Quantum Technology
จากแมวสุดพิศวง…
สู่เทคโนโลยีควอนตัม EP.01
จากแมวสุดพิศวง…
สู่เทคโนโลยีควอนตัม EP.01
scoop
เรื่อง : บัญชา ธนบุญสมบัติ
www.facebook.com/buncha2509
www.facebook.com/buncha2509
ในบรรดา deep tech ต่าง ๆ ที่เป็นประเด็นร้อนแรงในปัจจุบัน หลายอย่างใช้งานแล้ว เช่น ปัญญาประดิษฐ์ในซอฟต์แวร์และแอปพลิเคชันต่าง ๆ และบล็อกเชนซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่อยู่เบื้องหลังคริปโตเคอเรนซี แต่ที่ดูไกลตัวสักหน่อยคือการคำนวณเชิงควอนตัมหรือพูดถึงตัวฮาร์ดแวร์ก็คือ ควอนตัมคอมพิวเตอร์
การคำนวณเชิงควอนตัมเป็นตัวอย่างของเทคโนโลยีควอนตัมซึ่งเกิดขึ้นได้เนื่องจากมนุษย์มีความรู้ที่ลึกซึ้งมากเพียงพอจะอธิบายว่าองค์ประกอบของสสารทำงานอย่างไร มีปฏิสัมพันธ์กับแสงอย่างไร ที่สำคัญคือสามารถประยุกต์หลักการและปรากฏการณ์ต่าง ๆ ไปใช้ออกแบบอุปกรณ์
ความรู้ดังกล่าวเรียกว่ากลศาสตร์ควอนตัม (Quantum Mechanics) ซึ่งถือกันว่าเป็นทฤษฎีทางกายภาพที่ประสบความสำเร็จมากที่สุดทฤษฎีหนึ่งในวงการวิทยาศาสตร์ และมีบทบาทสำคัญในวิทยาการสาขาอื่น ๆ เช่น เคมี ชีววิทยาฟิสิกส์ของนิวเคลียส ฟิสิกส์ของอะตอมอุณหภูมิต่ำ ฟิสิกส์ของอนุภาค และจักรวาลวิทยา รวมทั้งการตีความทางปรัชญา
แต่แง่มุมที่น่าพิศวงก็คือ หลักการและปรากฏการณ์ต่าง ๆ ในกลศาสตร์ควอนตัมล้วนแต่ขัดกับสามัญสำนึกอย่างเหลือเชื่อเปรียบเทียบง่าย ๆ ว่าถ้าคุณผู้อ่านเป็นอนุภาคควอนตัม คุณจะสามารถอยู่ในสถานที่สองแห่งได้พร้อม ๆ กันในเวลาเดียวกัน ! เคลื่อนที่ฝ่ากำแพงที่เกินกว่าศักยภาพหรือพลังงานที่คุณมีอยู่ !
หรือถ้าคุณเกิดการพัวพันกับเพื่อนที่เป็นอนุภาคควอนตัม จะพบว่าแม้คุณสองคนจะอยู่ห่างไกลกันคนละกาแล็กซี แต่อะไรบางอย่างที่เกิดขึ้นกับคุณก็จะทำให้เพื่อนของคุณรับรู้ได้ในทันที (ไม่ใช้เวลาแม้แต่น้อย !) นักฟิสิกส์คุ้นเคยกับเรื่องเหล่านี้ จนกระทั่งค้นพบกฎที่ใช้อธิบายปรากฏการณ์มานานหลายสิบปีแล้ว เรียกความเข้าใจนี้ว่าการปฏิวัติทางควอนตัมครั้งที่ ๑ และนำความรู้เหล่านี้ไปประดิษฐ์อุปกรณ์ต่าง ๆ เป็นเทคโนโลยีที่เรียกว่าเทคโนโลยีควอนตัม ๑.๐ ในช่วงปลายศตวรรษที่ ๒๐ จนถึงปัจจุบัน มีแนวโน้มใหญ่เรื่องหนึ่งคือ วิศวกรต้องการย่อขนาดสิ่งประดิษฐ์ทางเทคโนโลยีให้เล็กลงไปเรื่อย ๆ เมื่อถึงจุดหนึ่งหลักการและกฎเกณฑ์ในกลศาสตร์ควอนตัมจึงเข้ามาเกี่ยวข้องอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ นอกจากนี้ยังพบว่ากลศาสตร์ควอนตัมเปิดโอกาสให้เรายกระดับสมรรถนะของสิ่งประดิษฐ์ต่าง ๆ จนถึงระดับที่ธรรมชาติยอมให้มีได้ และนี่คือกำเนิดของเทคโนโลยีควอนตัม ๒.๐ ซึ่งนักฟิสิกส์และวิศวกรนักประดิษฐ์สามารถควบคุมและใช้งานกฎเกณฑ์ของกลศาสตร์ควอนตัมในการออกแบบและสร้างอุปกรณ์สุดแสนไฮเทคแต่ก่อนที่ผมจะพาคุณผู้อ่านท่องโลกเทคโนโลยี เราควรจะเข้าใจเบื้องหลังที่มาของกลศาสตร์ควอนตัมเท่าที่จำเป็นเสียก่อน
หมายเหตุ
บทความนี้ใช้เลขอารบิกสำหรับหน่วยทางควอนตัม เคมี และคอมพิวเตอร์ ใช้เลขไทยสำหรับการแสดงปีและจำนวนทั่วไป
ความรู้ดังกล่าวเรียกว่ากลศาสตร์ควอนตัม (Quantum Mechanics) ซึ่งถือกันว่าเป็นทฤษฎีทางกายภาพที่ประสบความสำเร็จมากที่สุดทฤษฎีหนึ่งในวงการวิทยาศาสตร์ และมีบทบาทสำคัญในวิทยาการสาขาอื่น ๆ เช่น เคมี ชีววิทยาฟิสิกส์ของนิวเคลียส ฟิสิกส์ของอะตอมอุณหภูมิต่ำ ฟิสิกส์ของอนุภาค และจักรวาลวิทยา รวมทั้งการตีความทางปรัชญา
แต่แง่มุมที่น่าพิศวงก็คือ หลักการและปรากฏการณ์ต่าง ๆ ในกลศาสตร์ควอนตัมล้วนแต่ขัดกับสามัญสำนึกอย่างเหลือเชื่อเปรียบเทียบง่าย ๆ ว่าถ้าคุณผู้อ่านเป็นอนุภาคควอนตัม คุณจะสามารถอยู่ในสถานที่สองแห่งได้พร้อม ๆ กันในเวลาเดียวกัน ! เคลื่อนที่ฝ่ากำแพงที่เกินกว่าศักยภาพหรือพลังงานที่คุณมีอยู่ !
