xs
xsm
sm
md
lg

Eugene Wigner รางวัลโนเบลฟิสิกส์ปี 1936 กับการประยุกต์หลักสมมาตรในฟิสิกส์ควอนตัม

เผยแพร่:   โดย: สุทัศน์ ยกส้าน


ขอบคุณภาพจากวิกิพีเดีย
Jeno Pal Wigner เกิดเมื่อวันที่ 17 พฤศจิกายน ค.ศ. 1902 ที่กรุง Budapest ในประเทศฮังการี บรรพบุรุษของครอบครัวนี้มีเชื้อชาติยิว และมีฐานะดีจากการทำธุรกิจฟอกหนัง นามสกุล Wigner มาจากคำ Wiegner ในภาษาเยอรมันที่แปลว่า ช่างทำเปลเด็ก บิดามารดามีลูกสามคน คือ Bertha, Eugene และ Margit ในวัยเด็ก Wigner เริ่มเรียนหนังสือที่บ้าน โดยมีนักบวชชาวยิวมาสอนวิชาศาสนา และการอ่านคัมภีร์ แต่ครอบครัวมิได้เคร่งศาสนามาก

ต่อมาบิดาได้จ้างครูมาสอนหนังสือในระดับประถมศึกษา ตามปกติ Wigner ไม่ชอบเล่นกีฬา เพราะเป็นคนตัวเล็กและสายตาสั้น จึงต้องสวมแว่นตลอดเวลา จนกระทั่งอายุ 11 ปี แพทย์ได้ตรวจพบว่าป่วยเป็นวัณโรค จึงถูกส่งไปพักรักษาตัวที่เมือง Breitenstein ในประเทศออสเตรีย ขณะพำนักที่นั่น Wigner ได้พบว่า ตนสนใจคณิตศาสตร์มาก เพราะชอบใช้เวลาครุ่นคิดวิธีแก้โจทย์แปลกๆ เช่น ให้หาวิธีสร้างรูปสามเหลี่ยม เมื่อส่วนสูงทั้งสามของสามเหลี่ยมถูกกำหนดมาให้ หลังจากที่เวลาผ่านไปหกสัปดาห์ แพทย์ได้กลับมาวิเคราะห์อาการวัณโรคปอดของ Wigner อีก และพบว่าตรวจผิดพลาด Wigner จึงเดินทางกลับบ้านอย่างมีความสุข

เมื่ออายุ 13 ปี Wigner ได้ไปเรียนต่อที่โรงเรียนมัธยม Lutheran ที่มีการใช้ภาษาละตินกับฮังการีในการสอน และพบว่า ชอบคณิตศาสตร์มากกว่าวิชาอื่นๆ ทั้งหมด สำหรับวิชาวิทยาศาสตร์นั้น ทางโรงเรียนให้ความสำคัญพอๆ กับวิชาศิลปะ และภูมิศาสตร์ Wigner เรียนฟิสิกส์กับเคมีเป็นเวลา 2 ปี และ 1 ปีตามลำดับ และพบว่า ยิ่งเรียนฟิสิกส์ ก็ยิ่งชอบ โดยเฉพาะเรื่องทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของ Einstein ในเวลาต่อมา Wigner ได้รู้จักเด็กหนุ่มคนหนึ่งชื่อ John von Neumann ซึ่งเป็นรุ่นน้องกว่าหนึ่งปี และเป็นคนที่เก่งคณิตศาสตร์มาก แต่ทั้งสองไม่สนิทสนมกัน เพราะ Neumann มีนิสัยเงียบขรึม และไม่ชอบเปิดเผยความรู้สึกใดๆ ให้ใครรู้

เมื่อกองทัพคอมมิวนิสต์ได้ทำรัฐประหารในประเทศฮังการีในเดือนมีนาคม ค.ศ. 1919 ครอบครัว Wigner ได้ตัดสินใจอพยพไปประเทศออสเตรีย และได้หวนกลับประเทศฮังการีในอีก 8 เดือนต่อมา เมื่อกองทัพคอมมิวนิสต์ถูกโค่นอำนาจ ตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา Wigner ไม่เคยมีทัศนคติดีต่อการปกครองแบบคอมมิวนิสต์อีกเลย

