อาร์เทอร์ คอมป์ตัน

อาร์เทอร์ ฮอลลี คอมป์ตัน (Arthur Holly Compton) (10 กันยายน พ.ศ. 2435  – 15 มีนาคม พ.ศ. 2505) เป็นนักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน ผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ พ.ศ. 2470 ในฐานะที่เขาค้นพบการกระเจิงของโฟตอนจากอิเล็กตรอน อันเป็นการพิสูจน์สมบัติความเป็นอนุภาคของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า อาร์เทอร์ คอมป์ตัน รู้จักกันดีในฐานะหัวหน้าห้องปฏิบัติการโลหวิทยาของโครงการแมนฮัตตัน และนายกสภามหาวิทยาลัยวอชิงตันเซนต์หลุยส์ระหว่าง พ.ศ. 2488 - 2496

อาร์เทอร์ คอมป์ตัน เกิดเมื่อวันเสาร์ที่ 10 กันยายน พ.ศ. 2435 เป็นบุตรคนที่ของเอเลียส คอมป์ตัน (Elias Compton) และโอเทลเลีย แคเทอรีน คอมป์ตัน (Otelia Catherine Compton) (สกุลเดิม ออกซเพอร์เกอร์ (Augspurger)) โดยเอเลียสผู้เป็นบิดา ได้เคยเป็นผู้อำนวยการวิทยาลัยวูสเตอร์ ส่วนคาร์ล คอมป์ตัน (Karl Compton) พี่ชายของอาร์เทอร์ ได้ปริญญาเอกสาขาฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยปรินซ์ตัน เมื่อ พ.ศ. 2455 และเป็นอธิการบดีสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ ระหว่างปี พ.ศ. 2473 - 2491 พี่ชายคนรอง วิลสัน คอมป์ตัน (Wilson Compton) ได้รับปริญญาเอกสาขาเศรษฐศาสตร์จากมหาวิทยาลัยปรินซ์ตัน เมื่อ พ.ศ. 2456 และได้เป็นอธิการบดีมหาวิทยาลัยวอชิงตันสเตต ยิ่งไปกว่านั้น มารดาตระกูลคอมป์ตันเป็นแม่ดีเด่นประจำปี 2475 ของสหรัฐอเมริกาด้วย ในส่วนน้องสาว แมรี คอมป์ตัน (Mary Compton) สมรสกับศาสนาจารย์ซี เฮอร์เบิร์ต ไรซ์ (C Herbert Rice) ครูใหญ่โรงเรียนคริสเตียนลาฮอร์

ในชั้นแรก อาร์เทอร์สนใจวิชาดาราศาสตร์ โดยได้ถ่ายภาพดาวหางฮัลเลย์ครั้งที่โคจรผ่านโลกเมื่อ พ.ศ. 2455 ปีถัดมา อาร์เทอร์ก็เริ่มทำการทดลองเพื่อศึกษาผลของการหมุนของโลกที่มีต่อน้ำที่บรรจุในหลอดทบเป็นวงกลม ในที่สุดปีเดียวกันนั้นเองเขาก็จบการศึกษาได้รับปริญญาวิทยาศาสตรบัณฑิตจากวิทยาลัยวูสเตอร์ ต่อมาในปี พ.ศ. 2457 อาร์เทอร์ได้รับปริญญาศิลปศาสตรบัณฑิตจากมหาวิทยาลัยปรินซ์ตัน ไม่เพียงเท่านั้น เขายังศึกษาต่อปริญญาเอกกับเฮเรเวิร์ด คูก ในหัวข้อ "ความเข้มของการสะท้อนรังสีเอกซ์และการจัดเรียงอิเล็กตรอนในอะตอม" จนได้รับปริญญาวิทยาศาสตรดุษฎีบัณฑิตใน พ.ศ. 2459 พี่น้องตระกูลคอมป์ตันถือได้ว่าเป็นพี่น้องกลุ่มแรกที่เข้ามหาวิทยาลัยพร้อมกัน และจบปริญญาเอกไล่เลี่ยกัน หลังจบปริญญาเอกได้ทำงานเป็นอาจารย์สอนฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยมินนิโซตา แต่เป็นได้เพียงหนึ่งปี จากนั้นจึงได้ย้ายไปทำงานเป็นวิศวกรวิจัยที่บริษัทเวสติงเฮาส์ที่เมืองพิตสเบิร์ก งานหลักของเขาในขณะนั้นคือการพัฒนาหลอดไฟไอโซเดียม (sodium-vapour lamp) ครั้นสงครามโลกครั้งที่หนึ่งมาถึง อาร์เทอร์ได้ช่วยพัฒนาระบบสื่อสารอากาศยานที่กองทหารสื่อสารสหรัฐอีกด้วย

