10 เรื่องน่ารู้ว่าด้วยทฤษฎี 'ควอนตัม' | บัญชา ธนบุญสมบัติ

ช่วงปลายคริสต์ศตวรรษที่ 19 ต่อต้นคริสต์ศตวรรษที่ 20 มีการค้นพบปรากฏการณ์หลายอย่างที่ไม่สามารถอธิบายได้ด้วยความรู้ทางฟิสิกส์ที่มีอยู่ในขณะนั้น การไขปมปริศนาเหล่านี้นำไปสู่การปฏิวัติในวงการฟิสิกส์ ทำให้เกิดทฤษฎีสำคัญขึ้นมา 2 ทิศทางใหญ่ ได้แก่ ทฤษฎีสัมพัทธภาพ (Relativity) และทฤษฎีควอนตัม (Quantum Theory)

ในทิศทางแรก เริ่มจากความเชื่อที่ว่าแสงเป็นคลื่น ดังนั้น จึงควรจะมีตัวกลางในการส่งผ่านแสง แต่ความพยายามค้นหาด้วยการทดลองกลับล้มเหลว

นอกจากนี้ ทฤษฎีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของแมกซ์เวลล์ยังทำนายว่าแสงมีความเร็วคงที่เสมอในสุญญากาศ ไอน์สไตน์เป็นคนที่ไขปริศนานี้ได้ ทำให้เกิดทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษขึ้นใน ค.ศ.1905 ต่อมาได้ขยายขอบเขตของทฤษฎีจนครอบคลุมความโน้มถ่วงกลายเป็นทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปใน ค.ศ.1915

ส่วนทิศทางที่สองเริ่มจากปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องกับอะตอมและอนุภาคที่เป็นองค์ประกอบของอะตอม เช่น เราจะอธิบายพฤติกรรมการแผ่รังสีของวัตถุดำ (ซึ่งเป็นวัตถุที่ดูดกลืนหรือแผ่รังสีอย่างสมบูรณ์) ให้ถูกต้องในทุกค่าอุณหภูมิและทุกช่วงความยาวคลื่นได้อย่างไร?

เหตุใดโลหะจึงปลดปล่อยอิเล็กตรอนออกมาเมื่อแสงที่ตกกระทบมีความถี่สูงเกินค่าหนึ่งเท่านั้น?

และเหตุใดอิเล็กตรอนในอะตอมจึงไม่สูญเสียพลังงานขณะเคลื่อนที่ไปรอบนิวเคลียส และถูกนิวเคลียสดูดเข้าไป ทั้งๆ ที่อิเล็กตรอนมีประจุลบและนิวเคลียสมีประจุบวก? ความพยายามในการไขปริศนาต่างๆ ที่ว่ามานี้ได้นำไปสู่การพัฒนาทฤษฎีควอนตัมในเวลาต่อมา

สำหรับทฤษฎีสัมพัทธภาพ ผมเคยเล่าภาพรวมไปแล้วในบทความชื่อ “10 เรื่องน่ารู้ว่าด้วย ‘ทฤษฎีสัมพัทธภาพ’ ของไอน์สไตน์”

ส่วนคราวนี้มาดูทฤษฎีควอนตัมกันทีละประเด็นครับ

1)ทฤษฎีควอนตัมคืออะไร?

ทฤษฎีควอนตัมเป็นทฤษฎีทางวิทยาศาสตร์ที่อธิบายสมบัติและพฤติกรรมของสสาร รวมทั้งอันตรกิริยาระหว่างสสารกับพลังงานในระดับขนาดเดียวกับขนาดของอะตอม ได้แก่ อะตอม โมเลกุล และอนุภาคที่มีขนาดเล็กกว่าอะตอม

2) ความหมายของคำว่า ‘ควอนตัม’ คืออะไร?

