Willis E. Lamb นักฟิสิกส์รางวัลโนเบลปี 1955 กับการพบ Lamb shift

โดย อ.สุทัศน์ ยกส้าน

Image # 2. Willis E. Lamb นักฟิสิกส์รางวัลโนเบลปี 1955 กับการพบ Lamb shift

Willis E. Lamb Jr. (PHOTO CREDIT: Nobelprize.org)

      เมื่อ Willis E. Lamb Jr. วัย 94 ปี เสียชีวิตที่เมือง Tucson รัฐ Arizona ในวันที่ 15 พฤษภาคม ปี.2008 โลกได้สูญเสียนักวิทยาศาสตร์รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 1955 ด้วยผลงานการพบปรากฎการณ์ Lamb shift ที่แสดงให้ทุกคนเห็นว่า ทฤษฎีพลศาสตร์ไฟฟ้าเชิงควอนตัมที่นักฟิสิกส์ทุกคนในเวลานั้นเชื่อว่าถูกต้อง แท้ที่จริงก็ยังไม่สมบูรณ์ 100% เพราะ Lamb ได้วัดระดับพลังงานของอิเล็กตรอนในอะตอมไฮโดรเจนขณะอยู่ในสถานะต่างๆ และพบว่า ค่าที่ได้บางค่า ไม่สอดคล้องกับผลคำนวณที่ใช้ทฤษฎีควอนตัมเชิงสัมพัทธภาพของ Dirac

ความแตกต่างที่เรียกว่า Lamb shift นี้ได้จุดประกายให้นักฟิสิกส์ทฤษฎีกลับมาทบทวนความคิดพื้นฐานของกลศาสตร์ควอนตัม จนได้พบว่า ความแปรปรวนของพลังงานที่มีในสุญญากาศได้เข้ามารบกวนจนทำให้พลังงานของอิเล็กตรอนในอะตอมไฮโดรเจนเปลี่ยนไป และมีผลทำให้อิเล็กตรอนในสถานะ 2s ซึ่งอยู่ใกล้โปรตอนถูกกระทำรุนแรงยิ่งกว่าอิเล็กตรอนในสถานะ 2p ที่อยู่ไกล พลังงานของอิเล็กตรอนในสถานะทั้งสองจึงไม่เท่ากัน

ทฤษฎี QED ยุคใหม่ได้ใช้ปรากฏการณ์ Lamb shift นี้ทดสอบความสมบูรณ์ของทฤษฎี QED เดิม และพบว่าปรากฏการณ์ Lamb shift สามารถอธิบายค่าที่แตกต่างไป 1 ในล้านส่วนได้ 

Image # 3. Willis E. Lamb นักฟิสิกส์รางวัลโนเบลปี 1955 กับการพบ Lamb shift

Enrico Fermi (PHOTO CREDIT: Nobelprize.org)

       ขณะมีชีวิตอยู่ วงการฟิสิกส์ยกย่อง Lamb ว่าเป็นหนึ่งในสองนักฟิสิกส์ที่เก่งกล้าสามารถระดับอัจฉริยะ ไม่ว่าจะเป็นด้านทฤษฎีหรือด้านการทดลอง (อีกคนหนึ่งคือ Enrico Fermi ผู้สร้างเตาปฏิกรณ์ปรมาณูเตาแรกของโลก และเป็นคนที่เสนอทฤษฎีการสลายตัวของนิวเคลียสกัมมันตรังสีในการปล่อยรังสีบีตา)

Willis Eugene Lamb Junior เกิดเมื่อวันที่ 12 กรกฎาคม ค.ศ.1913 ที่นคร Los Angeles รัฐ California ในครอบครัวที่มีลูกชายสามคน Lamb เป็นลูกคนโต บิดามีอาชีพเป็นวิศวกรโทรคมนาคม ตั้งแต่เด็ก Lamb มีปัญหาเกี่ยวกับสายตา ในวัยรุ่น Lamb ได้เป็นแชมป์หมากรุกระดับชาติ และความเก่งกล้าด้านนี้ทำให้ Lamb ต้องตัดสินใจว่าจะเลือกเส้นทางชีวิตเป็นนักหมากรุกมืออาชีพ หรือจะเอาดีทางด้านวิทยาศาสตร์ โชคดีสำหรับชาวโลกที่ Lamb เลือกเป็นนักวิทยาศาสตร์

