สามนักวิทย์ผู้พลิกโฉมหน้าวงการเลเซอร์ฟิสิกส์ คว้าโนเบลฟิสิกส์ 2018
รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี ค.ศ. 2018 ตกเป็นของนักวิทยาศาสตร์สามท่านผู้พลิกโฉมวงการเลเซอร์ฟิสิกส์ ได้แก่ อาร์เธอร์ แอชคิน (Arthur Ashkin) จากเบลแล็บส์ (Bell Laboratories) สหรัฐอเมริกา สำหรับการคิดค้นคีมจับเชิงแสง (Optical Tweezers) ซึ่งมีการประยุกต์ใช้ในระบบทางชีวภาพ เจราร์ด โมโร (Gérard Mourou) จาก École Polytechnique ประเทศฝรั่งเศส และดอนนา สตริกแลนด์ (Donna Strickland) ศาสตราจารย์หญิงแห่งมหาวิทยาลัยวอเตอร์ลู (University of Waterloo) ประเทศแคนาดา สำหรับกระบวนการสร้างเลเซอร์พลังงานสูงที่ปล่อยออกมาในช่วงเวลาสั้นๆ (High-Intensity Ultra-Short Optic Pulses)ดอนนา สตริกแลนด์ จึงกลายเป็นนักวิทยาศาสตร์หญิงคนที่สามที่ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์แสงสีในงานคอนเสิร์ต การทำเลสิก ศัลยกรรมตกแต่งการตัดชิ้นงานในระบบอุตสาหกรรม เครื่องเล่นดีวีดี เครื่องอ่านบาร์โค้ดตามซูเปอร์มาร์เก็ต เลเซอร์พอยเตอร์ชี้เป้าที่ใช้ในการพรีเซนต์งานล้วนแล้วแต่เป็นอุปกรณ์ที่ประยุกต์มาจากเลเซอร์เลเซอร์ต่างจากแสงอาทิตย์หรือแสงไฟจากหลอดนีออนทั่วไปตรงที่มันผลิตมาจากแหล่งกำเนิดที่ให้แสงออกมาเป็นเนื้อเดียวกัน และถูกบีบให้ปลดปล่อยพลังงานออกมาในพื้นที่แคบๆ ส่งผลให้เลเซอร์ให้ค่าสีหรือค่าพลังงานที่แน่นอน สาเหตุนี้เองที่เทคโนโลยีเลเซอร์ถูกนำไปใช้งานได้อย่างหลากหลายนักวิทยาศาสตร์รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี ค.ศ. 2018 ทั้งสามท่านคือกลุ่มบุคคลที่สร้างนวัตกรรมเกี่ยวกับเลเซอร์ ส่งผลให้มันแสดงประสิทธิภาพได้มากกว่าที่เคยลำแสงจับอะตอมแทบจะทันทีที่เลเซอร์ลำแรกส่องวาบขึ้นในปี ค.ศ. 1960 อาร์เธอร์ แอชคิน ไม่รอช้าที่จะกระโดดเข้ามาศึกษาคุณสมบัติของมัน เขารู้ดีว่าโดยหลักการแล้วแสงที่ส่องไปบนวัตถุสามารถทำให้เกิดความดันได้ แม้แสงเลเซอร์จะสร้างความดันในปริมาณที่น้อยนิด แต่มันก็ทำให้อนุภาคที่เล็กจิ๋วในระดับไมโครเมตรเคลื่อนที่ได้ (เหมือนกับการเป่าลูกปิงปองให้ลอยขึ้นกลางอากาศด้วยเครื่องเป่าผม)เขายังพิสูจน์ได้ด้วยว่าวัตถุขนาดเล็กจะถูกดึงดูดเข้าสู่ใจกลางของลำแสงเลเซอร์ ซึ่งเป็นส่วนที่ลำแสงมีความเข้มมากที่สุด จากนั้นอาร์เธอร์ได้นำเลนส์นูนมารวมแสงที่จุดโฟกัส ซึ่งจะส่งผลให้แสงมีความเข้มสูงมากจนวัตถุต่างๆ ถูกดูดติดเอาไว้ได้ง่ายขึ้น สิ่งนี้เป็นเหมือนแหนบแสงเลเซอร์ที่ใช้คีบจับสิ่งของในระดับโมเลกุลหลังจากการปรับปรุงอุปกรณ์อีกหลายรอบ อาร์เธอร์ก็สามารถคีบจับอะตอมเดี่ยวๆ ได้สำเร็จ แต่ความคิดเขายังไม่หยุดอยู่แค่นั้น