ในปี พ.ศ. 2462 อาร์เทอร์ได้รับทุนการศึกษาจากสภาวิจัยแห่งชาติสหรัฐให้เดินทางไปศึกษาที่ห้องปฏิบัติการคาเวนดิช มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ โดยทำงานวิจัยกับจอร์จ แพเจต ทอมสัน บุตรของโจเซฟ จอห์น ทอมสัน ในหัวข้อการกระเจิงและการดูดกลืนรังสีแกมมา ในการศึกษาเขาสังเกตว่ารังสีที่กระเจิงสามารถดูดกลืนได้ง่ายกว่ารังสีจากแหล่งกำเนิด ณ ที่นั้น เขาได้พบกับนักวิทยาศาสตร์ที่มีชื่อเสียงหลายท่าน อาทิ เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด ชาลส์ แกลตัน ดาร์วิน และอาร์เทอร์ เอดดิงตัน ซึ่งสองชื่อได้กลายเป็นชื่อบุตรของอาร์เทอร์เองในเวลาต่อมา
ทางด้านชีวิตครอบครัว อาร์เทอร์สมรสกับเบตตี แชริตี แมคคลอสกีย์ (Betty Charity McCloskey) ซึ่งเป็นเพื่อนร่วมชั้นในคราวที่เรียนปริญญาตรี มีบุตรด้วยกันสองคน คือ อาร์เทอร์ อลัน คอมป์ตัน และจอห์น โจเซฟ คอมป์ตัน

หลังจากที่ได้ทำวิจัยที่มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์เป็นเวลาหนึ่งปีมาแล้ว อาร์เทอร์ได้เดินทางกลับมารับตำแหน่งศาสตราจารย์สาขาฟิสิกส์ เวย์แมน คราว (Wayman Crow Professor of Physics) และหัวหน้าภาควิชาฟิสิกส์มหาวิทยาลัยวอชิงตันเซนต์หลุยส์ สองปีต่อมาเขาได้ค้นพบการกระเจิงของควอนตารังสีเอกซ์จากอิเล็กตรอนอิสระ โดยสังเกตได้ว่ารังสีเอกซ์หลังกระเจิงมีความยาวคลื่นยาวกว่าก่อนกระเจิง เขาจึงอธิบายว่า รังสีเอกซ์สูญเสียพลังงานส่วนหนึ่งให้กับอิเล็กตรอนขณะพุ่งเข้าชน ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า ปรากฏการณ์คอมป์ตัน

ต่อมา ในปี พ.ศ. 2466 อาร์เทอร์ตีพิมพ์บทความลงในวารสาร "ฟิสิกัลรีวิว" ว่าด้วยการเปลี่ยนแปลงความถี่ของรังสีเอกซ์ โดยเสนอว่าแสงประกอบด้วยอนุภาคที่เรียกว่าโฟตอน โฟตอนแต่ละตัวมีพลังงานขึ้นกับความถี่ อันเป็นแนวคิดของมักซ์ พลังค์ ที่เสนอไว้เมื่อ 23 ปีก่อน นอกจากนี้ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ใช้แนวคิดเดียวกันอธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก ในบทความดังกล่าวมีความสัมพันธ์ทางคณิตศาสตร์ระหว่างความยาวคลื่นที่เปลี่ยนแปลงไป กับมุมกระเจิงของรังสีเอกซ์ โดยสมมติให้โฟตอนหนึ่งตัวชนกับอิเล็กตรอนอิสระหนึ่งตัว จากนั้นจะได้ว่า
โดยที่

