Scienceเราเรียนรู้

ทฤษฏีควอนตัม: พื้นฐานโมเดิร์นฟิสิกส์ ว่าด้วยหลักแห่งความไม่แน่นอน

 

ทฤษฏีควอนตัม เป็นพื้นฐานทฤษฏีต่าง ๆของฟิสิกส์สมัยใหม่ที่เน้นอธิบายลักษณะ และพฤติกรรมของสสาร และพลังงานในระดับอะตอม และซับอะตอม ( sub-atom ) ซึ่งลักษณะ และพฤติกรรมของสสาร และพลังงานในระดับนี้ บางครั้งถูกเรียกว่า ฟิสิกส์ควอนตัม ( quantum physics ) และกลศาสตร์ควอนตัม ( quantum mechanics ) ซึ่งแต่เดิมการอธิบายเกี่ยวกับสสารนั้นจะใช้กฎของนิวตันมาอธิบาย และถ้าเกี่ยวกับพลังงานก็จะใช้ทฤษฏีแม่เหล็กไฟฟ้ามาอธิบาย แต่เมื่อมีการศึกษาให้ลึกลงไปในระดับอะตอมแล้ว ปรากฏการณ์บางอย่างไม่สามารถใช้ทฤษฏีดังกล่าวมาอธิบายได้อย่างชัดเจนเช่น ปรากฏการณ์การแผ่รังสีของวัตถุดำ การเกิดรังสีเอกซ์ ปรากฏการณ์โฟโตอิเลคทริก การเกิดเส้นสเปคตรัม

ในปี พ.ศ. 2400 Max Planck ได้เสนอ ทฤษฏีควอนตัม ในที่ประชุมทางวิชาการด้านฟิสิกส์แห่งเยอรมัน โดยเขาอธิบายสิ่งที่เขาค้นพบว่า การที่รังสี ( radiation ) จากวัตถุที่เรืองแสงเปลี่ยนจากสีแดงไปเป็นสีส้ม เป็นสีน้ำเงิน และในที่สุดเป็นสีม่วงได้นั้น เนื่องมาจากอุณหภูมิที่สูงขึ้น เขาตั้งสมมติฐานว่าพลังงานที่เกิดขึ้นในแต่ละหน่วยของสสารนั้นไม่ใช่แค่เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ( electromagnetic wave ) และสามารถหาค่าได้ เขาได้สร้างสมการทางคณิตศาสตร์ที่จะใช้อธิบายปรากฏการณ์นี้ ในสมการจะมีสัญลักษณ์ที่เป็นตัวแทนแต่ละหน่วยของพลังงาน ที่เรียกว่า quanta เขาอธิบายว่าพลังงานจากวัตถุเรืองแสงไม่ว่าจะเป็นของแข็งหรือของเหลวก็ตาม เมื่ออยู่ในสภาวะที่มีอุณหภูมิที่สูงกว่าศูนย์องศาสัมบูรณ์ วัตถุนั้นจะแผ่รังสีออกมาในทุก ๆคลื่นความถี่ จากการทดลองเผาแท่งเหล็กอย่างต่อเนื่อง จะพบว่าในช่วงที่เริ่มเผา แท่งเหล็กจะมีอุณหภูมิที่ไม่สูงมาก มันก็จะแผ่รังสีในช่วงความถี่ต่ำ ที่เรียกว่า อินฟราเรด ( infrared ) ซึ่งรังสีนี้ตามนุษย์ไม่สามารถมองเห็นได้ แต่เมื่อเผาแท่งเหล็กจนมีอุณหภูมิสูงขึ้นไปเรื่อย ๆจนอยู่ในช่วงความถี่ที่มนุษย์สามารถมองเห็นได้ ที่เรียกว่าสเปคตรัม เราก็จะเห็นการเปลี่ยนสีของแท่งเหล็กในแต่ละช่วงอุณหภูมิ คือมันจะเปลี่ยนจากสีแดง ไปเป็นสีส้ม และเหลือง และเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นไปอีกมันก็จะเปลี่ยนเป็นสีน้ำเงิน และสีม่วงในที่สุด แต่เมื่อเผาให้แท่งเหล็กร้อนขึ้นไปอีกจนถึงคลื่นความถี่หนึ่งที่เรียกว่า อัลตร้าไวโอเล็ต ( ultraviolet ) หรือรังสีเหนือม่วง ถึงจุดนี้ตามนุษย์ก็ไม่สามารถมองเห็นได้อีกต่อไป

