(ต่อ)
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
ในบันทึกนี้จะทดสอบและอธิบายปรากฏการณ์ออร์บตามแนวคิดของกลุ่มแรก (แนววิทยาศาสตร์) ดังต่อไปนี้
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
การทดลองอุปกรณ์และเงื่อนไขที่ต้องการ 1. กล้องดิจิทัล (มีแฟลชอัตโนมัติ)
2. แป้งฝุ่น เช่น แป้งโรยตัว และ/หรือ สเปรย์ฉีดพ่นน้ำ
3. สถานที่มีฉากหลังเป็นสีเข้ม
ในการทดลอง ให้โฟกัสภาพที่ฉากหลังระยะไกลออกไปแล้วทำให้เกิดฝุ่นแป้ง (หรือฉีดละอองน้ำ) บริเวณหน้ากล้อง ห่างประมาณ 1 ฟุต ลองถ่ายหลายๆ ภาพ จะเห็นว่าบางภาพมีภาพวงกลมประหลาดขนาดใหญ่ ลองซูมเข้าไปดู
ตัวอย่างภาพปรากฏที่ถ่ายทำที่ TITV ภาพผงแป้ง (แป้งโรยตัวเด็กยี่ห้อหนึ่ง) ซ้าย : ภาพรวม ขวา : ภาพขยาย
ภาพละอองน้ำจากที่ฉีดสเปรย์ ซ้าย : ภาพรวม ขวา : ภาพขยาย
ทำไมจึงมีรูปเป็นวงกลมๆ? คำอธิบายอย่างง่ายๆ ก็คือ ผงฝุ่นและเม็ดน้ำมีขนาดเล็กมาก ซึ่งอาจคิดได้ว่าเป็นจุดกำเนิดแสง (point source) แต่ที่สำคัญกว่านั้นก็คือ
ภาพผงฝุ่น หรือเม็ดน้ำ ไม่โฟกัสในภาพข้างบนนี้ ภาพตรงกลางแสดงภาพของจุดที่โฟกัสชัดเจน ซึ่งจะปรากฏเป็นจุดคมชัดขนาดเล็ก ส่วนภาพบนและล่างไม่โฟกัสทำให้ภาพเบลอมีรูปร่างเป็นวงกลม (ภาษาทางทัศนศาสตร์เรียกว่า circle of confusion หรือ disc of confusion)
ภาพเคลื่อนไหวข้างบนนี้ แสดงรูปร่างและขนาดปรากฏของเม็ดฝุ่นที่ระยะต่างๆ
เส้นแนวดิ่งหน้า กล้องแสดงบริเวณที่ภาพโฟกัสชัดเจน (ภาษาวิชาการเรียกว่า depth of field หรือ depth of focus) เส้นแนวดิ่งนี้จริงๆ มีความหนาระดับดับหนึ่ง หมายความว่า หากวัตถุอยู่ในแถบความหนานี้ก็จะถ่ายภาพออกมาดูชัดเจนเหมือนกัน
คุณอาจทดลองเอง ได้โดยใช้นิ้วมือแตะเม็ดฝุ่นที่มีรูปร่างไม่เป็นทรงกลม เช่น ฝุ่นแป้ง ฝุ่นเม็ดทราย หรือผงซีเมนต์ แล้วมองเข้าไปใกล้ๆ เรื่อยๆ จนภาพไม่ชัด เม็ดฝุ่นจะปรากฏเป็นขอบเบลอๆ คล้ายวงกลม
ลวดลายที่เกิดขึ้นมาอย่างไร? แล้วลวดลาย "วงกลม" หลายวง และภาพ "ผิวขรุขระ" มาจากไหน?
