การเดินทางของนักฟิสิกส์สู่อุณหภูมิศูนย์องศาสัมบูรณ์ กับพฤติกรรมควอนตัมที่พบ

เวลาปีนเขา เรามักรู้สึกว่ายิ่งขึ้นสูง อากาศจะยิ่งหนาว จินตนาการนี้ทำให้หลายคนคิดไกลไปว่า ณ ที่ไกลออกไปจากโลกมาก ๆ อุณหภูมิคงจะต่ำมาก จนสิ่งมีชีวิตไม่สามารถมีชีวิตอยู่ได้ แม้ในอวกาศจะมีดาวฤกษ์เป็นจำนวนมากที่ให้แสงสว่างและความร้อนก็ตาม อุณหภูมิของอวกาศก็คงไม่สูงมาก


ในปี 1965 Arno Allan Penzias (1933–2024) และ Robert Woodrow Wilson (1936-ปัจจุบัน) ได้พบรังสีไมโครเวฟภูมิหลัง (Cosmic Microwave Background; CMB) ซึ่งเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดไมโครเวฟว่ามีอยู่ทั่วไปทั้งเอกภพ นี่จึงเป็นหลักฐานสำคัญที่แสดงว่า เอกภพได้ถือกำเนิดจากการระเบิดครั้งไฮเปอร์ซูเปอร์มโหฬาร และรังสีนี้มีอุณหภูมิประมาณ 2.7 องศาเคลวิน

ผลงานนี้ทำให้ Penzias กับ Wilson ได้รับครึ่งหนึ่งของรางวัลโนเบลฟิสิกส์ประจำปี 1978

คำถามที่น่าสนใจจึงมีต่อไปว่า อุณหภูมิของอากาศส่วนใด ที่บนดาวดวงใด หรือที่กาแล็กซีใด จะมีค่าต่ำที่สุดในเอกภพ และเมื่ออุณหภูมิต่ำสุดเท่าที่จะเป็นไปได้ คือ ศูนย์องศาสัมบูรณ์ หรือ -273.15 องศาเคลวิน การค้นหาสถานที่มีอุณหภูมิต่ำที่สุด จึงเป็นเรื่องที่น่าสนใจอีกเรื่องหนึ่งในวงการดาราศาสตร์


ในปี 2021 Leslie Gilbert Illingworth (1902–1979) แห่งมหาวิทยาลัย California ที่ Santa Cruz กับคณะได้รายงานการพบว่าเนบิวลาชื่อ Boomerang ที่อยู่ในกลุ่มดาวคนครึ่งม้า (Centaurus) และอยู่ห่างจากโลกประมาณ 5,000 ปีแสง ซึ่งประกอบด้วยเมฆฝุ่นละอองกับ plasma ที่กำลังสูญเสียมวลของมันไปอย่างมหาศาล โดยการขับแก๊สออกจากตัวด้วยความเร็วสูงถึง 164 กิโลเมตร/วินาที ในปริมาณ 10^27 กิโลกรัม/ปี นี่เป็นการสูญเสียความร้อนในปริมาณมหาศาล จนทำให้เนบิวลามีอุณหภูมิ -272 องศาเซลเซียส (ประมาณ 1 K)

นั่นคือ สถิติอุณหภูมิต่ำสุดที่พบในธรรมชาติ

แต่ถ้าจะถามว่า นักฟิสิกส์สามารถทำให้สสารมีอุณหภูมิต่ำกว่านั้นได้หรือไม่ คำตอบก็มีว่า ได้

ใน วารสาร Physical Review Letters ฉบับ 10 กันยายน ปี 2021 Ernst Maria Rasel แห่ง Leibniz University Hannover (LUH) ในเยอรมนี กับคณะได้รายงานการทำให้อะตอม rubidium มีอุณหภูมิ 3.8*10^(-11) K (0.000000000038 K) นานเป็นเวลา 2 วินาที

นี่เป็นสถิติโลกของการทำอุณหภูมิของสสารให้มีค่าต่ำที่สุด

ปัจจุบันนี้การศึกษาธรรมชาติของสสารขณะมีอุณหภูมิต่ำมาก ๆ กำลังเป็นความท้าทายของนักทดลอง และนักทฤษฎี เพราะไม่มีใครรู้ชัดว่า อะไรจะเกิดขึ้นกับสสารที่มีอุณหภูมิต่ำใกล้ศูนย์องศาสัมบูรณ์


ในอดีต Peter Kapitza (1894-1984) ได้พบว่า helium-4 จะกลายสภาพเป็นของไหลยวดยิ่ง (superfluid) ที่อุณหภูมิ 2.174 K คือ สามารถไหลไปได้โดยปราศจากแรงหนืดใดๆ มาต้านการเคลื่อนที่ของมัน การค้นพบนี้ได้เกิดขึ้นในปี 1939 ทำให้ Kapitza ได้รับครึ่งหนึ่งของรางวัลโนเบลฟิสิกส์ประจำปี 1978 ส่วนอีกครึ่งหนึ่งเป็นของ Penzias กับ Wilson


