http://update.se-ed.com     หน้าแรก    ฉบับก่อน      แนะนำ     ติดต่อเรา     สมาชิก     ซีเอ็ด      

ฉบับ 215 สิงหาคม 2548 ประจำฉบับ   o บอกกล่าว   o จดหมายถึงบ.ก.   o มองโลก   o มองไทย   o Space Hotline   o คุยกับชัยคุปต์   o นักวิทย์รุ่นเยาว์   o ประลองปัญญา   o เรื่องจากปก   o บทความ/สารคดี บอกรับจดหมายข่าว โปรดแจ้ง E-Mail ของคุณ Subscribe     Unsubscribe   Powered by YourMailinglist Provider.com   ดูจดหมายข่าวเก่า

สารคดีวิทยาศาสตร์ #215                 ไอน์สไตน์กับกลศาสตร์ควอนตัม   กลศาสตร์ควอนตัมเป็นวิทยาการที่อธิบายปรากฏการณ์ต่างๆ ในระดับอะตอมได้อย่างดี แต่ก็ยังมีแนวคิด หลักการที่ดูจะขัดสามัญสำนึกอยู่ไม่น้อย เช่น เราไม่สามารถรู้ความเร็วและตำแหน่งของอนุภาคได้อย่างแม่นยำพร้อมกัน หรือการที่อนุภาคควอนตัมสามารถอยู่ได้ในทุกที่พร้อมกัน ในสถานที่ต่างกัน มีโอกาสพบอนุภาคได้ต่างกัน โอกาสในการเกิดเหตุการณ์ต่างๆ นี่เองที่ทำให้ไอน์สไตน์ไม่เชื่อมั่นในกลศาสตร์ควอนตัม  เขาไม่เชื่อว่าธรรมชาติของเราจะเกิดขึ้นมาได้ด้วยความน่าจะเป็นเฉกเช่นการโยนลูกเต๋าโดยพระเจ้า         ในมุมมองของนิวตัน วิชาฟิสิกส์ตั้งอยู่บนหลักการว่า ถ้าเรารู้ตำแหน่งและความเร็วของอนุภาคทุกตัวขณะหนึ่งขณะใด แลรู้แรงที่กระทำต่ออนุภาคทุกตัวแล้ว เราสามารถใช้กฎการเคลื่อนที่ของนิวตันคำนวณได้เสมอว่า ในอนาคตอนุภาคเหล่านั้นแต่ละตัว จะอยู่ที่ใดและมีความเร็วเท่าใด เท่านั้นยังไม่พอ เราสามารถล่วงรู้ด้วยว่าในอดีต อนุภาคทุกตัว เคยอยู่ที่ใด และมีความเร็วเท่าใด การรู้เบ็ดเสร็จเช่นนี้ทำให้เราตระหนักได้ว่า การรู้ข้อมูลละเอียดของเหตุการณ์ปัจจุบัน ช่วยให้เราสามารถทำนายอนาคต และระลึกอดีตได้         นอกจากนี้วิชาฟิสิกส์ยุคเก่ายังตั้งอยู่บนสมมติฐานอีกสองประการที่ว่า ในการศึกษาสมบัติของระบบใดๆ ก็ตาม กระบวนการวัด หรือการสังเกต ไม่ทำให้สมบัติของระบบนั้นๆ เปลี่ยนแปลง และระบบต่างๆ มีสมบัติที่ ต้องการวัดนั้น ก่อนที่ผู้สังเกตจะลงมือวัดเสมอ         และเมื่อถึงยุคไอน์สไตน์ที่มีทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ กับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเป็นทฤษฎีหลัก การปักใจเชื่อในความสามารถ และสมมติฐานของวิชาฟิสิกส์ก็ยังปรากฏอยู่ และเมื่อไอน์สไตน์เน้นย้ำว่า ความเร็วแสงมีค่าจำกัด และไม่เปลี่ยนแปลง