Wigner เรียนจบชั้นมัธยมศึกษาเมื่ออายุ 18 ปี โดยสอบได้คะแนนสูงสุดในบรรดานักเรียนทั้งประเทศ และได้ตั้งเป้าหมายในชีวิตว่า จะต้องเป็นนักฟิสิกส์ แต่เมื่อตระหนักว่า การมีเชื้อชาติยิวเป็นอุปสรรคสำคัญที่จะขัดขวางการได้เป็นศาสตราจารย์ นอกจากนี้ตำแหน่งศาสตราจารย์ฟิสิกส์ในมหาวิทยาลัยฮังการีก็มีจำนวนจำกัด คือมีได้เพียงสามตำแหน่งเท่านั้น บิดาจึงแนะนำให้ Wigner เปลี่ยนใจไปเรียนวิชาวิศวกรรมเคมีแทน เพื่อจะได้สืบทอดอาชีพการทำโรงงานฟอกหนัง ซึ่ง Wigner ก็ยินยอมเปลี่ยน ทั้งๆ ที่ไม่ยินดี จากนั้นได้ไปศึกษาต่อที่สถาบัน Technical Institute of Budapest แล้วเปลี่ยนไปเรียนที่ Technische Hochschule ที่ Berlin ในประเทศเยอรมนี และเรียนจบภายในเวลา 2 ปี และรู้ตัวดีว่าในบรรดาวิชาที่เรียนทั้งหมด ชอบวิชาเคมีอนินทรีย์มากที่สุด

แต่ในเวลาเดียวกัน Wigner ก็อ่านตำราฟิสิกส์และคณิตศาสตร์ด้วย และชอบไปนั่งฟังเวลามีการสัมมนาฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัย Berlin ในช่วงเวลาบ่ายของวันพฤหัสบดี เพราะสถานที่จัดสัมมนาอยู่ไม่ไกลจากวิทยาลัย และในห้องสัมมนามีนักฟิสิกส์ระดับซูเปอร์สตาร์ เช่น Albert Einstein (โนเบลปี 1921), Max Planck (โนเบลปี 1918), Max von Laue (โนเบลปี 1914) และ Walther Nernst (โนเบลเคมีปี 1920) ซึ่งจะนั่งแถวหน้าสุด ส่วน Edward Teller, Leo Szilard, Wolfgang Pauli (โนเบลปี 1945), Werner Heisenberg (โนเบลปี 1932) ซึ่งมีอาวุโสน้อยกว่าจะนั่งแถวหลัง Wigner ยังจำได้ดีว่า มีครั้งหนึ่งที่ Einstein ได้เอ่ยถึงสถิติชนิดใหม่ที่ Satyendra Bose พบ และ Einstein ได้พัฒนาเสริมแต่ง จนทำให้โลกรู้จักสถิติแบบ Bose-Einstein
ในการทำวิทยานิพนธ์เพื่อสำเร็จการศึกษาระดับปริญญาเอก Wigner ได้ทำวิจัยเรื่องอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี โดยมี Michael Polanyi เป็นอาจารย์ที่ปรึกษา เมื่องานได้รับการตีพิมพ์ในเดือนมิถุนายน ค.ศ. 1925 Wigner ก็สำเร็จการศึกษาระดับปริญญาเอก ขณะมีอายุเพียง 22 ปี

ในงานวิจัยชิ้นนั้น Wigner ได้เสนอทฤษฎีการรวมตัวและการแยกตัวของโมเลกุลว่า โอกาสที่พลังงานเคมี E ในปฏิกิริยาเคมีใดๆ จะให้โมเลกุลใหม่มีความไม่แน่นอนของพลังงานเท่ากับ ∆E และเวลา t ที่ต้องใช้ในการทำให้เกิดปฏิกิริยามีความไม่แน่นอนของเวลาเท่ากับ ∆t ตามสมการ ∆E∆t ≥ h/4 π เมื่อ h เป็นค่าคงตัวของ Planck นี่คือกฎความไม่แน่นอนที่ Wigner ได้พบก่อน Heisenberg ประมาณ 2 ปี