หรือถ้าคุณเกิดการพัวพันกับเพื่อนที่เป็นอนุภาคควอนตัม จะพบว่าแม้คุณสองคนจะอยู่ห่างไกลกันคนละกาแล็กซี แต่อะไรบางอย่างที่เกิดขึ้นกับคุณก็จะทำให้เพื่อนของคุณรับรู้ได้ในทันที (ไม่ใช้เวลาแม้แต่น้อย !) นักฟิสิกส์คุ้นเคยกับเรื่องเหล่านี้ จนกระทั่งค้นพบกฎที่ใช้อธิบายปรากฏการณ์มานานหลายสิบปีแล้ว เรียกความเข้าใจนี้ว่าการปฏิวัติทางควอนตัมครั้งที่ ๑ และนำความรู้เหล่านี้ไปประดิษฐ์อุปกรณ์ต่าง ๆ เป็นเทคโนโลยีที่เรียกว่าเทคโนโลยีควอนตัม ๑.๐ ในช่วงปลายศตวรรษที่ ๒๐ จนถึงปัจจุบัน มีแนวโน้มใหญ่เรื่องหนึ่งคือ วิศวกรต้องการย่อขนาดสิ่งประดิษฐ์ทางเทคโนโลยีให้เล็กลงไปเรื่อย ๆ เมื่อถึงจุดหนึ่งหลักการและกฎเกณฑ์ในกลศาสตร์ควอนตัมจึงเข้ามาเกี่ยวข้องอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ นอกจากนี้ยังพบว่ากลศาสตร์ควอนตัมเปิดโอกาสให้เรายกระดับสมรรถนะของสิ่งประดิษฐ์ต่าง ๆ จนถึงระดับที่ธรรมชาติยอมให้มีได้ และนี่คือกำเนิดของเทคโนโลยีควอนตัม ๒.๐ ซึ่งนักฟิสิกส์และวิศวกรนักประดิษฐ์สามารถควบคุมและใช้งานกฎเกณฑ์ของกลศาสตร์ควอนตัมในการออกแบบและสร้างอุปกรณ์สุดแสนไฮเทคแต่ก่อนที่ผมจะพาคุณผู้อ่านท่องโลกเทคโนโลยี เราควรจะเข้าใจเบื้องหลังที่มาของกลศาสตร์ควอนตัมเท่าที่จำเป็นเสียก่อน
หมายเหตุ
บทความนี้ใช้เลขอารบิกสำหรับหน่วยทางควอนตัม เคมี และคอมพิวเตอร์ ใช้เลขไทยสำหรับการแสดงปีและจำนวนทั่วไป
Max Planck
ประวัติย่อของ “ควอนตัม”
ในช่วงปลายคริสต์ศตวรรษที่ ๑๙ นักฟิสิกส์รู้สึกฉงนกับปรากฏการณ์หลายอย่างที่ไม่สามารถอธิบายด้วยฟิสิกส์ที่มีอยู่ในขณะนั้น (classicalphysics) เช่น ในเมื่อเชื่อว่าแสงเป็นคลื่น ก็ย่อมน่าจะมีตัวกลาง แต่เมื่อหาเท่าไรก็ไม่พบตัวกลางนั้น ประกอบกับทฤษฎีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของแมกซ์เวลล์ทำนายว่าแสงมีความเร็วคงที่ ปมปัญหานี้ทำให้นักฟิสิกส์หลายคนพยายามเสนอคำอธิบาย แต่ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) เป็นคนแรกที่เข้าใจอย่างถูกต้อง อันนำไปสู่การพัฒนาทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษในค.ศ. ๑๙๐๕ และต่อมาขยายผลเป็นทฤษฎีเกี่ยวกับความโน้มถ่วง คือทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ใน ค.ศ. ๑๙๑๕
ทฤษฎีสัมพัทธภาพนับเป็นการปฏิวัติทางภูมิปัญญาครั้งใหญ่ของฟิสิกส์ขณะนั้น !
อีกการปฏิวัติหนึ่งเริ่มต้นมาจากปรากฏการณ์หลายอย่างที่น่าฉงน เช่น เหตุใดเมื่อฉายแสงไปที่ก๊าซแล้วก๊าซจึงดูดกลืนหรือปลดปล่อยคลื่นแสงออกมาเฉพาะบางความยาวคลื่นเท่านั้น ? เหตุใดอิเล็กตรอน (ซึ่งมีประจุลบ) จึงไม่สูญเสียพลังงานขณะเคลื่อนที่ไปรอบนิวเคลียส และถูกนิวเคลียส (ซึ่งมีประจุบวก) ดูดเข้าไป ? ในปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก (photoelectric effect) เมื่อฉายแสงลงบนโลหะ เหตุใดโลหะจึงปลดปล่อยอิเล็กตรอนออกมาเมื่อแสงมีความถี่สูงเกินค่าหนึ่งเท่านั้น ? ฯลฯ
ช่วงเวลานานถึง ๒๕ ปี ตั้งแต่ ค.ศ. ๑๙๐๐ ถึง ๑๙๒๔ นักฟิสิกส์พยายามเสนอคำอธิบายปริศนาต่าง ๆ ที่ว่ามา
จนมาถึงการค้นพบโลกควอนตัม ซึ่งเริ่มต้นจากสิ่งที่ผู้ค้นพบเรียกว่า “การกระทำด้วยความสิ้นหวัง” (an act of desperation) คือใน ค.ศ. ๑๙๐๐ มัคส์ พลังค์ (Max Planck) “จำใจต้อง” อธิบายการแผ่รังสีของวัตถุดำโดยสมมุติว่าวัตถุสามารถดูดกลืนและปลดปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมาได้เฉพาะความถี่ (หรือพลังงาน) บางค่าเท่านั้น พลังค์เรียกลักษณะที่ธรรมชาติมีได้เฉพาะบางค่าว่าควอนตัม (quantum)
คำว่า quantum มาจากคำในภาษาละตินว่า quantus แปลว่ามีมากแค่ไหน มีรูปพหูพจน์คือ quanta (ควอนตา) ต่อมาเกิดคำศัพท์ต่าง ๆ ที่เกี่ยวเนื่องขึ้นเช่น หากปริมาณบางอย่างมีได้เฉพาะบางค่า ก็จะเรียกว่าปริมาณดังกล่าวถูก “ควอนไทซ์” (quantized) หรื อการทำให้อะไรสักอย่างมีได้เฉพาะบางค่าก็เรียก “ควอนไทเซชัน” (quantization)
อีก ๕ ปีต่อมา คือ ค.ศ. ๑๙๐๕ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ อธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกโดยใช้สมมุติฐานว่าแสงเป็นอนุภาค แต่ละอนุภาคมีพลังงานขึ้นกับความถี่ของแสง ภายหลังอนุภาคของแสงเรียกว่าโฟตอน (photon)
ทฤษฎีสัมพัทธภาพนับเป็นการปฏิวัติทางภูมิปัญญาครั้งใหญ่ของฟิสิกส์ขณะนั้น !
อีกการปฏิวัติหนึ่งเริ่มต้นมาจากปรากฏการณ์หลายอย่างที่น่าฉงน เช่น เหตุใดเมื่อฉายแสงไปที่ก๊าซแล้วก๊าซจึงดูดกลืนหรือปลดปล่อยคลื่นแสงออกมาเฉพาะบางความยาวคลื่นเท่านั้น ? เหตุใดอิเล็กตรอน (ซึ่งมีประจุลบ) จึงไม่สูญเสียพลังงานขณะเคลื่อนที่ไปรอบนิวเคลียส และถูกนิวเคลียส (ซึ่งมีประจุบวก) ดูดเข้าไป ? ในปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก (photoelectric effect) เมื่อฉายแสงลงบนโลหะ เหตุใดโลหะจึงปลดปล่อยอิเล็กตรอนออกมาเมื่อแสงมีความถี่สูงเกินค่าหนึ่งเท่านั้น ? ฯลฯ
ช่วงเวลานานถึง ๒๕ ปี ตั้งแต่ ค.ศ. ๑๙๐๐ ถึง ๑๙๒๔ นักฟิสิกส์พยายามเสนอคำอธิบายปริศนาต่าง ๆ ที่ว่ามา
จนมาถึงการค้นพบโลกควอนตัม ซึ่งเริ่มต้นจากสิ่งที่ผู้ค้นพบเรียกว่า “การกระทำด้วยความสิ้นหวัง” (an act of desperation) คือใน ค.ศ. ๑๙๐๐ มัคส์ พลังค์ (Max Planck) “จำใจต้อง” อธิบายการแผ่รังสีของวัตถุดำโดยสมมุติว่าวัตถุสามารถดูดกลืนและปลดปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมาได้เฉพาะความถี่ (หรือพลังงาน) บางค่าเท่านั้น พลังค์เรียกลักษณะที่ธรรมชาติมีได้เฉพาะบางค่าว่าควอนตัม (quantum)
คำว่า quantum มาจากคำในภาษาละตินว่า quantus แปลว่ามีมากแค่ไหน มีรูปพหูพจน์คือ quanta (ควอนตา) ต่อมาเกิดคำศัพท์ต่าง ๆ ที่เกี่ยวเนื่องขึ้นเช่น หากปริมาณบางอย่างมีได้เฉพาะบางค่า ก็จะเรียกว่าปริมาณดังกล่าวถูก “ควอนไทซ์” (quantized) หรื อการทำให้อะไรสักอย่างมีได้เฉพาะบางค่าก็เรียก “ควอนไทเซชัน” (quantization)
