เปิดตำราท่องอัศจรรย์ “กลศาสตร์ควอนตัม-สัมพัทธภาพ”

ภาพวาดสีน้ำแสดงเรื่องราวฝูงช้างที่เดินท่องหากินในป่าท่ามกลางแสงอาทิตย์ที่ลอดผ่านหมู่ไม้ คือการถ่ายทอดความงามและความน่าอัศจรรย์ของธรรมชาติจากมุมมองของศิลปะ ขณะเดียวกันวิทยาศาสตร์ก็สามารถแสดงความจริงของธรรมชาติได้อย่างน่าอัศจรรย์ผ่านคำอธิบายด้วยกลศาสตร์เชิงควอนตัม ศาสตร์อันเป็นรากฐานของวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยียุคใหม่

วิทยาศาสตร์เผยความงามอันน่าอัศจรรย์ของธรรมชาติ
“ลำแสงอาทิตย์จะแสดงปรากฏการณ์อย่างดีของลำโฟตอนซึ่งกำเนิดจากดวงสุริยันและกระเจิงกับฝุ่นละอองและไอน้ำในอากาศ ทำให้สายตาเห็นเป็นลำดังกล่าว ใบไม้ต่างๆ กันก็จะแสดงถึงความอัศจรรย์ของธรรมชาติที่ได้ดูดกลืนพลังงานจากหมู่โฟตอน ทำให้อิเล็กตรอนซึ่งเป็นส่วนประกอบของโมเลกุลใบไม้ถูกกระตุ้นให้เปล่งสีตระการตาแก่ศิลปิน ส่วนฝูงช้างก็เป็นสุดยอดวิวัฒนาการและพัฒนาการของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม ซึ่งเต็มไปด้วยความฉลาด แข็งแรง แต่อ่อนโยนและนิ่มนวล ความอัศจรรย์ของธรรมชาติเหล่านี้แล จะอธิบายได้ด้วยทฤษฎีกลศาสตร์เชิงควอนตัม”

ข้อความข้างต้นคือคำอธิบายความงามของธรรมชาติที่ปรากฏอยู่ในภาพวาดสีน้ำรูปฝูงช้างในป่าที่แสงแดดส่องลอดแมกไม้ โดย ศ.ดร.สิทธิชัย โภไคยอุดม ศาสตราจารย์สาขาวิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส์ และนายกสภามหาวิทยาลัยเทคโนโลยีมหานคร ซึ่งภาพดังกล่าวได้ปรากฏอยู่บนหน้าปกหนังสือ “เรื่องราวแสนอัศจรรย์ของกลศาสตร์เชิงควอนตัม” ตำราวิชากลศาสตร์ควอนตัมฉบับภาษาไทยที่เขาเขียนขึ้น โดยใช้เวลารวบรวมเอกสารงานวิจัยเกี่ยวกับสาขาวิชานี้ 6 เดือน

“หัวใจของอารยธรรมปัจจุบันคือกลศาสตร์ควอนตัม ใช้กันในทุกทาง เช่น อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ อุปกรณ์เลเซอร์ เป็นต้น ซึ่งเทคโนโลยีที่เราเห็นล้วนเป็นผลพวงมาจากธรรมชาติที่เป็นควอนตัมหรือเป็นก้อนๆ และมีปรากฏการณ์หลายอย่างที่ดูเหมือนเป็นปาฏิหาริย์ ทำให้คนนำไปพูดผิดๆ” ศ.ดร.สิทธิชัยกล่าว พร้อมยกตัวอย่างสถานะควอนตัมของอนุภาคเมื่อเคลื่อนที่ ซึ่งเราไม่อาจทราบได้ว่าอนุภาคดังกล่าวอยู่ตรงไหน และจะทราบได้เมื่อมีการวัด โดยขณะเคลื่อนที่นั้นอนุภาคมีความเร็วและพิกัดตำแหน่งเป็นอนันต์ หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งคืออนุภาคดังกล่าวจะอยู่ที่ไหนก็ได้ แต่เมื่อวัดแล้วจะแสดงสถานะหนึ่งออกมา

