ทีนี้ สมมติว่าคุณยิงลำแสงลำแสงเดียวไปที่แผงเดียวกันที่มีรูอยู่ในนั้น ในวิถีเดียวกับลูกเทนนิส หากแสงเป็นลำแสงของอนุภาค หรืออีกนัยหนึ่งคือลำแสงของโฟตอน คุณคาดว่าจะเห็นรูปแบบที่คล้ายกับที่เกิดจากลูกเทนนิสซึ่งอนุภาคของแสงกระทบกับผนัง นี่เป็นเพราะแสงในสถานการณ์นี้ทำหน้าที่เหมือนคลื่น เมื่อเรายิงลำแสงผ่านรู มันจะแตกออกเป็นสองลำแสง จากนั้นคลื่นทั้งสองที่เกิดขึ้นจะรบกวนซึ่งกันและกันเพื่อให้แรงขึ้น (การรบกวนเชิงสร้างสรรค์) หรืออ่อนลง (การรบกวนเชิงทำลาย)
แสงระลอกเดียวแตกออกเป็นสองส่วน ทำให้เกิดสิ่งที่เรียกว่า
‘รูปแบบการแทรกสอด’ จัดทำโดยผู้เขียน คลื่นสร้างลายขัดแตะซึ่งส่งผลให้เกิดลายต่างๆ บนผนัง ในภาพด้านบน แถบจะใหญ่ขึ้นและสว่างขึ้นในบริเวณที่คลื่นมาบรรจบกัน ช่องว่างระหว่างแถบเป็นผลมาจากการรบกวนแบบทำลายล้าง และแถบเป็นผลมาจากการรบกวนแบบสร้างสรรค์
การทดลองข้างต้นแสดงพฤติกรรมของแสงเป็นคลื่น แต่อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์แสดงให้เราเห็นว่าเราสามารถอธิบายแสงได้ว่าประกอบขึ้นจากอนุภาคของพลังงานแต่ละตัว ซึ่งก็คือโฟตอน สิ่งนี้จำเป็นต้องคำนึงถึงสิ่งที่เรียกว่า “โฟโตอิเล็กทริกเอฟเฟ็กต์”
เมื่อคุณยิงแสงไปที่แผ่นโลหะ โลหะนั้นจะปล่อยอิเล็กตรอน ซึ่งเป็นอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า นี่คือเอฟเฟกต์ตาแมว ก่อนหน้าไอน์สไตน์ นักวิทยาศาสตร์พยายามอธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกโดยถือว่าแสงอยู่ในรูปของคลื่นเท่านั้น เพื่อให้เข้าใจเหตุผล ลองจินตนาการถึงระลอกคลื่นในสระน้ำ ระลอกคลื่นจะมีจุดสูงสุดที่คลื่นจะสูงขึ้น และรางน้ำจะลดต่ำลง
ชื่อเรื่อง: Curious Kids: ระลอกคลื่นก่อตัวอย่างไร และทำไมมันถึงกระจายไปทั่วผืนน้ำ?
