อัตราเร็วของแสง

อัตราเร็วของแสง (speed of light) ในสุญญากาศ มีนิยามว่าเท่ากับ 299,792,458 เมตรต่อวินาที (หรือ 1,079,252,848.8 กิโลเมตรต่อชั่วโมง หรือประมาณ 186,282.397 ไมล์ต่อวินาที หรือ 670,616,629.4 ไมล์ต่อชั่วโมง) ค่านี้เขียนแทนด้วยตัว c ซึ่งมาจากภาษาละตินคำว่า celeritas (แปลว่า อัตราเร็ว) และเรียกว่าเป็นค่าคงที่ของไอน์สไตน์ แสงเป็นสิ่งที่แปลกประหลาดนั่นคือไม่ว่าผู้สังเกตจะเคลื่อนที่หรือหยุดนิ่ง ไม่ว่าจะอยู่ในสถานที่ใด ด้วยเงื่อนไขใด อัตราเร็วของแสงที่ผู้สังเกตคนนั้นวัดได้ จะเท่าเดิมเสมอ ซึ่งขัดกับความรู้สึกของคนทั่วไป แต่เป็นไปตาม ทฤษฎีสัมพัทธภาพ ของ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์
สังเกตว่าอัตราเร็วของแสงในสุญญากาศ เป็น นิยาม ไม่ใช่ การวัด ในหน่วยเอสไอกำหนดให้ เมตร มีนิยามว่าเป็นระยะทางที่แสงเดินทางในสุญญากาศในเวลา 1/299,792,458 วินาที แสงที่เดินทางผ่านตัวกลางโปร่งแสง (คือไม่เป็นสุญญากาศ) จะมีอัตราเร็วต่ำกว่า c อัตราส่วนของ c ต่ออัตราเร็วของแสงที่เดินทางผ่านในตัวกลาง เรียกว่า ดรรชนีหักเหของตัวกลางนั้น
ภาพทั่วไป
จากทฤษฎีทางฟิสิกส์ รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าทุกชนิดรวมทั้งแสง จะแพร่ออกไป(เคลื่อนที่)ในสุญญากาศ ด้วยอัตราเร็วคงที่ค่าหนึ่ง เรียกว่า อัตราเร็วของแสง ซึ่งเป็นค่าคงที่เชิงกายภาค เขียนแทนด้วยตัว c ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ความโน้มถ่วงยังแพร่ออกไปในอัตราเร็ว c ด้วย
จากกฎของแม่เหล็กไฟฟ้า (เช่น สมการของแมกซ์เวลล์) อัตราเร็ว c ของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า จะไม่ขึ้นอยู่กับความเร็วของวัตถุที่ปล่อยรังสี เช่น แสงที่ปล่อยออกมาจากวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูง จะมีอัตราเร็วเดียวกับ แสงที่ปล่อยออกมาจากวัตถุที่อยู่นิ่ง (แม้ว่า สี, ความถี่, พลังงาน, และโมเมนตัมของแสงจะไม่เท่ากัน เรียกว่า ปรากฏการณ์ Relativistic Doppler)
การสื่อสาร
อัตราเร็วของแสงมีผลต่อการสื่อสารมากทีเดียว ตัวอย่างเช่น การสื่อสารจากโลกอีกด้านหนึ่ง ไปยังอีกด้านหนึ่ง ตามทฤษฎี ต้องใช้เวลาไม่น้อยไปกว่า 0.67 วินาที เพราะว่าโลกมีเส้นศูนย์สูตรยาว 40,075 กิโลเมตร
ในความเป็นจริง อาจต้องใช้เวลามากกว่านั้น เพราะว่าแสงที่เดินทางในใยแก้วนำแสงจะเดินทางช้าลงถึง 30% และไม่บ่อยนักที่เส้นทางการสื่อสารจะเป็นเส้นตรง นอกจากนี้ ยังมีความล่าช้า ที่เกิดจากสัญญาณเดินทางผ่านสวิตซ์อิเล็กทรอนิกส์ หรือเครื่องกำเนิดสัญญาณอีกด้วย เช่น ในปี ค.ศ. 2004 การสื่อสารจากออสเตรเลียหรือจากญี่ปุ่น ถึงสหรัฐอเมริกา นั้นต้องใช้เวลาถึง 0.18 วินาที