วัตถุทางชีววิทยาเป็นสิ่งต่อไปที่เขาคิดจะเอาแหนบเลเซอร์ไปคีบแหนบคีบแบคทีเรียคีมคีบจับแบคทีเรียเกิดขึ้นด้วยความบังเอิญวันหนึ่งอาร์เธอร์เผลอตั้งอุปกรณ์เพื่อดักจับไวรัสแล้วเปิดทิ้งไว้ข้ามคืน เช้าวันต่อมาเขาพบว่าแหนบเลเซอร์ของเขาดักจับอะไรบางอย่างเอาไว้ได้ ภาพที่เกิดขึ้นภายใต้กล้องจุลทรรศน์ฟ้องว่ามันคือกลุ่มแบคทีเรียที่เมื่อขยับเข้าใกล้เลเซอร์ก็จะถูกดูดติดเอาไว้นั่นเองช่วงแรกลำแสงเลเซอร์มีความเข้มสูงเกินไปจนทำให้แบคทีเรียบางส่วนตาย ทีมวิจัยของอาร์เธอร์จึงปรับลดความเข้มลงมา และหันไปใช้คลื่นอินฟราเรดที่ให้พลังงานต่ำกว่าจากนั้นอาร์เธอร์จึงมุ่งเป้าไปที่การใช้แสงเลเซอร์ดักจับและควบคุมแบคทีเรีย ไวรัสและเซลล์ประเภทต่างๆ จนเลยเถิดไปถึงการยิงลำแสงเลเซอร์เข้าไปในเซลล์โดยไม่ทำลายเยื่อหุ้ม เปิดทางให้เกิดการศึกษากลไกของโปรตีนไคนีซิน (kinesin) ซึ่งทำหน้าที่คล้ายคนงานแบกหามคอยขนส่งถุงบรรจุสารต่างๆ ภายในเซลล์โปรตีนไคนีซินขนาดจิ๋วซึ่งถูกดักจับไว้ด้วยแสงเลเซอร์จะพยายามเคลื่อนที่ไปตามกลไกตามธรรมชาติของมัน แต่ก็จะถูกดึงกลับด้วยแรงจากเลเซอร์ การสำรวจด้วยเทคนิคนี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์พบว่าการเคลื่อนที่ของไคนีซินเป็นไปในลักษณะเดินๆ หยุดๆการวิจัยนี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์กลุ่มอื่นๆ หันมาร่วมกันปรับปรุงคุณภาพของแหนบเลเซอร์ให้แม่นยำมากขึ้น จนนำไปสู่การทำความเข้าใจกลไกการเคลื่อนที่ของโปรตีนต่างๆ ในกระบวนการจำลองดีเอ็นเอ และการสังเคราะห์โปรตีนซึ่งเป็นกระบวนการพื้นฐานของแทบทุกเซลล์ในทุกสิ่งมีชีวิตการพัฒนาขีดความสามารถของอุปกรณ์ยังคงเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องล่าสุดนักวิทยาศาสตร์ได้ประดิษฐ์เครื่องจำแนกเม็ดเลือดที่ผิดปกติจากการติดเชื้อมาลาเรียด้วยคีมหนีบเชิงแสงนับพันที่ทำงานพร้อมกันยืด-ขยาย-บีบอัด: เทคนิคของการสร้างเลเซอร์ความเข้มสูงย้อนกลับไปในช่วงที่อาร์เธอร์กำลังเริ่มคีบจับแบคทีเรียดอนนา สตริกแลนด์ และอาจารย์ที่ปรึกษาเจราร์ด โมโร กำลังขะมักเขม้นกับการทลายขีดจำกัดของการสร้างเลเซอร์ความเข้มสูงเดิมทีนักวิทยาศาสตร์ไม่สามารถสร้างเลเซอร์ที่มีความเข้มเกินระดับ 10 ยกกำลัง15 วัตต์ต่อตารางเซนติเมตรได้ เนื่องจากเครื่องขยายสัญญาณนั้นจะพังไปเสียก่อนศิษย์และอาจารย์คู่นี้นี่เองที่คิดค้นเทคนิคเพิ่มความเข้มได้อีกหลายเท่า โดยแนวคิดของดอนนาและเจราร์ดเรียกว่า Chirped-Pulse Amplification (CPA) เริ่มต้นที่การปล่อยเลเซอร์ออกมาเป็นลำสั้นๆ (Pulse) แล้วแยกความถี่ที่ผสมปนเปกันอยู่ให้ออกมาเป็นแถบสเปกตรัม ด้วยการให้หักเหผ่านเลนส์และเดินทางไปถึงเครื่องขยายสัญญาณไม่พร้อมกัน ทำให้เครื่องขยายสัญญาณไม่ต้องรับภาระหนักเกินไป