อัศจรรย์ราวอภินิหาร
ตำราเรื่องแสนอัศจรรย์ของกลศาสตร์ควอนตัมที่ศาสตราจารย์วิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส์ผู้นี้เขียนขึ้นมานี้ ได้พาเราท่องและผจญภัยไปในรัตติกาลอันมืดมิดของช่วงเวลาก่อนเกิดทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัม สู่อรุณรุ่งของยุคควอนตัมบนเส้นทางที่ไม่ได้โรยด้วยกลีบกุหลาบ และสัมผัสกับธรรมชาติราวกับอภินิหาร ไปจนถึงการนำ “หลักการพัวพัน” มาใช้ ซึ่งเป็นหนึ่งในการประยุกต์ใช้งานคือการพัฒนาคอมพิวเตอร์เชิงควอนตัมที่ไม่ใช่คอมพิวเตอร์เครื่องเล็กอย่างที่หลายคนเข้าใจ แต่จะเป็นการเพิ่มประสิทธิภาพให้คอมพิวเตอร์ฉลาดขึ้นเหมือนเลียนแบบการทำงานของสมองมนุษย์

ตัวอย่างพฤติกรรมในระดับควอนตัมที่ชวนให้คิดว่าเป็นอภินิหาร เช่น ลักษณะอนุภาคโฟตอนวิ่งผ่านช่องแคบคู่ซึ่งอยู่ใกล้กันมากเหมือนกับการซ้อนทับของคลื่น 2 คลื่นวิ่งผ่านช่องแคบทั้งสอง และหากติดตั้งอุปกรณ์วัดที่ช่องแคบช่องแคบหนึ่งลักษณะดังกล่าวก็หายไปราวกับอนุภาคโฟตอนทราบว่ากำลังจะถูกวัด

ย้อนเส้นทางสู่กำเนิด “กลศาสตร์ควอนตัม”
ย้อนกลับไปก่อนจะถึงยุคควอนตัมเมื่อศตวรรษที่ 19 นักวิทยาศาสตร์ในยุคนั้นเชื่อว่าเข้าใจปัญหาฟิสิกส์ได้ดีทุกเรื่องแล้ว ซึ่งสถานการณ์รุนแรงถึงขั้นนักวิทยาศาสตร์ไม่เลือกทำวิจัยด้านฟิสิกส์เพราะไม่มีปัญหาใหญ่ๆ ให้ค้นคว้า แต่เมื่อถึงปลายศตวรรษปัญหาที่ดูไม่สำคัญอย่างการวิเคราะห์การกระจายความถี่แสงที่เปล่งออกจากวัตถุที่ถูกเผาให้มีอุณหภูมิสูงๆ ได้ปูทางสู่กำเนิดกลศาสตร์ควอนตัม

ตามตำรากลศาสตร์ควอนตัมฉบับภาษาไทยนี้อธิบายว่า การเปล่งแสงของวัตถุได้รับความสนใจเพราะในยุคดังกล่าวมีการประดิษฐ์เครื่องจักรกลและอาวุธต่างๆ ซึ่งมีชิ้นส่วนโลหะที่ต้องผ่านการชุบผิวให้แข็ง และกระบวนการดังกล่าวจะมีประสิทธิภาพได้นั้นชิ้นส่วนโลหะต้องผ่านการเผาที่อุณหภูมิสูงตามต้องการ และช่างจะสังเกตจากสีที่เปล่งออกจากผิวโลหะ หากแต่ในทางทฤษฎีนักฟิสิกส์ได้สมมติว่าวัตถุที่ถูกเผาให้ร้อนจนกลายเป็น “วัตถุดำ” ที่สามารถดูดกลืนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทุกคลื่นความถี่ที่มากระทบได้

มีนักวิทยาศาสตร์หลายคนที่พยายามแก้ปัญหาดังกล่าวและในจำนวนนั้นคือ มักซ์ พลังก์ นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน ซึ่งเขาได้เสนอแนวคิดที่สำคัญว่าค่าพลังงานเป็นกลุ่มหรือควอนตัมนั้นเป็นความจริงอันสำคัญ และเขาก็ได้รับยกย่องให้เป็นผู้ให้กำเนิดกลศาสตร์ควอนตัม แต่ในงานเขียนของ ศ.ดร.สิทธิชัยระบุว่าจากหลักฐานประวัติศาสตร์นั้นไอน์สไตน์เป็นอีกคนที่สมควรได้รับการยกย่องในฐานะผู้ให้กำเนิดกลศาสตร์ควอนตัมเช่นกัน

