ปี 1938 เป็นช่วงเวลาก่อนจะเกิดสงครามโลกครั้งที่สองเพียงเล็กน้อย สังคมยุโรปกำลังปั่นป่วนเพราะหลายประเทศได้ถูกกองทัพนาซีคุกคาม Erwin Schrödinger (1887-1961) ซึ่งเป็นอาจารย์ในสังกัดมหาวิทยาลัย Graz ในออสเตรีย และมีชื่อเสียงโด่งดังในฐานะที่เป็นนักฟิสิกส์รางวัลโนเบลประจำปี 1933 จากผลงานกาสร้างทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัมที่ใช้อธิบายพฤติกรรมของอนุภาคที่มีขนาดเล็กระดับอะตอมหรือยิ่งกว่า ก็กำลังรู้สึกไม่สบายใจมากกับนโยบายกำจัดชาวยิวของ Adolf Hitler ซึ่งเป็นผู้นำของเยอรมนี จึงได้วิพากษ์วิจารณ์ระบบนาซีอย่างรุนแรง จนทำให้นาซีฝ่ายปกครองไม่พอใจ เหตุการณ์นี้จึงได้ทำให้ Schrödinger รู้สึกว่าชีวิตของตนไม่ปลอดภัยไปด้วย
ดังนั้นเมื่อได้รับคำเชิญของ Taoiseach Éamon de Valera (1882-1975) ซึ่งเป็นนักคณิตศาสตร์ชาวไอริช ให้ไปดำรงตำแหน่งผู้อำนวยการคนแรกของ สถาบัน Dublin Institute for Advanced Studies (DIAS) ที่กรุง Dublin ใน Ireland เมื่อปี 1940 Schrödinger ในวัย 53 ปี ซึ่งเป็นคนที่ชื่นชมผลงานกลศาสตร์คลาสสิกของ Sir William Hamilton (1730–1803) ซึ่งเป็นคนไอริชที่ตนได้นำมาใช้ในการวางพื้นฐานของทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัม จึงตัดสินใจรับตำแหน่งในทันที
ขณะทำงานวิจัยที่สถาบัน Schrödinger ได้พบกับ P.P. Ewald (1888-1985) ซึ่งเป็นนักผลิกศาสตร์ที่มีชื่อเสียง และ Ewald ได้มอบเอกสารการวิจัยที่ Max Delbrück (1906-1981, ซึ่งได้รับรางวัลโนเบลสาขาแพทยศาสตร์ประจำปี 1969) ทำกับเพื่อน ๆ ภายใต้ชื่อว่า “The Nature of Genetic Mutations and the Structure of the Genes” ให้ Schrödinger อ่าน เพราะรู้ว่า Schrödinger กำลังสนใจเรื่องความลึกลับในการถ่ายทอดทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิต
เหตุการณ์ที่เกิดตามมา คือ ในปี 1943 Schrödinger ซึ่งกำลังดำรงตำแหน่งผู้อำนวยการของสถาบัน จะต้องแสดงปาฐกถาให้สาธารณชนฟังทุกปี และได้ตัดสินใจว่าจะคิดนอกกรอบ โดยใช้สิทธิ์ความเป็นนักฟิสิกส์รางวัลโนเบล แสดงปาฐกถาเรื่องอะไรก็ได้ และได้เลือกเรื่องทางชีววิทยา โดยใช้ชื่อเรื่องว่า “What Is Life?” ที่ Trinity College ในกรุง Dublin การบรรยายครั้งนั้นมี 3 ตอน และใช้เวลาบรรยายสามสัปดาห์ ผลปรากฏว่า มีคนเข้าฟังการบรรยายเต็มห้องประชุมทั้งสามครั้ง