ฟิสิกส์เบื้องหลังคำตอบค่อนข้างซับซ้อน แต่สามารถเข้าใจง่ายๆ ได้จากสมบัติความเป็นคลื่นของแสง
คลื่นทุกชนิด ไม่ว่าคลื่นน้ำ คลื่นเสียง คลื่นแสง หรือคลื่นใดๆ ก็ตาม สามารถเมื่อพบกับสิ่งกีดขวางในบางบริเวณ ก็จะสามารถเปลี่ยนทิศทางเฉไปจากเดิมได้ เรียกว่า การเลี้ยวเบน หรือ ดิฟแฟรกชัน (diffraction - ออกเสียงว่า ดิ๊ฟ-แฟร็ก-ชั่น)
สมมติว่าคุณยืนอยู่หน้าห้องๆ หนึ่ง ซึ่งเปิดประตูอยู่ และในห้องมีคนคุยกันอยู่เสียงดังพอสมควร แม้คุณจะอยู่ในตำแหน่งที่มองไม่เห็นคนที่คุยกันนั้น คุณก็อาจจะได้ยินเสียงคุยกันได้ ส่วนหนึ่งเป็นเพราะเสียงสะท้อนจากผนังของอาคาร แต่อีกส่วนหนึ่งเป็นเพราะเสียงสามารถเลี้ยวเบน (diffraction) อ้อมออกจากประตูมาเข้าหูคุณได้
สำหรับแสง ลองพิจารณากรณีอุดมคติ (ideal case) เพื่อให้เข้าใจพื้นฐานกันก่อน
สมมติว่ามีแสงสีเดียว (monochromatic light) ตกกระทบ หรือสะท้อนออกจากอนุภาคทรงกลม (ภาพซ้าย) อนุภาคทรงกลมนี้อาจจะเป็นของแข็ง (เช่น ผงฝุ่น) หรือของเหลว (เช่น เม็ดน้ำฝน) แสงที่ตกกระทบจะเลี้ยวเบนออกจากแนวเดิมไปในทิศทางต่างๆ ไปตกกระทบฉากรับ
ที่แต่ละตำแหน่งของฉาก จะมีแสงที่เดินทางมาจากทิศทางต่างๆ แสงเหล่านี้จะมารวมกันแบบคลื่น ซึ่งนักฟิสิกส์เรียกว่า การแทรกสอด (interference) ผลที่ได้คือ ภาพรวมของรูปแบบการแทรกสอดจะมีลักษณะเป็นจุดสว่างตรงกลาง และมีวงสว่าง-วงมืดสลับล้อมรอบอยู่ในระยะใกล้ๆ ส่วนที่ระยะไกลออกไปจะไม่มีแสงตกกระทบ
จากทฤษฎีและการทดลองจำนวนมากพบว่า * หากอนุภาคทรงกลมมีขนาดเล็ก (small particle - ภาพซ้าย) จะได้วงขนาดใหญ่ตรงกลาง ล้อมด้วยเส้นวงที่หนาจำนวนเส้นไม่มาก
* หากอนุภาคทรงกลมมีขนาดใหญ่ (large particle - ภาพขวา) จะได้วงขนาดเล็กตรงกลาง ล้อมด้วยเส้นบางและถี่กว่า
ประเด็นที่น่าสนใจที่ตามมาก็คือ
จะเกิดอะไรขึ้นหากอนุภาคมีรูปทรงเรขาคณิตแบบอื่น?
ลองดูตัวอย่างรูปแบบการเลี้ยวเบนจากอนุภาครูปร่างต่างๆ
โดยสังเกตลักษณะสมมาตรของรูปแบบการเลี้ยวเบนกับสมมาตรของอนุภาค
เช่น อนุภาคสี่เหลี่ยมจะให้สมมาตรแบบสี่พับ (4-fold symmetry) ในภาพแรกซ้ายบนสุด เป็นต้น
จุดที่น่าสนใจไม่น้อยก็คือ หากพื้นผิวของอนุภาคมีลักษณะไม่ปกติ (เช่น ขรุขระ) รูปแบบการเลี้ยวเบนก็จะมีลวดลายตะปุ่มตะป่ำด้วยเช่นกัน
สังเกตลักษณะเด่นที่น่าสนใจ 2 อย่าง ได้แก่
หนึ่ง - วงกลมซ้อนๆ ในภาพมาจากรูปแบบการเลี้ยวเบนจากอนุภาคที่มีสัณฐานเป็น (หรือใกล้เคียง) ทรงกลม
สอง - รายละเอียดผิวขรุขระที่เกิดขึ้นในภาพ ซึ่งมาจากรูปร่างของอนุภาค
นอกจากลักษณะเด่นทั้งสองอย่างนี้แล้ว สำหรับภาพที่มีขนาดค่อนข้างใหญ่ เราอาจจะเห็นวงแสงโคโรนา (corona) รอบขอบภาพเป็นสีรุ้งอีกด้วย
เมื่อได้เห็นภาพตัวอย่าง & เข้าใจทฤษฎีพื้นฐานที่อยู่เบื้องหลังกันไปแล้ว
ถ้าเกิดคันไม้คันมือขึ้นมา ก็คว้าอุปกรณ์ที่จำเป็นไปลองกันได้เลยได้ผลอย่างไร ลองบันทึกภาพไว้ส่งมาให้ดูกันบ้างครับ ;-)
ที่มา :
http://gotoknow.org/blog/science/105819