ด้าน Kamerlingh Onnes (1853-1926) ก็ได้พบว่า ปรอทบริสุทธิ์เป็นตัวนำยวดยิ่ง (superconductor) ที่อุณหภูมิ 4.2 K ซึ่งทำให้ปรอทนั้นไม่มีความต้านทานไฟฟ้าเลย ดังนั้นกระแสไฟฟ้าที่ไหลในปรอทได้อย่างไม่มีวันสลาย ผลงานการค้นพบปรากฏการณ์ตัวนำยวดยิ่งทำให้ Onnes ได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ ปี 1913

การเดินทางของนักฟิสิกส์สู่อุณหภูมิศูนย์องศาสัมบูรณ์ จึงได้เปิดเผยธรรมชาติที่แปลกและอัศจรรย์มากมาย เพราะที่อุณหภูมิต่ำ สสารจะแสดงพฤติกรรมที่ถูกกำหนดโดยหลักการของทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัม กระนั้นก็ไม่มีใครมั่นใจ 100% เต็มว่า ถ้าที่อุณหภูมิใกล้ศูนย์องศาสัมบูรณ์ยิ่งกว่านี้ อะไรจะเกิดขึ้นกับสมบัติของสสาร

ในปี 1995 Eric Cornell (1961-ปัจจุบัน) กับ Carl Wieman (1951-ปัจจุบัน) และ Wolfgang Ketterle (1957-ปัจจุบัน) ประสบความสำเร็จในการสร้างสสารเฟสที่ 5 (สสารที่รู้จักกันก่อนนั้นมี 4 เฟส คือ ของแข็ง ของเหลว แก๊ส และพลาสมา) โดยได้ทำให้แก๊สของอะตอม rubidium มีอุณหภูมิลดต่ำถึง 1.7*10^(-7) องศาเคลวิน (0.00000017 K) จึงมีผลทำให้อะตอม rubidium ทุกตัว มีฟังก์ชันคลื่นเดียวกันหมด คือ อะตอมทั้งหมดประพฤติเหมือนเป็นอะตอมเดียว สสารนี้มีชื่อเรียกว่า BEC (จากคำเต็มว่า Bose–Einstein Condensate) ที่ Bose กับ Einstein ได้ทำนายไว้ตั้งแต่ปี 1924) แต่อุณหภูมิ 1.7*10^(-7) K ผลงานการพบนี้ ได้ทำให้นักฟิกส์ทั้งสาม ได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ ปี 2001 แม้จะมีอุณหภูมิต่ำเพียงใด ที่ห้องปฏิบัติการ ณ มหาวิทยาลัย Colorado ในสหรัฐฯ ก็มิได้ทำให้ชาวเมือง Boulder เดือดร้อนแต่อย่างใด เพราะบริเวณที่เย็นจัดที่สุดในโลก ณ เวลานั้น มีปริมาตรเพียง 0.17 ลูกบาศก์เมตรเท่านั้นเอง แต่ก็มีจำนวนอะตอมมากถึง 200 ล้านตัว และอยู่กันอย่างนิ่งๆ คือ แทบไม่เคลื่อนไหวอะไรเลย

สามสิบปีต่อมา ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีการสร้างความเย็นจัดได้ทำให้สถิติอุณหภูมิต่ำสุดมีค่า 38 picokelvins (38*10^(-12) K = 0.000000000038 องศาเคลวิน) ความพยายามนี้เกิดจากความต้องการจะเห็นพฤติกรรมควอนตัมของสสารที่สามารถนำไปประยุกต์ใช้ในการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัม และอาจช่วยนักทฤษฎีให้สามารถสร้างทฤษฎีของสรรพสิ่งที่รวบรวมทฤษฎีควอนตัมกับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเข้าเป็นหนึ่งเดียวได้ในที่สุด


ใน วารสาร Physical Review Letters ฉบับเดือนกันยายน ปี 2021 Ernst Rasel แห่งมหาวิทยาลัย Leibniz University Hannover (LUH) กับคณะได้รายงานการทดลองนำอะตอม rubidium 100,000 ตัว ไปกักเก็บในกล่องแม่เหล็ก (คือ ใช้สนามแม่เหล็กกักขังมัน) แล้วปล่อยให้ตกจากยอดหอคอยที่สูง 110 เมตร ที่มหาวิทยาลัย Bremen ขณะกลุ่มอะตอมในสภาพสสาร BEC ตกลงมาอย่างเสรี Rasel ได้ปิดสนามแม่เหล็ก ทำให้อะตอมทั้งกลุ่มขยายตัว ซึ่งแก๊สต้องใช้พลังงาน ดังนั้นจึงต้องเอามาจากพลังงานภายในที่แก๊สนั้นมี ด้วยเหตุนี้อุณหภูมิของแก๊สจึงลดลง การติดตามดูพฤติกรรมของแก๊สตลอดการทดลองแสดงให้เห็นการเปลี่ยนแปลงรูปแบบต่าง ๆ ว่า เวลาพลังงานภายในได้กำหนดพฤติกรรมของ BEC เช่นไร