Lamb เข้าเรียนเคมีระดับปริญญาตรีที่มหาวิทยาลัย California ที่ Berkeley โดยมีนักเคมีเชิงฟิสิกส์ผู้มีชื่อเสียงโด่งดังชื่อ Gilbert Lewis เป็นอาจารย์ที่ปรึกษา ซึ่งได้แนะนำให้ Lamb เป็นนักวิทยาศาสตร์ด้านการทดลอง โดยให้เหตุผลว่า การเป็นนักวิทยาศาสตร์ที่เชี่ยวชาญด้านการทดลอง เวลาคิดอะไรไม่ออก ก็อาจนั่งล้างขวดฆ่าเวลาได้

แต่ Lamb มิได้เชื่อในสิ่งที่ Lewis แนะ เขาได้ตัดสินใจจะเป็นนักฟิสิกส์ทฤษฎี ที่มี J. Robert Oppenheimer เป็นอาจารย์ที่ปรึกษาในการทำวิทยานิพนธ์ (Oppenheimer คือ ผู้อำนวยการโครงการ Manhattan ที่สร้างระเบิดปรมาณูของอเมริกาในช่วงสงครามโลกครั้งที่สอง)

ทว่าความสัมพันธ์ระหว่างอาจารย์ Oppenheimer กับศิษย์ Lamb เป็นไปอย่างไม่ราบรื่น เพราะทั้งสองมีบุคลิกภาพที่แตกต่างกันมาก คือ Oppenheimer เป็นคนฉุนเฉียวง่าย ไม่ว่า Lamb จะเสนอความคิดอะไรก็ตาม ดังเวลาพิจารณาปรากฏการณ์ต่างๆ ในธรรมชาติ Oppenheimer ชอบมองภาพใหญ่ แต่ Lamb สนใจในรายละเอียด ด้วยเหตุนี้ทั้งสองจึงไม่ได้มีงานวิจัยใดๆ ที่ตีพิมพ์ร่วมกันเลย ในเวลาต่อมาเมื่อ Oppenheimer ถูกหน่วยสอบสวนลับ (FBI) ตั้งข้อหาเป็นคอมมิวนิสต์ Lamb มิได้เป็นพยานในการปกป้องอาจารย์

Lamb สำเร็จการศึกษาระดับปริญญาเอกในปี 1938 ด้วยวิทยานิพนธ์เรื่อง สมบัติเชิงแม่เหล็กไฟฟ้าของนิวเคลียสที่รับนิวตรอนเข้าไป 

Image # 4. Willis E. Lamb นักฟิสิกส์รางวัลโนเบลปี 1955 กับการพบ Lamb shift

J. Robert Oppenheimer (CREDIT PHOTO: US Department of Energy)

      เมื่อเกิดสงครามโลกครั้งที่สอง และ Oppenheimer ได้รับแต่งตั้งให้เป็นผู้อำนวยการรับผิดชอบโครงการ Manhattan ในขณะที่บรรดานักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน แทบทุกคนได้เข้า หรืออยากเข้าร่วมโครงการ แต่ Lamb กลับไม่สนใจ เขาไปสมัครทำงานวิจัยด้านเรดาร์และ microwave ที่มหาวิทยาลัย Columbia ใน New York

ขณะเรียนปริญญาเอก นอกจากจะต้องแบ่งเวลาไปทำวิทยานิพนธ์แล้ว Lamb ยังมีเวลาไปสนใจฟิสิกส์ด้านอื่นๆ ด้วย เช่นได้เสนอทฤษฎีการปล่อยรังสีแกมมาจากอะตอมที่ถูกยึดในผลึก โดยอะตอมนั้นไม่กระดอนกลับ นี่คือ ปรากฏการณ์ Mössbauer ที่ Rudolf Mössbauer ได้พบในอีก 19 ปีต่อมา ซึ่งทำให้ Mössbauer ได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ประจำปี 1961 การพบปรากฏการณ์นี้ก่อนแต่ไม่ตีพิมพ์เผยแพร่ทำให้นักฟิสิกส์บางคนเรียกชื่อปรากฏการณ์นี้ว่า ปรากฏการณ์ Lamb – Mössbauer