อีก ๕ ปีต่อมา คือ ค.ศ. ๑๙๐๕ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ อธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกโดยใช้สมมุติฐานว่าแสงเป็นอนุภาค แต่ละอนุภาคมีพลังงานขึ้นกับความถี่ของแสง ภายหลังอนุภาคของแสงเรียกว่าโฟตอน (photon)
ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก
ใน ค.ศ. 1913 นีลส์ โบร์ (Niels Bohr) เสนอแบบจำลองสำหรับอะตอมไฮโดรเจน โดยมีข้อกำหนดสาคัญคืออิเล็กตรอนที่วิ่งวนอยู่รอบนิวเคลียสสามารถอยู่ในวงโคจรได้เฉพาะบางวงโคจร และมีโมเมนตัมเชิงมุมได้เฉพาะบางค่าเท่านั้น
อย่างไรก็ดีกว่านักฟิสิกส์จะหมดข้อกังขาว่าคลื่นแสง (และคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า) ทำตัวเป็นอนุภาคได้จริงก็ต้องรอจนถึง ค.ศ. ๑๙๒๓ เมื่อ อาร์เทอร์ ฮอลลี คอมป์ตัน (Arthur Holly Compton) อธิบายปรากฏการณ์เมื่อคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าตกกระทบอิเล็กตรอนในอะตอมแล้วทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกมา และคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าก็จะมีทิศทางและความยาวคลื่นเปลี่ยนไป คอมป์-ตันใช้แบบจำลองว่าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทำตัวเป็นอนุภาควิ่งเข้าชนอิเล็กตรอน (ลองนึกถึงการเล่นสนุกเกอร์) โดยมีการอนุรักษ์พลังงานและโมเมนตัม
อีกหมุดหมายสำคัญในประวัติศาสตร์ของทฤษฎีควอนตัมเกิดขึ้นใน ค.ศ. ๑๙๒๔ เมื่อ ลูย เดอ บรอย (Louis de Broglie) เสนอแนวคิดในวิทยานิพนธ์ปริญญาเอกว่า หากคลื่นแสงสามารถแสดงสมบัติของอนุภาคได้ อนุภาคก็น่าจะแสดงสมบัติของคลื่นได้เช่นกัน เขายังเสนอด้วยว่าความเป็นคลื่นของอนุภาค เช่น อิเล็กตรอน อาจสังเกตได้จากการเลี้ยวเบน (diffraction) เมื่ออิเล็กตรอนตกกระทบผลึกวัสดุ
อย่างไรก็ดีกว่านักฟิสิกส์จะหมดข้อกังขาว่าคลื่นแสง (และคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า) ทำตัวเป็นอนุภาคได้จริงก็ต้องรอจนถึง ค.ศ. ๑๙๒๓ เมื่อ อาร์เทอร์ ฮอลลี คอมป์ตัน (Arthur Holly Compton) อธิบายปรากฏการณ์เมื่อคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าตกกระทบอิเล็กตรอนในอะตอมแล้วทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกมา และคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าก็จะมีทิศทางและความยาวคลื่นเปลี่ยนไป คอมป์-ตันใช้แบบจำลองว่าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทำตัวเป็นอนุภาควิ่งเข้าชนอิเล็กตรอน (ลองนึกถึงการเล่นสนุกเกอร์) โดยมีการอนุรักษ์พลังงานและโมเมนตัม
อีกหมุดหมายสำคัญในประวัติศาสตร์ของทฤษฎีควอนตัมเกิดขึ้นใน ค.ศ. ๑๙๒๔ เมื่อ ลูย เดอ บรอย (Louis de Broglie) เสนอแนวคิดในวิทยานิพนธ์ปริญญาเอกว่า หากคลื่นแสงสามารถแสดงสมบัติของอนุภาคได้ อนุภาคก็น่าจะแสดงสมบัติของคลื่นได้เช่นกัน เขายังเสนอด้วยว่าความเป็นคลื่นของอนุภาค เช่น อิเล็กตรอน อาจสังเกตได้จากการเลี้ยวเบน (diffraction) เมื่ออิเล็กตรอนตกกระทบผลึกวัสดุ
สมบัติของคลื่น
อย่างไรก็ดีแม้ว่าทฤษฎีต่าง ๆ ที่เล่ามานี้ใช้อธิบายแต่ละปรากฏการณ์ได้ แต่นักฟิสิกส์ก็ยังคงขัดข้องใจ เนื่องจากแต่ละทฤษฎีเกิดจากการ “แปะ” แนวคิดทางควอนตัมเข้าไปแบบเฉพาะกิจเป็นกรณี ๆ ไป ทฤษฎีเหล่านี้ต่อมาถูกเรียกแบบเหมารวมว่าทฤษฎีควอนตัมยุคเก่า (The Old Quantum Theory)
ในที่สุดก็เกิดก้าวกระโดดครั้งประวัติศาสตร์ในเวลาไม่ถึง ๑ ปี นับจากเดือนมิถุนายน ค.ศ. ๑๙๒๖ ถึงเดือนมกราคม ค.ศ. ๑๙๒๗ คือการกำเนิดทฤษฎีควอนตัมที่นักฟิสิกส์ปรารถนาถึงสามรูปแบบด้วยกัน !
รูปแบบแรกคือ กลศาสตร์เมทริกซ์ (Matrix Mechanics) โดย แวร์เนอร์ ไฮเซินแบร์ค (Werner Heisenberg) ชาวเยอรมัน รูปแบบที่ ๒ คือพีชคณิตควอนตัม (Quantum Algebra) หรือพีชคณิตเลขคิว (q-number Algebra) จากมันสมองของ พอล ดิแร็ก (Paul Dirac) ชาวอังกฤษ และรูปแบบที่ ๓ คือกลศาสตร์คลื่น (Wave Mechanics) จากฝีมือของ แอร์วิน ชเรอดิงเงอร์ (Erwin SchrÖdinger) ชาวออสเตรีย
ในบรรดากลศาสตร์ควอนตัมทั้งสามรูปแบบ ปรากฏว่ากลศาสตร์คลื่นของชเรอดิงเงอร์โดนใจนักฟิสิกส์ส่วนใหญ่ โดยพฤติกรรมของอนุภาคหรือระบบทางควอนตัมจะอธิบายด้วยสมการคณิตศาสตร์ที่เรียกว่า “สมการคลื่น” ในสมการคลื่นมีฟังก์ชันคลื่น (wave function) ซึ่งบรรจุข้อมูลทุกอย่างเกี่ยวกับอนุภาคหรือระบบที่กล่าวถึง
ในที่สุดก็เกิดก้าวกระโดดครั้งประวัติศาสตร์ในเวลาไม่ถึง ๑ ปี นับจากเดือนมิถุนายน ค.ศ. ๑๙๒๖ ถึงเดือนมกราคม ค.ศ. ๑๙๒๗ คือการกำเนิดทฤษฎีควอนตัมที่นักฟิสิกส์ปรารถนาถึงสามรูปแบบด้วยกัน !
รูปแบบแรกคือ กลศาสตร์เมทริกซ์ (Matrix Mechanics) โดย แวร์เนอร์ ไฮเซินแบร์ค (Werner Heisenberg) ชาวเยอรมัน รูปแบบที่ ๒ คือพีชคณิตควอนตัม (Quantum Algebra) หรือพีชคณิตเลขคิว (q-number Algebra) จากมันสมองของ พอล ดิแร็ก (Paul Dirac) ชาวอังกฤษ และรูปแบบที่ ๓ คือกลศาสตร์คลื่น (Wave Mechanics) จากฝีมือของ แอร์วิน ชเรอดิงเงอร์ (Erwin SchrÖdinger) ชาวออสเตรีย
ในบรรดากลศาสตร์ควอนตัมทั้งสามรูปแบบ ปรากฏว่ากลศาสตร์คลื่นของชเรอดิงเงอร์โดนใจนักฟิสิกส์ส่วนใหญ่ โดยพฤติกรรมของอนุภาคหรือระบบทางควอนตัมจะอธิบายด้วยสมการคณิตศาสตร์ที่เรียกว่า “สมการคลื่น” ในสมการคลื่นมีฟังก์ชันคลื่น (wave function) ซึ่งบรรจุข้อมูลทุกอย่างเกี่ยวกับอนุภาคหรือระบบที่กล่าวถึง
สำหรับอนุภาค ความน่าจะเป็นที่จะพบอนุภาคที่ตำแหน่งหนึ่ง ๆ ณ เวลาหนึ่ง ๆ จะแปรผันกับขนาดของฟังก์ชันคลื่นของอนุภาคยกกำลังสอง เรียกว่ากฎของบอร์น (Born’s rule)
Paul Dirac
Werner Heisenberg
Werner Heisenberg
Erwin SchrÖdinger
แบบจำลองอะตอมตามแบบฟิสิกส์คลาสสิก (ซ้าย) และฟิสิกส์ควอนตัม (ขวา)
อาจมีคำถามว่าทำไมกลศาสตร์ควอนตัมจึงมีได้หลายรูปแบบ ?
