ความแตกต่างระหว่างอุณหพลศาสตร์คลาสสิก กับอุณหพลศาสตร์เชิงควอนตัม ในเรื่องกฎและผลกระทบ (VDO Clip)

แม้มนุษย์จะได้ใช้ "วิทยาศาสตร์"ในการพัฒนาสติปัญญา และใช้เทคโนโลยีในการสร้างสิ่งอำนวยความสะดวกสบายต่างๆ มากมาย มาเป็นเวลานานร่วม 400 ปีแล้วก็ตาม แต่วิทยาศาสตร์ก็ยังมีกฎเกณฑ์ที่จำกัดหลายประเด็น ซึ่งทำให้มนุษย์ต้องลดความคาดหวัง และปรับระดับความผิดหวังให้สมจริง เช่นว่า คนเราจะสร้างยานยนต์ที่มีความเร็วเท่าแสงไม่ได้ ฤๅจะสร้างเครื่องจักรกลที่มีประสิทธิภาพ 100% ก็ทำไม่ได้เช่นกัน หรือจะทำให้คนยากจนหมดสิ้นไปทั้งประเทศ (มิใช่ปล่อยให้ตาย) ก็ทำไม่ได้เช่นกัน เพราะการกระทำเช่นนั้นจะขัดกับกฎข้อที่สองของวิชาความร้อนแบบคลาสสิกที่มีใจความว่า ทุกสิ่งทุกอย่างในเอกภพจะเปลี่ยนแปลงไปตามกาลเวลาจากลักษณะที่มีความเป็นระเบียบ ไปสู่สภาพที่รวนเรและไม่เป็นระเบียบอย่างไม่มีทางหลีกเลี่ยงได้เลย ดังเช่นสังขารของเราทุกคน

วิทยาการด้านอุณหพลศาสตร์ (thermodynamics) ได้เริ่มทำให้โลกมีการเปลี่ยนแปลงอย่างมโหฬาร เช่น ทำให้เกิดยุคอุตสาหกรรมตั้งแต่สมัยคริสต์ศตวรรษที่ 19 ที่มีการสร้างเครื่องจักรไอน้ำ รถยนต์ เรือกลไฟ ฯลฯ ครั้นเมื่อถึงคริสต์ศตวรรษที่ 20 โลกวิทยาศาสตร์ก็เริ่มมีการเปลี่ยนแปลงอีกครั้งหนึ่ง เมื่อกลศาสตร์แบบนิวตันที่เหมาะสมสำหรับวัตถุที่มีความเร็วต่ำก็ได้ถูกแทนที่ด้วยกลศาสตร์แบบสัมพัทธภาพพิเศษ และในเวลาใกล้เคียงกัน โลกก็เริ่มรู้จักปรากฏการณ์ควอนตัม เช่น การแผ่รังสีของวัตถุร้อนกับการเปล่งแสงของอะตอมที่ต้องอาศัยแนวคิดและวิธีคำนวณของวิชากลศาสตร์ควอนตัม ซึ่งสร้างขึ้นโดย Werner Heisenberg (1901-1976) และ Erwin Schr246;dinger (1887–1961)

คำถามที่กำลังเป็นที่น่าสนใจและตื่นเต้นของนักวิทยาศาสตร์ในคริสต์ศตวรรษที่ 21 ก็คือ กลศาสตร์ควอนตัมจะทำให้กฎเกณฑ์ต่างๆ ที่มีในวิชาอุณหพลศาสตร์แบบคลาสสิกเปลี่ยนแปลงอย่างไรหรือไม่ เพราะจากความรู้เดิมที่ว่าวิชา thermodynamics สามารถใช้ได้ดีกับระบบมหภาค (macroscopic) ที่มีขนาดใหญ่ประกอบด้วยอะตอม และโมเลกุลจำนวนนับล้านๆ อนุภาค มาเป็นระบบที่ประกอบด้วยโมเลกุลอะตอมจำนวนไม่มาก คือ ในระดับ 10-100 อนุภาค และแต่ละอนุภาคมีสมบัติอาพันธ์ (coherent) สมบัติความพัวพัน (entanglement) สมบัติการซ้อนทับกัน (superposition) ซึ่งกำกับพฤติกรรมของอนุภาคให้เป็นไปตามหลักการและกฎเกณฑ์ของกลศาสตร์ควอนตัม