คำว่า ‘ควอนตัม (quantum)’ มาจากคำว่า quantus ในภาษาละตินซึ่งแปลว่า มีมากแค่ไหน (how much) อาจนึกถึงคำว่า quantity ซึ่งแปลว่า ปริมาณ ก็ได้ พหูพจน์ของคำว่า quantum คือ quanta (ควอนตา)

คำว่า ‘ควอนตัม’ ในทางฟิสิกส์มีความหมายจำเพาะ โดยใช้ในกรณีที่ปริมาณทางกายภาพบางอย่างมีค่าได้เพียงแค่บางค่าเท่านั้น ไม่ได้มีค่าแบบต่อเนื่องได้ทุกค่า เช่น ระดับพลังงานและโมเมนตัมเชิงมุมของอิเล็กตรอนในอะตอมอาจมีค่าได้เพียงแค่บางค่า

หากเปรียบเทียบอย่างง่ายๆ เช่น เหรียญกษาปณ์ที่ใช้กันโดยทั่วไปมีเพียงเหรียญ 10 บาท, 5 บาท, 2 บาท, 1 บาท, 50 สตางค์ และ 25 สตางค์ ไม่มีเหรียญ 7.60 บาท หรือเหรียญ 2.30 บาท

ในกรณีเช่นนี้ หากพูดแบบนักฟิสิกส์ก็จะบอกว่ามูลค่าของเหรียญ “มีลักษณะเป็นควอนตัม” คือ มีได้เฉพาะแค่บางค่าเท่านั้น

3) นักฟิสิกส์ที่ให้กำเนิดทฤษฎีควอนตัมมีหลายคน

ประเด็นนี้แตกต่างจากทฤษฎีสัมพัทธภาพอย่างเห็นได้ชัด เพราะทฤษฎีสัมพัทธภาพเป็นผลงานของไอน์สไตน์แบบแทบจะเรียกว่าได้ว่า “ข้ามาคนเดียว” ยกเว้นมีนักคณิตศาสตร์ ชื่อ แฮร์มัน มิงคอฟสกี (Hermann Minkowski) มาช่วยจัดระเบียบคณิตศาสตร์ที่ทำให้เกิดแนวคิดการผนวกรวมอวกาศ (space) และเวลา (time) เข้าด้วยกันเป็นกาล-อวกาศ (space-time)

แต่การพัฒนาทฤษฎีควอนตัมมีนักฟิสิกส์เกี่ยวข้องจำนวนมาก เช่น มักซ์ พลังก์ (ผู้ให้กำเนิดแนวคิดควอนตัม), อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (ก็ด้วย), นีลส์ โบร์, แวร์เนอร์ ไฮเซินแบร์ก, มักซ์ บอร์น, ปาสกวัล จอร์แดน, พอล ดิแรก, แอร์วิน ชเรอดิงเงอร์ และริชาร์ด ฟายน์แมน เป็นต้น (จริงๆ ยังมีอีกหลายคน!)

4) ทฤษฎีควอนตัมมีแง่มุมทั้งวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี และปรัชญา

สิ่งหนึ่งที่ทฤษฎีควอนตัมโดดเด่นเมื่อเทียบกับวิทยาศาสตร์สาขาอื่นๆ ก็คือ ทฤษฎีควอนตัมมีแง่มุมทั้งวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี และปรัชญา

แง่มุมทางวิทยาศาสตร์ของทฤษฎีควอนตัมเป็นแบบจัดหนัก คือเต็มไปด้วยทฤษฎี สูตรสมการคำนวณ และปรากฏการณ์ต่างๆ จำนวนมาก

แง่มุมทางเทคโนโลยีก็มีการประยุกต์อย่างเป็นรูปธรรมมากมาย บางอย่างอยู่ในชีวิตประจำวันแล้ว (ดูข้อ 8) และบางอย่างกำลังพัฒนาอย่างเข้มข้น (ดูข้อ 9)

แง่มุมทางปรัชญาคือ การที่นักฟิสิกส์ที่ศึกษาทฤษฎีควอนตัมส่วนหนึ่งตั้งคำถามพื้นฐานลึกๆ ว่า “อะไรคือความจริง?” ประเด็นนี้เองที่ไปทับซ้อนกับแนวคิดทางปรัชญา-ศาสนา จนทำให้มีคนจำนวนไม่น้อยที่แม้ไม่ใช่นักวิทยาศาสตร์แต่ก็สนใจทฤษฎีควอนตัมกันอย่างยิ่ง (ประเด็นนี้ไว้จะหาโอกาสเขียนถึงต่อไปนะครับ)