คำตอบอย่างง่ายคือการเปรียบเทียบว่าต้นไม้ต้นหนึ่งย่อมมีชื่อเรียกและคำอธิบายแตกต่างกันไปในคนละภาษา แต่แท้จริงแล้วย่อมสื่อถึงความจริงหนึ่งเดียวของต้นไม้นั้น กลศาสตร์ควอนตัมทั้งสามรูปแบบต่างก็ใช้ “ภาษาคณิตศาสตร์” ที่แตกต่างกันในการอธิบายสิ่งเดียวกันนั่นเอง
อีกคำถามหนึ่งคือ ทำไมจึงเรียกว่า “กลศาสตร์” ควอนตัม (Quantum “Mechanics”) คำตอบคือทฤษฎีเหล่านี้อธิบายพฤติกรรมการเคลื่อนที่ของอนุภาค เช่น อิเล็กตรอนในอะตอม
แต่ต่อมานักฟิสิกส์ได้ขยายขอบเขตของทฤษฎีออกไปโดยผนวกกลศาสตร์ควอนตัมเข้ากับทฤษฎีสนามแบบคลาสสิกและทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ เรียกแบบรวม ๆ ว่า ทฤษฎีสนามควอนตัม (Quantum Field Theory) โดยมองว่าอนุภาคหนึ่ง ๆ เป็นสถานะถูกกระตุ้น (excited states) ของสนามควอนตัมของอนุภาคนั้น
ตัวอย่างทฤษฎีสนามควอนตัม เช่น ควอนตัมอิเล็กโทรไดนามิกส์ (Quantum Electrodynamics) ใช้อธิบายอันตรกิริยาระหว่างแสงกับสสาร และควอนตัมโครโมไดนามิกส์ (Quantum Chromodynamics) ใช้อธิบายแรงนิวเคลียร์อย่างเข้มซึ่งเป็นผลจากอันตรกิริยาระหว่างอนุภาคควาร์ก (quark) กับกลูออน (gluon) ภายในนิวเคลียสของอะตอม
คำตอบอย่างง่ายคือการเปรียบเทียบว่าต้นไม้ต้นหนึ่งย่อมมีชื่อเรียกและคำอธิบายแตกต่างกันไปในคนละภาษา แต่แท้จริงแล้วย่อมสื่อถึงความจริงหนึ่งเดียวของต้นไม้นั้น กลศาสตร์ควอนตัมทั้งสามรูปแบบต่างก็ใช้ “ภาษาคณิตศาสตร์” ที่แตกต่างกันในการอธิบายสิ่งเดียวกันนั่นเอง
อีกคำถามหนึ่งคือ ทำไมจึงเรียกว่า “กลศาสตร์” ควอนตัม (Quantum “Mechanics”) คำตอบคือทฤษฎีเหล่านี้อธิบายพฤติกรรมการเคลื่อนที่ของอนุภาค เช่น อิเล็กตรอนในอะตอม
แต่ต่อมานักฟิสิกส์ได้ขยายขอบเขตของทฤษฎีออกไปโดยผนวกกลศาสตร์ควอนตัมเข้ากับทฤษฎีสนามแบบคลาสสิกและทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ เรียกแบบรวม ๆ ว่า ทฤษฎีสนามควอนตัม (Quantum Field Theory) โดยมองว่าอนุภาคหนึ่ง ๆ เป็นสถานะถูกกระตุ้น (excited states) ของสนามควอนตัมของอนุภาคนั้น
ตัวอย่างทฤษฎีสนามควอนตัม เช่น ควอนตัมอิเล็กโทรไดนามิกส์ (Quantum Electrodynamics) ใช้อธิบายอันตรกิริยาระหว่างแสงกับสสาร และควอนตัมโครโมไดนามิกส์ (Quantum Chromodynamics) ใช้อธิบายแรงนิวเคลียร์อย่างเข้มซึ่งเป็นผลจากอันตรกิริยาระหว่างอนุภาคควาร์ก (quark) กับกลูออน (gluon) ภายในนิวเคลียสของอะตอม
ปรากฏการณ์ประหลาดในทฤษฎีควอนตัม
ปรากฏการณ์ต่างๆ ที่เกิดขึ้นในโลกของควอนตัมส่วนใหญ่จะขัดกับสามัญสำนึก แต่ทั้งหมดได้รับการพิสูจน์ซ้ำแล้วซ้ำเล่าว่าเป็นจริง ! “คลื่นหรืออนุภาค” ทวิภาพของคลื่นอนุภาค (wave-particle duality)
แนวคิดที่ว่าอนุภาคอาจประพฤติตัวเป็นคลื่นได้ และคลื่นก็อาจประพฤติตัวเป็นอนุภาคได้ พูดภาษาชาวบ้านได้ว่าวัตถุควอนตัมสามารถ “ตีสองหน้า” ได้นั่นเอง
ความน่าพิศวงของทวิภาพของคลื่นอนุภาคอาจแสดงให้เห็นด้วยการทดลองสลิตคู่ (slit คือช่องเปิดแคบ ๆ) เมื่อยิงอิเล็กตรอนออกไปทีละตัวอย่างต่อเนื่องที่สลิตคู่ และตรวจวัดที่ฉากด้านหลัง จะพบว่าเกิดรูปแบบการแทรกสอดขึ้น (ภาพ A) ทำให้สรุปได้ว่าอิเล็กตรอนทำตัวเป็นคลื่น
แต่เมื่อทำการทดลองคล้ายกัน แต่ตรวจวัดอิเล็กตรอนที่สลิตก่อน จะพบว่าอิเล็กตรอนทำตัวเป็นอนุภาคเคลื่อนที่ผ่านช่องสลิตช่องใดช่องหนึ่ง โดยไม่มีรูปแบบการแทรกสอดเกิดขึ้นที่ฉากหลัง (ภาพ B) ทำให้สรุปได้ว่าอิเล็กตรอนทำตัวเป็นอนุภาค
แล้ววัตถุใหญ่สุดแค่ไหนที่ยังคงแสดงพฤติกรรมแบบคลื่น ?
ใน ค.ศ. ๑๙๙๙ อันโทน ไซลิงเงอร์ (Anton Zeilinger) และเพื่อนร่วมงานที่มหาวิทยาลัยเวียนนาในออสเตรีย ได้แสดงให้เห็นว่าบักกีบอล (buckyball) ซึ่งเป็นโมเลกุลที่ประกอบด้วยคาร์บอน 60 อะตอม ทำตัวเป็นคลื่นได้ พอถึง ค.ศ. ๒๐๐๓ โมเลกุลที่ใช้ก็ใหญ่ขึ้นอีก ได้แก่ เตตระฟีนิลพอร์ฟิริน (tetraphenylporphyrin, TPP) ซึ่งเป็นโมเลกุลที่เกี่ยวข้องกับคลอโรฟิลล์ และฟลูออโรฟุลเลอรีน (fluorofullerene) มีสูตรเคมี C60F48
แสดงให้เห็นว่าวัตถุที่มีมวลมากกว่าอนุภาคเดี่ยว ๆ (อย่างอิเล็กตรอนหรืออะตอม) ก็แสดงทวิภาพคลื่นอนุภาคได้
แนวคิดที่ว่าอนุภาคอาจประพฤติตัวเป็นคลื่นได้ และคลื่นก็อาจประพฤติตัวเป็นอนุภาคได้ พูดภาษาชาวบ้านได้ว่าวัตถุควอนตัมสามารถ “ตีสองหน้า” ได้นั่นเอง
ความน่าพิศวงของทวิภาพของคลื่นอนุภาคอาจแสดงให้เห็นด้วยการทดลองสลิตคู่ (slit คือช่องเปิดแคบ ๆ) เมื่อยิงอิเล็กตรอนออกไปทีละตัวอย่างต่อเนื่องที่สลิตคู่ และตรวจวัดที่ฉากด้านหลัง จะพบว่าเกิดรูปแบบการแทรกสอดขึ้น (ภาพ A) ทำให้สรุปได้ว่าอิเล็กตรอนทำตัวเป็นคลื่น
แต่เมื่อทำการทดลองคล้ายกัน แต่ตรวจวัดอิเล็กตรอนที่สลิตก่อน จะพบว่าอิเล็กตรอนทำตัวเป็นอนุภาคเคลื่อนที่ผ่านช่องสลิตช่องใดช่องหนึ่ง โดยไม่มีรูปแบบการแทรกสอดเกิดขึ้นที่ฉากหลัง (ภาพ B) ทำให้สรุปได้ว่าอิเล็กตรอนทำตัวเป็นอนุภาค
แล้ววัตถุใหญ่สุดแค่ไหนที่ยังคงแสดงพฤติกรรมแบบคลื่น ?