การมีสมบัติเชิงควอนตัมในหลายรูปแบบเช่นนี้ ได้ทำให้คำจำกัดความของคำว่า “ความร้อน” และ “พลังงาน” มีการเปลี่ยนแปลง เพื่อใช้อธิบายลักษณะการทำงานของแบตเตอรี่ควอนตัม (quantum battery) เครื่องจักรความร้อนควอนตัม (quantum heat engine) ฯลฯ ว่า จะมีประสิทธิภาพสูงกว่า 100% และเราจะมีเครื่องจักรกลที่สามารถทำงานได้อย่างไม่มีวันหยุด ทั้ง ๆ ที่เครื่องจักรนั้นไม่มีการเติมเชื้อเพลิงเลย ได้หรือไม่ และเรามีโอกาสจะเห็นระบบที่กำลังแสดงปรากฏการณ์อลวน (chaos) ที่ค่อย ๆ กลายสภาพ เป็นระบบที่มีความเป็นระเบียบได้หรือไม่ ซึ่งถ้าเห็นได้ ปรากฏการณ์เหล่านี้ ก็จะเป็นปรากฏการณ์ที่ย้อนลูกศรแห่งกาลเวลาเหมือนกับการพบกลไกที่ทำให้ชีวิตเราย้อนวัยได้ และถ้าใครสามารถทำได้ นอกจากจะได้รับรางวัลโนเบลแล้ว เขาก็จะกลายเป็นอภิมหาเศรษฐีที่ร่ำรวยอันดับต้นๆ ของโลกด้วย

วิทยาการอุณหพลศาสตร์ ที่ว่าด้วยการศึกษาธรรมชาติของความร้อนได้เกิดขึ้นเมื่อนักวิทยาศาสตร์พยายามจะเข้าใจว่า ความร้อนคืออะไร มีสมบัติอะไรบ้าง และมีการเคลื่อนที่อย่างไร รวมทั้งการมีความสนใจว่าจะมีวิธีวัดปริมาณของความร้อนได้อย่างไรด้วย

Galileo Galilei (1564–1642) นับเป็นบุคคลแรกๆ ของโลกที่ได้ผลิตอุปกรณ์ thermometer เพื่อใช้วัดอุณหภูมิของความร้อน ด้าน Robert Boyle (1627-1691) ก็ได้ศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างความดัน (P) กับปริมาตร (V) ของก๊าซ ขณะที่อุณหภูมิของก๊าซนั้นไม่มีการเปลี่ยนแปลง และได้พบกฎของ Boyle ที่มีใจความว่า PV = ค่าคงตัว

การค้นพบนี้ได้ชี้นำให้คนทุกคนเชื่อในเวลานั้นว่า ความร้อนเป็นของไหลชนิดหนึ่งที่สามารถเคลื่อนที่ได้ และเรียกชื่อความร้อนว่า caloric ที่เคลื่อนที่ได้เหมือนน้ำและอากาศ ความรู้นี้ได้นำไปสู่การตั้งกฎข้อที่ศูนย์ของวิชาความร้อนว่า ถ้าระบบ A อยู่ในสภาพสมดุลกับระบบ B และ B อยู่ในสภาพสมดุลกับระบบ C (คำว่าสมดุลในที่นี้หมายถึงระบบมิได้ร้อนขึ้นหรือเย็นลง ไม่ว่าเวลาจะผ่านไปนานเพียงใด) และเมื่อระบบทั้งสามอยู่ในสมดุล เราก็จะได้ว่า อุณหภูมิของ A จะเท่ากับอุณหภูมิของ B และอุณหภูมิของ B ก็เท่ากับอุณหภูมิของ C

เมื่อถึงยุคปฏิวัติอุตสาหกรรม นักประดิษฐ์ชาวอังกฤษชื่อ James Watt (1736–1819) ได้ประดิษฐ์เครื่องจักรไอน้ำขึ้น เหตุการณ์นี้ได้ทำให้นักวิทยาศาสตร์ในเวลานั้นพากันตั้งคำถามว่า เครื่องจักรชนิดนี้ทำงานโดยการเปลี่ยนความร้อนไปเป็นงานได้อย่างไร