ตอนนี้ลองนึกดูว่ามีเรืออยู่ในสระน้ำพร้อมกับทหารเลโก้ เมื่อระลอกคลื่นมาถึงเรือ พวกมันมีศักยภาพที่จะทำให้ทหารกระเด็นออกไปได้ ยิ่งระลอกคลื่นมีพลังงานมากเท่าไหร่ แรงที่ส่งทหารออกไปก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น
และเนื่องจากระลอกคลื่นแต่ละระลอกอาจทำให้ทหารกระเด็นออกไปได้ ยิ่งระลอกคลื่นไปถึงเรือภายในเวลาที่กำหนดมากเท่าไหร่ ทหารที่เราคาดว่าจะกระเด็นออกไปในช่วงเวลานั้นก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น
คลื่นแสงมียอดและรางน้ำด้วย ดังนั้นจึงมีการกระเพื่อมในลักษณะเดียวกัน ในทฤษฎีคลื่นของแสง การแกว่งเหล่านี้เชื่อมโยงกับคุณสมบัติสองประการของแสง ได้แก่ ความเข้มและความถี่
พูดง่ายๆ ก็คือความถี่ของคลื่นแสงคือจำนวนของจุดสูงสุดที่ผ่านจุดหนึ่ง
ในอวกาศในช่วงเวลาที่กำหนด (เช่น เมื่อระลอกคลื่นจำนวนหนึ่งกระทบกับเรือภายในเวลาที่กำหนด) ความเข้มจะสอดคล้องกับพลังงานของคลื่น
นักวิทยาศาสตร์ในศตวรรษที่ 19 วาดภาพอิเล็กตรอนบนแผ่นโลหะว่ามีพฤติกรรมคล้ายกับทหารเลโก้บนแพของเรา เมื่อแสงตกกระทบโลหะ ระลอกคลื่นจะผลักอิเล็กตรอนออกไป
ยิ่งความเข้ม (พลังงานของระลอกคลื่น) มากเท่าไหร่ อิเล็กตรอนก็จะบินออกไปเร็วขึ้นเท่านั้น พวกเขาคิด ยิ่งความถี่สูงในช่วงเวลาใดเวลาหนึ่ง จำนวนอิเล็กตรอนที่จะหลุดออกไปในช่วงเวลานั้นก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น จริงไหม?
สิ่งที่เราเห็นนั้นตรงกันข้ามโดยสิ้นเชิง! เป็นความถี่ของแสงที่ตกกระทบโลหะซึ่งกำหนดความเร็วของอิเล็กตรอนเมื่อพวกมันยิงออกไป ในขณะเดียวกัน ความเข้มของแสงหรือปริมาณพลังงานที่แสงมีอยู่ จะเป็นตัวกำหนดจำนวนอิเล็กตรอนที่บินออกไป
คำอธิบายของไอน์สไตน์
ไอน์สไตน์มีคำอธิบายที่ยอดเยี่ยมสำหรับการสังเกตที่แปลกประหลาดนี้ เขาตั้งสมมุติฐานว่าแสงประกอบด้วยอนุภาค และแท้จริงแล้วไม่ใช่คลื่น จากนั้นเขาเชื่อมโยงความเข้มของแสงกับจำนวนโฟตอนในลำแสง และความถี่ของแสงกับปริมาณพลังงานที่แต่ละโฟตอนมีอยู่
เมื่อมีการยิงโฟตอนไปที่โลหะมากขึ้น (ความเข้มมากขึ้น) ก็จะเกิดการชนกันระหว่างโฟตอนและอิเล็กตรอนมากขึ้น ดังนั้นจำนวนอิเล็กตรอนจึงถูกปล่อยออกมามากขึ้น ดังนั้น ความเข้มของแสงจะเป็นตัวกำหนดจำนวนอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมา ไม่ใช่ความเร็วที่อิเล็กตรอนจะบินออกไป
คำอธิบายนี้ทำให้ไอน์สไตน์ได้รับรางวัลโนเบลในปี 2464
เมื่อพิจารณาจากทั้งหมดข้างต้นแล้ว ยังมีคำถามอยู่ข้อหนึ่ง: แสงเป็นคลื่นที่บางครั้งดูเหมือนอนุภาค หรืออนุภาคที่บางครั้งดูเหมือนคลื่น มีความไม่เห็นด้วยเกี่ยวกับเรื่องนี้
เงินของฉันอยู่บนแสงเป็นคลื่นที่แสดงคุณสมบัติคล้ายอนุภาคภายใต้เงื่อนไขบางประการ แต่นี่ยังคงเป็นประเด็นที่ถกเถียงกันอยู่ ซึ่งนำเราเข้าสู่ขอบเขตของกลศาสตร์ควอนตัมอันน่าตื่นเต้น ฉันขอแนะนำให้คุณขุดลึกลงไปและตัดสินใจเอง!