ค่าคงตัว เรียกว่า ความยาวคลื่นคอมป์ตันของอิเล็กตรอน ซึ่งมีค่า ความต่างความยาวคลื่น มีค่าได้ตั้งแต่ศูนย์ (เมื่อ ) จนถึงสองเท่าของความยาวคลื่นคอมป์ตัน (เมื่อ )) ในการทดลองจริง รังสีเอกซ์บางลำอาจไม่ได้เปลี่ยนแปลงความยาวคลื่นเลยแม้จะกระเจิงเป็นมุมกว้าง และบางกรณีโฟตอนอาจไม่กระเจิงออกจากอิเล็กตรอนเลย อย่างไรก็ดี การกระเจิงคอมป์ตันสามารถเกิดที่ระดับอะตอม ซึ่งใหญ่กว่าอิเล็กตรอนถึง 10,000 เท่า

จากปรากฏการณ์ดังกล่าว ได้ยืนยันสมบัติความเป็นอนุภาคของรังสีเอกซ์ และคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดอื่น ทำให้เจ้าของผลงานได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ ประจำปี พ.ศ. 2470 ร่วมกับอัลเฟรด ไซมอน ซึ่งคิดค้นวิธีการสังเกตการกระเจิงโฟตอนพร้อม ๆ กับอิเล็กตรอนที่ถูกเร่ง อันเป็นวิธีที่คล้ายกับวิธีของวอลเทอร์ โบเทอ (Walther Bother) และฮันส์ ไกเกอร์ นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน อาร์เทอร์เคยกล่าวไว้ว่า "ตอนที่ผมเสนอผลงานในสมาคมฟิสิกส์อเมริกัน ราว ๆ ปี 2466 เรื่องนี้นับว่าเป็นเรื่องที่ถกกันได้ยาวทีเดียวเท่าที่ผมเคยเห็นมาในชีวิต"

ในปี พ.ศ. 2466 อาร์เทอร์ย้ายไปทำงานที่มหาวิทยาลัยชิคาโก โดยทำงานเป็นอาจารย์สอนฟิสิกส์ โดยเขาได้ทำงานนานถึง 22 ปีทีเดียว. สองปีหลังจากเข้าทำงาน เขาได้สาธิตการกระเจิงรังสีเอกซ์พลังงาน 130,000 โวลต์ กับอะตอมธาตุ 16 ธาตุแรกในตารางธาตุ (ไฮโดรเจน จนถึง กำมะถัน) โดยรังสีเอกซ์ที่ได้เป็นคลื่นโพลาไรซ์ ตามผลที่จอห์น ทอมสันได้เคยระบุไว้ ทางด้านมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด วิลเลียม ดูแอน (William Douane) ได้พยายามทำการทดลองเพื่อหักล้างงานที่อาร์เทอร์ทำ แต่ไม่เป็นผล นอกจากปรากฏการณ์คอมป์ตันแล้ว อาร์เทอร์ยังได้ศึกษาผลของรังสีเอกซ์ที่มีต่อนิวเคลียสโซเดียมกับคลอรีน ซึ่งเป็นส่วนประกอบของเกลือแกง ในการศึกษานี้ได้ใช้รังสีเอกซ์ศึกษาภาวะเฟอร์โรแมกเนติก ซึ่งเป็นผลมาจากการจัดตัวของสปินอิเล็กตรอน ในปี พ.ศ. 2469 อาร์เทอร์เขียนหนังสือ "รังสีเอกซ์และอิเล็กตรอน" ซึ่งเป็นหนังสือว่าด้วยการศึกษาสมบัติวัสดุด้วยรังสีเอกซ์ มีหัวข้อว่าด้วยการคำนวณความหนาแน่นของวัสดุซึ่งเลี้ยวเบนรังสีได้ เก้าปีต่อมาได้ร่วมกับแซมมวล แอลิสัน (Samuel Alison) เขียนหนังสือชื่อ "รังสีเอกซ์ในทฤษฎีและการทดลอง" นับเป็นมาตรฐานในขณะนั้น