ใน ค.ศ. ๑๙๙๙ อันโทน ไซลิงเงอร์ (Anton Zeilinger) และเพื่อนร่วมงานที่มหาวิทยาลัยเวียนนาในออสเตรีย ได้แสดงให้เห็นว่าบักกีบอล (buckyball) ซึ่งเป็นโมเลกุลที่ประกอบด้วยคาร์บอน 60 อะตอม ทำตัวเป็นคลื่นได้ พอถึง ค.ศ. ๒๐๐๓ โมเลกุลที่ใช้ก็ใหญ่ขึ้นอีก ได้แก่ เตตระฟีนิลพอร์ฟิริน (tetraphenylporphyrin, TPP) ซึ่งเป็นโมเลกุลที่เกี่ยวข้องกับคลอโรฟิลล์ และฟลูออโรฟุลเลอรีน (fluorofullerene) มีสูตรเคมี C60F48
แสดงให้เห็นว่าวัตถุที่มีมวลมากกว่าอนุภาคเดี่ยว ๆ (อย่างอิเล็กตรอนหรืออะตอม) ก็แสดงทวิภาพคลื่นอนุภาคได้
“ได้อย่าง-เสียอย่าง” หลักความไม่แน่นอนของไฮเซินแบร์ค
ใน ค.ศ. ๑๙๒๗ แวร์เนอร์ ไฮเซิน-แบร์ค ค้นพบว่า ไม่ว่าเราจะใช้อุปกรณ์ในการวัดที่สุดแสนไฮเทคขนาดไหน ธรรมชาติก็จะไม่มีวันยอมให้เราวัดค่าตำแหน่งและโมเมนตัมได้อย่างแม่นยำมาก ๆ “พร้อมกัน” เช่น ยิ่งเรารู้ว่าอนุภาคหนึ่ง ๆ เคลื่อนที่เร็วแค่ไหน (คือมีโมเมนตัมเท่าไร) อย่างแม่นยำ เราจะยิ่งไม่รู้ว่ามันอยู่ที่ไหนด้วยความมั่นใจ
“เป็นหลายอย่างในขณะเดียวกัน” การทับซ้อนของสถานะ (superposition)
ในโลกคลาสสิก หากเหรียญบาทวางหงายหน้าหัวขึ้นอยู่บนโต๊ะ เราจะพูดว่าสถานะ (state) ของเหรียญคือ “หัว” และหากหงายหน้าก้อยขึ้น สถานะของเหรียญก็คือ “ก้อย” แต่หากเหรียญกำลังปั่นหมุนอยู่บนโต๊ะ แล้วถามว่าเหรียญมีสถานะอะไร คำตอบคือระบุไม่ได้ เพราะว่ายังไม่มีหน้าไหนหงายนิ่ง ๆ บนโต๊ะ
ระหว่างที่เหรียญกำลังปั่นหมุนอยู่ ถ้าเราใช้มือตะปบเหรียญแบบสุ่ม ๆ จนเหรียญหยุดนิ่ง คราวนี้เรามั่นใจแล้วว่าสถานะของเหรียญถูกกำหนดชัดเจนแล้ว เพียงแต่ว่าเรายังไม่รู้จนกว่าจะยกมือออกมาดูว่าออกหัวหรือก้อย
มาดูโลกควอนตัมบ้าง
อิเล็กตรอนมีสปิน (spin) ซึ่งมีได้สองทิศทาง เรียกว่า สปินขึ้น (spin up) กับสปินลง (spin down) (ซึ่งอาจเทียบกับทิศทางของสนามแม่เหล็กแวดล้อม) หากเรายังไม่ได้ตรวจวัดก็จะไม่ทราบสถานะของสปินว่าขึ้นหรือลง ซึ่งอาจเทียบได้กับเหรียญบาทขณะปั่นหมุนอยู่
พูดแบบควอนตัมก็คือ สถานะสปินขึ้นเกิด “การทับซ้อน” กับสถานะสปินลง
แต่เมื่อเราตรวจวัดสปินก็จะพบว่าสปินอยู่ในสถานะใดสถานะหนึ่งเท่านั้น เช่น ขึ้น (หรือลง) การตรวจวัดอาจเทียบได้กับการตะปบเหรียญบาทให้หยุดหมุนปั่น คือทำให้เหลือเพียงแค่สถานะเดียว
ในกรณีทั่วไป วัตถุหรือระบบทางควอนตัมอาจอยู่ในสถานะทับซ้อนได้มากกว่าสองสถานะ เช่น สามหรือสี่สถานะ หรือมากกว่าก็ได้ ขึ้นอยู่กับลักษณะของวัตถุหรือระบบควอนตัมแต่ไม่ว่าจะมีสถานะทับซ้อนกันมากแค่ไหน ผลรวมของความน่าจะเป็นทั้งหมดที่จะเกิดแต่ละสถานะต้องเท่ากับ ๑๐๐ เปอร์เซ็นต์เสมอ
ปรากฏการณ์ทับซ้อนทางควอนตัมยังอาจพบได้ในวัตถุที่มองเห็นด้วยตาเปล่า !
ค.ศ. ๒๐๑๐ นักวิจัยได้สร้างแผ่นโลหะยาว ๐.๐๖ มิลลิเมตร หรือ ๖๐ ไมครอน และทำให้เย็นยิ่งยวดพบว่ามีการสั่นและไม่สั่นในเวลาเดียวกันเนื่องจากสถานะทางควอนตัมที่ทับซ้อนกัน (เส้นผมของคนมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางในช่วง ๑๗-๑๘๑ ไมครอน ค่ากลาง ๆ คือราว ๗๕ ไมครอน)
ระหว่างที่เหรียญกำลังปั่นหมุนอยู่ ถ้าเราใช้มือตะปบเหรียญแบบสุ่ม ๆ จนเหรียญหยุดนิ่ง คราวนี้เรามั่นใจแล้วว่าสถานะของเหรียญถูกกำหนดชัดเจนแล้ว เพียงแต่ว่าเรายังไม่รู้จนกว่าจะยกมือออกมาดูว่าออกหัวหรือก้อย
มาดูโลกควอนตัมบ้าง
อิเล็กตรอนมีสปิน (spin) ซึ่งมีได้สองทิศทาง เรียกว่า สปินขึ้น (spin up) กับสปินลง (spin down) (ซึ่งอาจเทียบกับทิศทางของสนามแม่เหล็กแวดล้อม) หากเรายังไม่ได้ตรวจวัดก็จะไม่ทราบสถานะของสปินว่าขึ้นหรือลง ซึ่งอาจเทียบได้กับเหรียญบาทขณะปั่นหมุนอยู่
พูดแบบควอนตัมก็คือ สถานะสปินขึ้นเกิด “การทับซ้อน” กับสถานะสปินลง
แต่เมื่อเราตรวจวัดสปินก็จะพบว่าสปินอยู่ในสถานะใดสถานะหนึ่งเท่านั้น เช่น ขึ้น (หรือลง) การตรวจวัดอาจเทียบได้กับการตะปบเหรียญบาทให้หยุดหมุนปั่น คือทำให้เหลือเพียงแค่สถานะเดียว
ในกรณีทั่วไป วัตถุหรือระบบทางควอนตัมอาจอยู่ในสถานะทับซ้อนได้มากกว่าสองสถานะ เช่น สามหรือสี่สถานะ หรือมากกว่าก็ได้ ขึ้นอยู่กับลักษณะของวัตถุหรือระบบควอนตัมแต่ไม่ว่าจะมีสถานะทับซ้อนกันมากแค่ไหน ผลรวมของความน่าจะเป็นทั้งหมดที่จะเกิดแต่ละสถานะต้องเท่ากับ ๑๐๐ เปอร์เซ็นต์เสมอ
ปรากฏการณ์ทับซ้อนทางควอนตัมยังอาจพบได้ในวัตถุที่มองเห็นด้วยตาเปล่า !