หลังการศึกษาระดับปริญญาเอก Wigner ได้เดินทางกลับ Budapest เพื่อเข้าทำงานที่โรงงานฟอกหนังของวงศ์ตระกูล และรู้สึกว่าชีวิตวิศวกรไม่เข้ากับนิสัยของตัวเองเลย แต่ก็ฝืนใจทำงานต่อไป และได้พยายามอ่านตำรากลศาสตร์ควอนตัมในยามว่าง เพื่อกระตุ้นไฟฟิสิกส์ไม่ให้มอดดับ

เมื่ออายุ 24 ปี Wigner ได้รับจดหมายจากเพื่อน ซึ่งเป็นนักผลิกศาสตร์แห่งสถาบัน Kaiser Wilhelm ในประเทศเยอรมนีว่า สถาบันกำลังต้องการนักฟิสิกส์มาวิเคราะห์ผลึกที่มีโครงสร้างสมมาตร ซึ่งจำเป็นต้องใช้ทฤษฎีกลุ่ม (group theory) เพื่ออธิบายสมบัติของผลึก เมื่อ Wigner รู้ว่า ผู้อำนวยการโครงการวิจัยชื่อ M. Polanyi ซึ่งเคยเป็นอาจารย์ที่ปรึกษา จึงขออนุญาตบิดาเปลี่ยนอาชีพ เมื่อได้รับอนุญาต Wigner จึงเดินทางไป Berlin และตั้งปณิธานว่า ต่อแต่นี้ไปจะเป็นนักฟิสิกส์เท่านั้น

ขอบคุณภาพจากวิกิพีเดีย
ในเวลาเดียวกัน หลังจากที่ได้เห็นงานวิจัยของ Werner Heisenberg ซึ่งได้เสนอวิธีการแก้โจทย์กลศาสตร์ควอนตัมในกรณีที่มีตัวกวัดแกว่งแบบฮาร์โมนิกที่เหมือนกันทุกประการ 2 ตัว Wigner มีความประสงค์จะขยายขอบเขตการวิจัยนี้ให้ครอบคลุมระบบที่มีตัวกวัดแกว่งแบบฮาร์โมนิก n ตัว (เมื่อ n คือจำนวนเต็มบวก) ทำให้ต้องใช้ความรู้ทฤษฎีกลุ่ม (group theory) ครั้นเมื่อได้คำแนะนำจาก von Neumann และนักคณิตศาสตร์ชาวรัสเซียชื่อ Issai Schur Wigner ก็สามารถแก้โจทย์ในกรณีที่มีตัวกวัดแกว่งฮาร์โมนิกที่เหมือนกัน 3 ตัวได้

นี่เป็นครั้งแรกในประวัติคณิตศาสตร์ที่มีใช้ในทฤษฎีกลุ่มในการแก้ปัญหาฟิสิกส์ จากนั้น Wigner กับ Carl Eckhart ก็ได้พัฒนาทฤษฎีกลุ่ม จนได้ทฤษฎี Wigner-Eckhart ซึ่งแสดงวิธีเขียน tensor operator โดยใช้สถานะไอแกนของโมเมนตัมเชิงมุมเป็นฐาน และยังได้เสนอเทคนิคการใช้สัญลักษณ์ Wigner 3j-symbol ในการรวมโมเมนตัมเชิงมุมของอิเล็กตรอนในอะตอมด้วย
หลังจากนั้น Wigner ได้ไปทำงานวิจัยที่มหาวิทยาลัย Göttingen ในประเทศเยอรมนีในตำแหน่งผู้ช่วยวิจัยของ David Hilbert ซึ่งเป็นนักคณิตศาสตร์ผู้ยิ่งใหญ่ที่สุดคนหนึ่งของโลก แต่ในเวลานั้น Hilbert กำลังป่วยไม่สบายเป็นโรคโลหิตจาง ทำให้การทำงานร่วมกันมีปัญหา Wigner จึงตัดสินใจว่า แม้ตนจะทำงานคณิตศาสตร์ให้ Hilbert ไม่ได้ แต่ก็สามารถทำวิจัยฟิสิกส์ให้ได้ จึงร่วมมือกับ Pascual Jordan ทำวิจัยเรื่องระบบที่มีอิเล็กตรอนหลายอนุภาค ทำให้ต้องใช้คิดเทคนิคคำนวณใหม่ นั่นคือเทคนิค second quantization ซึ่งได้พิจารณาให้สนามไฟฟ้ามีสมบัติควอนตัมได้ (ใน first quantization พลังงานและโมเมนตัมของอนุภาคมีสมบัติควอนตัม)