เมื่อการบรรยายสิ้นสุด คำสรรเสริญจากผู้เข้าฟังจำนวนมากได้ชื่นชม Schrödinger ว่า สามารถช่วยให้คนทั่วไปได้เข้าใจวิชาชีววิทยาดีขึ้น มีผลทำให้สำนักพิมพ์แห่งมหาวิทยาลัย Cambridge ในอังกฤษ รวบรวมคำบรรยายทั้งหมดของ Schrödinger ในครั้งนั้น มาจัดพิมพ์เป็นรูปเล่ม โดยใช้ชื่อหนังสือว่า “What Is Life : The Physical Aspect of the Living Cell” ผลปรากฏว่า หนังสือสามารถขายได้ 5,000 เล่ม จากการพิมพ์ครั้งแรก และในเวลาต่อมาก็ได้เป็นหนังสือขายดีที่สุดเล่มหนึ่งในคริสต์ศตวรรษที่ 20
นอกจากประเด็นที่ทำเงินรายได้จากการขายหนังสือให้ Schrödinger ในฐานะผู้เขียนแล้ว หนังสือเล่มนี้ยังทรงความมีอิทธิพลมากด้วย เพราะได้ชักจูงให้นักฟิสิกส์หนุ่มจำนวนมาก หันมาสนใจการวิจัยทางชีววิทยา จนได้รับรางวัลโนเบลสาขาแพทยศาสตร์และสรีรวิทยาหลายคน เช่น Salvador Luria กับ Alfred Hershey ซึ่งได้รับรางวัลร่วมกันในปี 1969 และ François Jacob, André Lwoff กับ Jacques Monod ซึ่งได้รับรางวัลร่วมกันในปี 1965 ตลอดจนถึง Francis Crick และ Maurice Wilkins ซึ่งได้รับรางวัลโนเบลร่วมกับ James Watson ในปี 1962 เป็นต้น
นักประวัติวิทยาศาสตร์ได้วิเคราะห์เหตุการณ์สำคัญที่เกิดขึ้นครั้งนี้ว่า เพราะในเวลานั้นนักฟิสิกส์ระดับเกรด A++ กำลังรู้สึกเสียใจและสลดใจที่ระเบิดปรมาณู ได้มีบทบาทในการสังหารผู้คนเป็นจำนวนนับแสน จึงประสงค์จะหากิจกรรมอื่นทำ ซึ่งจะเป็นอะไรก็ได้ ที่มิใช่ฟิสิกส์
ดังนั้นเมื่อนักฟิสิกส์หลายคนได้อ่านหนังสือ “What Is Life?” ของ Schrödinger และรู้ว่าความรู้ควอนตัมฟิสิกส์และทฤษฎีอะตอม มีลู่ทางจะรู้ความลึกลับของชีวิตโดยการพิสูจน์ได้ว่า สิ่งมีชีวิตทุกชนิดมีผลึกที่มีโครงสร้างแบบไม่เป็นคาบ (aperiodic crystal) และเมื่อ Niels Bohr (1885-1962) ซึ่งเป็นนักฟิสิกส์คนสำคัญ เจ้าของรางวัลโนเบลปี 1922 ก็เชื่อว่า การที่โมเลกุลในเซลล์ของสิ่งมีชีวิตมีพันธะเคมียึดโยงกัน ซึ่งได้ทำให้โมเลกุลเหล่านั้นมีเสถียรภาพ วิชากลศาสตร์ควอนตัมสามารถอธิบายที่มาของพันธะเคมี อันเป็นสื่อที่อันตรกิริยาระหว่างโมเลกุลสร้างขึ้นได้อย่างมีเหตุผล นักฟิสิกส์ เช่น Maurice Wilkins (1916–2004) กับ Francis Crick (1916-2004) ซึ่งกำลังสนใจจะหาโครงสร้างของโปรตีนใน gene จึงได้ร่วมมือกับ James Watson (1928-ปัจจุบัน) เพื่อหาโครงสร้างของ deoxyribonucleic acid (DNA) อันเป็นองค์ประกอบพื้นฐานที่สำคัญในการถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตทุกชนิด และการค้นพบนี้ได้ทำให้คนทั้งสาม (Wilkins, Crick, Watson) ได้รับรางวัลโนเบลสาขาสรีรวิทยา และแพทยศาสตร์ ประจำปี 1962 จากการค้นพบโครงสร้างที่เป็นเกลียวคู่ของ DNA จนทำให้เกิดยุคทองของวิทยาการสาขาใหม่ คือ ชีววิทยาระดับโมเลกุล (Molecular Biology)
