ฟิสิกส์อะตอม โมเลกุล และทัศนศาสตร์

ภาพห้องทดลองทางด้านฟิสิกส์อะตอม โมเลกุล และทัศนศาสตร์ เกี่ยวกับการกักไอออนเพื่อใช้ใน คอมพิวเตอร์ควอนตัม

ฟิสิกส์อะตอม โมเลกุล และทัศนศาสตร์ (Atomic, Molecular, and Optical physics: AMO (อ่าน เอ-เอ็ม-โอ) physics) เป็นศาสตร์แขนงหนึ่งของฟิสิกส์ที่ศึกษาเกี่ยวกับ สสาร และ ปฏิกิริยาระหว่าง แสง (light) กับ สสาร (matter) ที่ระดับขนาดเท่ากับ อะตอมเดี่ยว หรือ โครงสร้างที่ประกอบไปด้วยอะตอมจำนวนไม่มากนัก ศาสตร์แขนงนี้เป็นการรวมเอา (1) ฟิสิกส์อะตอม (atomic physics), (2) ฟิสิกส์โมเลกุล (molecular physics) และ (3) ฟิสิกส์ทัศนศาสตร์ (optical physics) เข้าไว้ด้วยกัน

ฟิสิกส์อะตอม โมเลกุล และทัศนศาสตร์ มีกำเนิดมาพร้อมกับฟิสิกส์สาขาหลัก ๆ สามสาขา นับจากการศึกษาโครงสร้างของอะตอม การค้นพบการแผ่รังสีจากวัตถุดำ และ การศึกษาทดลองเกี่ยวกับโมเลกุล หากแต่ว่าชื่ออย่างเป็นทางการของสาขาฟิสิกส์อะตอม โมเลกุล และทัศนศาสตร์ ยังไม่ได้ถือกำเนิดขึ้น

ฟิสิกส์ทั้งสามแขนงได้ถูกนำมารวมไว้ในกลุ่มเดียวกันเนื่องมาจากเหตุผลหลาย ๆ ข้อ เช่น ปฏิกิริยาระหว่างกันของ อะตอม โมเลกุล และ แสง, ความคล้ายคลึงกันของวิธีการที่ใช้ศึกษา และ ลักษณะร่วมของระดับขนาดของพลังงานที่เกี่ยวข้อง ทั้งนี้นักฟิสิกส์ใช้ความรู้ทั้ง ทาง ฟิสิกส์ดั้งเดิม (classical physics) และ ควอนตัมฟิสิกส์ (quantum physics) ในการศึกษาศาสตร์แขนงนี้

เมื่อศาสตร์ทั้งสามนี้ได้รับการพัฒนาขึ้น ซึ่งเป็นการพัฒนาที่ขนานไปกับพัฒนาการของกลศาสตร์ควอนตัม ความเชื่อมโยงกันระหว่างสาขาก็มีมากขึ้น และ หลอมรวมเข้าด้วยกันตามกาลเวลา ความเชื่อมโยงยิ่งมีมากขึ้นไปอีกเมื่อมีการประดิษฐ์เลเซอร์ขึ้นในห้องปฏิบัติการ ซึ่งโดยตัวของมันเองแล้ว เลเซอร์ก็คือผลพวงหนึ่งของความรู้ความเข้าใจใน ฟิสิกส์อะตอม โมเลกุล และทัศนศาสตร์

สิ่งที่บ่งบอกช่วงระยะเวลากำเนิดชื่อสาขาอย่างเป็นทางการของ AMO นั้นเช่น การที่ American Physical Society (APS) มีการตั้งภาคเฉพาะสำหรับ AMO ชื่อว่า เด-มอพ (Division of Atomic, Molecular, and Optical Physics: DAMOP) ขึ้นเมื่อปี พ.ศ. 2486 ซึ่งเป็นช่วงแรก ๆ ของกำเนิดทฤษฎีอิเล็กโทรไดนามิกส์ควอนตัม หรือ อย่างเช่นการกำเนิดของวารสาร Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics ขึ้นในปี พ.ศ. 2511 หลังการค้นพบเลเซอร์ ได้ 8 ปี