ค.ศ. ๒๐๑๐ นักวิจัยได้สร้างแผ่นโลหะยาว ๐.๐๖ มิลลิเมตร หรือ ๖๐ ไมครอน และทำให้เย็นยิ่งยวดพบว่ามีการสั่นและไม่สั่นในเวลาเดียวกันเนื่องจากสถานะทางควอนตัมที่ทับซ้อนกัน (เส้นผมของคนมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางในช่วง ๑๗-๑๘๑ ไมครอน ค่ากลาง ๆ คือราว ๗๕ ไมครอน)
สปิน (spin) เป็นสมบัติของอนุภาคควอนตัม ซึ่งอาจชวนให้คิดถึงการหมุน แต่จริง ๆ แล้วไม่อาจตีความว่าอนุภาคมีการหมุนแบบวัตถุขนาดใหญ่ตามที่เราเข้าใจ สปินใช้แบ่งอนุภาคเป็นสองประเภท ได้แก่ โบซอน (boson) และเฟอร์มิออน (fermion) โบซอนเป็นอนุภาคที่มีสปินเป็นจำนวนเต็ม เช่น 0, 1, 2 เช่น โฟตอน มีซอน ส่วนเฟอร์มิออนเป็นอนุภาคที่มีสปินแบบครึ่ง ๆ เช่น ½, 3/2, 5/2 เช่น อิเล็กตรอน โปรตอน นิวตรอน
“ไกลแค่ไหนก็เชื่อมโยงถึงกัน” การพัวพัน (Entanglement)
ปรากฏการณ์ทางควอนตัมที่อนุภาคคู่หนึ่งเชื่อมโยงทางกายภาพกันในลักษณะที่ว่าการเปลี่ยนแปลงสถานะทางควอนตัมของอนุภาคหนึ่งจะมีผลกระทบ “ทันทีทันใด” กับอีกอนุภาคหนึ่ง ไม่ว่าอนุภาคทั้งสองจะอยู่ห่างกันแค่ไหนก็ตาม
แม้แต่คนละฟากฝั่งของเอกภพ !
บางคนนำเปรียบเล่น ๆ กับคู่รักที่รักกันหวานชื่น คือแม้ตัวจะอยู่ห่างไกลกันสุดขอบฟ้า แต่จิตใจผูกพันกันราวกับว่าอยู่ใกล้ ๆ กัน…ว่าไปนั่นเลย !
สมมุติว่าเดิมอนุภาคควอนตัมตั้งต้นซึ่งมีสปินเท่ากับ 0 สลายตัวกลายเป็นอนุภาคสองตัวซึ่งเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้ามกัน เนื่องจากอนุภาคที่เกิดใหม่คู่นี้มาจากต้นกำเนิดเดียวกันจึงเกิดการพัวพันกัน อนุภาคที่เกิดใหม่อาจมีทิศทางของสปินได้สองทิศทาง เช่น สปินขึ้น กับสปินลง
หากเรายังไม่ได้ตรวจวัดว่าอนุภาคแต่ละตัวมีสปินอย่างไร เราจะบอกได้เพียงแค่ว่าอนุภาคแต่ละตัวมีสปินอยู่ในสถานะทับซ้อนกัน คือ มีสปินชี้ขึ้นโดยความน่าจะเป็นค่าหนึ่ง และมีสปินชี้ลงด้วยความน่าจะเป็นอีกค่าหนึ่ง แต่เมื่อใดก็ตามที่เราตรวจวัดสปินของอนุภาคตัวหนึ่ง เช่น ตัวที่อยู่ทางซ้าย และพบว่ามีสปินขึ้น สิ่งที่เกิดขึ้นคืออนุภาคตัวที่อยู่ทางขวาจะมีสปินลง “ทันที”
แม้แต่คนละฟากฝั่งของเอกภพ !
บางคนนำเปรียบเล่น ๆ กับคู่รักที่รักกันหวานชื่น คือแม้ตัวจะอยู่ห่างไกลกันสุดขอบฟ้า แต่จิตใจผูกพันกันราวกับว่าอยู่ใกล้ ๆ กัน…ว่าไปนั่นเลย !
สมมุติว่าเดิมอนุภาคควอนตัมตั้งต้นซึ่งมีสปินเท่ากับ 0 สลายตัวกลายเป็นอนุภาคสองตัวซึ่งเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้ามกัน เนื่องจากอนุภาคที่เกิดใหม่คู่นี้มาจากต้นกำเนิดเดียวกันจึงเกิดการพัวพันกัน อนุภาคที่เกิดใหม่อาจมีทิศทางของสปินได้สองทิศทาง เช่น สปินขึ้น กับสปินลง
หากเรายังไม่ได้ตรวจวัดว่าอนุภาคแต่ละตัวมีสปินอย่างไร เราจะบอกได้เพียงแค่ว่าอนุภาคแต่ละตัวมีสปินอยู่ในสถานะทับซ้อนกัน คือ มีสปินชี้ขึ้นโดยความน่าจะเป็นค่าหนึ่ง และมีสปินชี้ลงด้วยความน่าจะเป็นอีกค่าหนึ่ง แต่เมื่อใดก็ตามที่เราตรวจวัดสปินของอนุภาคตัวหนึ่ง เช่น ตัวที่อยู่ทางซ้าย และพบว่ามีสปินขึ้น สิ่งที่เกิดขึ้นคืออนุภาคตัวที่อยู่ทางขวาจะมีสปินลง “ทันที”
ปรากฏการณ์การพัวพัน หรือ entanglement
“ก้าวข้ามอุปสรรคอย่างน่าพิศวง” การทะลุอุโมงค์เชิงควอนตัม (Quantum Tunneling)
สมมุติว่าคุณมีความสามารถในการกระโดดข้ามสิ่งกีดขวางที่สูงสุดได้ ๑ เมตร หากพบกับกำแพงสูงสัก ๒ เมตร คุณย่อมกระโดดข้ามไม่ได้
แต่ในโลกควอนตัม แม้ว่าอนุภาคจะมีพลังงานต่ำกว่าพลังงานที่ต้องใช้ในการข้ามสิ่งกีดขวาง มันยังมีโอกาสที่จะไปปรากฏอยู่อีกฝั่งหนึ่งได้ด้วยความน่าจะเป็นค่าหนึ่ง เรียกปรากฏการณ์นี้ว่า “การทะลุอุโมงค์เชิงควอนตัม”
ธรรมชาติใช้ปรากฏการณ์ทะลุอุโมงค์นี้ในหลายรูปแบบ เช่น นิวเคลียร์ฟิวชันของดวงอาทิตย์ (ทำให้ดวงอาทิตย์ส่องแสง) และการเร่งปฏิกิริยาเคมีของเอน-ไซม์ ส่วนมนุษย์ก็ใช้ปรากฏการณ์นี้ออกแบบกล้องจุลทรรศน์แบบสแกนนิงทันเนลิง
แต่ในโลกควอนตัม แม้ว่าอนุภาคจะมีพลังงานต่ำกว่าพลังงานที่ต้องใช้ในการข้ามสิ่งกีดขวาง มันยังมีโอกาสที่จะไปปรากฏอยู่อีกฝั่งหนึ่งได้ด้วยความน่าจะเป็นค่าหนึ่ง เรียกปรากฏการณ์นี้ว่า “การทะลุอุโมงค์เชิงควอนตัม”
ธรรมชาติใช้ปรากฏการณ์ทะลุอุโมงค์นี้ในหลายรูปแบบ เช่น นิวเคลียร์ฟิวชันของดวงอาทิตย์ (ทำให้ดวงอาทิตย์ส่องแสง) และการเร่งปฏิกิริยาเคมีของเอน-ไซม์ ส่วนมนุษย์ก็ใช้ปรากฏการณ์นี้ออกแบบกล้องจุลทรรศน์แบบสแกนนิงทันเนลิง
ปรากฏการณ์การทะลุอุโมงค์เชิงควอนตัม