ขณะฝึกทำงานวิจัยอยู่ที่มหาวิทยาลัย Columbia นั้น Lamb ได้เป็นนักวิจัยผู้ช่วยของ I.I. Rabi (รางวัลโนเบลฟิสิกส์ปี 1944) เพราะ Rabi คิดว่า Lamb คงเก่งทฤษฎีในทำนองเดียวกับ Paul Dirac จึงมอบโจทย์คำนวณให้ทำ แต่ในความเป็นจริง Lamb ก็เก่งในห้องปฏิบัติการด้วย คือทำได้เด่นและดีระดับ Enrico Fermi ดังนั้นชีวิตการทำงานของ Lamb ที่ Columbia จึงไม่รุ่ง ดังจะเห็นได้ว่า เมื่อเวลาผ่านไป 10 ปี Lamb ก็ยังมิได้เป็นศาสตราจารย์ แต่ได้เป็นแค่ผู้ช่วยศาสตราจารย์

เมื่ออเมริกาเข้าสู่สงครามโลกครั้งที่สอง ความสามารถด้านการทดลองของ Lamb ได้ช่วยให้ Lamb พบปรากฏการณ์ Lamb shift ซึ่งเป็นผลต่างระหว่างพลังงานของอิเล็กตรอนในอะตอมไฮโดรเจนที่อยู่ในสถานะ 2s กับ 2p (เพราะในสถานะ s อิเล็กตรอนมีเลขควอนตัมโมเมนตัมเชิงมุม = 0 แต่ในสถานะ p เลขควอนตัมโมเมนตัมเชิงมุม = 1) ทั้งๆ ที่ทฤษฎี QED ของ Dirac ทำนายว่า พลังงานของอิเล็กตรอนในสถานะทั้งสองไม่แตกต่างกันเลย

การค้นพบของ Lamb ที่ว่า พลังงานของอิเล็กตรอนในสองสถานะแตกต่างกัน เกิดจากการที่สุญญากาศในบริเวณระหว่างอิเล็กตรอนกับโปรตอนมีการปลดปล่อย และการดูดกลืน photon เสมือน (virtual) ตลอดเวลา กระบวนการที่เกิดขึ้นนี้จึงทำให้พลังงานของอิเล็กตรอนในสถานะ 2s สูงกว่าในสถานะ 2p และการทดลองของ Willis Lamb กับ Robert Retherford ผู้เป็นลูกศิษย์สามารถวัดความแตกต่างนี้ได้ว่ามีค่า 1057.8 x 106 เฮิรท์ซ

ทันทีที่วงการฟิสิกส์เห็นค่า Lamb shift นักฟิสิกส์ทฤษฎีก็เริ่มตื่นตัวหาวิธีอธิบายที่มาของปรากฏการณ์นี้ Hans Bethe (รางวัลโนเบลฟิสิกส์ปี 1967) เป็นบุคคลแรกที่ประสบความสำเร็จโดยพิจารณาปัญหานี้แบบง่ายๆ และได้ค่าความแตกต่างเท่ากับ 1057.7 x 106 เฮิรท์ซ 

Image # 5. Willis E. Lamb นักฟิสิกส์รางวัลโนเบลปี 1955 กับการพบ Lamb shift

Julian Schwinger (PHOTO: US Department of Energy)

        ลุถึงปี 1949 Willis Lamb กับ Normal Kroll จึงได้เสนอทฤษฎี Lamb shift ที่ได้จากการพิจารณาทฤษฎี QED รวมกับทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ เป็นการชี้นำให้ Julian Schwinger, Richard Feynman นำทฤษฎี Renormalization มาใช้ (นักฟิสิกส์ทั้งสองกับ S. Tomonaga ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1965 ร่วมกันจากผลงานนี้)