ในปี 1905 เป็นปีที่ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ได้เสนอทฤษฎีที่สำคัญมากมาย รวมถึงการเสนอแนวคิดว่าแสงมีลักษณะเป็นกลุ่มก้อนหรือควอนตัม ซึ่งตำราส่วนใหญ่ระบุว่าเขาใช้แนวคิดนี้ไปอธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก แต่ในหนังสือที่ ศ.ดร.สิทธิชัยเขียนนี้กล่าวว่า ไอน์สไตน์ยังนำแนวคิดนี้ไปอธิบายปรากฏการณ์อื่นๆ ซึ่งรวมถึงทฤษฎีการแผ่รังสีของวัตถุดำด้วย ทั้งนี้ ไอน์สไตน์เป็นคนแรกของโลกที่เสนอแนวคิดว่าแสงเป็นควอนตัมทั้งในการเกิด การถูกดูดกลืน และระหว่างเดินทาง

รุ่งอรุณของยุคควอนตัมนั้นครอบคลุมช่วงเวลา 1925-1935 โดยในปี 1925 นั้นมีทฤษฎีอธิบายปรากฏการณ์ทางควอนตัมเกิดขึ้นมาไล่เลี่ยกันถึง 2 ทฤษฎี นั่นคือ กลศาสตร์ควอนตัมเชิงคลื่น โดย เออร์วิน ชโรดิงเงอร์ ซึ่งถูกนำไปประยุกต์ใช้มากมาย และกลศาสตร์ควอนตัมเชิงเมทริกซ์ โดย เวอร์เนอร์ ไฮเซนเบิร์ก ซึ่งไฮเซนเบิร์กนั้นมีแนวคิดว่าการอธิบายโครงสร้างอะตอมด้วยวงโคจรของอิเล็กตรอนเป็นสิ่งไม่ถูกต้อง เพราะเราไม่อาจวัดได้ว่าวงโคจรอิเล็กตรอนเป็นไปตามที่เราสมมติหรือไม่ และ วูล์ฟกัง เพาลี นักฟิสิกส์ที่นำกลศาสตร์ควอนตัมเชิงเมทริกซ์ก็สนับสนุนแนวคิดนี้ของไฮเซนเบิร์ก

สัมพัทธภาพพิสูจน์ความยิ่งใหญ่ของไอน์สไตน์
ตลอดการย้อนเส้นทางกำเนิดกลศาสตร์ควอนตัมไม่มีแค่เรื่องราววิชาการและสมการหนักๆ หากแต่ยังสอดแทรกเรื่องราวในชีวิตของนักวิทยาศาสตร์ผู้มีส่วนในการพัฒนาทฤษฎีอันน่าอัศจรรย์นี้ ทั้งเรื่องความสัมพันธ์ที่ไม่ดีในครอบครัวของชโรดิงเงอร์ จากความเจ้าชู้ของทั้งเขาและภรรยา เรื่องความไม่เป็นธรรมของการมอบรางวัล เช่น กรณี ของไอน์สไตน์ซึ่งสร้างการค้นพบสำคัญคือทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ และทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ซึ่งทฤษฎีหลังนั้นนักวิทยาศาสตร์ทั้งหลายลงความเห็นว่าเป็นทฤษฎีที่ยิ่งใหญ่ หากไอน์สไตน์ไม่ได้ค้นพบก็ไม่ทราบว่าโลกจะค้นพบทฤษฎีนี้เมื่อไร แต่เขากลับได้รางวัลโนเบลจากการตีพิมพ์ผลงานเกี่ยวกับปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก

ความโด่งดังของไอน์สไตน์มาจากการพิสูจน์ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปซึ่งเป็นทฤษฎีที่เขาค้นพบได้หลังทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษประมาณ 10 ปี ซึ่งจากทฤษฎีของเขาได้ทำนายว่าแรงโน้มถ่วงของวัตถุที่มีมวลมากอย่างดวงอาทิตย์จะทำให้แสงเดินทางเป็นเส้นโค้งและทำให้ตำแหน่งของดาวที่ปรากฏเคลื่อนไปจากตำแหน่งจริง และในปี 1919 เซอร์ อาร์เธอร์ เอ็ดดิงตัน นักดาราศาสตร์ชาวอังกฤษได้นำทีมพิสูจน์ทฤษฎีดังกล่าวโดยอาศัยปรากฏการณ์สุริยุปราคาเต็มดวง และพบว่าแสงที่เฉียดดวงอาทิตย์เดินทางเป็นเส้นโค้งจริง ซึ่งกลายเป็นข่าวที่สร้างความตื่นตะลึง

“ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปนั้นเป็นทฤษฎีที่ดาราศาสตร์สมัยใหม่ต้องใช้หมด ทั้งการศึกษาหลุมดำ การศึกษาดาวนิวตรอน โดยมวลของสสารที่มีนาดใหญ่มากๆ จะทำให้เวลาและระยะทางเป็นเส้นโค้ง และเมื่อมีแรงโน้มถ่วงสูงๆ เวลาก็จะเคลื่อนที่ช้าลง เช่น เวลาที่พื้นผิวโลกกับเวลาบนยอดเขานั้นแตกต่างกันแต่เป็นความแตกต่างที่น้อยมาก ส่วนทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษเป็นทฤษฎีที่ระยะทางและเวลาไม่ใช่ค่าคงที่ โดยขึ้นอยู่กับความเร็วของผู้สังเกต” ศ.ดร.สิทธิชัยอธิบาย

ถึงแม้ไอน์สไตน์จะไม่ได้รับรางวัลโนเบลจากทฤษฎีสัมพัทธภาพตามที่หลายคนคาดหวัง แต่หนังสือของนายกสภาพมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีมหานครได้ชี้ให้เห็นว่าผลงานของไอน์สไตน์นั้นยิ่งใหญ่กว่ารางวัลโนเบลมาก และหากไอน์สไตน์ได้รับรางวัลนี้ก็จะเป็นการสร้างชื่อเสียงให้แก่รางวัลมากกว่าตัวไอน์สไตน์เอง อีกทั้งยังระบุด้วยว่าสำหรับนักวิทยาศาสตร์ที่ไม่ได้ยิ่งใหญ่เหมือนไอน์สไตน์แล้วรางวัลโนเบลจะมีผลต่อพวกเขามาก นอกจากนี้ก็มีการมอบรางวัลให้แก่นักวิทยาศาสตร์ที่ไม่น่าจะได้รางวัลอยู่บ่อยครั้งด้วย

นอกจากตำราเกี่ยวกับกลศาสตร์ควอนตัมแล้ว ศ.ดร.สิทธิชัยยังเขียนตำราภาษาไทยอีก 2 เล่ม คือ ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของไอน์สไตน์เบื้องต้น และ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์เบื้องต้น ซึ่งใช้เวลาเขียนและรวบรวมข้อมูลแต่ละเล่มนาน 6 เดือน โดยเป้าหมายเพื่อเขียนตำราไทยให้เด็กไทยอ่าน เพราะการให้เด็กไทยอ่านตำราภาษาอังกฤษได้เข้าใจลึกซึ้งเป็นเรื่องยาก

“ทั้งสามตำราที่เขียนขึ้นมานี้กล่าวถึงพื้นฐานวิทยาศาสตร์สมัยใหม่ 3 เรื่อง นั่นคือ กลศาสตร์ควอนตัม ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษและทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ซึ่งเป็นพื้นฐานสำคัญที่สุดสำหรับนักวิทยาศาสตร์สมัยใหม่ ซึ่งองค์ความรู้เริ่มต้นเมื่อประมาณ 100 กว่าปีก่อน แต่ยังไม่ค่อยมีตำราที่ถูกต้องนัก และมีแฟชั่นในการเขียนตำราเรื่องควอนตัมและทฤษฎีไอน์สไตน์กันเยอะ แต่aเป็นการเขียนให้สนุกและไม่ค่อยถูกต้องตามหลักการที่แท้จริง” ศ.ดร.สิทธิชัยกล่าว พร้อมทั้งชี้ว่าตำราทั้งสามเล่มจะเป็นพื้นฐานสำหรับเยาวชนในการศึกษาต่อทั้งทางด้านวิทยาศาสตร์และวิศวกรรม

*******

สำหรับผู้สนใจหนังสือดูรายละเอียดที่ www.book.mut.ac.th