5) ปรากฏการณ์ทางควอนตัมมักจะดูแปลกประหลาดในสายตาคนเรา

หากใช้สามัญสำนึกเข้าไปจับจะพบว่าวัตถุควอนตัมมีสมบัติและพฤติกรรมที่แปลกพิสดาร เช่น ทวิภาพของคลื่น-อนุภาค (wave-particle duality) ปรากฏการณ์ทะลุอุโมงค์เชิงควอนตัม (quantum tunneling) การทับซ้อนของสถานะ (superposition) และการพัวพันเชิงควอนตัม (quantum entanglement) เป็นต้น

6)ทฤษฎีควอนตัมมีหลายรูปแบบ

ทฤษฎีควอนตัมในระยะแรกในช่วงปี ค.ศ.1900-1924 เรียกว่า ทฤษฎีควอนตัมยุคเก่า (The Old Quantum Theory) เป็นกลุ่มของคำอธิบายปรากฏการณ์เฉพาะอย่าง คำอธิบายหนึ่งสำหรับปรากฏการณ์อย่างหนึ่ง อีกคำอธิบายหนึ่งสำหรับปรากฏการณ์อีกอย่าง

ในช่วงปี ค.ศ.1925-1926 เกิดการก้าวกระโดดทางปัญญาครั้งใหญ่ของวงการฟิสิกส์ (และของมนุษยชาติ) นั่นคือมีการคิดค้นทฤษฎีควอนตัมที่เรียกว่า กลศาสตร์ควอนตัม (Quantum Mechanics) ขึ้นมาถึง 3 รูปแบบ ได้แก่ กลศาสตร์เมทริกซ์ (Matrix Mechanics) พีชคณิตควอนตัม (Quantum Algebra) และกลศาสตร์คลื่น (Wave Mechanics) กลศาสตร์ควอนตัมทั้ง 3 รูปแบบแท้จริงแล้วสะท้อนความจริงเดียวกัน แต่ใช้คณิตศาสตร์ต่างกัน

ต่อมาได้มีการต่อยอดกลศาสตร์ควอนตัมให้ประสานกับทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ รวมทั้งสามารถใช้กับระบบที่มีจำนวนอนุภาคไม่คงที่ได้เกิดเป็นทฤษฎีสนามควอนตัม (Quantum Field Theories) สังเกตว่าผมใช้คำว่า Theories อันหมายความว่าทฤษฎีสนามควอนตัมมีมากกว่า 1 แบบเช่นกัน

ยังมีกลศาสตร์ควอนตัมอีกรูปแบบหนึ่งเรียกว่า ปริพันธ์ตามวิถี (Path Integral) นำเสนอโดยริชาร์ด ฟายน์แมน ในปี ค.ศ.1948

7) การประยุกต์ทฤษฎีควอนตัมในศาสตร์แขนงอื่น

เนื่องจากทฤษฎีควอนตัมเกี่ยวข้องกับสสารในระดับพื้นฐาน นั่นคือ อะตอม โมเลกุล และอนุภาคซึ่งเล็กกว่าอะตอม จึงมีการประยุกต์ในศาสตร์ต่างๆ อย่างกว้างขวาง เช่น เคมี ฟิสิกส์ของนิวเคลียส ฟิสิกส์ของอนุภาค ฟิสิกส์สถานะของแข็ง ดาราศาสตร์ หรือแม้แต่ชีววิทยา

8) เทคโนโลยีควอนตัม 1.0

การประยุกต์ความรู้ทางควอนตัมเพื่อใช้งานทางเทคโนโลยีแบ่งได้ได้เป็น 2 ยุค ได้แก่ เทคโนโลยีควอนตัม 1.0 และ 2.0