เมื่อผลงานของคนทั้งสามได้รับการตีพิมพ์เผยแพร่ในวารสาร Nature ในปี 1953 James Watson กับ Francis Crick ได้ถือวิสาสะส่งรายงานวิจัยของตนไปให้ Schrödinger อ่าน และบอกว่า DNA มีโครงสร้างคล้ายผลึกที่ไม่เป็นคาบ เหมือนดังที่ Schrödinger ได้เคยคาดคะเนไว้ทุกประการ
อีกหกเดือนต่อมาหลังจากการค้นพบโครงสร้างของ DNA และสิบปีหลังการบรรยายของ Schrödinger ที่กรุง Dublin Francis Crick ได้เขียนจดหมายถึง Schrödinger เพื่อแสดงความคารวะ และได้เอ่ยบอก Schrödinger ว่า หนังสือ “What Is Life?” ได้มีอิทธิพลต่อความคิดของ Crick และ Watson มาก จนทำให้พวกตนได้พบโครงสร้างของ DNA
Schrödinger ไม่ได้ตอบจดหมายของ Crick และประเด็นที่น่าประหลาดใจยิ่งกว่านั้นก็คือ Schrödinger ไม่ได้หวนกลับไปสนใจวิชาชีววิทยาอีกเลย
ตลอดเวลา 70 ปีที่ผ่านไป วิทยาการ Molecular Biology ได้เติบโต และแตกแขนงออกเป็นวิทยาการย่อย ๆ อีกมากมาย เช่น neuroscience, molecular genetics, immunology, bioengineering, gerontology ฯลฯ ซึ่งล้วนเป็นชีววิทยายุคใหม่ และเป็นผลงานที่เกิดจากการมีวิสัยทัศน์ที่กว้างไกลของ Schrödinger ซึ่งได้ชี้ให้ทุกคนเห็นว่าเซลล์ของสิ่งมีชีวิตสร้างความเป็นระเบียบจากความไม่เป็นระเบียบ แล้วจะส่งคุณลักษณะของความเป็นระเบียนนั้นไปสู่อนุชนรุ่นหลังต่อๆ ไปในอนาคต
ในตอนท้ายของหนังสือ “What Is Life?” Schrödinger ได้กล่าวสรุปว่า ในการจะอธิบายธรรมชาติของสิ่งมีชีวิต นักวิทยาศาสตร์จำเป็นต้องมีฟิสิกส์และเคมีรูปแบบใหม่ ที่ไม่ใช่กลศาสตร์ควอนตัม
แต่เมื่อมีการพบโครงสร้างของ DNA ว่าเป็นแบบเกลียวคู่ นักวิทยาศาสตร์ในเวลาต่อมาก็ตระหนักได้ว่า เราไม่มีความจำเป็นจะต้องมีฟิสิกส์และเคมีรูปแบบใหม่ เพราะกลศาสตร์ควอนตัมที่ Niels Bohr, Erwin Schrödinger และ Pascual Jordan (1902- 1980) ได้พัฒนาขึ้นมาตั้งแต่ปี 1925 ก็เพียงพอและดีพอประมาณแล้ว ทั้งนี้เพราะกลไก copying mechanism ของยีน จำเป็นต้องใช้พันธะไฮโดรเจนระหว่าง nucleotide ที่เติมเต็มกัน พันธะนี้เกิดขึ้นและทำงานตามหลักการที่ถูกกำหนดโดยสมการ Schrödinger ทุกประการ