จากสมมติฐานของ Max Planck ประกอบกับสมการที่สามารถอธิบายปรากฏการณ์การแผ่รังสีของวัตถุ ที่มีความสัมพันธ์กับอุณหภูมิ ทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในเวลาต่อมา มีนักฟิสิกส์อีกหลายต่อหลายคนได้ค้นคว้าทฤษฏีควอนตัม และเผยแพร่เพื่ออธิบายปรากฏการณ์อื่น ๆอีกหลายท่าน แต่ต้องยกย่องให้สมมติฐานของ Max Planck นั้นเป็นจุดเริ่มต้นในการศึกษา ทฤษฏีควอนตัม อย่างจริงจัง

องค์ประกอบที่สำคัญของทฤษฏีควอนตัมสมัยใหม่ และการพัฒนาเพิ่มเติม

หลังจากที่มีการเผยแพร่สมมติฐานของ Max Planck สู่สาธารณะ นักฟิสิกส์ก็ให้ความสนใจเป็นอย่างมาก จึงมีการเริ่มวิจัยกันอย่างจริงจังและได้ข้อสรุปเป็น ทฤษฏีควอนตัมสมัยใหม่ที่จะต้องมีองค์ประกอบดังต่อไปนี้

::: พลังงาน/สสาร จะประกอบด้วยหน่วย ( units ) ที่แยกจากกัน แทนที่จะเป็นคลื่นต่อเนื่อง

::: อนุภาคมูลฐานของพลังงาน/สสาร อาจขึ้นอยู่กับสภาวะ ( states ) ต่าง ๆเช่นอนุภาค หรือคลื่น

::: การเคลื่อนที่ของอนุภาคมูลฐานเป็นแบบสุ่ม ( random ) ไร้ระเบียบ และดังนั้นมันจึงไม่อาจคาดเดาได้

::: การวัดค่าสองค่าพร้อม ๆกัน เช่นการวัดค่าตำแหน่ง และการวัดค่าโมเมนตัมของอนุภาคมูลฐานพร้อม ๆกัน จะมีข้อบกพร่องอย่างไม่อาจหลีกเลี่ยงได้ ยิ่งมีการวัดค่าใดค่าหนึ่งให้แม่นยำมากเท่าไร ก็ยิ่งมีข้อบกพร่องในการวัดอีกค่าหนึ่งได้มากขึ้นเท่านั้น

ต่อมาก็มีการพัฒนา ทฤษฏีควอนตัม ให้ก้าวหน้ามากยิ่งขึ้นไปอีก Niels Bohr ได้เสนอการแปลความหมายของ ทฤษฏีควอนตัม ที่อ้างว่า อนุภาคเป็นสิ่งที่วัดได้เช่น คลื่น แต่ไม่สามารถสันนิษฐานได้ว่ามันมีสภาวะเป็นเช่นไรจนกว่าจะได้รับการวัด หรือพิสูจน์จริง ๆ ซึ่งในความเป็นจริงเราจะไม่สามารถรู้ได้เลยว่าวัตถุ/สสาร/อนุภาค มันอยู่ในสภาวะเช่นไรจนกว่าเราจะเข้าไปดู และตรวจสอบมันจริง ๆ