ต่อมาในปี พ.ศ. 2477 อาร์เทอร์รับเป็นที่ปรึกษาแผนกหลอดไฟของบริษัทเจเนอรัลอิเล็กทริก แปดปีให้หลังเขาเดินทางไปยังประเทศอังกฤษเพื่อไปดูแลห้องปฏิบัติการของบริษัทฯ ที่ตำบลเวมบลีย์ อำเภอเบรนต์ ชานกรุงลอนดอนด้านตะวันตกเฉียงเหนือ รวมถึงเป็นศาสตราภิชานอีสต์แมนที่มหาวิทยาลัยออกซฟอร์ด ระหว่างนั้น เขาได้สนใจทำวิจัยเรื่องหลอดวาวแสง (หลอดฟลูออเรสเซนต์) อีกด้วย

นอกจากรังสีเอกซ์แล้ว อาร์เทอร์สนใจรังสีคอสมิกซึ่เป็นรังสีจากนอกโลกและไม่มีผู้ได้ทราบถึงธรรมชาติที่แน่นอนของรังสี นอกเสียจากจะตรวจวัดด้วยทรงกลมโลหะบรรจุแก๊สอาร์กอน ต่อกับตัวตรวจวัดความนำไฟฟ้า ด้วยความสนใจนี้เองเขาได้เดินทางไปในหลายประเทศ อาทิ ทวีปยุโรป อินเดีย เม็กซิโก เปรู และออสเตรเลีย เพื่อตรวจวัดปริมาณรังสีคอสมิกตามตำแหน่งและความสูงที่แตกต่างกัน เมื่อนำข้อมูลมารวมกับกลุ่มวิจัยอื่นพบว่า รังสีคอสมิกที่ขั้วโลกมีความแรงมากกว่าที่เส้นศูนย์สูตร 15% เขาอธิบายว่ารังสีคอสมิกประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุ แทนที่จะเป็นแสงเฉย อย่างที่โรเบิร์ต มิลลิแกน ได้อธิบายไว้ และเนื่องจากสนามแม่เหล็กโลกที่ความเข้มต่างกันก็ทำให้ความแรงของรังสีคอสมิกไม่เท่ากัน

ราวเดือนเมษายน พ.ศ. 2484 วันเนวาร์ บุช หัวหน้าสภาวิจัยกลาโหม ได้จัดให้มีคณะอนุกรรมการว่าด้วยโครงการยูเรเนียม โดยมีอาร์เทอร์เป็นหนึ่งในนั้น ซึ่งเขาก็ได้ทำรายงานเมื่อเดือนพฤษกาคมปีเดียวกัน ระบุถึงคามเป็นไปได้ในการพัฒนาอาวุธรังสี อาวุธนิวเคลียร์ทำจากยูเรเนียม-235 หรือพลูโตเนียม และเครื่องยนต์นิวเคลียร์สำหรับเรือรบ ในเดือนตุลาคมปีเดียวกันนั้นเอง อาร์เทอร์และเอนริโก แฟร์มี ร่วมกันเขียนรายงานว่าด้วยระเบิดนิวเคลียร์ โดยทั้งสองได้คำนวณมวลวิกฤตของยูเรเนียม-235 ได้ที่ค่าระหว่าง 20 กิโลกรัม จนถึง 2 ตัน หากทำได้ตามที่กำหนดย่อมสามารถสร้างระเบิดทำลายล้างสูงด้วย นอกจากนี้ยังได้ทำงานร่วมกับแฮโรลด์ อูเรย์ (Harold Urey) ยูจีน วิกเนอร์ (Eugene Wigner) มาร์ก โอลิฟันต์ (Mark Oliphant) และโรเบิร์ต เซอร์เบอร์ (Robert Serber) ว่าด้วยการเสริมสมรรถนะยูเรเนียม การผลิต และแยกพลูโตเนียมออกจากยูเรเนียมในเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์