ในปี 1798 Benjamin Thompson หรือ Count Rumford (1753-1814) ได้ใช้สว่านเจาะลำกล้องปืนใหญ่ที่ Munich และพบว่าความเสียดทานที่เกิดขึ้นได้ ทำให้เกิดความร้อนในปริมาณมากมหาศาล จนสามารถต้มน้ำให้เดือดได้ โดยไม่จำเป็นต้องใช้ไฟจากเตา เหตุการณ์นี้ทำให้เรารู้ว่า ตราบใดที่สว่านหมุน ความร้อนจะออกมาเรื่อย ๆ และความร้อนไม่ได้ทำให้โลหะเปลี่ยนสภาพ และสิ่งที่ถูกถ่ายทอดไปยังโลหะ คือ พลังงานกล จากสว่าน ที่ถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อน

การศึกษาของ Julius Robert Mayer (1814–1878) ซึ่งเป็นแพทย์ชาวเยอรมัน กับ James Prescott Joule (1818-1889) วิศวกรชาวอังกฤษ และ Hermann von Helmholtz (1821–1894) วิศวกรชาวเยอรมัน ได้ทดลองซ้ำจนพบว่า ความร้อนเป็นพลังงานอีกรูปแบบหนึ่ง (นอกเหนือจากพลังงานกลศาสตร์ พลังงานไฟฟ้า พลังงานแสงและพลังงานเสียง) ที่เคลื่อนที่ได้ และเปลี่ยนแปลงได้ เช่น พลังงานความร้อนเปลี่ยนเป็นพลังงานแสง (วัตถุร้อนจะเปล่งแสง) เป็นต้น และพลังงานทั้งหมดของระบบจะมีค่าคงตัว

พัฒนาการของวิชาความร้อนในเวลาต่อมา โดย Nicolas L233;onard Sadi Carnot (1796-1832) ซึ่งได้ศึกษาประสิทธิภาพการทำงานเป็นวัฏจักรของเครื่องจักรไอน้ำ ที่ใช้ก๊าซในลูกสูบ เป็นแก๊สอุดมคติ

และเครื่องจักรไอน้ำทั่วไปก็จะไม่มีประสิทธิภาพสูงเท่ากับเครื่องจักร Carnot

คำถามที่ชวนสงสัย คือ ถ้าเครื่องจักรความร้อนนี้เป็นระบบควอนตัมที่อนุภาคมีสมบัติอาพันธ์ (coherent) สมบัติความพัวพัน (entanglement) สมบัติการซ้อนทับกัน (superposition) สมบัติสหสัมพันธ์ (correlation) และสมบัติการแปรปรวนเชิงความร้อน (thermal fluctuation) ฯลฯ คำจำกัดความต่าง ๆ ของคำว่า ความร้อน งาน และพลังงานของระบบ ก็จำต้องมีการปรับเปลี่ยนให้ครอบคลุมและเหมาะสมด้วย ยิ่งไปกว่านั้น เวลาระบบมีอุณหภูมิต่ำมาก ระบบอาจจะมีการเปลี่ยนเฟส (phase) เช่น เป็นตัวนำยวดยิ่ง หรือของเหลวยวดยิ่ง หรือสสารควบแน่น ซึ่งจะมีบทบาทสำคัญในการทำงานเป็นองค์ประกอบของคอมพิวเตอร์ควอนตัม (quantum computer) มอเตอร์ควอนตัม (quantum motor) หรือตู้เย็นควอนตัม (quantum refrigerator) ฯลฯ กฎข้อที่หนึ่งจะต้องมีการเปลี่ยนแปลงอย่างไรหรือไม่