ฟิสิกส์อะตอม โมเลกุล และทัศนศาสตร์ เป็นศาสตร์ที่เชื่อมโยงกับวิทยาศาสตร์สาขาอื่น ๆ ได้กว้างขวางมาก โดยจะเห็นได้จากการนำความรู้ความเข้าใจในฟิสิกส์อะตอม โมเลกุล และทัศนศาสตร์ ไปประยุกต์ใช้ในหลายทาง

ตัวอย่างการนำความเข้าใจใน AMO ไปประยุกต์ใช้

ภาพการใช้เลเซอร์กำลังสูงในงานวิจัยนิวเคลียร์ฟิวชัน

• การนำคุณสมบัติต่าง ๆ ของอะตอมและโมเลกุลที่วัดได้จาก AMO ไปใช้ในฟิสิกส์สาขาอื่น
• การตรวจวัดสารเคมีปนเปื้อนในอากาศ
• การใช้เลเซอร์กักขัง และ ศึกษาเซลล์ในงานวิจัยทางชีววิทยา
• การใช้เลเซอร์กับการผ่าตัดทางการแพทย์
• การใช้นาฬิกาอะตอมในระบบกำหนดตำแหน่งบนพื้นโลก (Global Positioning System: GPS)
• การใช้เลเซอร์กำลังสูงในงานวิจัยนิวเคลียร์ฟิวชัน

ตัวอย่างงานวิจัยพื้นฐานของ AMO ในปัจจุบัน

• การวิจัยวิธีการทำอะตอมให้มีอุณหภูมิต่ำยิ่งยวดโดยใช้เลเซอร์
• การวิจัยคุณสมบัติของอะตอม และ โมเลกุลที่มีอุณหภูมิต่ำยิ่งยวด
• การวิจัยเกี่ยวกับ การชนกันของอะตอมที่อุณหภูมิต่ำยิ่งยวด
• การวิจัยเกี่ยวกับ สถานะควบแน่น โบส - ไอน์สไตน์ ในก๊าซเจือจาง
• การวิจัยเกี่ยวกับ การทำให้แสง เคลื่อนที่ช้าลง หรือ เร็วขึ้น
• การวิจัยเกี่ยวกับ การทำเลเซอร์ ให้ปลดปล่อยเป็นห้วงจังหวะ ที่สั้นยิ่งยวด
• การวิจัยเกี่ยวกับ การใช้เลเซอร์ห้วงสั้นยิ่งยวด ในการศึกษาการเคลื่อนที่ของ อะตอมในโมเลกุล
• การวิจัยเกี่ยวกับ การใช้เลเซอร์ห้วงสั้นยิ่งยวด ในการศึกษาการเคลื่อนที่ของ อิเล็กตรอนในอะตอม
• การวิจัยเกี่ยวกับ การวัดคุณสมบัติพื้นฐานของอะตอม โดยมีความแม่นยำสูงมาก
• การวิจัยเกี่ยวกับ อะตอมริดเบอร์ก
• การวิจัยเกี่ยวกับ สารสนเทศควอนตัม และ คอมพิวเตอร์ควอนตัม

ฟิสิกส์อะตอม

ฟิสิกส์อะตอม เป็นศาสตร์ที่ศึกษา คุณสมบัติพื้นฐานทางกายภาพที่เกี่ยวข้องกับ อะตอม เช่น การทำปฏิกิริยาระหว่าง อะตอม กับ อะตอม, การทำปฏิกิริยาระหว่าง อะตอม กับ แสง, สถิติทางควอนตัมของอะตอม

