การหักเหของแสง: บทนำ

ดูนี่้สิ! เดี๋ยวฉันจะทำให้แสงมันหักเหให้คุณดู นี่คุณคิดว่าฉันน่าเบื่อใช่ไหมเนี่ย? ฉันรู้มาว่าแสงเดินทางเป็นเส้นตรงนะ ปิดไฟสิ แล้วคุณจะเห็นเอง ฉันมีขวดน้ำ แล้วก็ไฟฉาย มองตรงขวดน้ำที่ฉันเจาะรูเอาไว้นะ น้ำที่อยู่ในขวดนี้ ก็ไม่ต่างกับสายเคเบิ้ล ที่ทำหน้าที่ลำเลียงแสง แล้วก็ทำให้มันหักเหได้ ว้าว เกิดการหักเหขึ้นกับแสงแล้วนี่ไง! แต่มันเป็นไปไม่ได้ใช่ไหม ถ้าแสงจะไม่หักเหน่ะ? ก็อย่างที่ฟิลลิปบอกไว้นั่นแหละว่า เป็นไปไม่ได้ เรื่องที่แสงเดินทางเป็นเส้นตรง ถือเป็นข้อเท็จจริงอย่างหนึ่ง แต่การทดลองก็ยังคงให้ผลที่ว่า แสงจะเคลื่อนไปตามน้ำที่อยู่ในขวด และหักเหได้ และนี่คือจุดเริ่มต้นคือ แสงจะเดินทางเป็นเส้นตรง ด้วยความเร็วที่สูงมากๆ ในอวกาศอันเวิ้งว้างที่เป็นสุญญากาศ แสงจะเดินทางได้ด้วยความเร็ว 300,000 กิโลเมตร/วินาที แต่เมื่อแสงต้องเดินทางผ่านวัตถุ ที่โปร่งใส แทนที่จะเป็นสภาวะสุญญากาศ มันจะเคลื่อนที่ได้ช้าลง ความเร็วของแสงเมื่อเดินทางผ่านอากาศ จะเป็นความเร็วเกือบเท่าที่แสงใช้เดินทาง ในสุญญากาศ แต่ทว่าเมื่อแสงต้องเดินทาง ผ่านกระจกใสหรือว่าน้ำ ลำแสงนั้นก็จะเดินทางได้ช้าลง ซึ่งคุณสมบัติของแสงในข้อนี้ก็คือ ความเร็วที่แสงใช้เดินทางจะเปลี่ยนไป ตามสื่อกลางที่มันต้องผ่าน ทั้งยังทำให้แสงสามารถเปลี่ยนทิศ ของตัวเองได้ เมื่อสื่อกลางที่มันใช้ผ่านเปลี่ยนไป เป็นอีกตัว เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงของความเร็ว นั่นอาจเกิดเพราะทิศทางที่เปลี่ยนไป ด้วยหรือเปล่านะ? มันก็ไม่แปลก ที่เป็นอย่างนั้น ดูนี่นะ รถคันนี้กำลังมุ่งหน้าไปที่ชายหาด เมื่อวิ่งไปบนถนนที่มียางมะตอย ยางรถก็จะมีแรงลากมากพอ และทำให้รถแล่นไปได้เร็ว แต่ถ้ารถลงไปวิ่งบนพื้นทรายเมื่อไหร่ ยางรถก็จะลื่นไถล เป็นเหตุให้รถแล่นไปได้ช้าลง ทีนี้มาดูตอนที่รถแล่นลงไปในพื้นทราย ที่ทำแนวเป็นเส้นทแยงมุมกับยางมะตอย ยางล้อด้านซ้ายของรถ ที่อยู่ทางด้านบนของตัวรถ จะยังอยู่บนถนนที่มียางมะตอยอยู่ ในขณะที่ล้อด้านขวาได้เหยียบลงไป บนทรายแล้ว ทีนี้กลายเป็นว่าตัวรถด้านที่ ยังอยู่บนยางมะตอย จะเคลื่อนไปได้เร็วกว่าด้านที่อยู่ บนพื้นทรายเล็กน้อย แล้วจะเกิดอะไรขึ้นหากด้านหนึ่ง ด้านใดของรถ เกิดเคลื่อนตัวไปได้เร็วกว่าอีกด้าน รถมันก็จะสะบัดหักลำไปน่ะสิ ตอนนี้ล้อทั้ง 4 ของรถได้ลงมา อยู่บนพื้นทรายหมดแล้ว แล้วมันก็แล่นไปได้ช้ากว่าที่เคยแล่นด้วย แถมรถก็ยังเคลื่อนที่ตรงไปข้างหน้า อีกต่างหาก ทีนี้มาลองสมมุติให้ยางมะตอยเป็นอากาศ ที่ซึ่งแสงสามารถเดินทางผ่านด้วยความเร็ว เกือบเท่าที่มันทำได้ตอนผ่านสุญญากาศมา และพื้นทรายเป็นกระจกใส ที่ซึ่งแสงจะเดินทางผ่านได้ช้ากว่า และรถนั้นก็เป็นตัวแทนของลำแสง เมื่อลำแสงต้องเดินทางผ่านกระจกใส ด้านหนึ่งของแสงที่ผ่านกระจกเข้าไป ก็จะลดความเร็วให้น้อยลงกว่าอีกด้าน แล้วลำแสงนั้นก็จะเปลี่ยนทิศ และเมื่อแสงออกจากกระจกใสมาได้ จากนั้นก็กลับเข้าไปสู่อากาศอีกครั้ง มันก็จะเป็นไปตามกลไกเดิม แต่จะเกิดขึ้นในทางตรงข้ามก็เท่านั้น เมื่อด้านหนึ่งของแสงผ่านเข้าสู่อากาศ ความเร็วของแสงด้านนั้นจะมากกว่าอีกด้าน และตอนนี้ลำแสงของเราก็กลับมา เดินทางอยู่ในทิศเดียวกัน เหมือนตอนแรกที่มันผ่านกระจกเข้าไปไง เมื่อแสงมีการเปลี่ยนทิศทางแบบนี้ เราเรียกมันว่าการหักเห และยิ่งเราเห็นความชัดเจนของ การหักเหแสงชัดมากเท่าไหร่ สัดส่วนของความเร็วแสง ระหว่างวัตถุ 2 ตัวก็ยิ่งมี ความสำคัญมากขึ้นเท่านั้น