เขียนไปเขียนมาก็ชวนให้งงงวย คนอ่านก็คงว่าไอ้บ้าเอาอะไรมาเล่าให้ฟังก็ไม่รุ อย่าเพิ่งถอดใจนะออเจ้า ในที่ประชุมของเหล่าอัจฉริยะก็คงมีสภาพอึมครึมเช่นกัน จึงมีความพยายามจะอธิบายให้เกิดความเข้าใจได้ง่ายขึ้น โดยใช้โมเดลที่ฟังดูโหด ๆที่เรียกว่า Analogy of Schrodinger’s Cat มาเปรียบเทียบให้เห็นอย่างนี้ว่า ก่อนอื่นเลยเราจะจับแมวที่ยังมีชีวิตอยู่ไปวางไว้ในกล่องตะกั่วหนา ในขั้นตอนนี้จะไม่มีคำถามเลยว่าแมวตัวนั้นยังมีชีวิตอยู่หรือไม่ จากนั้นเราก็โยนเอาขวดยาไซยาไนด์ลงไปในกล่องใบเดียวกัน เสร็จแล้วก็ปิดฝากล่องนั้นเสีย ถึงตอนนี้เราจะเริ่มสงสัย และไม่รู้เรื่องอะไรเลยว่าเจ้าแมวน้อยตัวนั้นมันจะเป็นตายร้ายดีอย่างไร ถ้าแคปซูลยาไซยาไนด์ไม่ถูกทำลายลง มันก็น่าจะมีชีวิตอยู่ แต่ถ้าแคปซูลไซยาไนด์นั้นถูกทำลายลง มันก็น่าจะตาย ซึ่งในสภาวะที่ซ้อนทับกันอย่างนี้ เราไม่รู้หรอกว่าแมวมันตาย หรือยังมีชีวิตอยู่ ตามทฤษฏีควอนตัม โดยใช้วิธีเรียงสับเปลี่ยนในรูปแบบที่เป็นไปได้ทั้งหมด แมวจะอยู่ในสภาวะที่ซ้อนทับอยู่ คือทั้งตาย และทั้งมีชีวิตอยู่ไปพร้อม ๆกัน คือเพียงแค่เราหยุดยั้งตัวเราเองไม่ให้เข้าไปเปิดกล่อง และดู ( ไม่เข้าไปสังเกต ) สภาพของแมวในสภาวะที่ทับซ้อนกันอยู่นั้น แมวมันจะต้องมีสภาวะที่ตาย และมีชีวิตอยู่ไปพร้อม ๆกัน สถานะที่ทับซ้อนกันอยู่นี้ถูกเรียกว่า superposition

ในความหมายที่สองของทฤษฏีควอนตัมคือ ทฤษฏีหลายจักรวาล ( multiverse ) หรือทฤษฏีพหุภพ หรือทฤษฏีอนันตภพ คือมีเอกภพ ( universe ) จำนวนมากมายนับไม่ถ้วน ที่มันเกิดขึ้น และสลายไปได้ตลอดเวลา การอธิบาย multiverse นี้มีอยู่หลายวิธีที่จะใช้อธิบาย ซึ่งอาจอธิบายในรูปของสสาร/วัตถุ หรือเส้นแบ่งเวลา หรืออื่น ๆ เช่นการอธิบายโดยการใช้ปลาที่อาศัยอยู่ในหนองน้ำแห่งหนึ่ง ตัวมันจะไม่รู้เลยว่ามีอะไรเกิดขึ้นอยู่เหนือหนองน้ำนั้น มันไม่รู้ว่ามีหนองน้ำอื่น ๆอีกบนพื้นผิวโลก มันไม่รู้ว่ามันสามารถอาศัยอยู่ในถังน้ำก็ได้ นั่นคือแต่ละแหล่งของหนองน้ำ หรือถังน้ำ ถือได้ว่าเป็นหนึ่งจักรวาล เราอาจอธิบาย multiverse ในรูปแบบเส้นแบ่งเวลาได้อย่างนี้ว่า สมมติว่าเมื่อเราตื่นเช้าขึ้นมา มีกิจกรรมให้เราเลือกทำมากมาย เราอาจจะแปรงฟัน หรือกินกาแฟ หรือไปโรงเรียน หรือวิ่งออกกำลังกาย หนึ่งกิจกรรมนั้นมันได้ไปสร้างจักรวาลใหม่ให้เกิดขึ้นอยู่เสมออย่างไม่มีที่สิ้นสุด