แม้ว่าหนังสือ “What Is Life?” จะได้รับการตีพิมพ์เพิ่มอีกหลายต่อหลายครั้ง Schrödinger ก็ไม่ได้เขียนอัพเดทความรู้ใหม่ ๆ ที่นักวิจัยเพิ่งพบในหนังสือที่เขาเขียนเลย เช่น เมื่อ Oswald Avery (1877-1955) ได้พบว่า gene ของสิ่งมีชีวิตประกอบด้วย DNA หรือแม้แต่ความคิดที่ทันสมัยของ John von Neumann (1903 - 1957) เรื่อง self-replicating automata ก็มิได้มีการนำมากล่าวถึงในหนังสือ
และสำหรับประเด็นที่ Schrödinger เคยคิดว่า ชีววิทยาจำเป็นต้องมีวิทยาศาสตร์สาขาใหม่ที่มิใช่กลศาสตร์ควอนตัม เพื่อใช้อธิบายกลไกการทำงานของสิ่งมีชีวิตนั้น ในที่สุด Schrödinger ก็ยอมรับว่าตนคิดผิด และได้อ้างถึงคำพูดของนักปราชญาชาวสเปน ชื่อ Miguel de Unamuno (1864–1936) ที่กล่าวว่า คนที่ไม่เคยพูดอะไรขัดแย้งกับคำพูดเดิมของตนนั้น เป็นคนใบ้ หรือ คนที่ไม่เคยพูดอะไรเลย นั่นเอง
Erwin Schrödinger เกิดที่กรุง Vienna ใน Austria เมื่อวันที่ 12 สิงหาคม ปี 1887 เมื่ออายุ 19 ปี ได้เข้าเรียนฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัย Vienna โดยตั้งใจว่าจะได้เรียนกับนักฟิสิกส์ผู้ยิ่งใหญ่ชื่อ Ludwig Boltzmann (1844-1906) แต่ปรากฏว่า Boltzmann ได้ฆ่าตัวตายในปีที่ Schrödinger เข้าเรียน ดังนั้น Schrödinger จึงต้องเรียนกับลูกศิษย์ของ Boltzmann แทน
เมื่อเกิดสงครามโลกครั้งที่หนึ่ง Schrödinger ได้ถูกเกณฑ์ไปเป็นทหาร ครั้นเมื่อสงครามโลกยุติ Schrödinger ได้เข้าทำงานเป็นอาจารย์ในมหาวิทยาลัยหลายแห่ง เช่น ที่ Stuttgart และ Breslau ในเยอรมนี และที่ Zürich ในสวิสเซอร์แลนด์ ขณะทำงานอยู่ที่มหาวิทยาลัย Zürich นี้เอง มีวันหนึ่งที่ Schrödinger ต้องให้สัมมนาแก่บุคลากรในภาควิชา และได้เลือกเรื่องสมบัติทวิภาพของอนุภาคและคลื่น ซึ่งเป็นการต่อยอดความคิดของ Louis de Broglie (1892-1987, รางวัลโนเบลฟิสิกส์ปี 1929) มีนักเคมีที่มีชื่อเสียงโด่งดังชื่อ Peter Debye (1884-1966, รางวัลโนเบลเคมีปี 1936) นั่งฟังสัมมนาครั้งนั้นอยู่ด้วย และ Debye ได้ถาม Schrödinger ว่า อนุภาคที่ Schrödinger เอ่ยถึงนั้น มีสมการที่แสดงสมบัติความเป็นคลื่นกำกับหรือไม่ เมื่อ Schrödinger ไม่สามารถตอบได้ในทันที จึงได้ขอเวลาไปเสาะหาคำตอบอีกหนึ่งเดือน เพื่อตอบคำถามนี้ และในที่สุดเขาก็ได้พบสมการ Schrödinger ที่คนที่เรียนฟิสิกส์ยุคใหม่ทุกคนรู้จักดี
