เคยสงสัยมั้ยครับว่าทำไมทรายเปียกจึงมีสีเข้ม? 

ทรายที่เปียกจะมีสีที่เข้มกว่า

     ถ้าใครเคยไปชายหาดมาก่อน คงสามารถบอกได้ทันทีว่าบริเวณใดคือจุดที่น้ำทะเลซัดมาถึงบ้าง (หรือตรงไหนมีหมามาฉี่เอาไว้) นั่นเพราะว่าทรายตรงที่เปียกจะมีสีเข้มกว่า แต่จริงๆ แล้วก็ไม่ได้มีแค่ทรายเท่านั้น เพราะหินที่เปียก ปูนที่เปียก น้ำแข็งไสที่ราดน้ำ เสื้อที่เปียกเหงื่อ หรือเป้ากางเกงที่เปียก ฯลฯ ก็มีสีเข้มขึ้นทั้งสิ้น

     เรียกได้ว่านี่แทบจะเป็นประสบการณ์ที่ใครๆ ก็รู้ แต่ถ้าเราลองนึกดูจริงๆ เฮ้ย มันก็แอบแปลกนะ ทำไมไม่ว่าเจ้าสิ่งนั้นจะเป็นอะไร พอเปียกน้ำปุ๊บ ถึงเข้มขึ้นไปหมด และมันก็ยิ่งประหลาดขึ้นไปอีก เมื่อเรานึกได้ว่า น้ำไม่มีสีนี่นา แล้วมันจะทำให้สีเข้มขึ้นได้ยังไง

     เออ นั่นดิ ทำไมของที่เปียกถึงต้องมีสีเข้มขึ้นนะ?

     คำถามที่ฟังดูเหมือนจะง่ายๆ นี้ กลับมีคำอธิบายที่ค่อนข้างลึกซึ้ง และก่อนที่จะตอบคำถามนี้ได้ เราคงต้องอธิบายให้ได้ก่อน ว่าทำไมของที่ไม่เปียกจึงสว่าง

     ถ้าเราหยิบเม็ดทรายขึ้นมาดู จะพบว่าแท้จริงแล้วเม็ดทรายไม่มีสี เป็นเพียงผลึกแก้วใสๆ (ซึ่งคำว่า ‘แก้ว’ ในที่นี้ไม่ได้เป็นเพียงคำเปรียบเปรย เนื่องจากวัสดุสิ่งของแก้วใสต่างๆ นั้นทำมาจากทรายจริงๆ) แล้วถ้าอย่างนั้น เม็ดผลึกแก้วใสๆ มันจะกลายเป็นหาดทรายสีขาวได้ยังไง??? (แม้หลายๆ หาดทรายจะออกเหลืองๆ ก็ตาม แต่นั่นก็ขึ้นอยู่กับปริมาณแร่เหล็กที่เจือปนอยู่ ซึ่งเดี๋ยวจะยาว ในที่นี้สมมติให้เป็นทรายสีขาวไปก่อน)

     งั้นเรามาลองหันไปมองกระจกใสที่หน้าต่าง คุณเห็นอะไรบ้างไหม? 

     ถ้าคุณตอบว่า “เห็นภาพข้างนอกหน้าต่าง” นั่นก็คือคำตอบที่ถูกแล้ว ก็เพราะว่ากระจกนั้น ‘โปร่งแสง’ และทำให้แสงทะลุไปได้ แต่ลองสมมติว่าเราทุบกระจกบานนี้จนแตกละเอียดออกเป็นเม็ดแก้วเล็กๆ กระจายเต็มพื้นไปหมด ถ้าเราก้มไปดูที่พื้นอีกทีก็จะเห็นว่าเศษแก้วที่ควรจะใสๆ กลับกลายเป็นเศษสีขาวๆ 

     อะไรทำให้กระจกใสๆ หนึ่งบานกลายมาเป็นเศษแก้วสีขาวได้? 