โลกฟิสิกส์ก็ได้ปรับเปลี่ยนความหมายของคำ พร้อมกัน อดีต และอนาคตใหม่เพราะคำเหล่านี้ขึ้นกับความเร็วในการเคลื่อนที่ของผู้สังเกต ถึงกระนั้น นักฟิสิกส์ทุกคนเมื่อ 80 ปีก่อนนี้ก็รู้ดีว่า ถ้าเขาสามารถแก้สมการทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษและทั่วไปได้ เขาก็จะรู้แจ้งเห็นจริงในเหตุการณ์ต่างๆ ทั้งที่ จะเกิดขึ้นในอนาคต และได้เกิดแล้วในอดีตได้อย่างแม่นยำ 100 เปอร์เซ็น เต็มเช่นกัน         แต่เมื่อโลกรู้จักอะตอม และกลศาสตร์ควอนตัมที่ใช้อธิบายปรากฏการณ์ต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับอะตอม นักฟิสิกส์ก็ประจักษ์ว่า ฟิสิกส์ควอนตัมแตกต่างจากฟิสิกส์นิวตันและฟิสิกส์ไอน์สไตน์อย่างสิ้นเชิง ไม่ว่าจะเป็น ด้านหลักการ แนวคิด หรือเทคนิคคณิตศาสตร์ที่ใช้ในการคำนวณ         และถึงแม้กลศาสตร์ควอนตัมจะประสพความสำเร็จสูงในการอธิบายสมบัติต่างๆ ของอะตอมก็ตาม แต่ไอน์สไตน์ก็ยังกล่าวว่า “ทัศนคติของข้าพเจ้าที่มีต่อกลศาสตร์ควอนตัมนั้น มีทั้งชื่นชม และไม่ไว้ใจ” ตลอดเวลา เช่น ในวันที่ 7 พฤศจิกายน พ.ศ. 2487 (11 ปีก่อนจะเสียชีวิต) ไอน์สไตน์ก็ยังไม่เชื่อใจกลศาสตร์ควอนตัม เพราะในจดหมายที่ไอน์สไตน์เขียนถึงบอห์ร (Niels Bohr) ไอน์สไตน์ก็ยังเน้นว่า ถึงแม้กลศาสตร์ควอนตัมจะประสพความสำเร็จสูงมาก แต่ก็ยังไม่สามารถทำให้ข้าพเจ้าเชื่อในการใช้โอกาสของการทอดลูกเต๋า เวลาอธิบายธรรมชาติ และแม้กระทั่งใกล้วาระสุดท้ายของชีวิต ไอน์สไตน์ก็ยังตอกย้ำความเชื่อของตนที่ว่า พระผู้เป็นเจ้ามิได้เล่นลูกเต๋า “gott wiinfelt nicht!” อยู่เสมอ         ไม่เพียงแต่ไอน์สไตน์เท่านั้นที่มิได้ยอมรับกลศาสตร์ควอนตัม นักฟิสิกส์ผู้ยิ่งใหญ่คนอื่นๆ เช่น แอนทูน ลอเรนตซ์ (Antoon Lorentz) ก็ได้เคยกล่าวว่า “ในความเห็นของข้าพเจ้า อิเล็กตรอนเป็นอนุภาค ดังนั้น ณ เวลาหนึ่งมันจะต้องอยู่ ณ ตำแหน่งหนึ่ง และในเวลาต่อมามันก็จะต้องอยู่ ณ อีกตำแหน่งหนึ่ง ข้าพเจ้าจึงใคร่จะเห็นการเคลื่อนที่ของมันในลักษณะวิถีโคจร เพราะข้าพเจ้าเชื่อว่า การอธิบายธรรมชาติใดๆ จะแจ่มชัด ถ้าเราเห็นภาพ” และนี่คือถ้อยแถลงของลอเรนตซ์ ในที่ประชุม Solbay Congress เมื่อ พ.