ไอน์สไตน์กับทฤษฎีควอนตัม

ฟิสิกส์ตามแบบฉบับของนิวตันตั้งอยู่บนหลักการที่ว่า ถ้าเรารู้แรงที่กระทำต่ออนุภาค อีกทั้งรู้ตำแหน่งและความเร็วของอนุภาคแล้ว เราสามารถใช้กฎการเคลื่อนที่ของนิวตันคำนวณได้เสมอว่า ในอนาคตอนุภาคตัวนั้นจะอยู่ที่ใด และมีความเร็วเท่าใด และถ้าเราต้องการรู้อดีตของอนุภาคนั้น เราก็สามารถรู้ได้เช่นกันว่า มันเคยอยู่ที่ใด และมีความเร็วเท่าใด โดยไม่ยากลำบากเลย และนั่นก็หมายความว่า การรู้ข้อมูลของเหตุการณ์ปัจจุบัน ทำให้เราสามารถทำนายอนาคต และระลึกอดีตได้หมด

นอกจากนี้ ฟิสิกส์ยุคเก่าก็ยังยึดมุมมองเกี่ยวกับธรรมชาติอีกว่า ในการลงมือศึกษาคุณสมบัติของสิ่งใดก็ตาม การวัดหรือการสังเกตสิ่งนั้น จะไม่ทำให้คุณสมบัติของสิ่งนั้นเปลี่ยนแปลง และสิ่งต่างๆ มีคุณสมบัติทุกรูปแบบอยู่แล้ว ก่อนที่ผู้สังเกตจะลงมือวัดคุณสมบัติต่างๆ เสมอ

ครั้นเมื่อถึงยุคของไอน์สไตน์ การปักใจเชื่อในความสามารถ และปรัชญาของฟิสิกส์ก็ยังคงมีอยู่ แต่เมื่อไอน์สไตน์แถลงว่า ความเร็วแสงมีค่าจำกัดที่ไม่เปลี่ยนแปลง ไม่ว่าผู้สังเกตจะเคลื่อนที่อย่างไร นักฟิสิกส์ก็ต้องปรับความนึกคิดเรื่องความหมายของคำว่า อดีต อนาคต และความพร้อมกันใหม่ เพราะคำเหล่านี้ขึ้นกับความเร็วของผู้สังเกต จะอย่างไรก็ตาม นักฟิสิกส์ทุกคนในสมัยเมื่อ 80 ปีก่อนนี้ เชื่อว่า ทฤษฎีนิวตัน และทฤษฎีไอน์สไตน์สามารถทำนายอนาคต และล่วงรู้อดีตได้อย่างแม่นยำ

แต่เมื่อโลกรู้จักทฤษฎีควอนตัมที่ใช้อธิบายปรากฏการณ์ต่างๆ ของอะตอม นักฟิสิกส์ก็ประจักษ์ว่า ทฤษฎีควอนตัมแตกต่างจากทฤษฎีฟิสิกส์อื่นๆ มาก ไม่ว่าจะเป็นด้านหลักการ แนวคิด หรือเทคนิคคำนวณคือมากเสียจนทำให้ไอน์สไตน์ไม่ไว้ใจว่า วิชากลศาสตร์ควอนตัมเป็นทฤษฎีที่สามารถอธิบายธรรมชาติที่แท้จริงของอะตอมได้ เพราะทฤษฎีนี้ใช้สถิติหรือโอกาสความเป็นไปได้ในการอธิบายธรรมชาติ

ไม่เพียงแต่ไอน์สไตน์เท่านั้น ที่ไม่ยอมรับทฤษฎีควอนตัม นักฟิสิกส์ผู้ยิ่งใหญ่คนอื่นๆ เช่น Antoon Lorentz และ Max Planck ต่างก็ยืนยันว่า กลศาสตร์ควอนตัมของ Werner Heisenberg และ Erwin Schroedinger เป็นวิทยาการที่ไม่สมบูรณ์

ทั้งนี้ เพราะในโลกของกลศาสตร์ควอนตัม เวลานักฟิสิกส์ต้องการจะรู้คุณสมบัติหนึ่งของอนุภาคโดยการวัด ความพยายามนั้น จะกระทบกระเทือนคุณสมบัติอื่นอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้เสมอ เช่น ถ้าเราต้องการจะรู้ตำแหน่งของอนุภาคอย่างแม่นยำที่สุด เราต้องทำให้มันหยุดนิ่ง นั่นคือเรารบกวนความเร็วของมัน เพื่อว่าเราจะรู้ตำแหน่งได้ดีที่สุด นี่คือหลักความไม่แน่นอนของ Heisenberg ที่นักฟิสิกส์ต้องเผชิญเวลาศึกษาอะตอม และในวิชาฟิสิกส์ยุคเก่าเราไม่มีข้อจำกัดเช่นนี้เลย