ผู้ที่ติดตามชมการสื่อสารระหว่างศูนย์ควบคุมฮิวส์ตัน (Houston ground control) กับนีล อาร์มสตรองเมื่อเขาอยู่บนดวงจันทร์ คงจะได้รู้ว่า เมื่อศูนย์ควบคุมได้ถามคำถามนีล เราต้องใช้เวลาประมาณ 3 วินาที กว่าจะได้รับคำตอบจากนีล แม้ว่าเขาจะตอบกลับมาทันทีก็ตาม ซึ่งเป็นผลมาจากอัตราเร็วของแสงที่จำกัด
การควบคุมยานอวกาศที่เดินทางระหว่างดาวเคราะห์จากศูนย์ควบคุมบนโลก จึงแทบเป็นไปไม่ได้ เพราะมันต้องใช้เวลานานมาก กว่าศูนย์ควบคุมบนโลกจะได้รับรายงาน และกว่ายานอวกาศจะได้รับสัญญาณตอบกลับ อาจต้องใช้เวลาเป็นชั่วโมง
อัตราเร็วของแสงมีผลต่อการสื่อสารในระยะทางสั้นๆด้วย ในซูเปอร์คอมพิวเตอร์ อัตราเร็วของแสงเป็นตัวจำกัดว่ามันจะส่งข้อมูลระหว่างตัวประมวลผลได้เร็วเท่าไร ถ้าตัวประมวลผลมีความเร็ว 1 GHz สัญญาณจะเดินทางได้มากสุด 300 มิลลิเมตรในหนึ่งรอบการทำงาน ดังนั้น ตัวประมวลผลจึงต้องวางให้ใกล้กันมากเพื่อลดความล่าช้า ถ้าความถี่ของสัญญาณนาฟิกาเพิ่มขึ้น อัตราเร็วของแสงจะเป็นปัจจัยที่กำหนดการออกแบบภายในของชิปแต่ละตัว
ความเร็วแสง
นักฟิสิกส์ได้รู้มานานกว่าหนึ่งศตวรรษแล้วว่า แสงที่เราเห็นด้วยตาเปล่านั้นเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดหนึ่ง ถึงแม้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า จะมีหลายชนิด เช่น คลื่นวิทยุ คลื่นไมโครเวฟ รังสีอินฟราเรด รังสีอัลตราไวโอเล็ต รังสีเอ็กซ์ และรังสีแกมมา แต่รังสีทุกชนิดก็มีความเร็ว ในสุญญากาศเท่ากันหมด ซึ่งเรียกว่าความเร็วแสง C = 299,792.458 กิโลเมตร/วินาที
การทดลองของ Michelson และ Morley เมื่อ 119 ปีก่อนนี้ ได้ยืนยันอย่างมั่นเหมาะว่า ไม่ว่าแหล่งกำเนิดแสงหรือคนดูแสง จะมีสภาพการเคลื่อนที่เร็วช้าอย่างไร ความเร็วแสงที่คนดูแสงวัดได้จะตรงกันหมดคือ 299,792.458 กิโลเมตร/วินาที ทุกครั้งไป ความจริงที่ได้จากการทดลองนี้ ได้ชี้นำให้ Einstein สร้างทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ (Theory of Relativity) ขึ้นมา และหนึ่งใน คำพยากรณ์ที่ได้จากทฤษฎีนี้คือ ความเร็วของอนุภาคและพลังงานในการเคลื่อนที่จากสถานที่หนึ่งไปยังสถานที่อื่นๆ จะไม่มีวันเร็วกว่าแสง
แต่ถ้าแสงเดินทางในสสารเช่น อากาศ น้ำ หรือแก้ว เพราะเหตุว่าความเร็วแสงในตัวกลางเหล่านี้ขึ้นกับความยาวคลื่นของแสง ดังนั้น แสงแต่ละสีจะมีความเร็วไม่เท่ากัน เมื่อความเร็วเป็นเช่นนี้ ในการกล่าวถึงความเร็วแสงในตัวกลาง เราจึงต้องพิจารณาความเร็ว สองรูปแบบคือ ความเร็วคลื่น (wave velocity) และความเร็วกลุ่ม (group velocity) ซึ่งความเร็วคลื่นคือ ความเร็วของเหล่าคลื่น ที่มีความยาวคลื่นเท่ากันหมด ซึ่งขณะอยู่ในตัวกลาง มันจะมีความเร็วน้อยกว่าความเร็วแสงในสุญญากาศคือ มีค่าเท่ากับ c/n เมื่อ c คือความเร็วแสงในสุญญากาศและ n คือดัชนีหักเหของตัวกลาง ซึ่งตามปกติจะมีค่ามากกว่า - 1 เช่นแสงสีแดงมีความเร็วมากกว่าแสง สีน้ำเงิน ดังนั้น เวลาแสงทั้งสองเดินทางในแก้ว (ในสุญญากาศ แสงทั้งสองสีมีความเร็ว c เท่ากัน) แสงสีแดงจะเดินทางได้ไกลกว่าแสง สีน้ำเงินในเวลาที่เท่ากัน
