"ความพัวพัน" ควอนตัมที่ไอน์ไสตน์เมิน สั่นคลอนสัมพัทธภาพพิเศษ

เป็นที่ทราบกันในวงการฟิสิกส์ว่า "ควอนตัม" และ "ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ" ของไอน์สไตน์นั้น ไปด้วยกันไม่ค่อยได้เท่าไหร่นัก และดูเหมือนว่า "ความพัวพัน" ซึ่งส่วนของควอนตัม อาจจะสั่นคลอนรากฐานทฤษฎีของไอน์สไตน์ ที่ได้รับการยอมรับให้เป็นศิลาแห่งการตั้งต้นฟิสิกส์ยุคใหม่

ความเกี่ยวพัน หรือ ความพัวพัน (Entanglement) ก็ให้ผลเหมือนควอนตัมอื่นๆ ที่สั่นคลอนสัญชาตญาณบางอย่างของเราเกี่ยวกับโลก และเป็นไปได้ว่าฐานรากทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) อาจถูกสั่นคลอนได้เช่นกัน โดยนิตยสารไซแอนทิฟิกอเมริกัน สรุปรวบยอดถึงความเป็นไปได้ ที่ทฤษฎีควอนตัมอาจจะสั่นคลอนทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษได้

ในเอกภพที่เราประสบพบเจออยู่นี้ เราสามารถรับรู้ถึงผลต่างๆ โดยตรงเฉพาะวัตถุที่เราสัมผัสได้เท่านั้น การที่เรารับรู้โลกได้เช่นนั้นเรียกว่า "โลคอล" (local)

ขณะที่กลศาสตร์ควอนตัมของ 2 อนุภาคประพฤติตัวสอดคล้องกัน โดยไม่ต้องอาศัยตัวกลางเรียกว่า "นอนโลคอล" (nonlocal) ซึ่งไม่เพียงแต่จะเป็นผลอันขัดแย้งต่อสัญชาตญาณเท่านั้น

แต่นอนโลคอลยังอาจสร้างปัญหา ให้ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษได้ด้วย

ตามสัญชาตญาณของเรา การที่จะเคลื่อนก้อนหินสักก้อน เราอาจจะใช้ไม้ส่งแรงโดยตรงไปยังหินก้อนนั้น ขณะเดียวกันก็เกิดเสียงสัมผัสมากระทบที่หูของเรา ซึ่งทุกอย่างที่เกิดขึ้น ล้วนต้องอาศัยตัวกลาง หรือเราจะทำให้สิ่งใดมีผลต่อสิ่งใด สิ่งของทั้งสองอย่างต้องอยู่ถัดกัน หรือไม่ก็ต้องมีตัวกลางที่จะส่งผ่านถึงกันได้ ไม่ว่าจะเป็นการเปิดไฟที่กระแสไฟฟ้าถูกส่งผ่านสายไฟ หรือการฟังวิทยุที่คลื่นสัญญาณเดินทางมากับอากาศ เป็นต้น

ผู้รู้ในโลกของฟิสิกส์เชื่อว่า โลกกายภาพนั้น สามารถอธิบายได้ด้วยหลักการเพียงหนึ่งเดียว แต่กลศาสตร์ควอนตัม สั่นคลอนความเชื่อนี้ คุณลักษณะกายภาพที่เป็นจริง และวัดได้ของอนุภาคที่อยู่รวมกันนั้น ไม่สามารถบ่งบอกจากการรวมคุณลักษณะของอนุภาคเดี่ยวๆ ได้ ยกตัวอย่างเช่น อนุภาค 2 ตัวที่อยู่ห่างกัน 2 ฟุต เราไม่สามารถรู้ตำแหน่งที่แน่ชัดของอนุภาคทั้งสองได้

นีลส์ บอห์ร (Niels Bohr) นักฟิสิกส์ชาวเดนมาร์กผู้ยิ่งใหญ่ในศตวรรษที่ผ่านมา ยืนยันว่า ไม่ใช่เพราะเราไม่รู้ข้อเท็จจริงเกี่ยวกับตำแหน่งที่แท้จริงของอนุภาคเดี่ยว หากแต่ไม่มีข้อเท็จจริงที่ว่านั้น ดังนั้นการถามหาตำแหน่งของอนุภาคเดี่ยว จึงไร้ความหมาย