เป็นที่น่าสังเกตว่า อะตอมจำนวนแสนนี้ดูเหมือนจะมาก แต่จริง ๆ แล้ว ปริมาตรทั้งหมดนี้มีขนาดเล็กกว่าหัวเข็มหมุด การทำสสารให้มีอุณหภูมิต่ำ เราทำได้เฉพาะสสารที่มีมวลน้อยเท่านั้น สถิติความสำเร็จในการทำสสารมวลมากให้มีอุณหภูมิต่ำ คือ ทำมวลของทองแดงที่หนัก 400 กิโลกรัม ให้มีอุณหภูมิ 0.006 K เท่านั้นเอง และต้องใช้ทองแดงที่ได้ถลุงมานานนับพันปี เพื่อให้อะตอมกัมมันตรังสีทั้งหลายที่มีอยู่ในก้อนทองแดงสลายตัวให้หมด นักวิจัยครั้งนั้นจึงต้องใช้ก้อนทองแดงที่ได้จมลงไปกับเรือรบโรมัน ณ บริเวณนอกฝั่งเกาะ Sardinia ในทะเล Mediterranean

คำถามที่น่าสนใจมากอีกคำถามหนึ่งก็คือ

เราจะทำให้สสารมีอุณหภูมิศูนย์องศาสัมบูรณ์ได้หรือไม่ คนที่เรียนวิชาความร้อนมา ก็จะตอบได้ในทันทีว่า ทำไม่ได้ เพราะนั่นคือกฎข้อที่สามของวิชา ซึ่งกล่าวห้ามไว้ และใครๆ ก็รู้ว่ากฎหมายธรรมดาที่บังคับคน สามารถเขียนใหม่ได้ สามารถเลิกได้ แต่กฎฟิสิกส์นั้นห้ามละเมิดเด็ดขาด นอกจากนี้คำถามก็ยังมีต่อว่า แล้วที่อุณหภูมิต่ำมาก ๆ เวลาสสารแสดงพฤติกรรม quantum กฎข้อที่สามของวิชาความร้อนจะมีการปรับเปลี่ยนอย่างไรบ้างหรือไม่

อุณหภูมิศูนย์องศาสัมบูรณ์ คือ อุณหภูมิ -273.15 องศาเซลเซียส เป็นอุณหภูมิขีดจำกัดต่ำสุดในธรรมชาติ อุณหภูมิสัมบูรณ์จึงมีค่าต่ำกว่าอุณหภูมิของอวกาศเสียอีก

ในการตอบคำถามว่า เราจะทำอุณหภูมิให้ต่ำกว่าศูนย์องศาสัมบูรณ์ได้หรือไม่นั้น เราต้องเข้าใจความหมายทางวิทยาศาสตร์ของคำว่าอุณหภูมิในเบื้องต้นก่อน

คนทั่วไปเวลาพูดถึงอุณหภูมิ เขามักคิดว่า มันเป็นค่าที่บอกระดับความร้อนว่า สูงหรือต่ำ ของชนิดนี้ ถ้าร้อน ก็มีอุณหภูมิสูง และถ้าเย็น ก็มีอุณหภูมิต่ำ






แต่ในความเป็นจริง นักฟิสิกส์สนใจจะเห็นพฤติกรรมควอนตัมของสสารมากกว่าสนใจจะสร้างเทคโนโลยีทำสสารให้มีอุณหภูมิใกล้ศูนย์องศาสัมบูรณ์ ซึ่งเทคนิคนี้ได้มีวิวัฒนาการมาเป็นเวลานาน เช่น ใช้วิธี laser cooling ที่ทำให้อะตอมเคลื่อนที่ช้าลง ด้วยการยิง laser สวนทิศเข้าชนอะตอม ทำให้มันเคลื่อนที่ช้าลง เสมือนกับการยิงลูกปิงปองจำนวนมากให้พุ่งชนลูกฟุตบอลที่กำลังเคลื่อนที่เร็ว เพื่อทำให้ลูกฟุตบอลเคลื่อนที่ช้าลง โดยใช้หลักการทรงโมเมนตัมในการชน


