แมวในกล่องของชเรอดิงเงอร์และควอนตัม ฟิสิกส์ฉบับคนไม่เคยเรียนสายวิทย์ (1)

ระหว่างที่คุณกำลังอ่านตัวหนังสือตรงหน้า อาจจะบนหน้าจอมือถือในห้องนั่งเล่น คุณคิดว่าเป็นไปได้มั้ยที่คุณจะนอนหลับอยู่ในห้องข้างๆ ไปพร้อมกัน คุณอาจจะถามคนเขียนว่าบ้าหรือเปล่า ถ้าเป็นในหนัง sci-fi ก็ว่าไปอย่าง แต่นี่เป็นชีวิตจริง คุณจะไปแยกร่างอยู่สองที่ในเวลาเดียวกันได้ยังไง
.
คำถามก็คือ ทำไม “คุณ” ทำไม่ได้?
.
ในเมื่อโลกของ ควอนตัม ฟิสิกส์ (Quantum Physics) ซึ่งเป็นโลกของอนุภาคที่เล็กมากๆๆๆ เล็กกว่าอะตอม เช่น อิเล็กตรอน โฟตอน (คุณอาจจะงงว่ามันคืออะไร ไม่ต้องรู้สึกแย่ไป ผู้เขียนก็งงเหมือนกันตอนแรก เพราะผู้เขียนเรียนวิทยาศาสตร์ในสถานศึกษามาน้อยมาก แต่ขอให้เข้าใจว่ามันเป็นหน่วยที่เล็กเหลือเกิน มีมวลเท่ากับศูนย์ เดินทางด้วยความเร็วแสง) ทำอยู่ตลอดเวลา มันสามารถอยู่สองที่ในเวลาเดียวกันได้ หรือ อาจจะมากกว่าสองที่ สามที่ สี่ที่ … เพิ่มไปเรื่อยๆ
.
เรารู้ว่าโลกของควอนตัม ฟิสิกส์เป็นเช่นนั้น เพราะเราอาศัยการที่มันสามารถอยู่หลายที่ในเวลาเดียวกัน หรือ มีสถานะหลายอย่างในเวลาเดียวกันในการพัฒนาเทคโนโลยีต่างๆ มากมาย เช่น หน้าจอ LED ที่คุณถือ การ์ดจอคอมพิวเตอร์ที่เราใช้ พลังงานนิวเคลียร์ ฯลฯ ถ้ามันไม่อยู่หลายที่ในเวลาเดียวกันเราจะไม่มีเทคโนโลยีเหล่านี้ใช้เด็ดขาด
.
เดี๋ยวก่อน…แล้วโลกควอนตัม ฟิสิกส์ มันไม่ใช่โลกที่เราอยู่เหรอ
.
คำตอบก็คือ ใช่ มันเป็นโลกเดียวกับที่เราอยู่นั้นแหล่ะ แต่ทำไมเจ้าอนุภาคเหล่านี้ถึงมีพลังพิเศษที่เราไม่มี ในเมื่อตัวเราเองก็ประกอบมาจากอนุภาคเหล่านี้ เส้นแบ่งระหว่างโลกระดับอนุภาค กับ โลกของสิ่งของขนาดใหญ่ทั่วไปที่เรามองเห็นด้วยตามันอยู่ตรงไหน
.
คำตอบก็คือ แม้แต่นักควอนตัม ฟิสิกส์เองก็ยังตอบไม่ได้
.
ลองมาดูการทดลองทางความคิดที่น่าจะดังที่สุดในโลกของควอนตัม ฟิสิกส์กัน
.
“แมวในกล่องของชเรอดิงเงอร์” (Schrodinger’s cat)1
.
สมมุติว่าเราเอาแมวไปใส่ในกล่องขนาดใหญ่พอประมาณ ข้างเจ้าแมวมีสารกัมมันตภาพรังสีอยู่ ทีนี้สารกัมมันตภาพรังสีมันเชื่อมอยู่กับเครื่องวัดสารกัมมันตภาพรังสีซึ่งมีค้อนแขวนอยู่ ถ้าเกิดว่าเครื่องวัดสารกัมมันตภาพรังสีวัดรังสีเจอ มันก็จะปล่อยค้อนที่แขวนอยู่ และไอ้เจ้าค้อนที่แขวนอยู่ก็จะไปทุบขวดแก้วใส่ยาพิษไซยาไนด์ แมวที่นั่งงงอยู่ข้างขวดยาพิษก็จะไม่รอด แต่ถ้าเครื่องวัดกัมมันตภาพรังสีวัดรังสีไม่เจอ ค้อนก็จะไม่ทุบขวดยาพิษ แมวก็จะอยู่ข้างกล่องต่อไปโดยไม่ตาย
.