คนอย่างเรา ๆคงไม่ค่อยได้คิดอะไรแบบนี้สักเท่าไรใช่ไหม บุคคลที่เอ่ยขึ้นในบทความ หรือที่ไม่ได้กล่าวถึงเป็นบุคคลพิเศษจริง ๆ ทฤษฏีควอนตัมหากจะเพียงแค่คิด ก็ต้องมีจินตนาการที่สูงมากเหลือเกิน จนผมไม่แน่ใจว่ามันเป็นวิทยาศาสตร์แบบที่เราเข้าใจกัน ตามความเข้าใจของผมเอง มันแฝงปรัชญา แม้แต่เรื่องจิตวิญญาณ ผสมปนกันไป คนที่ค้นคว้าเรื่องเหล่านี้ต้องมุ่งมั่นอย่างมากจนอาจทำให้คิดว่าเป็นพวกหลุดโลก อย่างที่พวก Autistic Savant เป็น

ในปัจจุบันนี้มีการค้นคว้าเพื่อสร้างควอนตัมคอมพิวเตอร์ ทั้งจาก MIT, IBM, the Los Alamos Laboratory, Oxford University  ที่ถ้าหากประสบความสำเร็จขึ้นมา ก็จะเป็นการเปลี่ยนโฉมหน้าวงการไอทีไปอย่างสิ้นเชิง เพราะคาดว่าควอนตัมคอมพิวเตอร์จะมีความสามารถในการประมวลผลด้วยความเร็วถึงล้านคำสั่งต่อวินาที ( MIPS ) ซึ่งเร็วกว่า supercomputer ที่มีอยู่ในในปัจจุบันมากมายเหลือเกิน

จริง ๆไม่ค่อยกล้าเขียนเรื่องยาก ๆอย่างนี้หรอก เพราะจะเครียดทั้งผู้เขียน และผู้อ่าน แต่จำเป็นจริง ๆ เพราะมีบทความที่เกี่ยวกับ      ควอนตัมคอมพิวเตอร์ ที่อ้างอิงถึง ทฤษฏีควอนตัม จึงควรมีคำอธิบาย ที่พยายามหลีกเลี่ยงให้พ้นสมการทางคณิตศาสตร์ หรือฟิสิกส์ ให้มากเท่าที่จะทำได้ ดูเหมือนว่าโลกปัจจุบันนี้ อะไร อะไรมันก็ดูสลับซับซ้อนกันไปหมด จนกว่า … … จนกว่าเราจะลงมือศึกษามันอย่างจริง ๆนั่นเอง ต้องขอบคุณที่อ่านบทความนี้จนจบ สำหรับวันนี้ฝันดี ราตรีสวัสดิ์เช่นเคยครับผม

5 thoughts on “ทฤษฏีควอนตัม: พื้นฐานโมเดิร์นฟิสิกส์ ว่าด้วยหลักแห่งความไม่แน่นอน

    1. เป็นเกียรติครับ บทความของคุณชีวสิทธิ์ที่ผมเคยอ่าน ทำให้นึกถึงเมื่อครั้งไปเที่ยวงานจุฬาฯวิชาการ
      เมื่อนานมาแล้ว ตื่นเต้นมากที่ได้เห็นเม็ดโลหะลอยอยู่เหนือถาดไนโตรเจน

ใส่ความเห็น

อีเมลของคุณจะไม่แสดงให้คนอื่นเห็น