ฟิสิกส์อะตอม แตกต่างกับ ฟิสิกส์นิวเคลียร์ ตรงที่ ฟิสิกส์อะตอม มุ่งศึกษา คุณสมบัติของอะตอมในภาพกว้าง ซึ่ง ส่วนใหญ่ถูกกำหนดโดย สถานะของอิเล็กตรอนในอะตอม ในขณะที่ ฟิสิกส์นิวเคลียร์ มุ่งศึกษาเฉพาะ คุณสมบัติของนิวเคลียสของอะตอม (Atomic nucleus)

ฟิสิกส์โมเลกุล

ฟิสิกส์โมเลกุล เป็นศาสตร์ที่ศึกษา คุณสมบัติพื้นฐานทางกายภาพที่เกี่ยวข้องกับ โมเลกุล (โครงสร้างที่ประกอบไปด้วยอะตอมมากกว่าหนึ่งตัว) เช่น การศึกษา ชั้นพลังงานที่มีในโมเลกุล, สถิติทางควอนตัมของโมเลกุล, พันธะระหว่างอะตอมที่ประกอบกันเป็นโมเลกุล, การทำปฏิกิริยาระหว่าง โมเลกุล กับ อะตอม, โมเลกุล กับ โมเลกุล และ โมเลกุล กับ แสง

ฟิสิกส์ทัศนศาสตร์

ฟิสิกส์ทัศนศาสตร์ เป็นศาสตร์ที่ศึกษา คุณสมบัติพื้นฐานทางกายภาพที่เกี่ยวข้องกับ แสง เช่น การแทรกสอด และ การเลี้ยวเบนของแสง, ปฏิกิริยาระหว่างแสง กับ อะตอม, สถิติทางควอนตัมของแสง

ฟิสิกส์ทัศนศาสตร์ สามารถถูกแบ่งออกได้เป็น สองแขนง ขึ้นกับวิธีที่ใช้อธิบาย คือ

• ทัศนศาสตร์ดั้งเดิม (optics หรือ classical optics)
• ทัศนศาสตร์เชิงควอนตัม (quantum optics)