ความแตกต่างที่สำคัญอีกประการหนึ่ง ระหว่างกลศาสตร์ควอนตัมกับกลศาสตร์นิวตัน และกลศาสตร์ไอน์สไตน์คือ ในกลศาสตร์ควอนตัมนั้น ถึงแม้เราจะรู้ข้อมูลของตำแหน่งความเร็ว และแรงที่กระทำต่ออนุภาค ณ เวลาปัจจุบัน แต่เราก็ไม่สามารถจะรู้อนาคตของอนุภาคตัวนั้นได้อย่างแม่นยำ 100% ในอนาคต ทั้งนี้ เพราะอนุภาคสามารถปรากฏตัวในทุกสถานที่ได้ในเวลาเดียวกัน และสถานที่เหล่านั้น มีโอกาสหรือความเป็นไปได้ที่จะพบในค่าต่างๆ กัน

ดังนั้น ถ้าเราจะกล่าวโดยย่อในวิชากลศาสตร์นิวตันกับกลศาสตร์ไอน์สไตน์ ถ้ารู้สาเหตุแม่นยำ เราก็จะรู้ผลได้อย่างแม่นยำ แต่ในวิชากลศาสตร์ควอนตัม ถึงแม้จะรู้สาเหตุอย่างแม่นยำ เราก็ไม่สามารถจะคำนวณผลได้อย่างแม่นยำ ทั้งนี้ เพราะผลที่ได้มีโอกาสเกิดได้ต่างๆ นานา ยกตัวอย่างเช่น ในกลศาสตร์ยุคเก่า 8+10 ต้องเท่ากับ 18 แต่ในกลศาสตร์ควอนตัม 8+10 อาจเป็น 6, 13, 90, 10,000 ฯลฯ ก็ได้ แต่ค่าที่เป็นไปได้มากที่สุดคือ 18

ตัวอย่างที่ยกมานี้ ได้ทำให้ไอน์สไตน์รู้สึกอึดอัดใจมาก เพราะไอน์สไตน์เชื่อว่าฟิสิกส์เป็นวิชาที่ควรสามารถทำนายเหตุการณ์ต่างๆ ว่าเกิด (โอกาส=100%) หรือไม่เกิด (โอกาส=0%) อย่างหนึ่งอย่างใด ไม่ใช่เกิดก็ได้บ้าง ไม่เกิดก็ได้บ้าง เช่นที่กลศาสตร์ควอนตัมคิด เพราะถ้านักฟิสิกส์รู้แต่โอกาสนั่นแสดงว่า นักฟิสิกส์ควอนตัมยังไม่รู้ธรรมชาติที่แท้จริงของอะตอม

แต่เมื่อวิชากลศาสตร์ควอนตัมประสบความสำเร็จสูง ทุกครั้งที่ใช้อธิบายและทำนายคุณสมบัติของอะตอม ไอน์สไตน์จึงได้ปรับการวิพากษ์วิจารณ์วิทยาการนี้ใหม่ โดยแทนที่จะติติงว่า กลศาสตร์ควอนตัวเหลวไหล เขาได้พยายามชี้ให้เห็นว่า กลศาสตร์ควอนตัมยังไม่สมบูรณ์ เพราะไม่ได้ทำให้มนุษย์รู้คุณสมบัติที่แท้จริงของอนุภาคแต่ละตัวในระบบ ซึ่งข้อโต้แย้งนี้ Max Born ได้ชี้แจงให้ไอน์สไตน์เข้าใจความหมายที่แท้จริงว่า วิชานี้สามารถบอกโอกาสที่อนุภาคจะมีคุณสมบัติต่างๆ หาได้บอกคุณสมบัติเฉลี่ยของกลุ่มอนุภาคดังที่ไอน์สไตน์คิดไม่