     ความจริงแล้วคำตอบก็อยู่บนกระจกใสตรงหน้าเรานั่นแหละ 

     เพราะกระจกใสนั้นจริงๆ แล้วไม่ได้ใสและโปร่งแสงสมบูรณ์แบบ แต่สิ่งหนึ่งที่เราเห็นนอกไปจากภาพนอกหน้าต่าง ก็คือ ‘เงาสะท้อน’ ของอะไรก็ตามที่อยู่ตรงหน้า อาจจะเป็นใบหน้าเรา หรือห้องของเรา ทุกๆ พื้นผิวที่เป็นรอยต่อระหว่างอากาศและแก้ว จะมีแสงสะท้อนออกมา นั่นก็คือบนทุกๆ พื้นผิวของแก้วจะมีเงาสะท้อนของหลอดไฟ หรือดวงอาทิตย์บนหัวเราอยู่ ทีนี้ถ้าเราเอาแก้วนั้นมาทุบให้แตกเป็นเศษเล็กๆ ทุกๆ เศษเล็กๆ นั้นก็จะมีเงาสะท้อนของแสงไฟ ซึ่งยิ่งเรามีกระจกเล็กๆ หลายชิ้น เราก็จะเห็นแสงสะท้อนมากขึ้น เห็นแสงไฟที่พื้นจำนวนมากขึ้น จนกระทั่งถ้าละเอียดมากๆ เราก็จะเห็นภาพสะท้อนของแสงไฟดวงเล็กๆ ระยิบระยับเต็มไปหมดทั่วพื้น เราก็จะได้หาดทรายสีขาวนั่นเอง

ผลึกเม็ดทราย สังเกตว่าเม็ดทรายส่วนมากนั้นแท้จริงแล้วเป็นผลึกใส ไม่มีสี แต่แสงสะท้อนจากแสงไฟเล็กๆ บนพื้นผิวของเม็ดทรายแต่ละเม็ดเหล่านี้ รวมกันทำให้ทรายปรากฏเป็นทรายสีขาว (ภาพโดย: Alexander Klepnev)

     ตัวอย่างที่อาจจะนึกภาพง่ายกว่านั้นก็คือน้ำแข็ง หากเราเอาน้ำแข็งก้อนใหญ่ก้อนหนึ่งมาวาง ตอนแรกอาจจะมีเพียงตำแหน่งเดียวที่สามารถเห็นแสงสะท้อนของหลอดไฟมายังตาเราได้ แต่ถ้าเราทุบน้ำแข็งให้แตกเป็นสองก้อน แต่ละก้อนก็จะมีสองมุมที่สะท้อนแสงหลอดไฟมายังตาเรา ซึ่งยิ่งเราทุบให้น้ำแข็งเล็กลงเท่าใด จำนวนพื้นผิวที่เราจะสามารถมองเห็นแสงสะท้อนของหลอดไฟก็จะเพิ่มขึ้น จนกระทั่งเราทำให้ก้อนน้ำแข็งใสนั้นกลายเป็นน้ำแข็งไส เราก็จะเห็นแต่แสงสะท้อนเต็มไปหมด จนปรากฏเป็นวัสดุขาวโพลน และนี่คือเหตุผลว่าทำไมหิมะ ซึ่งทำจากน้ำแข็ง จึงปรากฏเป็นสีขาว

     เราเรียกปรากฏการณ์ที่แสงสะท้อนสะเปะสะปะไปหมดทุกทิศทางจากพื้นผิวนี้ว่า ‘การกระเจิงของแสง’ ซึ่งหลายๆ วัตถุที่เราสังเกตเห็นเป็นสีสว่างในทุกวันนี้นั้น แท้จริงแล้วทำขึ้นจากวัสดุใสไม่มีสี ยกตัวอย่างเช่น เส้นผมทำจากเคราตินเช่นเดียวกับเล็บซึ่งเป็นวัสดุที่ใสไม่มีสี และพอเราไม่สามารถผลิตเม็ดสีดำได้ในผม เส้นผมนั้นกลับกลายเป็นสีขาว หรือ ‘ผมหงอก’ ส่วนเส้นใยฝ้าย ใยสังเคราะห์ ในเสื้อผ้าเรานั้น จริงๆ แล้วก็ใสไม่มีสี (นอกเสียจากจะนำไปย้อม) แต่ปรากฏเป็นผ้าทอสีขาว หรือฟองสบู่ก็ใสไม่มีสีเช่นกัน แต่ถ้าเรามีฟองเล็กๆ จำนวนมากๆ มันกลับกลายเป็นโฟมปาร์ตี้สีขาวไปได้เฉย

ถ้าสังเกตดูฟองสบู่สีขาว แท้จริงแล้วจะประกอบด้วยฟองใสๆ ไม่มีสี ที่มีเงาสะท้อนของแสงไฟอยู่เป็นจำนวนมาก

     เราจะสามารถเห็นแสงได้ก็ต่อเมื่อแสงเดินทางเข้ามายังนัยน์ตาของเราเท่านั้น การที่แสงกระเจิงออกจากพื้นผิวสะเปะสะปะไปทุกทิศทางนั้น ทำให้เรามั่นใจได้ว่าจะมีแสงสะท้อนจากพื้นผิวมายังตาของเราได้อย่างแน่นอน ในขณะที่พื้นผิวที่เรียบจะสะท้อนแสงแสงไฟมายังตาเราได้ก็ต่อเมื่อเรามองจากมุมที่ถูกต้องเพียงมุมเดียวเท่านั้น ด้วยเหตุนี้ จึงทำให้เหล็กด้านมักจะดูสว่างกว่าเหล็กเงา กระจกด้านจะดูขุ่นและออกสีอ่อนกว่ากระจกใส หรือแผ่นฟิล์มติดกระจกมือถือแบบด้านที่จะดูสีอ่อนกว่าแบบฟิล์มใส