รางวัลโนเบลที่เกี่ยวข้องกับ ฟิสิกส์อะตอม โมเลกุล และ ทัศนศาสตร์

พุทธศักราช 2444 - 2468

ปี	ชื่อ	ประเทศ	หัวข้อ
2445	เฮนดริค ลอเรนทซ์ ปีเตอร์ เซมาน	เนเธอร์แลนด์	"ให้ไว้เพื่อความระลึกถึงผลงานอันเลิศที่พวกเขาได้ฝากไว้ด้วยการทดลองต่าง ๆ เกี่ยวกับผลของสภาพแม่เหล็กต่อปรากฏการณ์การแผ่รังสี" ดูเพิ่มเติม ผลกระทบ เซมาน
2447	จอห์น วิลเลียม สตรัทท์ (บารอนเรย์ลีย์ที่สาม)	สหราชอาณาจักร	"สำรับการสืบเสาะค้นหาความหนาแน่นของก๊าซต่าง ๆ ที่สำคัญมาก และ การค้นพบ อาร์กอน ซึ่งเกี่ยวโยงกับการศึกษาเหล่านี้ของเขา"
2448	ฟิลิปป์ เอดูอาร์ด แอนตัน วอน เลนนาร์ด	เยอรมนี	"สำหรับงานของเขาเกี่ยวกับ รังสีแคโทดต่าง ๆ"
2449	โจเซฟ จอน ธอมสัน	สหราชอาณาจักร	"ให้ไว้เพื่อความระลึกถึงคุณอันยิ่งใหญ่ในการสืบเสาะค้นหาทางทฤษฎี และการทดลองเกี่ยวกับการนำไฟฟ้าด้วยก๊าซต่าง ๆ"
2450	อัลเบิร์ต อบราฮาม ไมเคิลสัน	สหรัฐ	"สำหรับอุปกรณ์ทัศนศาสตร์ที่มีความแม่นยำ และ การสืบเสาะค้นหาอย่างจำเพาะ และ การวัดผลอย่างเป็นตรรก ซึ่งได้ดำเนินไปด้วยความช่วยเหลือของพวกเขา" ดูเพิ่มเติม การทดลองของไมเคิลสัน-มอร์เลย์
2451	กาเบรียล ลิพพ์มานน์	ฝรั่งเศส	"สำหรับ แผ่นภาพลิพพ์มานน์ ซึ่งเป็นวิธีที่จะผลิตซ้ำภาพสีในการถ่ายภาพ โดยยืนพื้นบนปรากฏการณ์การแทรกสอด"
2453	โยฮานัส ดิเดอริค วาน เดอ วาลส์	เนเธอร์แลนด์	"สำหรับงานเกี่ยวกับสมการสถานะของก๊าซ และ ของเหลว" ดูเพิ่มเติม แรง วาน เดอ วาลส์
2461	มากซ์ พลางค์	เยอรมนี	"ให้ไว้เพื่อความระลึกถึงผลงานที่เขาได้ฝากไว้ในความก้าวหน้าของฟิสิกส์ด้วยการค้นพบพลังงานที่ไม่ต่อเนื่อง (energy quanta)" ดูเพิ่มเติม ค่าคงที่ของพลางค์
2462	โยฮานัส สตาร์ค	เยอรมนี	"สำหรับการค้นพบผลกระทบดอพเพลอร์ ในรังสีคานาล (หรือ รังสีเอโนด) และ การแยกออกของเส้นความถี่จำเพาะ (spectral lines) ในสนามไฟฟ้า"
2464	อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์	เยอรมนี สวิตเซอร์แลนด์	"สำหรับผลงานของเขาในฟิสิกส์ทฤษฎี และ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง สำหรับคำอธิบายผลกระทบโฟโตอิเล็กทริกของเขา"
2465	นีลส์ เฮนริค เดวิด บอหร์	เดนมาร์ก	"สำหรับผลงานของเขาเกี่ยวกับการสืบเสาะค้นหา โครงสร้างของอะตอม และ การที่พวกมันแผ่รังสี"
2466	โรเบิร์ต แอนดรูวส์ มิลลิแกน	สหรัฐ	"สำหรับงานเกี่ยวกับประจุพื้นฐานของไฟฟ้า และ ผลกระทบโฟโตอิเล็กทริก"
2468	เจมส์ แพรงค์ กุสตาฟ ลุดวิก เฮิร์ตซ์	เยอรมนี	"สำหรับการค้นพบกฎที่ครอบคลุมการประทะระหว่าง อิเล็กตรอน และ อะตอม"

พุทธศักราช 2469-2493

ปี	ชื่อ	ประเทศ	หัวข้อ
2471	โอเวน วิลลานส์ ริชาร์ดสัน	สหราชอาณาจักร	"สำหรับงานของเขาเกี่ยวกับการปลดปล่อยเทอร์มิออนิก และโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการค้นพบกฎของริชาร์ดสัน ซึ่งได้ถูกตั้งชื่อขึ้นตามชื่อของเขา"
2472	เจ้าชาย ลูอิส-วิคเตอร์ ปิแอรร์ เรย์มอนด์ เดอ บรอ-กลี (หรือ เดอ บรอยก์)	ฝรั่งเศส	"สำหรับการค้นพบธรรมชาติความเป็นคลื่นของอิเล็กตรอน" ดูเพิ่มเติม สมมุติฐานของ เดอ บรอ-กลี
2473	จันทราเสการ์ เวนกาตะ รามาน	อินเดีย	"สำหรับงานของเขาเกี่ยวกับการกระเจิงของแสง และ สำหรับการค้นพบการกระเจิงของรามาน ซึ่งถูกตั้งชื่อขึ้นตามชื่อของเขา"
2475	เวอร์เนอร์ คาร์ล ไฮเซนเบอร์ก	เยอรมนี	"สำหรับการสร้างกลศาสตร์ควอนตัม ซึ่งนำไปสู่การค้นพบรูปแบบอื่น ๆ ของ ไฮโดรเจน"
2476	เออร์วิน ชเรอดิงเงอร์ พอล ดิราค	ออสเตรีย สหราชอาณาจักร	"สำหรับการค้นพบรูปแบบต่าง ๆ ที่มีประโยชน์ต่อ ทฤษฎีอะตอม"
2487	อิสิดอร์ อิซาค ราบี	สหรัฐ	"สำหรับวิธีการสั่นพ้องของเขา สำหรับบันทึกคุณสมบัติทางแม่เหล็กของนิวเคลียสของอะตอม"
2488	วูล์ฟคาง เออร์นสท์ เพาลี	ออสเตรีย	"สำหรับการค้นพบหลักการกีดกันของเพาลี ซึ่งถูกเรียกตามชื่อของเขา"