นอกจากนี้การศึกษากฎข้อที่หนึ่งวิชา thermodynamics ยังไม่ได้แสดงให้เห็นว่า แม้กฎทรงพลังงานจะยังใช้ได้เวลาระบบเปลี่ยนแปลง แต่กฎก็ไม่ได้แสดงทิศของการเปลี่ยนแปลง เช่นว่า เวลาวัตถุเย็นกับวัตถุร้อนวางอยู่ติดกัน ความร้อนจะไหลจากวัตถุร้อนไปสู่วัตถุเย็น แต่จะไม่มีวันที่ความร้อนจะไหลจากวัตถุเย็นไปสู่วัตถุร้อน ทั้ง ๆ ที่พลังงานความร้อนที่ใช้ถ่ายเทก็ยังก็มีค่าเท่าเดิม แต่ทิศการเคลื่อนที่ของความร้อนจะเป็นจากที่ ๆ มีอุณหภูมิสูงไปสู่ที่ๆ มีอุณหภูมิต่ำเท่านั้น ดังนั้นนอกจากจะรู้ว่าพลังงานทั้งหมดจะไม่เปลี่ยนแปลงแล้ว ทิศทางการเคลื่อนที่ของพลังงานก็เป็นประเด็นที่สำคัญมากด้วย เหตุผลนี้ได้นำนักวิทยาศาสตร์ไปสู่การพบกฎข้อที่สองของวิชาความร้อน ซึ่งใช้แสดงทิศการเคลื่อนที่ของความร้อนว่าขึ้นกับค่า entropy (S)

เมื่อ Rudolf Clausius ได้กำหนดว่า ในระบบปิดที่อยู่ในสภาพไม่สมดุล (คือ สมบัติต่างๆ ของระบบมีค่าไม่นิ่ง เมื่อเวลาผ่านไปนาน) entropy ของระบบจะต้องเพิ่มขึ้นเสมอ

ต่อจากนั้น Ludwig Boltzmann (1844-1906) ก็ได้ใช้วิชาฟิสิกส์เชิงสถิติ (statistical physics) คำนวณค่าของ entropy ได้ว่า

S = k. ln W

เมื่อ S คือค่า entropy ที่บอกการกระจายของพลังงานย่อยที่เป็นไปได้ในระบบ k คือ ค่าคงตัว Boltzmann และ W คือ จำนวนสถานะที่เป็นไปได้ของโมเลกุลหรืออะตอมในระบบนั้น ซึ่งได้เกิดขึ้นภายใต้เงื่อนไขว่า พลังงานทั้งหมดของระบบจะต้องคงที่

จากสูตรนี้ เราก็จะเห็นได้ว่า ถ้า W เพิ่ม S ก็จะเพิ่มตาม นั่นแสดงว่า ถ้าความไม่เป็นระเบียบของระบบเพิ่ม entropy ของระบบก็จะเพิ่มด้วย

แต่การศึกษาธรรมชาติของระบบบางระบบในปัจจุบันได้มีการพบว่า ในบางครั้งจากระบบที่แสดงปรากฏการณ์ chaos ในตอนเริ่มต้น แต่ในเวลาต่อมาระบบได้เปลี่ยนแปลงไปสู่ความเป็นระเบียบ ซึ่งเป็นเรื่องที่ดูย้อนแย้งกับกฎข้อที่สองของวิชาความร้อน ในความเป็นจริงการย้อนแย้งนี้สามารถเกิดขึ้นได้ในช่วงเวลาสั้น ๆ แต่ในระยะยาวกฎข้อที่สองก็ยังใช้ได้เหมือนเดิม นอกจากนี้กฎข้อที่สองก็ยังแสดงว่า ถ้าระบบทั้งระบบ ซึ่งประกอบด้วยอนุภาคทุกตัวอยู่ในสถานะพื้นฐาน (ground state) นั่นคือ

W = 1

entropy S = k. ln1 = 0

นั่นคือ entropy ของระบบจะเท่ากับ 0

นี่เป็นถ้อยแถลงในกฎข้อที่สามของวิชาความร้อนที่ Walther Hermann Nernst (1864-1941) ซึ่งได้รับรางวัลโนเบลเคมีในปี 1912 ได้แถลงว่า ในระบบที่เป็นผลึกสมบูรณ์แบบ (คือ ไม่มี defect ไม่มี dislocation ไม่มี impurity ฯลฯ) เมื่ออุณหภูมิลดลง ๆ เข้าใกล้ศูนย์องศาสัมบูรณ์ entropy ของผลึกสมบูรณ์แบบก็จะเข้าใกล้ศูนย์ด้วย หรืออีกนัยหนึ่ง ในการทำให้อุณหภูมิของระบบถึงศูนย์องศาสัมบูรณ์นั้น เป็นเรื่องที่ต้องใช้เวลานานมากอย่างหาที่สิ้นสุดไม่ได้ คือหมายความว่า ตายแล้วเกิดอีกกี่ร้อยกี่พันชาติ ก็ยังไม่มีใครสามารถทำได้ กฎข้อที่สามนี้จึงเสนอให้เห็นว่า ตามปกติ entropy ของระบบจะมีค่าเป็นบวก