การพบสมมาตรรูปแบบต่างๆ ที่ Wigner ใช้ในการวิเคราะห์ระบบควอนตัม เป็นการค้นพบสำคัญที่ทำให้ได้รับครึ่งหนึ่งของรางวัลโนเบลฟิสิกส์ประจำปี 1963 เพราะสมบัตินี้ได้ถูกนำไปใช้ในการสร้างทฤษฎีโครงสร้างอะตอม ทฤษฎีนิวคลีออนในนิวเคลียส ทฤษฎีอนุภาคมูลฐาน และทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ

เมื่ออายุ 28 ปี Wigner รู้สึกประหลาดใจมากที่ได้รับจดหมายเชิญจากอธิการบดีแห่งมหาวิทยาลัย Princeton ในประเทศสหรัฐอเมริกา ให้ไปสอนที่นั่นเป็นเวลาหนึ่งภาคเรียน โดยจะให้เงินเดือน 700 ดอลลาร์ ซึ่งมากกว่าเงินเดือนที่ Wigner ได้รับจากมหาวิทยาลัย Berlin เกือบ 9 เท่า จึงตอบรับคำเชิญตลอดเวลา อีก 3 ปีต่อมา Wigner ต้องเดินทางไป-มาระหว่าง Princeton กับ Berlin จนกระทั่งกองทัพนาซีเข้ายึดครองประเทศเยอรมนีได้อย่างสมบูรณ์ Wigner จึงตัดสินใจอพยพไปอเมริกาอย่างถาวร

ในช่วงเวลาที่เป็นอาจารย์ที่มหาวิทยาลัย Princeton Wigner มีศิษย์สามคนที่มีชื่อเสียงโด่งดังมากในเวลาต่อมา คือ John Bardeen ซึ่งได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์สองครั้ง คือในปี 1956 จากการประดิษฐ์ทรานซิสเตอร์ และในปี 1972 จากการเสนอทฤษฎีสภาพนำยวดยิ่ง ส่วนศิษย์อีกสองคนคือ Frederick Seitz และ Convey Herring ก็เป็นนักฟิสิกส์ทฤษฎีที่เชี่ยวชาญด้านทฤษฎีของแข็ง

ในฤดูใบไม้ร่วงของปี 1934 น้องสาว Margit ของ Wigner ได้เดินทางมาเยี่ยมพี่ชายที่อเมริกา และได้พบกับ Paul Dirac ซึ่งเป็นนักฟิสิกส์ในสังกัด Institute for Advanced Study ที่ Princeton ทั้งสองได้ตกหลุมรักและแต่งงานกันในปี 1937 ดังนั้น Dirac จึงมีศักดิ์เป็นน้องเขยของ Wigner

Wigner รู้สึกผิดหวังมากที่มหาวิทยาลัย Princeton ไม่ได้แต่งตั้งให้ดำรงตำแหน่งศาสตราจารย์ จึงเดินทางไปรับตำแหน่งศาสตราจารย์ฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัย Wisconsin และได้โอนสัญชาติเป็นชาวอเมริกันในปี 1937 จากนั้นได้หวนกลับไปทำงานที่มหาวิทยาลัย Princeton คราวนี้ในตำแหน่งศาสตราจารย์ฟิสิกส์กับคณิตศาสตร์ และเป็นคนอเมริกันอย่างเต็มภาคภูมิ