จากนั้นจึงรวมแสงเลเซอร์กลับเข้ามาอีกครั้งจนเกิดเป็นลำแสงความเข้มสูงในที่สุดCPA นับได้ว่าเป็นมาตรฐานใหม่สำหรับการสร้างเลเซอร์ความเข้มสูง ซึ่งนำไปสู่การประยุกต์ต่างๆ มากมายทั้งในวงการฟิสิกส์เคมีแม้กระทั่งการแพทย์เลเซอร์ความเข้มสูงที่ปล่อยออกมาในห้วงเวลาสั้นมากๆ ระดับเฟมโตวินาที (10ยกกำลัง-15 วินาที) สามารถเปลี่ยนแปลงสมบัติบางอย่างของวัตถุได้ รวมทั้งเจาะรูเล็กๆ ให้กับพื้นผิวได้อย่างแม่นยำ โดยไม่ทำลายพื้นที่รอบๆ ซึ่งนำไปสู่การสร้างอุปกรณ์บันทึกข้อมูล รวมถึงเครื่องมือผ่าตัดดวงตาไม่กี่ปีมานี้นักวิทยาศาสตร์ถึงขั้นบันทึกเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นในระดับอะตอมได้ด้วยพัลส์เลเซอร์ระดับอัตโต (10 ยกกำลัง-18) วินาที ซึ่งเป็นระยะเวลาที่อิเล็กตรอนกำลังสร้างพันธะใหม่ให้เกิดขึ้นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ทำงานได้รวดเร็วขึ้น แผงสุริยะที่ทรงประสิทธิภาพมากขึ้น ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ทำงานได้ไวมากขึ้น แหล่งพลังงานใหม่ รวมถึงยาขนานใหม่สำหรับรักษาโรคร้าย ทั้งหมดนี้กำลังจะเป็นจริงได้ด้วยเลเซอร์ฟิสิกส์ยุคใหม่แน่นอนว่านักวิทยาศาสตร์ไม่หยุดความทะเยอทะยานไว้เพียงเท่านี้ จะเกิดอะไรขึ้นถ้าเราสร้างเลเซอร์ความเข้มระดับ 10ยกกำลัง21 วัตต์ หรือให้กำเนิดพัลส์ของเลเซอร์ในระดับ 10ยกกำลัง-21 วินาทีได้ แน่นอนว่ามันคือขอบฟ้าใหม่ของการศึกษาควอนตัมฟิสิกส์ในสุญญากาศ และการฉายลำโปรตอนไปยังเนื้อร้ายเพื่อขจัดเซลล์มะเร็งให้สิ้นซากทั้งหมดนี้คือผลพวงที่เกิดขึ้นจากการประดิษฐ์ของนักวิทยาศาสตร์รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปีล่าสุดพิสูจน์อักษร: อ้างอิง:
แสงสีในงานคอนเสิร์ต การทำเลสิก ศัลยกรรมตกแต่งการตัดชิ้นงานในระบบอุตสาหกรรม เครื่องเล่นดีวีดี เครื่องอ่านบาร์โค้ดตามซูเปอร์มาร์เก็ต เลเซอร์พอยเตอร์ชี้เป้าที่ใช้ในการพรีเซนต์งาน ล้วนแล้วแต่เป็นอุปกรณ์ที่ประยุกต์มาจากเลเซอร์นักวิทยาศาสตร์รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี ค.ศ. 2018 ทั้งสามท่านคือกลุ่มบุคคลที่สร้างนวัตกรรมเกี่ยวกับเลเซอร์ ส่งผลให้มันแสดงประสิทธิภาพได้มากกว่าที่เคยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ทำงานได้รวดเร็วขึ้น แผงสุริยะที่ทรงประสิทธิภาพมากขึ้น ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ทำงานได้ไวมากขึ้น แหล่งพลังงานใหม่ รวมถึงยาขนานใหม่สำหรับรักษาโรคร้าย ทั้งหมดนี้กำลังจะเป็นจริงได้ด้วยเลเซอร์ฟิสิกส์ยุคใหม่ ซึ่งเป็นผลพวงที่เกิดขึ้นจากการประดิษฐ์ของนักวิทยาศาสตร์รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปีล่าสุด