สมการ entropy ในรูปแบบนี้ จึงมีชื่อเรียกชื่อหนึ่งว่า information entropy หรือ entropy แบบสารสนเทศน์

การวิจัยทางด้านอุณหพลศาสตร์เชิงควอนตัมจึงเกิดขึ้น และพบว่ามีเหตุการณ์ประหลาดที่เกิดขึ้นมากมาย ซึ่งขัดแย้งกับความรู้และความเข้าใจในวิชาอุณหกลศาสตร์แบบคลาสสิกมากมาย เช่น เมื่อนักวิทยาศาสตร์กระตุ้นระบบควอนตัมอย่างไม่หยุดหย่อนด้วยแสงเลเซอร์ ระบบควอนตัมบางระบบก็ยังคงสภาพการมีอุณหภูมิเท่าเดิมทุกประการ ด้วยอิทธิพลของความอาพันธ์เชิงควอนตัม (quantum coherence) ซึ่งมีผลทำให้ระบบไม่มีอุณหภูมิสูงขึ้นsc

ในวารสาร Science ปี 2025; 389 (6761): 716 DOI: 10.1126/science.adn8625 โดย Yanling Guo กับคณะ ซึ่งได้รายงานเรื่อง “Observation of many-body dynamical localization” ว่า

ในระบบควอนตัม ซึ่งประกอบด้วยอนุภาคจำนวนมากมายที่ล้วนมีอันตรกิริยาต่อกันและกัน การกระตุ้นอนุภาคอย่างต่อเนื่องมักจะทำให้เราเข้าใจว่าระบบนี้จะดูดกลืนพลังงานเข้าไปเรื่อย ๆ อย่างต่อเนื่อง แล้วขณะพลังงานทั้งหมดของระบบกำลังเพิ่มสูง ระบบนี้ควรก็จะร้อน แต่การทดลองของ Guo กับคณะ เมื่อเร็ว ๆ นี้กลับแสดงให้เห็นว่า สามัญสำนึกเช่นนั้นไม่ได้เกิดขึ้นจริงในระบบควอนตัมเลย เพราะนักวิจัยจากมหาวิทยาลัย Innsbruck ในออสเตรีย ก็ได้ดำเนินการทดสอบเรื่องนี้ซ้ำ และพบว่าคำตอบที่ได้เป็นเรื่องที่ไม่มีใครคาดคิดrs. DOI: 10.1103/zdbv-rk

โดยทีมนักวิจัยได้สร้างของเหลวควอนตัมที่มีรูปทรงเป็นระบบในหนึ่งมิติที่ประกอบด้วย อะตอมที่มีอันตรกิริยาต่อกันอย่างรุนแรง และมีอุณหภูมิต่ำมากถึงระดับ 10^(-9) เคลวิน ด้วยการใช้แสงเลเซอร์กระตุ้นอย่างต่อเนื่อง โดยให้อะตอมตกอยู่ในหลุมศักย์แลททิช (lattice potential) แสงเลเซอร์จึงพุ่งกระทบอะตอมซ้ำแล้วซ้ำอีก

ภายใต้เงื่อนไขนี้ อะตอมจึงได้รับพลังงานเข้าไปอย่างต่อเนื่อง เหมือนกับการเคลื่อนที่ของคนที่กระโดดขึ้น-ลงบนอุปกรณ์แทรมโพลีน (trampoline) และนักวิจัยก็ได้เห็นการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้น คือ หลังจากการทดลองได้เริ่มต้นเพียงเล็กน้อย โมเมนตัมของอะตอมก็หยุดเพิ่ม คือ มีค่าคงที่ แทนที่จะเพิ่มขึ้น ๆ นั่นคือ พลังงานจลน์ของระบบได้กลายสภาพไปเป็นการมีค่าสม่ำเสมอ ซึ่งเป็นเรื่องที่เหนือความคาดคิด เพราะแม้ว่าในขณะนั้นอะตอมจะได้รับการกระตุ้น และมีอันตรกิริยากับอะตอมอื่น ๆ อย่างต่อเนื่อง แต่มันก็ไม่สามารถรับพลังงานใด ๆ เข้าไปได้อีกเลย นั่นคือ ระบบนี้ได้เปลี่ยนสภาพเข้าไปเป็นสู่สถานะที่มีอนุภาคหลายตัวที่มีการจำกัดบริเวณในการเคลื่อนที่ (many body dynamical localization (MBDL)) ในสถานะเช่นนี้ การเคลื่อนของอะตอมจึงเหมือนกับโดนตรึง และมีโมเมนตัมค่าคงตัว แทนที่โมเมนตัมจะเพิ่มขึ้น