"ปัญหาไม่ได้อยู่ที่ว่าเรารู้อะไร แต่ปัญหาคือมันเป็นอะไร" บอห์ร บอกไว้

นักฟิสิกส์หลายคนกล่าวว่า อนุภาคที่สัมพัทธกันรูปแบบดังกล่าว จะมีคุณสมบัติ "พัวพัน" ในเชิงกลศาสตร์ควอนตัมกันอนุภาคอื่น ซึ่งคุณสมบัติในการพัวพันนี้ ไม่จำเป็นต้องอาศัยตำแหน่ง

ความพัวพันอาจกระทำต่ออนุภาค โดยไม่คำนึงว่าอนุภาคเหล่านั้นอยู่ที่ไหน เป็นอะไร และใช้แรงอะไรกระทำต่ออีกอนุภาค อนุภาคเหล่านั้นอาจเป็นเหมือนอิเล็กตรอนและนิวตรอน ที่อยู่คนละด้านของกาแลกซี ดังนั้นความพัวพันจึงสร้างให้เกิดความคุ้นเคย ท่ามกลางสสารที่ไม่เคยมีใครคาดฝันมาก่อนหน้านี้

แม้ว่าการพัวพันจัดเป็นศาสตร์ที่อยู่เบื้องหลัง "การคำนวณเชิงควอนตัม" (quantum computation) และ "การเข้ารหัสควอนตัม" (quantum cryptography) แต่การพัวพัน ก็สามารถเข้าถึงปรากฏการณ์ที่ขัดต่อการรับรู้อย่าง "นอนโลคอลี" ซึ่งเป็นความสามารถในทางกายภาพ ที่ส่งผลกระทบต่อบางสิ่งได้ โดยไม่ต้องสัมผัสหรือส่งต่อสิ่งที่อยู่อีกแห่งไปยังอีกแห่งได้

อย่างไรก็ดี ความแปลกประหลาดโดยแท้ ของนอนคอลิตี ทำให้เกิดความกังวลว่า จะไปสั่นคลอนทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษอย่างที่กล่าวไปแล้ว

ไอน์สไตน์มองว่า ความพัวพันนั้นเป็นสิ่งน่าสงสัย มากกว่าเป็นสิ่งที่แปลกประหลาด และเขามีความกังวลเกี่ยวกับกลศาสตร์ควอนตัมเป็นอย่างมาก โดยคำพูดที่แสดงถึงความไม่ชอบใจที่ว่า "พระเจ้าไม่ทรงทอดลูกเต๋า" เป็นเพียงข้อหนึ่งในความกังวลมากมายเท่านั้น

เมื่อปี ค.ศ.1935 ไอน์สไตน์พร้อมด้วย บอริส โพโดลสกี (Boris Podolsky) และ นาธาน โรเซน (Nathan Rosen) ได้ตั้งคำถามว่า เป็นไปได้ไหม ที่การอธิบายกลศาสตร์ควอนตัมของความเป็นจริงในเชิงกายภาพ จะเป็นไปได้โดยสมบูรณ์ โดยทั้งสามตอบคำถามของตัวเองว่า "ไม่" ผ่านรายงานการทดลองทางความคิดชิ้นสำคัญคือ EPR (EPR paradox ย่อมาจากชื่อของทั้ง 3 คือ Einstein–Podolsky–Rosen)

อย่างไรก็ตามในช่วงเวลานั้น ไม่มีใครพร้อมที่จะพินิจพิจารณาความน่าจะเป็นว่า มีนอนโลคอลอยู่จริงในโลก และมรดกความรู้ที่ตกทอดมาจากไอน์สไตน์จนถึงทุกวันนี้ ก็ยังคงเป็นเรื่องคลุมเครืออย่างมาก

ในปี ค.ศ.1964 จอห์น เบลล์ (John S. Bell) นักฟิสิกส์ไอริช ได้ศึกษาและเขียนบทความ ซึ่งปรากฎให้เห็นว่า บอห์รคิดผิดว่า ไม่มีอะไรผิด ในความเข้าใจของเขาเกี่ยวกับกลศาสตร์ควอนตัม ส่วนไอน์สไตน์ก็ผิด เกี่ยวกับสิ่งที่ผิดในความเข้าใจของบอห์ร