พุทธศักราช 2493-2518

ปี	ชื่อ	ประเทศ	หัวข้อ
2496	ฟริตส์ เซอร์นิคะ	เนเธอร์แลนด์	"สำหรับการสาธิตวิธีความแตกต่างของเฟส (phase contrast method) โดยเฉพาะอย่างยิ่ง สำหรับ สิ่งประดิษฐ์ของเขา -- กล้องจุลทรรศน์ชนิดที่ใช้ความต่างเฟส"
2497	มาซ บอร์น	สหราชอาณาจักร	"สำหรับงานวิจัยพื้นฐานของเขาเกี่ยวกับกลศาสตร์ควอนตัม โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การตีความหมายเชิงสถิติของฟังก์ชันคลื่น"
2498	วิลลิส ยูจีน แลมบ์	สหรัฐ	"สำหรับการค้นพบของเขาเกี่ยวกับโครงสร้างละเอียด (fine structure) ของความถี่จำเพาะ (spectrum) ของไฮโดรเจน" ดูเพิ่มเติม การเลื่อนของแลมบ์ (Lamb shift)
2507	ชาร์ลซ์ ฮาร์ด เทาซ์ นิโคเลย์ เจนนาดิเยวิช บาซัฟ อเลกซานดระ โพรโครัฟ	สหรัฐ สหภาพโซเวียต สหภาพโซเวียต	"สำหรับงานพื้นฐานเกี่ยวกับ อิเล็กทรอนิกส์ควอนตัม (quantum electronics) ซึ่งนำไปสู่การสร้าง เครื่องสั่น (oscillator) และ เครื่องขยาย (amplifier) โดยยืนพื้นบนหลักการของ เมเซอร์-เลเซอร์ (maser-laser)"
2508	ชินิชีโร-อิทิโร โทโมนากะ จูเลียน ชวิงเกอร์ ริชาร์ด ฟิลลิพส์ ฟายน์มัน	ญี่ปุ่น สหรัฐ สหรัฐ	"สำหรับงานพื้นฐานของพวกเขาเกี่ยวกับอิเล็กโทรไดนามิกส์ควอนตัม (quantum electrodynamics) โดยผลที่ตามมาได้หยั่งรากลึกลงไปในฟิสิกส์ของอนุภาคพื้นฐาน (physics of elementary particles)"
2509	อัลเฟรด คาสเทลอร์	ฝรั่งเศส	"สำหรับการค้นพบและพัฒนาทัศนวิธีในการศึกษา การสั่นพ้องแบบเฮิรตซ์ (Hertzian resonances) ในอะตอม"
2514	เดนนิส กาบอร์	สหราชอาณาจักร	"สำหรับสิ่งประดิษฐ์ของเขา และ การพัฒนาวิธีการโฮโลแกรม (holographic method)"