     ดังนั้น คำอธิบายแรกก็คือ วัตถุที่เปียกจะมีพื้นผิวที่เรียบกว่า แสงจึงกระเจิงออกมาสะเปะสะปะได้น้อยกว่า และทำให้ปริมาณแสงที่อาจจะกระเจิงมาเข้าตาเรานั้นลดลง ปรากฏการณ์นี้เห็นได้ชัดเวลาหลังฝนตก ซึ่งเราสามารถบอกได้ว่าถนนเบื้องหน้ามีแอ่งน้ำหรือไม่ได้โดยง่าย เนื่องจากว่าแอ่งน้ำสะท้อนแสงออกไปได้น้อย และจะปรากฏเป็นพื้นผิวมืดๆ อยู่ท่ามกลางพื้นผิวสว่างที่ขรุขระกว่า

เราสามารถบอกได้ว่าพื้นถนนใดมีแอ่งน้ำ เนื่องจากแอ่งน้ำที่ผิวเรียบ จะมีแสงสะท้อนในทิศทางสะเปะสะปะน้อยกว่า จึงมีแสงกระเจิงมาเข้าตาเราน้อยกว่า (เว้นเสียแต่ว่าเราจะอยู่ในมุมสะท้อนพอดีเพียงมุมเดียว) จึงปรากฏเป็นสีมืดเมื่อเทียบกับพื้นรอบข้าง

     นักดาราศาสตร์ใช้หลักการเดียวกันนี้ในการศึกษาพื้นผิวของดาวเคราะห์หรืออุกกาบาต โดยการยิงคลื่นวิทยุหรือเรดาร์ออกไป และรอดักฟังคลื่นวิทยุที่สะท้อนกลับมา การที่เราเห็นบริเวณที่มืดสนิทผ่านคลื่นเรดาร์บนดวงจันทร์ไททัน สามารถบอกได้ว่าพื้นผิวบริเวณนั้นจะต้องเป็นบริเวณที่ราบเรียบสนิท ราวกับแอ่งน้ำนองบนพื้นถนนในเวลากลางคืน ซึ่งเป็นหลักฐานว่าบนพื้นผิวของดาวไททันมีมหาสมุทรอยู่นั่นเอง

ภาพถ่ายเรดาร์ จากยาน Cassini บนพื้นผิวของดวงจันทร์ไททัน ส่วนที่มืดไม่กระเจิงคลื่นเรดาร์ คือมหาสมุทรที่ประกอบขึ้นจากก๊าซมีเทนเหลวบนพื้นผิวของดวงจันทร์ไททัน (ภาพโดย NASA/JPL-Caltech/ASI/Cornell)

     คำอธิบายนี้นั้นอาจจะใช้ได้ผลในกรณีที่มีน้ำเจิ่งนองเสียจนผิวเรียบ แต่… ก็ยังไม่สามารถอธิบายกรณีของทรายเปียกได้ทั้งหมด

     การจะอธิบายกรณีนั้นได้ เราต้องทำความเข้าใจกับการสะท้อนแสงอีกสักเล็กน้อย เนื่องจากแสงนั้นเป็นคลื่น แสงจะเกิดการหักเหและสะท้อนเมื่อมีการเปลี่ยนจากตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลางหนึ่ง ยิ่งตัวกลางมีการเปลี่ยนแปลงไปมากเท่าใด ทั้งการหักเหและสะท้อนก็จะมากขึ้นเท่านั้น เราเรียกคุณสมบัตินี้ของตัวกลางว่า ‘ดัชนีหักเหของแสง’

     การใช้ตัวกลางที่มีดัชนีหักเหของแสงที่เปลี่ยนไป ทำให้เราสามารถเปลี่ยนทิศทางเดินของแสงได้ และนี่คือหลักการการทำงานของเลนส์แว่นสายตา และเลนส์กล้องถ่ายภาพ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากเลนส์กับอากาศมีดัชนีหักเหที่แตกต่างกันมาก แสงบางส่วนจึงสะท้อนออกไป โดยเฉพาะเวลาเจอแสงจ้าๆ อาจทำให้ภาพพร่ามัวไปหมด

(แบบนี้)