แต่ปัญหาก็คือ ก้อนสารกัมมันตภาพรังสีเนี่ยมันเต็มไปด้วยอนุภาคเล็กๆ ซึ่งดำเนินตามกฎของควอนตัม ฟิสิกส์ ดังนั้นมันจึงปล่อยรังสีและไม่ปล่อยในเวลาเดียวกัน (อย่างที่บอกข้างบน เจ้าอนุภาคพวกนี้มันมีพลังที่มนุษย์ตัวใหญ่ไม่มี มันสามารถทำสองอย่างในเวลาเดียวกันได้) เครื่องวัดรังสีที่ติดอยู่กับมันก็ควรจะวัดได้ว่ามีรังสีและวัดไม่ได้ว่ามีรังสีในเวลาเดียวกัน ค้อนก็จะต้องทุบและไม่ทุบในเวลาเดียวกัน ขวดยาพิษก็จะต้องแตกและไม่แตกในเวลาเดียวกัน เจ้าแมวก็จะต้องทั้งมีชีวิตอยู่และตายในเวลาเดียวกัน
.
แต่…เราต่างก็รู้ว่าในโลกที่เราอยู่ แมวมันอยู่และตายในเวลาเดียวกันไม่ได้ เมื่อเราเปิดกล่องออกถ้าแมวไม่นั่งงงมีชีวิตอยู่ว่าฉันมาทำอะไรในกล่องนี่ มันก็ต้องตายเพราะยาพิษแล้วเท่านั้น
.
ก่อนที่เราจะเปิดกล่องดู แมวอยู่ในสภาพที่นักฟิสิกส์เรียกว่า “สถานะทับซ้อน” (superposition) คือ ทั้งอยู่และตายในเวลาเดียวกัน
มันเป็นไปได้อย่างไร
.
ปริศนาธรรมแห่งควอนตัม ฟิสิกส์นี้มีผู้พยายามตอบมากมาย แต่ยังไม่ได้มีมติเอกฉันท์ว่าคำตอบใดคือคำตอบที่เมคเซนส์ที่สุด หรือ เผลอๆ อาจจะยังไม่มีคำตอบใดถูกเลยก็ได้
.
หนึ่งในคำตอบที่ทรงอิทธิพลยาวนานที่สุดเรียกว่า “การตีความแบบโคเปนเฮเกน” (The Copenhagen Interpretation) ก่อนที่จะสั่นคลอนในช่วงไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมา ซึ่งเดี๋ยวจะมาดูต่อกันโพสต์หน้าว่าการตีความโคเปนเฮเกนนี้เขาว่าอย่างไรกันบ้าง
.
ระหว่างนั้นคุณผู้อ่านจะขบคิดถึงแมวไปพลางๆ ผ่านวิดิโอ TED-Ed ด้านล่างนี้ก่อน
https://youtu.be/UjaAxUO6-Uw
———————————————————
.
1แอร์วิน ชเรอดิงเงอร์ (Erwin Schrodinger) นักฟิสิกส์ชาวออสเตรียนไอริชผู้คิดค้นสมการชเรอดิงเงอร์ที่ใช้คำนวณฟังก์ชั่นคลื่นของควอนตัม เจ้าของรางวัลโนเบลปี 1933
.
อ้างอิง
Becker, Adam. What is Real?. 2019. John Murray. United Kingdom.
สิขรินทร์ อยู่คง.แมวของชเรอดิงเงอร์. 2015. Retrieved from https://link.medium.com/9NIHyfAfF4
Chad Orzel. Schrödinger’s cat: A thought experiment in quantum mechanics. 2014. Retrieved from https://youtu.be/UjaAxUO6-Uw
.
ใครสนใจเรื่องควอนตัม ฟิสิกส์ สามารถหาดูวิดิโอในยูทูบได้มากมาย ขอแนะนำ
https://youtu.be/Usu9xZfabPM (If You Don’t Understand Quantum Physics, Try This!)
https://youtu.be/CBrsWPCp_rs (Quantum Theory – Full Documentary HD)
https://youtu.be/ARWBdfWpDyc (Quantum Physics for 7 Year Olds | Dominic Walliman | TEDxEastVan)
https://youtu.be/Da-2h2B4faU (String Theory Explained – What is The True Nature of Reality?)
https://youtu.be/kF4ju6j6aLE (String theory – Brian Greene)