นอกจากจะมีสมการ Schrödinger ที่โลกรู้จักดีแล้ว คนทั่วไปที่สนใจฟิสิกส์ควอนตัมก็ยังรู้จักแมวของ Schrödinger ด้วย
ในปี 1935 Schrödinger ซึ่งเป็นบิดาคนหนึ่งที่ให้กำเนิดวิชากลศาสตร์ควอนตัมได้ยกตัวอย่าง ซึ่งแสดงให้เห็นว่า ในโลกควอนตัมนั้นมีเหตุการณ์ประหลาด ๆ ที่ขัดแย้งต่อสามัญสำนึกของคนทั่วไปมากมาย จนคนบางคนคิดว่าวิชานี้เป็นสายมูเตลู (ไสยศาสตร์) เช่น อนุภาคตัวหนึ่ง สามารถปรากฏอยู่ ณ สองสถานที่ได้ในเวลาเดียวกัน หรือถ้าจะพูดเป็นภาษาวิชาการก็คือ อนุภาคสามารถอยู่ได้สองสถานะพร้อมกัน ซึ่งในภาษาฟิสิกส์เรียกสมบัติเช่นนี้ว่า การมีสถานะซ้อนทับ (superposition) กัน และอนุภาคในสองสถานะนี้จะมีความพัวพันกัน (entangle) คือ มีข้อมูลทั้งหมดร่วมกัน ไม่ว่าอนุภาคทั้งสองนั้นจะอยู่ห่างกันเพียงใด นั่นคือ ระบบสองอนุภาคจะประพฤติตัวเสมือนว่า เป็นระบบที่มีอนุภาคหนึ่งเดียว
ครั้นเมื่อ Schrödinger ต้องการจะให้คนทั่วไปเข้าใจความคิดพื้นฐานที่สำคัญมากนี้ Schrödinger จึงได้สมมติว่า มีแมวตัวหนึ่งถูกขังอยู่ภายในภาชนะปิด ที่ไม่ให้ใครเห็น ภายในภาชนะนี้ มีอะตอมของธาตุกัมมันตรังสีหนึ่งอะตอม มีขวดบรรจุยาพิษที่เป็นกรด Prussic มีอุปกรณ์ Geiger counter ที่ทำหน้าที่ตรวจจับกัมมันตรังสี ที่ถูกปลดปล่อยออกมาจากอะตอมที่กำลังสลายตัว และมีค้อนด้ามหนึ่งซึ่งทำหน้าที่ทุบขวดยาพิษให้แตก เพื่อปล่อยควันพิษออกมาฆ่าแมว การทดลองในจินตนาการนี้มีขั้นตอนการทำงาน ดังนี้
ทันทีที่อะตอมกัมมันตรังสีสลายตัว อุปกรณ์ Geiger counter จะรับรังสีที่เกิดขึ้นแล้วส่งสัญญาณไปที่ค้อนให้ทุบขวดยาพิษจนแตก
จุดประสงค์ของการทดลอง คือ การแสดงให้เห็นว่ากระบวนการสลายตัวของอะตอมกัมมันตรังสีเป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นแบบ quantum คือเราจะรู้เพียงโอกาสที่อะตอมจะสลายตัวเท่านั้น แต่ไม่รู้เวลาที่แน่ชัดว่า มันจะสลายตัวเมื่อไร ดังนั้นถ้าอะตอมสลายตัว ผลสุดท้ายที่จะเกิดขึ้นก็คือ แมวก็จะตาย แต่ถ้าอะตอมไม่สลายตัว แมวก็จะยังมีชีวิตอยู่ และเราจะรู้ว่า แมวจะเป็นหรือจะตาย ก็ต่อเมื่อเราเปิดภาชนะออกดูเท่านั้น
ดังนั้นถ้าเรายังไม่เปิดภาชนะออกดู เราก็จะยังไม่รู้ว่าแมวนั้นอยู่ในสถานภาพเช่นใด การไม่รู้แน่ชัดเช่นนี้ นักฟิสิกส์สามารถแสดงสถานการณ์ได้ในรูปของการซ้อนทับของสถานะ คือ แมวจะอยู่ในสถานะทั้ง “เป็น” และ “ตาย” ได้ในเวลาเดียวกัน การคิดทำนองนี้ได้ทำให้คนทั่วไปรู้สึกงุนงงมาก เพราะไม่มีใครเคยเห็นแมวทั้ง “เป็น” และ “ตาย” ในเวลาเดียวกัน แต่นักฟิสิกส์ควอนตัมก็ได้สาธิตด้วยการทดลองให้เห็นว่า ในกรณีอนุภาคที่มีขนาดเล็กระดับอะตอม (แต่ยังไม่ใหญ่เท่าแมว) อนุภาคหนึ่งตัว สามารถอยู่ในสองสถานะได้พร้อมกัน