ศ. 2470 ซึ่งเป็นเวลาสองปี หลังจากที่ เวอร์เนอร์ ไฮเซนเบิร์ก (Werner Heisenberg) ได้เสนอหลักความไม่แน่นอนของเขา        และแม้แต่ แมกซ์ แพลงก์ (Max Planck) บิดาของทฤษฎีควอนตัมเอง ก็ยังยืนยันในปี 2474 ว่า กลศาสตร์ควอนตัมเป็นวิทยาการที่ยังไม่สมบูรณ์        ทั้งนี้เพราะกลศาสตร์ควอนตัมมีหลักการต่างๆ ที่ขัดความรู้สึกหรือสามัญสำนึกนั่นเอง อาทิ หลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์กซึ่งแถลงว่า เราไม่สามารถจะรู้ข้อมูลความเร็วและตำแหน่งของ อนุภาคได้อย่างแม่นยำพร้อมกัน ทั้งนี้เพราะในโลกของอะตอมนั้น ในการรู้หรือการวัดอะไรก็ตาม ผู้วัดจะรบกวนระบบเสมอ ทำให้มันมีสมบัติไม่เหมือนเดิม เช่น ถ้าเราต้องการจะรู้ตำแหน่งของอนุภาคอย่างถูกต้อง 100 เปอร์เซ็นต์เต็ม เราต้องทำให้มันหยุดนิ่ง เพื่อจะวัดตำแหน่งได้อย่างไม่ผิดพลาด แต่ความพยายามจะทำให้มันหยุดนั้น ในขณะเดียวกันก็ได้รบกวนความเร็วที่มันมีอยู่เดิม ในทำนองตรงกันข้าม ถ้าเราต้องการจะรู้ความเร็วของอนุภาคอย่างแม่นยำ 100 เปอร์เซ็นต์เราก็ไม่ต้องการให้มันหยุดและ เมื่อมันไม่หยุดความผิดพลาดในการวัดตำแหน่งก็จะเกิดขึ้นทันที นั่นคือเราไม่รู้ตำแหน่งที่แน่นอนของมันอีกต่อไป        ดังนั้นในโลกกลศาสตร์ควอนตัม ความพยายามจะรู้ข้อมูลหนึ่ง จะรบกวนความพยายามที่จะรู้อีกข้อมูลหนึ่งเสมอ และนักฟิสิกส์ ณ วันนี้ก็ตระหนักได้ว่า ข้อจำกัดเหล่านี้มิได้เกิดจากความโง่เขลา หรือความบกพร่องผิดพลาดของอุปกรณ์ แต่เกิดจากธรรมชาติของอะตอมที่มนุษย์ไม่สามารถจะทำอะไรให้ดีขึ้นได้นั่นเอง         นอกจากหลักความไม่แน่นอนที่นักฟิสิกส์ในอดีตไม่เคยคิดว่าจะมีนี้แล้ว อีกหลักการสำคัญของวิชาฟิสิกส์ควอนตัมที่นับว่าแตกต่างจากวิชาฟิสิกส์นิวตันหรือฟิสิกส์ไอน์สไตน มากก็คือ ในวิชากลศาสตร์ควอนตัม ถึงแม้เราจะรู้ข้อมูลตำแหน่ง และความเร็วของอนุภาคทุกตัวในขณะหนึ่งขณะใด และรู้อันตรกิริยาระหว่างอนุภาคเหล่านั้นหมดแล้ว เราก็ไม่สามารถบรรยายอนาคต หรือระบุอดีตได้ว่า อนุภาคเหล่านั้น ในเวลาต่อมา หรือที่ผ่านมา เคยอยู่ที่ใดหรือจะอยู่ที่ใด ฯลฯ ได้อย่างแน่นอน 100 เปอร์เซ็นต์        ทั้งนี้เพราะอนุภาควอนตัมสามารถอยู่ในทุกสถานที่ได้ ในเวลาเดียวกันและสถานที่ต่างกัน มีโอกาสที่จะพบอนุภาคได้ต่างกัน ดังนั้นในโลกฟิสิกส์ของนิวตันและไอน์สไตน์ 5+3 ต้องเท่ากับ 8 เสมอ แต่ในโลกควอนตัม 5+3 อาจจะเท่ากับ 6, 1,000 หรือ 1,000,000 ก็ได้ และถึงแม้โอกาสที่จะได้คำตอบเป็น 6, 1,000 หรือ 1,000,000 นั้น กลศาสตร์ควอนตัม สามารถใหคำตอบได้แม่นยำ แต่ 8  ก็เป็นคำตอบที่กลศาสตร์ควอนตัม บอกว่าจะมีโอกาสเกิดได้มากที่สุด         