ส่วนความเร็วกลุ่มคือความเร็วของเหล่าคลื่นที่ประกอบด้วยคลื่นต่างๆ ที่มีความยาวคลื่นแตกต่างกัน ความเร็วกลุ่มจึงเป็นความเร็วของ พลังงานแสงที่ถูกส่งผ่านไปในตัวกลาง
ในสุญญากาศที่มีแต่ความว่างเปล่า ความเร็วคลื่นและความเร็วกลุ่มของคลื่นจะเท่ากัน คือต่างก็เท่ากับ c แต่ในตัวกลาง ความเร็วสอง รูปแบบนี้จะแตกต่างกันเช่น เมื่ออยู่ในอากาศ ความเร็วกลุ่มของแสงจะต่ำกว่าความเร็วคลื่นของแสงเล็กน้อย หรือในของเหลว carbon disulfide แล้วมีความเร็วกลุ่ม = 170,503.408 กิโลเมตร / วินาที ในขณะที่ความเร็วคลื่น = 182,800.279 กิโลเมตร/วินาที เป็นต้น ซึ่งเราจะเห็นได้ว่าในกรณีนี้ ความเร็วคลื่นของแสงสูงกว่าความเร็วกลุ่มของแสงเล็กน้อย และในสารบางชนิดเช่น ควอทซ์ (quartz) ความเร็ววัดคลื่นของแสงอินฟราเรด อาจมากกว่าความเร็วแสงในสุญญากาศได้ แต่ความเร็วกลุ่มของแสงอินฟราเรดก็ยังต่ำกว่า ความเร็วแสงในสุญญากาศอยู่ดี และเมื่อพลังงานแสงเคลื่อนที่ด้วยความเร็วกลุ่ม ดังนั้น ถ้อยแถลงของ Einstein ที่ห้ามความเร็วของ พลังงานว่าต้องไม่สูงกว่าความเร็วแสง จึงยังคงใช้ได้ต่อไป
ความก้าวหน้าในการศึกษาความเร็วแสงในตัวกลางต่างๆ ได้ทำให้นักฟิสิกส์พบว่า ในตัวกลางบางชนิดที่สามารถดูดกลืนแสงได้ หากเราปล่อยให้แสงเคลื่อนที่ผ่านตัวกลางดังกล่าวนี้ ความเร็วกลุ่มของแสงในตัวกลางอาจสูงกว่าความเร็วแสงในสุญญากาศได้ แต่ในสถานการณ์เช่นนี้ นักฟิสิกส์ไม่สามารถจะกล่าวได้ว่าความเร็วกลุ่มของแสงคือ ความเร็วในการเคลื่อนที่ของพลังงานแสงได้อีกต่อไป
นักวิทยาศาสตร์คนแรกที่ได้ทำการทดลองวัดความเร็วของแสงคือ Galileo เมื่อประมาณ 400 ปีมาแล้ว โดยเขาให้คนสองคนถือ ตะเกียงยืนบนยอดเขาสูงที่อยู่ห่างกันประมาณ 10 กิโลเมตร และสั่งให้คนทั้งสองปิดและเปิดตะเกียงส่งแสงสู่กันเป็นจังหวะทันที ที่เห็นแสงจากอีกฝ่ายหนึ่ง การรู้เวลาที่แสงเดินทางเพราะระยะทางระหว่างภูเขาจะทำให้ Galileo สามารถคำนวณความเร็วแสงได้ ผลปรากฏว่าการทดลองล้มเหลว เพราะคนทั้งสองรายงานว่าได้เห็นแสงไฟแล้วอีกนาน ประสาทความรู้สึกของเขาจึงสั่งให้เขาส่ง สัญญาณต่อไป การที่เป็นเช่นนี้เพราะแสงใช้เวลาเพียง 0.00002 วินาที ในการเดินทางระหว่างยอดเขาทั้งสอง แต่ชายแต่ละคน ต้องใช้เวลานานถึง 0.5 วินาที ในการรับรู้ว่าเห็นแสงแล้ว ช่วงเวลาที่แตกต่างกันถึง 25,000 นี้ ทำให้วิธีการวัดความเร็วแสงของ Galileo ล้มเหลว และ Galileo ก็ได้สรุปรายงานการทดลองของเขาว่าแสงมีความเร็วสูงเกินที่เขาจะวัดได้