แนวคิดและปรากฏการณ์สำคัญในทฤษฎีควอนตัมยังมีอีกหลายอย่าง เช่น หลักแห่งความสอดคล้อง (Correspondence principle) ของ นีลส์ บอร์ (Niels Bohr) ซึ่งกล่าวว่าพฤติกรรมของระบบที่อธิบายด้วยกลศาสตร์ควอนตัม หรือแม้แต่ทฤษฎีควอนตัมยุคเก่า จะต้องสอดคล้องกับฟิสิกส์คลาสสิกเมื่อเลขควอนตัมมีค่าสูงมากและหลักการกีดกันของเพาลี (Pauli’s Exclusion Principle) ที่กล่าวว่า “ในระบบหนึ่ง ๆ จะไม่อาจมีอนุภาคแบบเฟอร์มิออนสองตัวใด ๆ (เช่น อิเล็กตรอน โปรตอน นิวตรอน ฯลฯ) มีสถานะทางควอนตัมที่เหมือนกันได้” ฟังคล้าย ๆ กับสำนวนไทย “เสือสองตัวอยู่ถ้ำเดียวกันไม่ได้” หลักการกีดกันของเพาลีสามารถใช้อธิบายการจัดเรียงตัวของธาตุในตารางธาตุ นอกจากนี้ยังอาจใช้กับเรื่องอื่น ๆ เช่น อธิบายว่าเหตุใดดาวนิวตรอนจึงไม่ยุบตัว เป็นต้น
Quantum Technology1.0
เมื่อนักฟิสิกส์และวิศวกรรู้กฎเกณฑ์ของกลศาสตร์ควอนตัมและสร้างสิ่งประดิษฐ์ที่เป็นไปตามกฎเกณฑ์นั้น แต่ยังไม่ได้เข้าควบคุมระบบทางควอนตัมทีละระบบ หรืออนุภาคทีละอนุภาค เทคโนโลยีลักษณะนี้จะเรียกว่าเทคโนโลยีควอนตัม ๑.๐
กลศาสตร์ควอนตัมสามารถอธิบายพฤติกรรมการนำไฟฟ้าของโลหะ สารกึ่งตัวนำและฉนวน ได้ด้วยทฤษฎีแถบพลังงานของของแข็ง (Band Theory of Solid) โดยที่ต้องกล่าวถึงเป็นพิเศษคือสารกึ่งตัวนำหรือเซมิคอนดักเตอร์ (semiconductor) ซึ่งได้รับการดัดแปลงสภาพการนำไฟฟ้าด้วยการโด๊ปธาตุที่เหมาะสม แล้วออกแบบและผลิตเป็นสิ่งประดิษฐ์ต่าง ๆ เช่น เซลล์แสงอาทิตย์ (solar cell) ไดโอดเปล่งแสง (lightemitting diode) หรือแอลอีดี (LED) รวมทั้ง “ทรานซิสเตอร์” (transistor) อันเป็นองค์ประกอบพื้นฐานของไมโครชิป (microchip) ซึ่งเป็นหัวใจของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่าง ๆ โดยเฉพาะคอมพิวเตอร์
กลศาสตร์ควอนตัมสามารถอธิบายพฤติกรรมการนำไฟฟ้าของโลหะ สารกึ่งตัวนำและฉนวน ได้ด้วยทฤษฎีแถบพลังงานของของแข็ง (Band Theory of Solid) โดยที่ต้องกล่าวถึงเป็นพิเศษคือสารกึ่งตัวนำหรือเซมิคอนดักเตอร์ (semiconductor) ซึ่งได้รับการดัดแปลงสภาพการนำไฟฟ้าด้วยการโด๊ปธาตุที่เหมาะสม แล้วออกแบบและผลิตเป็นสิ่งประดิษฐ์ต่าง ๆ เช่น เซลล์แสงอาทิตย์ (solar cell) ไดโอดเปล่งแสง (lightemitting diode) หรือแอลอีดี (LED) รวมทั้ง “ทรานซิสเตอร์” (transistor) อันเป็นองค์ประกอบพื้นฐานของไมโครชิป (microchip) ซึ่งเป็นหัวใจของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่าง ๆ โดยเฉพาะคอมพิวเตอร์
สารกึ่งตัวนำหรือเซมิคอนดักเตอร์
นั่นคือยุคสารสนเทศ (Information Age) ซึ่งมีคอมพิวเตอร์เป็นเครื่องมือพื้นฐานนั้น ลึก ๆ แล้วมีรากฐานส่วนหนึ่งมาจากความเข้าใจพฤติกรรมของสารกึ่งตัวนำด้วยกลศาสตร์ควอนตัมนั่นเอง
อุปกรณ์ที่จัดอยู่ในกลุ่มเทคโนโลยีควอนตัม ๑.๐ ยังมีตัวอย่างอื่น ๆ ที่น่ารู้จัก เช่น
กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน (electron microscope) ใช้ความเป็นคลื่นของอิเล็กตรอนทำให้ได้กำลังขยายและกำลังแยกแยะเชิงระยะที่ดีกว่าแสงที่ตามองเห็น และยังใช้การเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนศึกษาโครงสร้างผลึกของสสาร
แม่เหล็กที่ใช้สภาพการนำไฟฟ้ายิ่งยวด (superconducting magnet) เป็นแม่เหล็กกำลังสูงที่ใช้ในแม็กเลฟ (maglev) รถไฟที่ยกตัวด้วยแรงผลักแม่เหล็ก และเครื่อง Large Hadron Collider ที่เซิร์น (CERN) ซึ่งมีแม่เหล็กแบบนี้ราว ๑ หมื่นชิ้น ควบคุมทิศทางของกระแสอนุภาคโปรตอนให้เคลื่อนที่เป็นวงรอบในเครื่องเร่งอนุภาคตามเส้นทางที่ออกแบบไว้ สภาพการนำไฟฟ้ายิ่งยวด (superconductivity) ต้องอธิบายด้วยกลศาสตร์ควอนตัมเท่านั้น
อุปกรณ์ที่จัดอยู่ในกลุ่มเทคโนโลยีควอนตัม ๑.๐ ยังมีตัวอย่างอื่น ๆ ที่น่ารู้จัก เช่น
กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน (electron microscope) ใช้ความเป็นคลื่นของอิเล็กตรอนทำให้ได้กำลังขยายและกำลังแยกแยะเชิงระยะที่ดีกว่าแสงที่ตามองเห็น และยังใช้การเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนศึกษาโครงสร้างผลึกของสสาร
แม่เหล็กที่ใช้สภาพการนำไฟฟ้ายิ่งยวด (superconducting magnet) เป็นแม่เหล็กกำลังสูงที่ใช้ในแม็กเลฟ (maglev) รถไฟที่ยกตัวด้วยแรงผลักแม่เหล็ก และเครื่อง Large Hadron Collider ที่เซิร์น (CERN) ซึ่งมีแม่เหล็กแบบนี้ราว ๑ หมื่นชิ้น ควบคุมทิศทางของกระแสอนุภาคโปรตอนให้เคลื่อนที่เป็นวงรอบในเครื่องเร่งอนุภาคตามเส้นทางที่ออกแบบไว้ สภาพการนำไฟฟ้ายิ่งยวด (superconductivity) ต้องอธิบายด้วยกลศาสตร์ควอนตัมเท่านั้น
กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน (electron microscope)
แม่เหล็กที่ใช้สภาพการนำไฟฟ้ายิ่งยวด (superconducting magnet)
superconductivity คือปรากฏการณ์ที่วัสดุบางชนิดมีความต้านทานไฟฟ้าเป็นศูนย์เมื่ออุณหภูมิลดลงตํ่ากว่าค่าวิกฤตค่าหนึ่ง วัสดุที่มีสมบัติเช่นนี้เรียกว่าวัสดุตัวนํายิ่งยวด หรือ superconductor