พุทธศักราช 2519-2543

ปี	ชื่อ	ประเทศ	หัวข้อ
2524	นิโคลาส โบลมเบอร์เกน อาเธอร์ ลีโอนาร์ด ชอว์โลว์	สหรัฐ สหรัฐ	"สำหรับการมีส่วนร่วมในการพัฒนาการหาความถี่จำเพาะโดยใช้เลเซอร์ (laser spectroscopy) "
2532	นอร์แมน ฟอสเตอร์ แรมซี	สหรัฐ	"สำหรับการประดิษฐ์วิธีการสนามการสั่นแยก (separated oscillatory fields method) และ การใช้ประโยชน์ของมันในเมเซอร์ไฮโดรเจน (hydrogen maser) และ นาฬิกาอะตอมอื่น ๆ (atomic clocks)"
	ฮานส์ จอร์จ เดอเมลท์ วูลฟ์กาง พอล	สหรัฐ เยอรมนี	"สำหรับการพัฒนาเทคนิคการกักขังไอออน (ion trap technique)"
2540	สตีเฟน ชู โคลด โคเฮน-ทานนุดจิ วิลเลียม แดเนียล ฟิลลิพส์	สหรัฐ ฝรั่งเศส สหรัฐ	"สำหรับการพัฒนาวิธีการทำให้อะตอมเย็นลง และ การกักขังอะตอม ด้วยแสงเลเซอร์"

พุทธศักราช 2543-2549

ปี	ชื่อ	ประเทศ	หัวข้อ
2544	อีริค แอลลิน คอร์เนลล์ วูล์ฟกาง เคทเทอร์ลี คาร์ล เอดวิน ไวอ์แมน	สหรัฐ เยอรมนี สหรัฐ	"สำหรับการบรรลุผลสำเร็จในการทำสถานะควบแน่นแบบ โบส-ไอน์สไตน์ ในแก๊สอัลคาไลเจือจาง และ สำหรับการแรกเริ่มศึกษาพื้นฐานของคุณสมบัติของ สถานะควบแน่น"
2548	รอย เจย์ กลอเบอร์	สหรัฐ	"สำหรับการมีส่วนร่วมในทฤษฎีควอนตัมของ ความพร้อมเพรียงเชิงทัศนศาสตร์ (optical coherence)"
	จอห์น ลิวอีส ฮอลล์ ธีโอดอร์ วูล์ฟกาง ฮานช์	สหรัฐ เยอรมนี	"สำหรับการมีส่วนร่วมในการพัฒนาการหาความถี่จำเพาะที่มีความแม่นยำโดยการใช้เลเซอร์ รวมไปถึงเทคนิคหวีความถี่เชิงทัศนศาสตร์ (optical frequency comb technique)"

บทความที่เกี่ยวข้องอื่นๆ ๆ

• สาขาย่อย: ฟิสิกส์อะตอม, ฟิสิกส์โมเลกุล, การหาความถี่จำเพาะ (spectroscopy), เคมีเชิงฟิสิกส์ หรือ เคมีฟิสิกส์, ทัศนศาสตร์ดั้งเดิม (classical optics), ทัศนศาสตร์เชิงควอนตัม (quantum optics), โฟโตนิกส์ (photonics)
• สาขาที่เกี่ยวข้อง: กลศาสตร์ควอนตัม, เคมีเชิงควอนตัม (quantum chemistry), วิทยาศาสตร์ระดับนาโนเมตร (nano sciences), ชีวฟิสิกส์ (biophysics)
• important publications in atomic, molecular, and optical physics

อ้างอิง และ หมายเหตุ

• The politics of excellence, beyond the nobel prize, R. Friedman, 2002.
• "Nobel Century: a biographical analysis of physics laureates", in Interdisciplinary Science Reviews, by Claus D. Hillebrand, June 2002, No 2. p.87-93.
• Atomic, Molecular, and Optical Physics, National Academy Press, 1986

แหล่งข้อมูลอื่น

• รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์
• Division of Atomic, Molecular and Optical Physics (DAMOP)