ดังนั้นในมุมมองของนิวตัน หรือไอน์สไตน์ เหตุการณ์ต่างๆ มีโอกาสเกิดเท่ากับ 0 เปอร์เซ็นต์ หรือ100 เปอร์เซ็นต์ คือไม่เกิดหรือเกิดแน่ๆ แต่ในโลกควอนตัม โอกาสการเกิดของเหตุการณ์มีค่าได้ต่างๆ นานา  ตั้งแต่ 0 เปอร์เซ็นต์ - 100 เปอร์เซ็นต์         ด้วยเหตุนี้เราจึงไม่รู้สึกแปลกใจที่รู้ว่า ไอน์สไตน์รู้สึกอึดอัดใจมากที่นักฟิสิกส์ควอนตัมใช้โอกาสความเป็นไปได้ในการอธิบายธรรมชาติทุกเรื่อง เพราะไอน์สไตน์เชื่อว่าฟิสิกส์เป็นวิชาที่ควรสามารถทำนายเหตุการณ์ต่างๆ ที่เกิดขึ้นได้แน่ชัด ไม่ใช่ทำนายในทำนองโอกาสเหมือนกับการทอดลูกเต๋า และนักฟิสิกส์ไม่ควรสร้างวิชาฟิสิกส์ โดยอาศัยแนวคิดแบบนักพนันที่ชอบคำนวณโอกาส เพราะถ้าคำนวณได้แต่โอกาส นั่นแสดงว่า นักฟิสิกส์ควอนตัมยังไม่รู้จักธรรมชาติอย่างแท้จริง         แต่เมื่อวิชากลศาสตร์ควอนตัมประสพความสำเร็จทุกครั้งที่ใช้อธิบายอะตอม ไอน์สไตน์ก็ได้ปรับการวิพากษ์วิจารณ์กลศาสตร์ควอนตัม โดยแทนที่จะแถลงว่ากลศาสตร์ควอนตัมเหลวไหล ไอน์สไตน์ได้ทุ่มเทความพยายามในการชี้ให้ทุกคนเห็นว่ากลศาสตร์ควอนตัมยังไม่สมบูรณ์ เช่น ได้ชี้ให้ เห็นว่า ในการแก้สมการชโรดิงเจอร์หาฟังก์ชันคลื่นนั้น ฟังก์ชันคลื่นบอกสมบัติของกลุ่มอนุภาค คือมิได้บอกสมบัติของอนุภาคแต่ละตัว ดังนั้น ถ้านักฟิสิกส์ยังไม่รู้สมบัติที่แท้จริงของ อนุภาคแต่ละตัว นั่นก็เท่ากับว่า นักฟิสิกส์ยังไม่รู้ความจริงที่สมบูรณ์  ซึ่งข้อโต้แย้งเกี่ยวกับความหมายของฟังก์ชันคลื่นนี้ แมกซ์ บอร์น (Max Born) ได้ชี้แจงให้ไอน์สไตน์เข้าใจความหมายที่แท้จริงในเวลาต่อมาว่าใช้บอกโอกาสความเป็นไปได้ของอนุภาคตัวเดียวหาได้บอกสมบัติเฉลี่ยของ กลุ่มอนุภาคไม่         ข้อขัดแย้งอีกประการหนึ่งที่ไอน์สไตน์รู้สึกไม่สบายใจมากเกี่ยวกับปรัชญาของกลศาสตร์ควอนตัมคือ ไอน์สไตน์เชื่อว่า ธรรมชาติมีสมบัติต่างๆ อยู่เรียบร้อยแล้ว ก่อนที่นักฟิสิกส์จะลงมือวัด แต่วิชากลศาสตร์ควอนตัมระบุว่า เราไม่สามารถบอกได้ว่าอิเล็กตรอนเป็นคลื่นหรืออนุภาคกันแน่  ก่อนที่เราจะลงมือศึกษามันและเราจะบอกได้ว่ามันเป็นคลื่นหรืออนุภาค หลังจากที่เราทดลองศึกษามัน ความอึดอัดใจเรื่องนี้ทำให้ครั้งหนึ่งไอน์สไตน์เคยถาม วูล์ฟกัง เพาลิ (Wolfgang Pauli) ว่า ถ้าเราไม่เงยหน้าดูดวงจันทร์ ดวงจันทร์ก็ไม่มีใช่ไหม ซึ่งนักกลศาสตร์ควอนตัมก็จะตอบว่า “ไม่มี” ถ้ายังไม่เงยดู แต่ทันทีที่เห็นดวงจันทร์เราก็จะตอบว่า “มี” ถึงแม้ว่าความ ขัดแย้งเหล่านี้ได้ทำให้ไอน์สไตน์ไม่สะดวกใจที่จะทำงานด้านกลศาสตร์ควอนตัม แต่เขาก็ยังพยายามหาจุด บกพร่องของวิชานี้มาวิพากษ์วิจารณ์ เพื่อให้นักฟิสิกส์ควอนตัมปรับปรุงวิธีคิด วิธีคำนวณของตน เช่น ในปี 2478 ไอน์สไตน์กับ นาทาน โรเซน (Nathan Rosen) และ บอริส  โพโดลสกี (Boris Podolsky) ได้ร่วมกันเขียนงานวิจัยชิ้นหนึ่ง วิจารณ์ ความไม่สมบูรณ์ของกลศาสตร์ควอนตัมว่า วิชานี้อนุญาตให้มีเหตุการณ์ประหลาดๆ เกิดขึ้นได้ เช่น ให้อนุภาคที่อยู่ห่างกันคนละขอบฟ้าสามารถติดต่อถึงกันได้โดยใช้สัญญาณที่มีความเร็วสูงกว่าแสง         ตามปกตินั้น เรารู้ดีว่าเวลาอนุภาค อยู่ห่างกันมาก มันจะเป็นอิสระจากกัน ยกตัวอย่างเช่น เราและเพื่อนยืนอยู่คนละข้างของสนามฟุตบอล และเราต้องการส่งสัญญาณ เช่น เสียง แสง หรือส่งคนไปหาเพื่อนเพื่อบอกข่าว ถ้าเราไม่ส่งสัญญาณอะไรเลย เราและเพื่อนต่างคนก็ต่างอยู่ โดยไม่มีใครมีอิทธิพลต่อกัน แต่ในกลศาสตร์ควอนตัมนั้น ถึงแม้เราจะเดินแยกจากเพื่อนไปอยู่ไกลจากกันเป็นปีแสง เรากับเพื่อนก็มีความเชื่อมโยง เชิงควอนตัม (entanglement) ถึงกันตลอดเวลา ดังนั้นสองเราจริงๆ แล้วก็คือ หนึ่งเรา เพราะไม่ว่าอะไรจะเกิดขึ้นกับเพื่อนเรา เราก็จะรู้สึกว่า เราถูกกระทบกระเทือนเช่นกันในทันทีทันใด เสมือนสัญญาณการรบกวนนั้นได้เดินทางจากเพื่อนเรามาสู่เราด้วยความเร็วสูงกว่าแสง         ซึ่งเหตุการณ์เช่นนี้ ณ วันนี้ ได้รับการพิสูจน์โดยการทดสอบแล้วว่ามีจริง แต่เมื่อการพิสูจน์ได้เกิดหลังจากที่ไอน์สไตนได้เสียชีวิตไปแล้ว 25 ปี ดังนั้น เราจึงไม่ควรสงสัยว่า เหตุใดไอน์สไตน์จึงไม่สามารถยอมรับกลศาสตร์ควอนตัมได้อย่างสุดหัวใจตลอดเวลาที่ยังมีชีวิตอยู่ ทั้งนี้เพราะไอน์สไตน์เข้าใจ(จุดบdพร่อง) ของกลศาสตร์ควอนตัมมากกว่าคนที่สร้างวิชากลศาสตร์ควอนตัมนั่นเอง                                                โดย... ดร.สุทัศน์ ยกส้าน พบกับเรื่องนี้ได้ที่ : http://update.se-ed.com/215/quantum.htm กลับไปหน้าบทความ/สารคดี   UpDATE นิตยสารรายเดือน ราคาฉบับละ 75 บาท http://update.se-ed.com อัตราสมาชิก 12 ฉบับ 825 บาท จัดพิมพ์โดย บริษัท ซีเอ็ดยูเคชั่น จำกัด(มหาชน) อาคารเนชั่นทาวเวอร์ ชั้น 19 เลขที่ 46/87-90 ถ.บางนา-ตราด แขวงบางนา เขตบางนา กรุงเทพฯ 10260 โทร.0 2739 8111 โทรสาร 0 2739 8228 E-mail : update@se-ed.com