เอ็มอาร์ไอ (magnetic resonance imaging, MRI) ใช้การจัดการกับสปินของโปรตอนหรือนิวเคลียสของไฮโดรเจนที่อยู่ในโมเลกุลของน้ำในร่างกาย เอ็มอาร์ไอมีประโยชน์ในทางการแพทย์ คือใช้ตรวจอวัยวะภายในได้หลายระบบ เช่น สมอง หัวใจ อวัยวะในช่องท้องทั้งหมด กระดูก กล้ามเนื้อและข้อ เป็นต้น
กล้องจุลทรรศน์แบบสแกนนิงทันเนลิง (scanning tunneling microscope, STM) ใช้ศึกษาพื้นผิวของวัตถุที่นำไฟฟ้าได้ในระดับอะตอม โดยควบคุมอิเล็กตรอนที่ “ทะลุอุโมงค์” ออกมาระหว่างหัวโพรบโลหะของกล้องกับพื้นผิววัตถุ เช่น โลหะ หรือสารกึ่งตัวนำ
รอยต่อโจเซฟสัน (Josephson junction) เป็นอุปกรณ์ที่ประกอบด้วยวัสดุตัวนำยิ่งยวด (superconductor) สองชิ้นที่ถูกกั้นด้วยฉนวนบาง ๆ บริเวณรอยต่อนี้อาจเกิดปรากฏการณ์โจเซฟสันน (Josephson effect) ได้หลายแบบ เช่น แม้จะไม่มีการจ่ายแรงดันไฟฟ้า แต่ก็จะมีไฟฟ้ากระแสตรงไหลผ่านรอยต่ออันเนื่องมาจากปรากฏการณ์ทะลุอุโมงค์เคลื่อนผ่านรอยต่อ เป็นต้น
SQUID (superconducting quantum interference device) เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ปรากฏการณ์โจเซฟสันตรวจจับการเปลี่ยนแปลงความเข้มสนามแม่เหล็ก อุปกรณ์นี้มีความไวสูงมาก สามารถตรวจจับสนามแม่เหล็กที่เกิดจากกระแสไฟฟ้าในระบบประสาทในสมองหรือหัวใจ และตรวจวัดสภาพแม่เหล็กของวัตถุในงานด้านโบราณคดี เป็นต้น
รอยต่อโจเซฟสัน (Josephson junction) เป็นอุปกรณ์ที่ประกอบด้วยวัสดุตัวนำยิ่งยวด (superconductor) สองชิ้นที่ถูกกั้นด้วยฉนวนบาง ๆ บริเวณรอยต่อนี้อาจเกิดปรากฏการณ์โจเซฟสันน (Josephson effect) ได้หลายแบบ เช่น แม้จะไม่มีการจ่ายแรงดันไฟฟ้า แต่ก็จะมีไฟฟ้ากระแสตรงไหลผ่านรอยต่ออันเนื่องมาจากปรากฏการณ์ทะลุอุโมงค์เคลื่อนผ่านรอยต่อ เป็นต้น
SQUID (superconducting quantum interference device) เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ปรากฏการณ์โจเซฟสันตรวจจับการเปลี่ยนแปลงความเข้มสนามแม่เหล็ก อุปกรณ์นี้มีความไวสูงมาก สามารถตรวจจับสนามแม่เหล็กที่เกิดจากกระแสไฟฟ้าในระบบประสาทในสมองหรือหัวใจ และตรวจวัดสภาพแม่เหล็กของวัตถุในงานด้านโบราณคดี เป็นต้น
“ทั้งตาย-ทั้งเป็นในเวลาเดียวกัน” แมวของชเรอดิงเงอร์ (SchrÖdinger’s cat)
ใน ค.ศ. ๑๙๓๕ ชเรอดิงเงอร์เสนอการทดลองในความคิดเพื่อชี้ให้เห็นความไร้เหตุผลของการตีความแบบโคเปนเฮเกน (Copenhagen Interpretation) การตีความแบบนี้มีแก่นสำคัญอย่างหนึ่งคือ การสังเกตเป็นปัจจัยที่ทำให้เราทราบความเป็นจริงของวัตถุควอนตัมอย่างชัดเจน ถือเป็นแนวคิดที่ได้รับความนิยมมากที่สุด แต่ควรรู้ด้วยว่ามีนักฟิสิกส์จำนวนหนึ่งไม่เห็นด้วย (เช่น ไอน์สไตน์ ชเรอดิงเงอร์) และเสนอการตีความแบบอื่น ๆ ไว้รวมกว่า ๑๐ แบบ
ชเรอดิงเงอร์ชวนจินตนาการถึงกล่องขนาดย่อม ๆ ซึ่งมีแมวอยู่ภายใน ในกล่องนี้มีกลไกปล่อยก๊าซพิษ ซึ่งขึ้นอยู่กับสารกัมมันตรังสีที่ใส่ไว้ในกล่อง หากสารกัมมันตรังสีสลายตัวปลดปล่อยรังสีออกมาก็จะทำให้กลไกทำงานปล่อยสารพิษออกมาสังหารแมว เนื่องจากการปลดปล่อยสารกัมมันตรังสีเกิดขึ้นอย่างสุ่ม ๆ ตามกระบวนการทางควอนตัม จึงไม่อาจทำนายเวลาแน่นอนได้ ผลก็คือการปล่อยก๊าซพิษจะเป็นไปอย่างสุ่ม ๆ ด้วยเช่นกัน
การที่กล่องถูกปิดทำให้คนที่อยู่ข้างนอกไม่รู้ว่าแมวยังมีชีวิตอยู่หรือไม่จนกว่าจะเปิดกล่องออกมาดู
หากเชื่อตามการตีความแบบโคเปนเฮเกน ขณะกล่องยังปิดอยู่นั้น สถานะของแมวจะต้องเป็นแบบทับซ้อน คือแมวมีชีวิตอยู่กับตายแล้วในเวลาเดียวกัน !
จุดนี้เองที่ชเรอดิงเงอร์ต้องการชี้ให้เห็นว่าการตีความแบบโคเปนเฮเกนนั้นไร้เหตุผล
ชเรอดิงเงอร์ชวนจินตนาการถึงกล่องขนาดย่อม ๆ ซึ่งมีแมวอยู่ภายใน ในกล่องนี้มีกลไกปล่อยก๊าซพิษ ซึ่งขึ้นอยู่กับสารกัมมันตรังสีที่ใส่ไว้ในกล่อง หากสารกัมมันตรังสีสลายตัวปลดปล่อยรังสีออกมาก็จะทำให้กลไกทำงานปล่อยสารพิษออกมาสังหารแมว เนื่องจากการปลดปล่อยสารกัมมันตรังสีเกิดขึ้นอย่างสุ่ม ๆ ตามกระบวนการทางควอนตัม จึงไม่อาจทำนายเวลาแน่นอนได้ ผลก็คือการปล่อยก๊าซพิษจะเป็นไปอย่างสุ่ม ๆ ด้วยเช่นกัน
การที่กล่องถูกปิดทำให้คนที่อยู่ข้างนอกไม่รู้ว่าแมวยังมีชีวิตอยู่หรือไม่จนกว่าจะเปิดกล่องออกมาดู
หากเชื่อตามการตีความแบบโคเปนเฮเกน ขณะกล่องยังปิดอยู่นั้น สถานะของแมวจะต้องเป็นแบบทับซ้อน คือแมวมีชีวิตอยู่กับตายแล้วในเวลาเดียวกัน !
จุดนี้เองที่ชเรอดิงเงอร์ต้องการชี้ให้เห็นว่าการตีความแบบโคเปนเฮเกนนั้นไร้เหตุผล
ตัวอย่างเช่น ก่อนการสังเกตอนุภาคที่เราสนใจ มันอาจมีความน่าจะเป็นอยู่ในบริเวณต่าง ๆ ได้หลายแห่งตามที่กำหนดโดยฟังก์ชันคลื่น แต่เมื่อเราสังเกต เช่นตรวจวัดด้วยอุปกรณ์ ก็จะพบอนุภาคนี้อยู่ในบริเวณแคบ ๆ ที่ตรวจพบเท่านั้น ลักษณะเช่นนี้นักฟิสิกส์เรียกว่าเกิดการยุบตัวของฟังก์ชันคลื่น (wave function collapse)