ในสภาวะเช่นนี้ สมบัติอาพันธ์เชิงควอนตัม (quantum coherence) และสมบัติความพัวพันเชิงควอนตัมจะทำให้ระบบไม่กระจายความร้อน และไม่แสดงสมบัติการแพร่ (diffusion) แม้จะถูกกระตุ้นโดยสิ่งเร้าจากภายนอกก็ตาม คือ ไม่มีการกระจายของโมเมนตัม

การทดลองนี้ ทำให้นักวิทยาศาสตร์ทุกคนประหลาดใจ เพราะขัดแย้งกับสามัญสำนึกของคนทุกคนที่คาดหวังจะเห็นอะตอมพุ่งกระจัดกระจายไปทั่ว แต่กลับเป็นว่าอะตอมแสดงพฤติกรรมของความเป็นระเบียบ สิ่งที่ทำให้นักฟิสิกส์ประหลาดใจมากที่สุดก็คือว่า ระบบที่แสดงสมบัติของการมีอาพันธ์สามารถหยุดยั้งการดูดกลืนพลังงานได้นี้ จึงแสดงให้เห็นว่าระบบนี้เป็นระบบควอนตัมที่มีเสถียรภาพมาก และนักฟิสิกส์มีแนวโน้มว่าจะใช้สมบัตินี้ในการพัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัมต่อไปในอนาคตด้วย

เพื่อทดสอบเสถียรภาพของระบบควอนตัม นักทดลองได้ทำให้ระบบถูกกระตุ้นด้วยแรงที่มีสมบัติแบบสุ่ม (random) และได้พบว่า แม้ระบบจะมีความไม่เป็นระเบียบเพียงน้อยนิด แต่สมบัติที่จำกัดบริเวณการเคลื่อนที่ (localization) ก็ได้ถูกทำลายในทันที และเมื่อสมบัติความอาพันธ์ถูกกระทบกระเทือน อะตอมต่าง ๆ ก็จะเคลื่อนที่ต่ออย่างเป็นปกติ ด้วยโมเมนตัมที่มันมีก็จะกระจัดกระจายไปทั่วทุกทิศทาง ด้วยค่าต่าง ๆ กัน พลังงานจลน์ของระบบก็จะเคลื่อนที่อย่างรวดเร็ว และระบบก็จะเริ่มรับพลังงานเข้าไปอีกอย่างไม่จำกัด

การทดลองนี้ จึงแสดงให้เห็นความสำคัญของความอาพันธ์เชิงควอนตัมที่เป็นปัจจัยสำคัญในการช่วยกระจายความร้อนที่มีภายในระบบ

การค้นพบปรากฏการณ์ MBDL สามารถนำไปต่อยอดสู่เทคโนโลยีควอนตัมในอนาคตได้ เพราะเหตุการณ์นี้จะป้องกันไม่ให้ความร้อนที่เกิดขึ้นภายในระบบเคลื่อนที่ จึงมีประโยชน์ต่อการพัฒนาอุปกรณ์ที่ใช้จำลองสถานการณ์ควอนตัม (quantum simulator) เพราะอุปกรณ์ดังกล่าวนี้ อาศัยการมีเสถียรภาพของสถานะควอนตัม และแสดงให้เห็นว่าระบบควอนตัมจะไม่เปลี่ยนไปสู่สถานะของการโกลาหล อีกทั้งยังได้แสดงให้เห็นอีกว่า ความร้อนที่เกิดขึ้นในระบบเป็นสิ่งที่สามารถจะควบคุมได้ ภายใต้เงื่อนไขที่เหมาะสม ซึ่งเป็นเรื่องที่ท้าทายมาก นอกจากนี้การทดลองก็ยังทำให้เราเข้าใจอีกว่า ระบบควอนตัมยังคงเสถียรภาพได้อย่างไร แม้ระบบนั้นจะอยู่ไกลจากสภาพสมดุลมากก็ตาม