สำหรับเรื่องสไตล์การเขียนรายงานการวิจัยของ Lamb นั้น ก็เป็นประเด็นที่น่าสนใจมาก เพราะ Lamb มักใช้เวลานานเวลาเขียนรายงานวิจัย โดยจะตัดแต่งประโยคและเปลี่ยนคำที่ใช้บ่อย เพื่อให้คนที่อ่านบทความสามารถเข้าใจเนื้อหา และเหตุผลฟิสิกส์ได้ดีขึ้น นอกจากนี้ Lamb ก็ยังเป็นคนที่ระมัดระวังมากในการใช้ สัญลักษณ์ รวมถึงเครื่องหมายวรรคตอนต่างๆ ด้วย 

Image # 6. Willis E. Lamb นักฟิสิกส์รางวัลโนเบลปี 1955 กับการพบ Lamb shift

Richard Feynman (PHOTO CREDIT: Nobelprize.org)

       หลังจากที่ทำงานที่มหาวิทยาลัย Columbia ได้ 5 ปี และพบปรากฏการณ์ Lamb shift แล้ว Lamb ได้โอนตัวไปทำงานต่อที่มหาวิทยาลัย Stanford แต่ก็พบว่าไม่สบายใจอีก จึงโอนไปรับตำแหน่งอาจารย์ที่มหาวิทยาลัย Harvard

เมื่อสื่อมวลชนได้ข่าวว่า Lamb ได้รับรางวัลโนเบลประจำปี 1955 ผู้สื่อข่าวคนหนึ่งได้ถาม Lamb ว่า อาจารย์ที่ปรึกษา Oppenheimer ได้เขียนจดหมายมาแสดงความยินดีหรือไม่ Lamb ตอบว่า ไม่ และเมื่อผู้สัมภาษณ์ถามต่อว่า รู้สึกเสียใจหรือไม่ที่ไม่ได้เข้าร่วมในโครงการ Manhattan ซึ่ง Lamb ก็ตอบว่า ไม่ เพราะถ้าไป Los Alamos ก็คงไม่ได้พบ Lamb shift

ในปี 1956 Lamb ได้รับตำแหน่งศาสตราจารย์ฟิสิกส์ทฤษฎีแห่งมหาวิทยาลัย Oxford และเริ่มสนใจทฤษฎี laser แต่ความสนใจในเรื่องนี้ไม่ก้าวหน้า เพราะที่ Oxford Lamb ไม่มีนิสิตปริญญาเอกช่วยทำวิจัย และไม่มีห้องปฏิบัติการให้ทดลอง

ในปี 1962 Lamb ได้เดินทางกลับอเมริกาเพื่อไปเป็นศาสตราจารย์ที่มหาวิทยาลัย Yale และทำงานวิจัยร่วมกับนิสิตเรื่อง เหตุการณ์ที่เกิดเวลาสสารได้รับแสง laser ในการใช้ laser ศึกษาอะตอมโดดๆ นี้ ทำให้ Lamb พบปรากฏการณ์ Lamb dip ในสเปกตรัมแสงของเลเซอร์ที่ทำจากแก๊สผสมระหว่าง helium กับ neon และ dip ที่เกิดนี้แคบยิ่งกว่าความกว้างที่เกิดจากการเพิ่มความยาวคลื่นของแสง เนื่องจากปรากฏการณ์ Doppler ของอะตอม

ในปี 1973 Lamb ได้ย้ายไปทำงานที่ศูนย์วิจัย Optics ของมหาวิทยาลัย Arizona และทำงานด้านฟิสิกส์เชิงคำนวณ รวมถึงได้พยายามเข้าใจความหมายเชิงปรัชญาของฟิสิกส์ด้วย

Lamb เกษียณจากมหาวิทยาลัย Arizona ในปี 2002 ในวัย 89 ปี และเสียชีวิตในอีก 6 ปีต่อมา

อ่านเพิ่มเติมจาก QED and the Men Who Made It โดย S. Schweber จัดพิมพ์โดย Princeton University Press ปี 1994