หากเทคโนโลยีหนึ่งๆ ใช้หลักการทางควอนตัม แต่ยังไม่ได้ใช้ปรากฏการทับซ้อน หรือปรากฏการพัวพันเชิงควอนตัม ก็จะถือว่าเป็นเทคโนโลยีควอนตัม 1.0 (Quantum Technology 1.0)

ตัวอย่างผลผลิตของเทคโนโลยีควอนตัม 1.0 ที่สำคัญคือ สารกึ่งตัวนำซึ่งทำให้เกิดอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และอุปกรณ์เชิงแสงต่างๆ ที่เราใช้อยู่ในปัจจุบัน เช่น หลอดไฟแบบ LED, เซลล์แสงอาทิตย์, เลเซอร์ และทรานสซิสเตอร์ เป็นต้น นอกจากนี้ระบบไฮเทคต่างๆ หลายอย่างก็จัดเป็นเทคโนโลยีควอนตัม 1.0 เช่น นาฬิกาอะตอม เครื่องเอ็มอาร์ไอ กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน และกล้องจุลทรรศน์แบบสแกนนิงทันเนลลิง

9) เทคโนโลยีควอนตัม 2.0

ปัจจุบันนักฟิสิกส์และวิศวกรสามารถจัดการระบบทางควอนตัมได้หลายอย่างแล้ว คำว่า “จัดการ” ในที่นี้หมายถึง สามารถอ่านค่าของสถานะปัจจุบันของระบบควอนตัมหนึ่งๆ ได้ และควบคุมหรือสร้างให้เกิดสถานะใหม่ได้ตามต้องการโดยใช้หลักการการทับซ้อนของสถานะและการพัวพันเชิงควอนตัม

เทคโนโลยีควอนตัมในลักษณะที่ “ออกแบบได้” นี้เรียกว่า เทคโนโลยีควอนตัม 2.0 (Quantum Technology 2.0) และถือกันว่าเป็นการปฏิวัติทางควอนตัมครั้งที่ 2 (The Second Quantum Revolution)

ตัวอย่างของผลผลิตจากเทคโนโลยีควอนตัม 2.0 ซึ่งกำลังพัฒนากันอย่างเข้มข้นในปัจจุบัน เช่น ควอนตัมคอมพิวเตอร์และอัลกอริทึมแบบควอนตัม เซ็นเซอร์แบบควอนตัม การเข้ารหัสแบบควอนตัม และการจำลองเหตุการณ์แบบควอนตัม เป็นต้น

10) ความโน้มถ่วงเชิงควอนตัม

หนึ่งในความฝันอันสูงสุดของนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎี คือ การรวมทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเข้ากับกลศาสตร์ควอนตัม ให้เป็นทฤษฎีความโน้มถ่วงเชิงควอนตัม (Quantum Gravity) ซึ่งเชื่อกันว่าหากทำสำเร็จ ก็จะช่วยไขปริศนาสำคัญของหลุมดำและบิ๊กแบงได้ เป็นต้น

ผมนำเสนอประเด็นต่างๆ ไว้อย่างรวบรัด และจะหาจังหวะเหมาะๆ ขยายความต่อไปครับ

ส่วนคุณผู้อ่านที่สนใจเรียนรู้ควอนตัมในเชิงวิทยาศาสตร์ทุกแง่มุม ขอแนะนำหนังสือที่ผมเขียนชื่อ ‘ควอนตัม : จากแมวพิศวงสู่ควอนตัมคอมพิวเตอร์’ จัดพิมพ์โดยสำนักพิมพ์สารคดี

การนำเสนอในเล่มชัดเจน มีภาพประกอบและตัวอย่างน่าสนใจมากมาย

ภาคผนวกของหนังสือเล่มนี้ยังมี Timeline แสดงพัฒนาการของทฤษฎีและเทคโนโลยีควอนตัม และมี QR code สำหรับ Podcast ที่ผมเล่าเรื่องควอนตัมและนักฟิสิกส์คนสำคัญที่เกี่ยวข้องรวม 16 เรื่อง

แต่ละเรื่องฟังเพลินๆ ยาวครึ่งชั่วโมงครับ