เดือนมกราคมปี 1939 เป็นเวลาที่วงการฟิสิกส์ในยุโรปตื่นเต้นกับข่าวการพบปรากฏการณ์ fission ในยูเรเนียม -235 ซึ่งเมื่อได้รับอนุภาคนิวตรอนเข้าไป การแบ่งตัวของนิวเคลียสจะทำให้ได้พลังงานที่มากมหาศาล เหตุการณ์นี้ทำให้นักฟิสิกส์คิดว่าจะสามารถนำปรากฎการณ์ fission มาใช้สร้างระเบิดปรมาณู Wigner รู้สึกกังวลกับเรื่องการเข่นฆ่าล้างเผ่าพันธุ์โดยทหารนาซีมาก จึงปรึกษากับ Leo Szilard ซึ่งเป็นชาวฮังการีที่ได้อพยพมาอยู่ในอเมริกาเหมือนตน ทั้งสองมีความสนิทสนมกันมาก และมีความเห็นตรงกันว่า รัฐบาลสหรัฐฯ จะต้องรับรู้เรื่องความเป็นไปได้ที่จะสร้างระเบิดปรมาณู เพื่อยุติสงครามโลกครั้งที่สอง

ดังนั้นในวันที่ 16 มิถุนายน ค.ศ. 1939 ทั้งสองจึงเดินทางไปเยี่ยม Albert Einstein ที่บ้านพักฤดูร้อน ณ อ่าว Peconic Bay ที่ Long Island และได้ขอให้ Einstein ร่างจดหมายเป็นภาษาเยอรมันเพื่อให้ Wigner แปลเป็นภาษาอังกฤษ แล้ว Einstein ก็ลงนามในจดหมายฉบับนั้นเมื่อวันที่ 2 สิงหาคม เพื่อให้นายพล Alexander Sachs ซึ่งเป็นที่ปรึกษาด้านความมั่นคงของประธานาธิบดีนำจดหมายไปเสนอต่อประธานาธิบดี Franklin Roosevelt แล้ว Roosevelt ก็จะได้บัญชาให้นักวิทยาศาสตร์สหรัฐฯ ร่วมมือกันสร้างระเบิดปรมาณูทันที

ในเดือนเมษายน ค.ศ. 1942 Wigner ได้ขอลาพักร้อนเพื่อไปทำงานวิจัยในโครงการ Manhattan ที่มหาวิทยาลัย Chicago กับ E. Fermi จนกระทั่งถึงวันที่ 2 ธันวาคม ค.ศ. 1942 Wigner ก็เป็นบุคคลหนึ่งที่ได้เห็นการทำงานของเตาปฏิกรณ์ปรมาณูเตาแรกของโลก ว่าสามารถควบคุมการเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ได้

ตลอดเวลาสามปีที่สอนที่มหาวิทยาลัย Chicago Wigner ได้ทำหน้าที่เป็นหัวหน้าหน่วยฟิสิกส์ทฤษฎี ซึ่งมีสมาชิก 20 คน และทำวิจัยหลายเรื่อง เช่น ฟิสิกส์ของการเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ ผลกระทบของรังสีแกมมาต่อร่างกาย และอิทธิพลของอนุภาคนิวตรอนที่มีต่อสสาร อีกทั้งยังได้ออกแบบเตาปฏิกรณ์ปรมาณูที่ใช้ plutonium -239 เป็นเชื้อเพลิงด้วย

ขอบคุณภาพจากวิกิพีเดีย
หลังสงครามโลกครั้งที่สอง Wigner ได้เข้าร่วมการประชุม Pugwash ซึ่งมีนโยบายให้บรรดาชาติมหาอำนาจยุติการผลิต/การทดลองระเบิดปรมาณู และให้ทำลายระเบิดมหาประลัยเหล่านั้นจนหมดสิ้น

รางวัลเกียรติยศที่ Wigner ได้รับมีมากมาย เช่น Franklin Medal (ปี 1930), เหรียญ US Medal for Merit (ปี 1946), Fermi Prize (ปี 1958), รางวัล Atoms for Peace (ปี 1960), Planck Medal (ปี 1961) และรางวัลโนเบลฟิสิกส์ (ปี 1963)

ในด้านชีวิตส่วนตัว Wigner เป็นคนมีน้ำใจเอื้ออาทรต่อนักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันทุกคนที่ถูกขับออกนอกประเทศโดยกองทัพนาซี และยังเป็นคนที่สนับสนุนให้นักวิทยาศาสตร์อเมริกันคนอื่นๆ ช่วยเหลือนักวิทยาศาสตร์ต่างชาติที่ถูกภัยการเมืองกดขี่ด้วย
ในปี 1954 เมื่อ Robert Oppenheimer ถูกรัฐบาลอเมริกันกล่าวหาว่าเป็นภัยต่อความมั่นคงของชาติ Wigner ได้เสนอตัวเป็นพยานให้ Oppenheimer