     แต่ทีนี้มีคนค้นพบว่า ถ้าเราเอาวัสดุอีกอย่างหนึ่ง ซึ่งมีดัชนีหักเหของแสงอยู่ตรงกลางระหว่างเลนส์กับอากาศไปเคลือบเอาไว้ ผลที่ได้ก็คือปริมาณแสงสะท้อนกลับมาจะลดลง เปรียบได้กับการที่คลื่นทะเลเมื่อกระทบกับกำแพงก็จะสะท้อนกลับไปตรงๆ แต่ถ้าค่อยๆ ขึ้นมาตามชายหาดที่ลาดไปช้าๆ จะลดการสะท้อนลงไปได้ ดังนั้น จึงมีเทคโนโลยีมัลติโค้ต (multicoat) บนแว่นสายตาที่ช่วยถนอมสายตา หรือเคลือบผิวเลนส์ถ่ายรูปที่ช่วยลดแสงแฟลร์ (flare) ซึ่งมาพร้อมกับราคาที่แพงขึ้นมหาศาล

     ทีนี้ สิ่งที่น่าสนใจก็มีอยู่ว่า ตัวกลางอย่าง ‘น้ำ’ มักจะบังเอิญเป็นตัวกลางที่มีดัชนีหักเหอยู่ระหว่างอากาศกับวัสดุอื่นๆ เช่น เม็ดทราย เส้นใย ฯลฯ พอดี…

     ผลก็คือ เมื่อน้ำเข้าไปเคลือบบนวัสดุเหล่านี้แล้ว จึงเทียบได้กับการใช้เทคโนโลยีมัลติโค้ตบนพื้นผิวเหล่านี้ ทำให้แสงสะท้อนลดลง ปริมาณการกระเจิงของแสงก็ลดลงไปโดยปริยาย แสงส่วนหนึ่งที่สะท้อนสะเปะสะปะจนมาเข้าสู่ตาของเราจึงทะลุผ่านตัวกลางไปแทน เนื่องจากแผ่นฟิล์มบางๆ ของน้ำที่เพิ่มขึ้นมาทำให้การสะท้อนของแสงลดลง

กระจกไอแพดที่เปียกน้ำจะสะท้อนแสงได้น้อยลง

     หรือพูดให้ง่ายๆ ก็คือ แก้วที่เปียกจะสะท้อนแสงได้น้อยลง จึงทำให้ทรายเปียก ซึ่งเป็นเม็ดแก้วขนาดเล็กจำนวนมาก สะท้อนแสงกลับเข้ามาสู่ตาเราได้น้อยลง จึงเป็นต้นเหตุว่าทำไมทรายเปียกจึงมักจะมีสีเข้มกว่าทรายแห้งนั่นเอง 

     สรุปก็คือ สาเหตุที่วัตถุเปียกนั้นมักจะมืดกว่า ก็เป็นเพราะว่า หนึ่ง—น้ำไปเคลือบจนทำให้พื้นผิวนั้นเรียบกว่า จึงกระเจิงแสงได้น้อยกว่า และสอง—แต่ละพื้นที่ที่เปียกน้ำก็สะท้อนแสงออกมาเข้าสู่ตาเราได้น้อยลงไปด้วย ปรากฏการณ์เดียวกับแว่นตามัลติโค้ตนั่นแหละ

     จะเห็นได้ว่า แม้กระทั่งเรื่องง่ายๆ ที่เราเห็นกันอยู่แล้ว บางทีคำอธิบายอาจจะไม่ได้ ‘เรียบง่าย’ ขนาดนั้น (แม้ว่าคำตอบส่วนหนึ่งก็คือพื้นผิวที่เปียกน้ำ ‘เรียบ’ กว่าก็เหอะ) ครั้งถัดไปที่เราไปเห็นปราสาททรายเปียกสีเข้มที่ชายหาด ก็อย่าลืมนึกถึงชั้นน้ำบางๆ ที่เคลือบพื้นผิวของเม็ดทรายจำนวนมากมาย ซึ่งลดการสะท้อนลงสืบเนื่องมาจากการเปลี่ยนแปลงดัชนีหักเหของแสงเมื่อเปลี่ยนผ่านตัวกลาง โดยมีน้ำทำหน้าที่เป็นผิวเคลือบเพื่อลดรอยต่อของการเปลี่ยนแปลงดัชนีหักเหของแสงซึ่งมีผลทำให้สัมประสิทธิ์การสะท้อนแสงลดลงด้วยล่ะ

ปราสาททรายเปียกในแซนด์บอกซ์จะมีสีเข้มกว่าทรายแห้ง (ภาพไม่เกี่ยวกับเนื้อหา)