ต่อมา เออร์เนสต์ ลอว์เรนซ์ (Ernest Lawrence) ได้เสนอว่าสามารถสร้างระเบิดพลูโตเนียมขึ้นได้ เช่นเดียวกันระเบิดยูเรเนียม ทำให้ในเดือนธันวาคมปีนั้นเองอาร์เทอร์เข้าร่วมโครงการพลูโตเนียม เขาหวังว่าจะสามารถควบคุมปฏิกิริยาลูกโซ่wได้ภายในต้นปี พ.ศ. 2486 และต้องได้ระเบิดนิวเคลียร์ภายในต้นปี พ.ศ. 2488 ในการนี้เขาได้อยู่ในกลุ่มวิจัยด้านพลูโตเนียมและเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์หลายกลุ่มที่มีที่มหาวิทยาลัยโคลัมเบีย มหาวิทยาลัยปรินซ์ตัน มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียเบิร์กเลย์ เพื่อรวบรวมสรรพกำลังที่มีอยู่ทั้งหมด โดยมีห้องปฏิบัติการโลหวิทยาที่มหาวิทยาลัยชิคาโกเป็นศูนย์กลาง

ครั้นถึงเดือนมิถุนายน พ.ศ. 2485 กองทหารช่างสหรัฐอเมริกาได้รวมโครงการอาวุธนิวเคลียร์กับห้องปฏิบัติการโลหวิทยาของเขาไว้กับโครงการแมนฮัตตัน เดือนเดียวกันนั้นเองอาร์เทอร์มอบหมายให้โรเบิร์ต ออปเพนไฮเมอร์ มีหน้าที่ออกแบบระเบิด ส่วนตัวอาร์เทอร์เองเป็นผู้เลือกแบบเตาปฏิกรณ์ต่อมาได้มีการสร้างเตาปฏิกรณ์ชิคาโกไพล์-1 (Chicago Pile-1) ที่สนามกีฬามหาวิทยาลัยชิคาโกตามคำแนะนำของเอนริโก แฟร์มี ในที่สุดเตาปฏิกรณ์ที่สร้างก็สัมฤทธิ์ผลเมื่อวันที่ 2 ธันวาคม พ.ศ. 2485 การทดลองเสริมความบริสุทธิ์ของยูเรเนียมก็ได้เริ่มต้นขึ้น นอกจากนี้ยังได้ร่วมกับบริษัทดูปองต์ (DuPont) สร้างโรงงานพลูโตเนียมขนาดลำลองที่เมืองโอ๊กริดจ์ รัฐเทนเนสซี ทางด้านเอมิลิโอ เซกเร (Emilio Segrè) ก็มีเตาปฏิกรณ์แกรไฟต์ X-10 ที่เมืองโอ๊กริดจ์ ซึ่งสามารถผลิตพลูโตเนียม-240 ได้ในปริมาณสูง และมีสมบัติการแตกตัวเอง (spontaneous fission) ทำให้สามารถนำไปทำอาวุธนิวเคลียร์ได้ ส่วนโรเบิร์ต ออปเฟนไฮเมอร์ก็พยายามทำวิจัยว่าด้วยอาวุธนิวเคลียร์แบบยุบตัวเข้า แทนที่จะระเบิดออก

ราวเดือนกันยายน พ.ศ. 2487 อาร์เทอร์สร้างตัวเตาปฏิกรณ์ที่นิคมแฮนฟอร์ดเสร็จ อีกสองเดือนถัดมาแท่งยูเรเนียมชุดแรกได้ถูกใส่เข้าไปในเตา อีกสามเดือนถัดมาก็สามารถผลิตเป็นยูเรเนียมส่งไปยังลอสอะลามอส (Los Alamos) ภายใต้การควบคุมของเขาเอง ด้วยความสำเร็จของโครงการ ทำให้เขา โรเบิร์ต ออปเพนไฮเมอร์ เออร์เนสต์ ลอว์เรนซ์ และเอ็นรีโก แฟร์มี เสนอให้ใช้ระเบิดนิวเคลียร์ทำสงครามกับญี่ปุ่น จนได้รับเหรียญอิสริยาภรณ์ Medal of Merit