ดังในปี 1990 David Wineland (1944-ปัจจุบัน) แห่ง National Institute of Standards and Technology (NIST) ที่เมือง Boulder รัฐ Colorado ในสหรัฐอเมริกา ได้กักขังไอออน (ion) ของธาตุ beryllium (ion เป็นอะตอมของธาตุที่ได้สูญเสียอิเล็กตรอนไป ดังนั้นมันจึงมีประจุบวก เรียก cation) และ Wineland ได้กัก ion ตัวนี้ให้อยู่ในสนามแม่เหล็กที่มีความเข้มสูง และให้อยู่ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิต่ำมากด้วย เพื่อไม่ให้ ion ถูกรบกวนมากจนระบบของมันต้องสูญเสียความพัวพันไป
จากนั้น Wineland ก็ได้ปล่อยห้วงแสงเลเซอร์ให้กระทบ ion ซึ่งเมื่อได้รับแสง ion ก็จะมีพลังงานสูงขึ้น
แต่ถ้าลดห้วงแสงเลเซอร์ให้เหลือเพียงครึ่งเดียว ion ก็จะสามารถอยู่ได้ในสองสถานะ คือ สถานะพื้นฐานกับสถานะกระตุ้นที่จะแยกจากกัน
จากนั้นเขาก็กระตุ้น ion ที่อยู่ในสถานะซ้อนทับด้วยห้วงแสงเลเซอร์ห้วงใหม่ ซึ่งจะแยกสถานะที่ซ้อนทับกัน ให้อยู่ห่างจากกัน จนได้ระยะทางประมาณ 11 เท่าของเส้นผ่านศูนย์กลาง ion เดิม
ผลที่เกิดขึ้น คือ ion ของ Wineland จะอยู่ในสองสถานะที่แตกต่างกันได้ ในเวลาเดียวกัน
การทดลองของ Wineland ได้แสดงให้เห็นหลักการซ้อนทับของสถานะควอนตัมว่า มีจริงในธรรมชาติ
ด้าน Serge Haroche (1944-ปัจจุบัน) แห่ง Collège de France ในฝรั่งเศสก็ทำการทดลองที่ตรงข้ามกับการทดลองของ Wineland ซึ่งได้ใช้แสงแยก ion ที่มีสถานะซ้อนทับกัน แต่ Haroche ได้ใช้ ion แยกแสงที่มีสถานะซ้อนทับกัน
ผลงานของคนทั้งสองทำให้ได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ประจำปี 2012 เพราะมันเป็นการทดลองที่สำคัญมาก และเป็นพื้นฐานที่ใช้ในการควบคุมการทำงานของ quantum computer และนาฬิกาอะตอม ซึ่งใช้กำหนดเวลามาตรฐาน 1 วินาที และวัดเวลาได้ละเอียดถึง 10^(-18) วินาที ฯลฯ
อ่านเพิ่มเติมจาก “Schrodinger: Life and Thought” โดย Walter J. Moore จัดพิมพ์โดย Cambridge University Press ปี 1989
ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน : ประวัติการทำงาน - ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" ได้ทุกวันศุกร์