เมื่อความเร็วแสงมีค่ามากเช่นนี้ จึงไม่น่าเป็นที่สงสัยเลยว่า การวัดความเร็วแสงที่ประสบความสำเร็จเป็นครั้งแรก จึงต้องกระทำกัน นอกโลกโดยนักดาราศาสตร์ชาวเดนมาร์กชื่อ O. Roemer ซึ่งได้เฝ้าสังเกตดูการโคจรของดวงจันทร์ต่างๆ รอบดาวพฤหัสบดี Roemer ได้สังเกตเห็นว่าในบางเวลาดวงจันทร์เหล่านี้จะโคจรไปทางเบื้องหลังของดาวพฤหัสบดี ดังนั้น มันจะถูกดาวพฤหัสบดีบดบัง การสังเกตดูอย่างติดต่อกันนานๆ ทำให้ Roemer สามารถทำนายได้ว่า ปรากฏการณ์จันทรคราสบนดาวพฤหัสบดีจะเกิดขึ้นเมื่อใด ถ้าเวลาที่ทำนายนั้นจะเกิดภายในหนึ่งสัปดาห์ แต่ถ้าจะให้เขาพยากรณ์ล่วงหน้านานเป็นเดือน เวลาที่เกิดจันทรคราสจะผิดเสมอเช่น เวลาโลกอยู่ใกล้ดาวพฤหัสบดีมากที่สุด
วินาทีที่เกิดจันทรคราสจะเกิดก่อนหน้าคำทำนายเล็กน้อย และเมื่อโลกอยู่ไกลดาวพฤหัสบดีมากที่สุด วินาทีที่เกิดจันทรคราสจะเกิดหลังคำ ทำนายเล็กน้อย Roemer ได้สรุปว่า การที่เป็นเช่นนี้เพราะแสงต้องใช้เวลาในการเดินทางจากดาวพฤหัสบดีถึงโลก ดังนั้น เมื่อโลก อยู่ใกล้ดาวพฤหัสบดีมากที่สุด และอีก 6 เดือนต่อมา เมื่อโลกอยู่ห่างจากดาวพฤหัสบดีมากที่สุด เขาได้เห็นปรากฏการณ์จันทรคราส เกิดช้าลง 22 นาที เขาจึงเอาเส้นผ่าศูนย์กลางของวงโคจรโลก ซึ่งเป็นระยะทางที่แสงจากดวงจันทร์ต้องเดินทางมากขึ้นหารด้วยเวลา 22 นาที เขาได้ตัวเลขความเร็วแสงสูงกว่าความเร็วที่เรายอมรับกันในปัจจุบันประมาณ 30% ถึงกระนั้น การทดลองของ Roemer ก็นับว่ามีความสำคัญเพราะเขาได้แสดงให้เห็นว่า แสงมิได้มีความเร็วสูงเสียจนมนุษย์ไม่สามารถจะวัดได้ และตัวเลขความเร็วที่เขา ทดลองวัดได้ก็ดีพอสมควร เมื่อพิจารณาสภาพเทคโนโลยีสมัยนั้น
L. Flzeau คือนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสคนแรกที่ประสบความสำเร็จในการวัดความเร็วแสงบนโลกในปี พ.ศ. 2392 เมื่อเขาวัดค่า c ได้ = 314,000 กิโลเมตร/วินาที ซึ่งสูงกว่าค่าจริงประมาณ 5% และนับตั้งแต่นั้นมา นักฟิสิกส์คนอื่นๆ เช่น Foucault , Mercier Michelson , Anderson และ Maxwell ก็ได้พัฒนาเทคโนโลยีการวัดความเร็วแสงให้ละเอียดและถูกต้องยิ่งขึ้นไปอีก จนกระทั่งถึง วันนี้ความเร็วแสงเป็นค่าที่นักฟิสิกส์รู้ และวัดได้อย่างละเอียดและถูกต้องที่สุดค่าหนึ่ง