หลังสิ้นสงคราม อาร์เทอร์ลาออกจากตำแหน่งอาจารย์ที่มหาวิทยาลัยชิคาโก แล้วเดินทางกลับสู่มหาวิทยาลัยวอชิงตันเซนต์หลุยส์ ก่อนได้รับตำแหน่งนายกสภาคนที่เก้า เมื่อปี พ.ศ. 2489 ระหว่างดำรงตำแหน่ง มหาวิทยาลัยได้ยกเลิกข้อห้ามรับอาจารย์หญิงรวมทั้งรับนักศึกษาที่เป็นทหารผ่านศึก ถึงกระนั้นมหาวิทยาลัยก็ยังปฏิเสธไม่รับนักศึกษาผิวดำเข้าเรียน แต่แล้วก็ได้ยกเลิกกฎดังกล่าวไปหลังจากที่สถาบันอื่นเลิกกฎข้อนี้ไปนานแล้ว

ในที่สุด เมื่อปี พ.ศ. 2497 อาร์เทอร์พ้นจากตำแหน่งนายกสภา แต่ยังคงเป็นอาจารย์ในตำแหน่งศาสตราจารย์อุปการคุณจนกระทั่งเกษียณในเจ็ดปีต่อมา หนังสือ"อะตอมิกเควส" (Atomic Quest) ถูกเขียนขึ้นโดยเขาเอง โดยเล่าประวัติการทำงานในโครงการแมนฮัตตัน หนังสือเล่มนี้วางขายเมื่อ พ.ศ. 2508

อาร์เทอร์ คอมป์ตัน เป็นนักวิทยาศาสตร์ส่วนน้อยที่เคยเสนอแบบจำลองเจตจำนงเสรีสองขั้น (two-stage model of free will) ร่วมกับวิลเลียม เจมส์ (William James) อองรี ปวงกาเร (Henri Poincaré) คาร์ล พอปเพอร์ (Karl Popper) และเฮนรี มาร์เกอเนา (Henry Margenau) และแดเนียล เดนเนตต์ (Daniel Dennett) อนึ่ง อาร์เทอร์เคยกล่าวในวารสารแอตแลนติดมันท์ลี (Atlantic Monthly) ฉบับหนึ่งของปี พ.ศ. 2498 ไว้ว่า

นอกจากนี้ในปี พ.ศ. 2474 อาร์เทอร์เป็นผู้เสนอแนวคิดความโลเลทางควอนตัม (quantum indeterminacy) รวมทั้งได้เชื่อมโยงแนวคิดความน่าจะเป็นทางควอนตัมสู่โอกาสในการเกิดเหตุการณ์และความไม่แน่นอนในโลกแห่งความเป็นจริง โดยยกตัวอย่างของไดนาไมต์ผูกติดกับลำโพงเครื่องเสียงของเขาเอง ทำนองเดียวกันกับ แมวของชเรอดิงเงอร์ (Schrödinger's cat) 
อาร์เทอร์ถึงแก่กรรมเมื่อวันพฤหัสบดีที่ 15 มีนาคม พ.ศ. 2505 ด้วยโรคเลือดออกในสมอง บุตรภริยาของเขาได้นำศพไปฝังที่สุสานเมืองวูสเตอร์ บ้านเกิดของเขาเอง บ้านของเขาในปัจจุบันกลายเป็นมรดกแห่งชาติ

ในช่วงที่มีชีวิต เขาได้รับเกียรติยศต่าง ๆ อาทิ รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ พ.ศ. 2470 เหรียญทองมัตเตอุชชี พ.ศ. 2476 เหรียญฮิวก์ราชวิทยสมาคมอังกฤษ และเหรียญเบนจามิน แฟรงคลิน พ.ศ. 2483 รวมถึงมีการนำชื่อของเขาไปตั้งเป็นชื่อสถานที่ต่าง ๆ อาทิ หลุมอุกกาบาตคอมป์ตันบนดวงจันทร์ ห้องปฏิบัติการวิจัยที่มหาวิทยาลัยวอชิงตันเซนต์หลุยส์ หอพักคอมป์ตันของมหาวิทยาลัยฯ เซ็นต์หลุยวอล์กออฟเฟม (St Louis Walf of Fame) และห้องปฏิบัติการรังสีแกมมาที่นาซ่า