ความขัดแย้งอีกเรื่องหนึ่งที่ทำให้ไอน์สไตน์รู้สึกอึดอัดมากคือ ไอน์สไตน์เชื่อว่า ทุกสิ่งทุกอย่างมีคุณสมบัติต่างๆ อยู่พร้อม ก่อนที่นักฟิสิกส์จะลงมือศึกษา แต่ในวิชากลศาสตร์ควอนตัม นักฟิสิกส์ไม่สามารถจะบอกได้ว่าสิ่งนั้นมีหรือไม่มี หรือมีค่ามากน้อยเพียงใด จนกว่าเขาจะได้ทดลองวัด เช่น เขาไม่สามารถจะบอกได้ว่า อิเล็กตรอนเป็นคลื่นหรือเป็นอนุภาคจนกว่าเขาจะให้มันผ่านช่องแคบเล็กๆ มันก็จะเป็นคลื่น แต่ถ้าให้มันกระทบโลหะ มันก็จะเป็นอนุภาค ความอึดอัดใจทำนองนี้ ได้ทำให้ไอน์สไตน์เคยถาม Wolfgang Pauli ว่า "ถ้าเราไม่เงยหน้าดูดวงจันทร์ ดวงจันทร์ก็ไม่มี ใช่ไหม" ซึ่งนักกลศาสตร์ควอนตัมก็จะตอบว่า "ไม่มี" จนกระทั่งเงยดู

ในปี พ.ศ. 2478 Einstein กับ Nathan Rosen และ Boies Podolsky ได้ตีพิมพ์งานวิจัยชิ้นหนึ่งที่โลกรู้จักในนามว่า EPR Paradox ซึ่งแสดงให้เห็นความ "เหลวไหล" ของกลศาสตร์ควอนตัมที่อนุญาตให้อนุภาคสองตัวที่อยู่ห่างกันสามารถติดต่อกันได้ โดยใช้สัญญาณที่มีความเร็วสูงกว่าแล้ว

ตามปกติ เราทุกคนย่อมรู้ดีว่า เวลาอนุภาค 2 ตัวอยู่ห่างกันมาก มันจะเป็นอิสระจากกัน เช่น สมมติเราและเพื่อนกำลังยืนคนละข้างของสนามฟุตบอล และต้องการส่งสัญญาณเสียงหรือแสงเพื่อส่งข่าว หากเราไม่ส่งสัญญาณถึงกัน เราและเพื่อนก็จะอยู่ในสภาพต่างคนต่างอยู่ คือไม่มีใครมีอิทธิพลเหนือใคร

แต่ในกลศาสตร์ควอนตัม ถึงแม้เราและเพื่อนจะเดินแยกจากกันไกลคนละขอบฟ้า แต่เรากับเพื่อนก็มีความพัวพันเชิงควอนตัม (quantum entanglement) ตลอดเวลา ทำให้สองเรามีสภาพเป็นหนึ่งเรา ที่ไม่ว่าอะไรจะเกิดขึ้นกับเพื่อนเรา เราก็จะรู้สึกทันที และในทำนองตรงกันข้าม ไม่ว่าอะไรจะเกิดขึ้นกับเรา เพื่อนเราก็จะรู้สึกทันทีเช่นกัน จนเสมือนว่า สัญญาณที่ส่งถึงกันและกันนั้น มีความเร็วสูงกว่าแสง

ซึ่งเหตุการณ์เช่นนี้ ณ วันนี้ได้รับการพิสูจน์โดยการทดลองแล้วว่า มีจริง แต่การพิสูจน์ได้เกิดขึ้นหลังจากที่ไอน์สไตน์เสียชีวิตไปแล้ว 25 ปี

การมีเหตุการณ์ประหลาดๆ ในวิชาควอนตัม ดังที่กล่าวมานี้ได้ทำให้ไอน์สไตน์ไม่ยอมรับวิชาควอนตัม ตราบจนวาระสุดท้ายของชีวิต แต่ถึงจะทำใจไม่ได้ ไอน์สไตน์ก็รู้ดีว่า วิชานี้มีความสำคัญมาก ดังนั้น ไอน์สไตน์จึงได้เสนอให้ W. Heisenberg และ E.Schroedinger เป็นผู้สมควรรับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ ซึ่งบุคคลทั้งสองก็ได้รับรางวัลอันทรงเกียรติในปี พ.ศ. 2475 และ พ.ศ. 2476 ตามลำดับ และถ้าไอน์สไตน์ยังมีชีวิตอยู่จนถึงวันนี้ เขาก็ต้องทำใจต่อไปอีกว่า ในทฤษฎีของสรรพสิ่งที่มีการรวมทฤษฎีควอนตัมกับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปนั้น ทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์จะต้องถูกปรับเปลี่ยนโดยทฤษฎีควอนตัมที่เขาต่อต้านตลอดมาครับ

สุทัศน์ ยกส้าน ภาคีสมาชิก ราชบัณฑิตยสถาน