จึงเป็นว่า นักฟิสิกส์กำลังท้าทายและพยายามเขียนกฎต่าง ๆ ของวิชาอุณหพลศาสตร์แบบคลาสสิกในรูปแบบใหม่ หลังจากที่ได้ประสบความสำเร็จมาเป็นเวลานานกว่า 200 ปีแล้ว เพื่อให้กฎเหล่านี้สามารถใช้ได้ในระบบควอนตัมที่ประกอบด้วยอะตอมจำนวนไม่มาก และพบว่าในกฎข้อที่หนึ่งนั้น พลังงานสามารถทำให้เกิดได้ ลดได้ ควบคุมได้ และจัดการได้ เมื่อปรับเปลี่ยนคำจำกัดความเดิม ๆ ของคำว่า งาน ความร้อน ฯลฯ ที่ใช้ในระบบมหภาค

ส่วนในกฎข้อที่สอง ที่แถลงว่า entropy ในระบบที่ไม่สมดุลจะต้องเพิ่มตลอดเวลานั้น สำหรับกรณีของเครื่องจักรกลควอนตัม (quantum engine) ที่ใช้อะตอมจำนวนน้อย เพราะอะตอมมีสมบัติควอนตัม เช่น การพัวพัน (entanglement) ที่การวัดสมบัติของอะตอมหนึ่ง จะมีผลต่อสมบัติของอะตอมอีกหลายตัวในเวลาเดียวกัน และอะตอมหนึ่งตัวสามารถครองสภาพอยู่ได้หลายสถานะในเวลาเดียวกัน (superposition) การพิจารณาสมบัติความแปรปรวนเชิงความร้อน (thermal fluctuation) สมบัติทั้งหลายเหล่านี้ สามารถทำให้ประสิทธิภาพการทำงานของเครื่องจักรควอนตัมมีค่าสูงกว่าประสิทธิภาพของเครื่องจักร Carnot ได้

สำหระบกฎข้อที่สามนั้นก็เช่นกัน ยังได้รับการยืนยันใช้ได้ เมื่อ Stefano Antonini แห่งมหาวิทยาลัย California ที่ Berkeley ได้เสนอรายงานการวิจัยในวารสาร Physical Review Letters (2025) ว่า ทฤษฎีหลุมดำเชิงควอนตัม (quantum black hole) ของเขา แสดงให้เห็นว่า หลุมดำมี entropy ที่มีเข้าใกล้ศูนย์ เมื่อุณหภูมิลดลงใกล้ศูนย์อาศาสัมบูรณ์ ซึ่งแสดงให้เห็นว่า หลุมดำมีสถานะพื้นฐานเพียงหนึ่งเดียว อันเป็นไปตามหลักของกลศาสตร์ควอนตัมทุกประการ ดังนั้นหลุมดำจึงเป็นศูนย์รวมของการศึกษาด้านกลศาสตร์ควอนตัม ทฤษฎีสัมพันธภาพทั่วไป และอุณหพลศาสตร์

ความพยายามที่จะแสวงหาความรู้ใหม่นี้จะมีผลกระทบต่อความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีในอนาคต และการตื่นรู้นี้จะนำมนุษย์ไปสู่โลกใหม่ที่จะมีการตื่นเต้น และความไม่แน่นอนมากมาย เมื่อมนุษย์มีคอมพิวเตอร์ควอนตัม quantum AI ฯลฯ

อ่านเพิ่มเติมจาก “Thermodynamic Framework for Coherently Driven Systems” by Max Schrauwen, Aaron Daniel, Marcelo Janovitch and Patrick P. Potts, 24 November 2025, Physical Review Lette

ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน : ประวัติการทำงาน - ราชบัณฑิตสำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์

ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ,นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน,ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย

อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" ได้ทุกวันศุกร์

website : mgronline.com
facebook : MGRonlineLive
twitter : @MGROnlineLive
instagram : mgronline
line : MGROnline
youtube : MGR Online VDO