เมื่อปี พ.ศ. 2543 L.V. Hau แห่ง Rowland Institute for Science ในสหรัฐอเมริกาได้รายงานในวารสาร Nature ฉบับที่ 397 หน้า 594 ว่า เมื่อเธอและคณะได้ทำให้กลุ่มอะตอมของโซเดียมมีอุณหภูมิต่ำถึง 0.00005 องศาสัมบูรณ์คือประมาณ - 273.15 องศา และฉายแสงเลเซอร์ผ่านกลุ่มอะตอมเหล่านั้น เธอได้พบว่าแสงเลเซอร์มีความเร็วเพียง 17 เมตร/วินาทีเท่านั้นเอง ซึ่งช้ายิ่งกว่าความเร็ว ของรถจักรยานเวลาแข่งกีฬาโอลิมปิกเสียอีก ซึ่งเธอได้อธิบายเหตุผลที่เป็นเช่นนี้ว่า ขณะเหล่าคลื่นแสงเคลื่อนที่เข้าปะทะกลุ่มอะตอม ของโซเดียมที่เย็นยะเยือก บริเวณส่วนหน้าของเหล่าคลื่นได้ถูกอะตอมของโซเดียมดูดกลืนแล้วพลังงานของคลื่นส่วนที่ถูกโซเดียม ดูดกลืนนี้ได้ถูกปลดปล่อยออกมาให้ที่บริเวณส่วนท้ายของเหล่าคลื่น ดังนั้น คลื่นจึงเคลื่อนที่ได้ช้าเพราะพลังงานของมันได้ถูกโยกย้าย จากหน้ามาสู่หลังโดยอะตอมของโซเดียมตลอดเวลา
เมื่อวันที่ 29 เมษายน พ.ศ. 2543 K. Brecher แห่งมหาวิทยาลัย Boston ได้รายงานในที่ประชุมของ American Physical Society ที่เมือง Long Beach ในรัฐ California ว่าในการสังเกตดูรังสีแกมมาที่ถูกปลดปล่อยออกมาจากการระเบิดของดาว ที่ขอบจักรวาล เขาได้พบว่าแสงที่มีความยาวคลื่นต่างๆ กันถึงแม้จะเคลื่อนที่ผ่านสุญญากาศมานานถึงหนึ่งหมื่นล้านปี ก็ยังมีความเร็ว ที่แตกต่างกันไม่เกิน 0.000003 มิลลิเมตร/วินาที ซึ่งหมายความว่า ตัวเลขความเร็วของแสงสีต่างๆ นี้ตรงกันและเหมือนกันถึง ทศนิยมตำแหน่งที่ 20 ซึ่งก็เป็นการยืนยันอย่างมั่นใจอีกครั้งหนึ่งว่า ไม่ว่าแผ่นดินจะถล่ม อารยธรรมจะเสื่อม เปลือกทวีปจะเลื่อนหรือ มนุษย์จะตายหมดโลก ความเร็วแสงก็ไม่เปลี่ยนแปลงคือจะคงที่สม่ำเสมออย่างนิจนิรันดร์
เมื่อเดือนพฤษภาคม พ.ศ. 2543 L.J. Wangi ได้รายงานในวารสาร Nature ฉบับที่ 406 หน้า 277 ว่า เขาได้ประสบความสำเร็จ ในการส่งคลื่นไมโครเวฟผ่านกลุ่มอะตอมของ Calcium ที่เย็นจัด แล้วทำให้แสงมีความเร็วติดลบคือเท่ากับ -967.072 เมตร/วินาที ซึ่งเป็นเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นเมื่อจุดยอดของกลุ่มคลื่นแสงได้เคลื่อนที่ออกจากกลุ่มอะตอมของ calcium ก่อนที่คลื่นแสงจะปะทะกลุ่ม อะตอมกลุ่มนั้นเสียอีก
และเมื่อเร็วๆ นี้ G. Nimtz แห่งมหาวิทยาลัย Cologne ได้รายงานความสำเร็จในการส่งสัญญาณคือเพลงซิมโฟนีหมายเลข 40 ของ Mozart ทะลุผ่านไปในท่อนำคลื่น (Wave Guide) ความหนา 12 เซนติเมตรได้ด้วยความเร็ว 4.7 เท่าของความเร็วแสง แต่นักฟิสิกส์อีกหลายท่านก็ยังไม่เห็นด้วยกับการแปลผลการทดลองนี้ เพราะความเร็วแสงเป็นปริมาณที่มีความสำคัญมากในวิทยาการ วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี แม้แต่คำจำกัดความของระยะทาง 1 เมตรก็ต้องพึ่งพาความเร็วแสงว่าเป็นระยะทางเดินทางได้เวลา 1/299,792.458 วินาที การใช้สมการ E = mc2 ก็ต้องรู้ความเร็วแสง ดังนั้น เราจึงมั่นใจว่า ตัวเลขความเร็วแสงที่นักวิทยาศาสตร์รู้ ณ วันนี้ จะยังไม่ใช่คำตอบสุดท้ายและความพยายามที่จะวัดปริมาณนี้จะต้องดำเนินต่อไปตราบเท่าที่มนุษย์ยังเห็นแสง