เมื่อบิดามารดาของ Wigner ถูก Hitler คุกคามชีวิต Wigner ได้รีบนำบุพการีทั้งสองมาสหรัฐอเมริกา แต่คนทั้งสองไม่มีความสุข เพราะไม่สามารถปรับตัวให้เข้ากับการใช้ชีวิตในต่างแดนได้ Wigner จึงส่งบิดามารดากลับประเทศเยอรมนี
ในขณะที่บรรดาเพื่อนสนิทหลายคนได้เริ่มตายจาก เช่น Fermi (ปี 1954), Einstein (ปี 1955), von Neumann (ปี 1957), Szilard (ปี 1964) และ Polanyi (ปี 1976) Wigner เอง ก็เริ่มมีอาการความจำเสื่อม รู้สึกเหนื่อยง่าย และพูดไม่ชัด

ผลงานสำคัญที่ทำให้ Wigner ได้รับครึ่งหนึ่งของรางวัลโนเบลฟิสิกส์ปี 1963 คือการประยุกต์หลักสมมาตรในฟิสิกส์ควอนตัม
สมมาตร คือ กระบวนการทางคณิตศาสตร์ที่ธรรมชาติใช้ในการสร้างกฎและสูตรต่างๆ ของฟิสิกส์

แม้ Galileo และ Newton จะมิได้แถลงออกมาเช่นนั้นตรงๆ แต่เวลาคนทั้งสองสร้างทฤษฎีฟิสิกส์ ต่างก็ได้ใช้หลักสมมาตรอย่างไม่รู้ตัว ตราบถึงวันนี้ และต่อไปในอนาคต หลักสมมาตรและหลักการแตกสมมาตร ก็จะยังเป็นหลักการที่นักฟิสิกส์ทฤษฎีใช้ในการสร้างทฤษฎีควอนตัมของสนาม ทฤษฎี string ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป รวมถึงทฤษฎีของสรรพสิ่งด้วย

ตามปกติเวลานักฟิสิกส์พูดถึงสมมาตร เขาไม่ได้หมายความเฉพาะเรื่องความเหมือนกันระหว่างซ้าย-ขวา หรือบน-ล่าง หรือหน้า-หลัง เท่านั้น แต่ยังหมายถึง การกระทำใดๆ ต่อระบบ แล้วทำให้สมบัติบางประการของระบบนั้นไม่เปลี่ยนแปลง คือ มีค่าเหมือนเดิม

เช่นในกรณีลูกตุ้มแกว่งไป-มาในสุญญากาศอย่างเสรี โดยไม่มีแรงภายนอกใดๆ มากระทำ อัมปลิจูดของการแกว่งจะมีค่าเท่าเดิมเสมอ และนักฟิสิกส์แถลงว่า เพราะพลังงานทั้งหมดของลูกตุ้มมีค่าคงตัว หรือไม่เปลี่ยนแปลง

คำถามจึงมีว่า เหตุใดพลังงานจึงมีค่าคงตัว

คำตอบ คือเพราะระบบลูกตุ้มมีสมมาตรเชิงเวลา ซึ่งหมายความว่า กฎฟิสิกส์ที่ใช้บรรยายการเคลื่อนที่ของลูกตุ้ม มีรูปแบบที่ไม่ขึ้นกับเวลา ดังนั้นไม่ว่าลูกตุ้มจะแกว่างในเวลากลางวัน หรือกลางคืน ไม่ว่าจะเป็นวันหยุดราชการ หรือวันปีใหม่ กฎการแกว่งของลูกตุ้มก็ยังเป็นกฎเดียวกันเสมอ

การเลื่อนเวลาที่มีสมมาตร ทำให้เรามีกฎทรงพลังงาน

ในกรณีจรวดเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสม่ำเสมอในอวกาศ โดยไม่มีแรงโน้มถ่วงจากดาวดวงใดมากระทำ จรวดก็จะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่าเดิมและตรงไปตลอดเวลา นั่นคือจรวดจะมีโมเมนตัมคงตัว