หากจะหาว่าอะไรที่ผิดจริงๆ จะต้องรวมแนวคิดเกี่ยวกับ "โลคอล" ที่ถูกละเลยไปกลับมาพิจารณาด้วย

เบลล์สรุปต่อคำถามที่เขาตั้งข้อสังสัยเป็นคนแรกว่า "นอนโลคอล" นั้น เป็นเพียงสิ่งที่ปรากฏขึ้นเท่านั้นหรือไม่ว่า โลกกายภาพที่แท้จริงนั้น เป็นนอนโลคอล ซึ่งเป็นข้อสรุปกลับตาลปัตรทุกอย่าง แต่ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นกับงานของเขาส่วนใหญ่จนกระทั่งทุกวันนี้คือ "ความรู้สึกคลุมเครือ"

ย้อนกลับไปในปี ค.ศ.1932 จอห์น ฟอน นอยมานน์ (John von Neumann) นักคณิตศาสตร์ชั้นเซียนชาวฮังกาเรียนได้พิสูจน์ว่า นอนโลคอลิตีของกลศาสตร์ควอนตัม ไม่อาจถูกจัดการให้เป็นกลไก เพื่อส่งผ่านข้อความได้ และเป็นเวลาหลายทศวรรษ ที่สังคมฟิสิกส์ทฤษฎียอมรับในข้อพิสูจน์ให้เป็นหลักประกันว่า ความเป็นนอนโลคอลและทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษสามารถไปได้ด้วยกันได้ดี

หากแต่ในปี ค.ศ.1994 ทิม มอดลิน (Tim Maudlin) จากมหาวิทยาลัยรัตเจอร์ส (Rutgers University) ได้เขียนหนังสือ ที่เน้นการเปรียบเทียบระหว่างความเป็นนอนโลคอล กับทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ

จุดสำคัญจุดแรกคือ ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ ได้อ้างการเป็นโครงสร้างเรขาคณิตของอวกาศและเวลา ซึ่งความเป็นไปไม่ได้ในการส่งผ่านมวล พลังงาน ข้อมูล หรือสิ่งอื่นใดให้เร็วกว่าแสงนั้น การันตีความเรขาคณิตของทฤษฎีว่าถูกต้อง

ดังนั้นข้อพิสูจน์เกี่ยวกับการส่งผ่านข้อความของนอยมานน์ จึงไม่ได้รับประกันกับเราว่า ความเป็นนอนโลคอลในทางกลศาสตร์ควอนตัมและสัมพัทธภาพพิเศษจะไปด้วยกันได้ดี

จุดสำคัญที่สองคือ ความจริงของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป เปรียบเทียบได้กับกลไกเชิงทฤษฎีของการส่งผ่านมวล พลังงาน ข้อมูลและสิ่งอิ่นใดได้เร็วกว่าแสง ดังนั้นการมีอยู่ของความเป็นนอนโลคอลในทางกลศาสตร์ควอนตัมจึงไม่ได้แปลว่า กลศาสตร์ควอนตัมไม่สามารถไปด้วยกันได้กับทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ

อีกจุดที่สำคัญคือ ความเป็นนอนโลคอลในกลศาสตร์ควอนตัมนั้น ดูเหมือนต้องการความต่อเนื่องอย่างสัมบูรณ์ ซึ่งเป็นต้นเหตุและการสั่นคลอนทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษอย่างแท้จริง

สถานภาพของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ ที่มีมาเกินศตวรรษเพียงไม่นาน ได้กลายเป็นที่รู้จักอย่างกว้างขวาง และมีคำถามที่ก้าวหน้าอย่างรวดเร็ว ซึ่งเป็นเช่นนี้เพราะทั้งนักฟิสิกส์และนักปรัชญาต่างพยายามคลายปมสุดท้าย ที่แก้ไม่ตกเกี่ยวกับการไม่ใส่ใจต่อกลศาสตร์ควอนตัมของไอน์สไตน์.