบันทึกภาพล่าสุดของเขานั้นสามารถบันทึกโฟตอนที่เปรียบเสมือนลุกกระสุนของแสงซึ่งมีความเร็วมากกว่าลูกกระสุนถึงล้านเท่าได้ 

ทีมวิจัยบันทึกภาพด้วยความเร็วดังกล่าวได้ด้วยระบบที่สามารถจับการเคลื่อนที่ของโฟตอนในแต่ละที่ว่าง (space) และเวลา (time) แล้วนำข้อมูลมาเรียงร้อยต่อกันด้วยคอมพิวเตอร์กลายเป็นวิดีโอภาพช้า ซึ่งในวิดีโอด้านล่างนี้ได้แสดงให้เห็นแสงเลเซอร์เดินทางผ่านขวดน้ำอัดลม แล้วสะท้อนกลับจากฝาขวด 

คลิปแสดงการเคลื่อนที่ของโฟตอนในขวด 
“สิ่งที่คุณได้เห็นในวิดีโอคือค่าเฉลี่ยของพัลส์ (pulses) จำนวนมาก หากเราจับจังหวะแค่พัลส์เดียว เราก็จะได้ข้อมูลไม่มากพอ อย่างแรกเลยเพราะว่ามันจางมาก และอย่างที่สองเพราะเราจะได้เห็นเพียงเส้นๆ เดียวในแต่ละครั้ง” แอนเดรียส์ เวลเทน (Andreas Velten) นักวิจัยจากกลุ่มคาเมราคัลเจอร์ (Camera Culture group) ของมีเดียแล็บ ซึ่งเป็นหัวหน้าทีมทดลองในครั้งนี้อธิบายแก่ผู้สื่อข่าวเอ็มเอสเอ็นบีซี 

เทคนิคในการสร้างวิดีโอที่สามารถจับการเคลื่อนที่ของโฟตอนได้คือการใช้กล้องสตรีค (streak camera) ซึ่งรูรับแสงของกล้องนี้เป็นช่องยาวแคบๆ ซึ่งทำให้เห็นทิศทางในแนวนอนได้กว้างแต่เห็นทิศทางในแนวตั้งได้จำกัด ซึ่งเวลเทนกล่าวว่าเราจะเห็นเพียงเส้นๆ เดียว แต่ก็ให้อัตราผลิตเฟรมสูงมากถึงวินาทีละล้านล้านเฟรม ช่วยให้นักวิจัยสร้างภาพยนตร์จากการเดินทางของแสงเส้นเดียวได้ แต่ต้องใช้หลายๆ พัลส์เพื่อปรับปรุงคุณภาพของวิดีโอให้ดีขึ้น และเพราะแสงเลเซอร์นั้นค่อนข้างนิ่งทำให้ภาพที่ได้ดูไม่ผิดเพี้ยนไปจากความเป็นจริง 

ในระบบบันทึกภาพความเร็วสูงที่ทีมวิจัยจากเอ็มไอทีพัฒนาขึ้นมานี้ใช้เซนเซอร์เรียงกันมากถึง 500 ตัว และใช้แสงเลเซอร์สีฟ้าจากไททาเนียมเป็นแสงในการสร้างภาพการเคลื่อนของอนุภาคแสง ซึ่งตามที่นักวิจัยระบุ นั้นแสงใช้เวลาเดินทางในขวดเพียงระดับนาโนวินาที แต่พวกเขาต้องใช้เวลาเกือบชั่วโมงเพื่อเก็บรวบวมข้อมูลมาเรียงเป็นภาพวิดีโอ ซึ่งรัสการ์กล่าวว่าเทคโนโลยีที่พัฒนาขึ้นมานี้สามารถนำไปใช้ในการถ่ายภาพทางการแพทย์ อุตสาหกรรม งานวิจัย หรือแม้กระทั่งการถ่ายภาพทั่วไปได้ 

แสงคืออะไร

Image # 4.

ความหมายของเเสง (Light)

แสง (light) คือ คลื่นชนิดหนึ่งและมีพลังงานการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงความยาวคลื่นที่สายตามนุษย์มองเห็น หรือบางครั้งอาจรวมถึงการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงความยาวคลื่นตั้งแต่รังสีอินฟราเรดถึงรังสีอัลตราไวโอเลต แสงช่วงที่ตาสามารถ มองเห็นมีค่าอยู่ระหว่าง 400 – 700 นาโนเมตร และมีความถี่อยู่ในช่วง 103-105 เฮิรตซ์ โดยแสงสีม่วงซึ่งมีความยาวคลื่นน้อยที่สุด หรือ ความถี่สูงสุด ส่วนแสงสีอื่น ๆ ให้สเปคตรัมของแสงในช่วงนี้ก็มีความยาวคลื่นสูงขึ้นตามลำดับ จนถึงแสงสีแดงมีความยาวคลื่นมากที่สุดหรือมีความถี่ต่ำที่สุด

น่ารู้..

– แสง เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดเดียวที่ตามองเห็น (visible)   – อัตราเร็วของแสงในสุญญากาศ จะมีค่าประมาณ 3 x 108 m/s

– แสงเป็นได้ทั้งคลื่นและอนุภาค (ทวิภาคของคลื่น)

สมบัติของแสง

– แสงเป็นคลื่น : แสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า โดยที่ระนาบการสั่นของสนามแม่เหล็กตั้งฉากกับระนาบการสั่นของสนามไฟฟ้า และตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่น และแสงก็มีการเลี้ยวเบนด้วย ซึ่งการเลี้ยวเบนก็แสดงคุณสมบัติของคลื่น

– แสงเป็นอนุภาค : แสงเป็นก้อนพลังงานมีค่าพลังงาน E = hf โดยที่ h คือค่าคงตัวของพลังค์ และ f คือความถี่ของแสง เรียกอนุภาคแสงว่าโฟตอน