นักฟิสิกส์อธิบายว่า สาเหตุที่เป็นเช่นนี้ เพราะการเลื่อนตำแหน่งของจรวดมีสมมาตร เพราะไม่ว่าจรวดจะอยู่ที่ใด โมเมนตัมของมันจะมีค่าคงตัว ดังนั้นการเลื่อนตำแหน่งที่สมมาตร ทำให้กฎทรงโมเมนตัมเป็นจริง

ในการโคจรของดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์ ที่วงโคจรมีลักษณะเป็นวงรี โดยมีดวงอาทิตย์อยู่ที่จุดโฟกัสหนึ่งของวงรี เมื่อนักดาราศาสตร์ได้พบว่า เวลาดาวเคราะห์อยู่ใกล้ดวงอาทิตย์ มันจะมีความเร็วมาก และเวลาอยู่ไกล ความเร็วจะน้อย

สาเหตุที่เป็นเช่นนี้ เพราะโมเมนตัมเชิงมุมของดาวเคราะห์มีค่าคงตัว

คำถามมีว่า เหตุใดจึงมีค่าคงตัว คำตอบคือ เพราะแรงโน้มถ่วงที่ดวงอาทิตย์กระทำต่อดาวเคราะห์ มีทิศทางในแนวรัศมีเท่านั้น คือไม่ได้ขึ้นกับตำแหน่งเชิงมุมของดาวเคราะห์เลย

ดังนั้นการที่เรามีกฎทรงโมเมนตัมเชิงมุม เพราะระบบที่เราพิจารณามีสมมาตรเชิงหมุน

เหล่านี้คือตัวอย่างการประยุกต์ใช้หลักสมมาตรในฟิสิกส์คลาสสิก ในฟิสิกส์ควอนตัมก็มีการใช้หลักสมมาตรเช่นกัน และบุคคลสำคัญที่ได้นำหลักสมมาตรมาใช้ในระบบอะตอม คือ Wigner

โดยในปี 1928-31 Wigner ได้พบว่าทฤษฎีกลุ่ม (group theory) สามารถนำมาใช้ศึกษาโมเมนตัมเชิงมุม และ parity ของระบบได้

ในปี 1928 Wigner กับ Pascual Jordan ได้นำแนวคิดเรื่อง การทำให้สนามของอันตรกิริยาต่างๆ ในฟิสิกส์มีสมบัติ quantum นี่คือ การพบเทคนิค second quantization

ปี 1933 Wigner กับศิษย์ชื่อ F. Seitz ได้คำนวณพลังงานทั้งหมดของอิเล็กตรอนในโลหะ ซึ่งทำให้รู้ค่าสัมประสิทธิ์ความยืดหยุ่นของโลหะ ผลงานนี้ได้เปิดโฉมของการพัฒนาทฤษฎีของอนุภาคจำนวนมาก (many-body theory)

ปี 1937 Wigner ได้เสนอหลัก Symmetry of the Nuclear Hamiltonian ที่ใช้ศึกษาพลังงานต่างๆ ของอนุภาค ในนิวเคลียส และได้พบแรงนิวเคลียร์แบบดึงดูด (Wigner Forces) แบบจำลองนี้ยังได้วางพื้นฐานการศึกษาแบบจำลองนิวเคลียสที่มีอันตรกิริยาระหว่าง spin กับ orbit ด้วย

ปี 1939 ได้เสนอ Inhomogeneous Lorentz Group

ปี 1947 เสนอทฤษฎี R. matrix theory เพื่ออธิบายการเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ต่างๆ

ปี 1958 เสนอ Wigner distribution เพื่อบอกระดับพลังงานของนิวคลีออนในนิวเคลียส เหล่านี้คือผลงานสำคัญๆ ที่ Wigner ได้ทำ ก่อนลาโลก เมื่อวันที่ 1 มกราคม ค.ศ. 1995 สิริอายุ 93 ปี

อ่านเพิ่มเติมจาก Fearless Symmetry โดย Avner Ash and Robert Gross. จัดพิมพ์โดย Princeton University Press, ปี 2006


สุทัศน์ ยกส้าน

ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย

อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" จาก "ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน" ได้ทุกวันศุกร์
กำลังโหลดความคิดเห็น...