ดังนั้น นอกจาก laser จะใช้ทำให้สสารร้อนขึ้นแล้ว ยังสามารถทำให้สสารเย็นลงได้ด้วย


เทคโนโลยีนี้ทำให้ Claude Cohen-Tannoudji (1933-ปัจจุบัน), Steven Chu (1948-ปัจจุบัน) และ William Daniel Phillips (1948-ปัจจุบัน) ได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ประจำปี 1997

การทำให้อุณหภูมิลดต่ำด้วยวิธี laser cooling นี้ สามารถลดอุณหภูมิของสสารลงได้ถึงระดับ microkelvin (10^(-6) องศาเคลวิน) และในการวัดอุณหภูมิที่มีค่าน้อยนิดเช่นนี้ นักวิทยาศาสตร์จำเป็นต้องมี thermometer ที่มีประสิทธิภาพสูงด้วย

พัฒนาการการทำอุณหภูมิต่ำได้ก้าวหน้าต่อไป โดยใช้เทคนิคที่เรียกว่า evaporative cooling คือ ทำให้สสารเย็นลง โดยการระเหยในลักษณะเดียวกับที่ให้อะตอมที่ผิวน้ำระเหยออกไปจากน้ำในจาน การสูญเสียพลังงานในลักษณะนี้ ทำให้พลังงานของน้ำที่เหลือในจานจะน้อยลง อุณหภูมิของน้ำในจานจึงเย็นลงไปอีก

โดยการรวมเทคนิค laser cooling กับ evaporative cooling นักฟิสิกส์สามารถทำให้อะตอมมีอุณหภูมิต่ำถึง 10^(-9) องศาเคลวิน (nanokelvin) ได้


ในระหว่างปี 1906-1912 Walther Nernst (1864-1941) ได้พัฒนากฎข้อที่สามของวิชาความร้อนขึ้น ซึ่งกฎนี้มีถ้อยแถลงว่า การทำให้อุณหภูมิของระบบให้มีอุณหภูมิศูนย์องศาสัมบูรณ์นั้น เป็นเรื่องที่ไม่มีใครสามารถจะทำได้ เพราะถ้าใช้พลังงานในการทำ ก็ต้องใช้เวลานานชั่วกัปชั่วกัลป์ หรือถ้าจะใช้เวลาเพียงสั้นๆ ก็ต้องใช้พลังงานที่มากถึงอนันต์ และเมื่อไม่มีใครมีปัจจัยทั้งสองได้พร้อมกัน กฎข้อที่สามจึงแถลงว่า ใครหน้าไหนก็ทำให้ระบบมีอุณหภูมิ 0 องศาสัมบูรณ์ไม่ได้

นี่เป็นกฎที่ Nernst ตั้งขึ้น และทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลเคมีประจำปี 1920 และกฎนี้ถือกำเนิดก่อนที่โลกจะมีวิชากลศาสตร์ควอนตัม ในปี 1925

คำถาม คือ กฎข้อนี้จะมีการปรับเปลี่ยนรูปแบบอย่างไรหรือไม่ เมื่อนำมาใช้กับระบบควอนตัม

ในปี 2023 ทีมวิจัยภายใต้การนำของ Marcus Huber จาก Technical University Vienna (TUW) ได้ศึกษาเรื่องนี้ และแถลงกฎข้อที่สามใหม่ ในเชิงควอนตัมว่า การทำให้ระบบมีอุณหภูมิ T=0 นั้น สามารทำได้ถ้ามีปัจจัย 3 ประการ คือ พลังงาน เวลา และความซับซ้อน (complexity) โดยปัจจัยหนึ่ง ปัจจัยใดจะต้องมีในปริมาณอนันต์ นั่นคือ มากจนหาที่สุดมิได้

ตามปกติวิชา Thermodynamics เป็นการศึกษาระบบที่ประกอบด้วยอนุภาคจำนวนมาก เราไม่มีวิชา Thermodynamics ของอะตอมหรือโมเลกุล ซึ่งเป็นเรื่องที่นักฟิสิกส์ควอนตัมสนใจ เพราะรู้ว่าเมื่ออุณหภูมิของอนุภาคมีค่า 0 องศาสัมบูรณ์ อนุภาคอยู่ในสถานะที่มีพลังงานน้อยที่สุด และจะสูญเสียข้อมูลทุกชนิดที่เกี่ยวกับสถานะเดิมของมัน ดังนั้นในมุมมองของกลศาสตร์ควอนตัม การทำให้อะตอมเย็นลง คือ การทำลายข้อมูลสารสนเทศของมัน

อุณหภูมิใน thermodynamics กับทฤษฎีสารสนเทศใน quantum จึงมีความสัมพันธ์กัน


แต่ในวิชา thermodynamics เราต้องใช้พลังงานมากถึงอนันต์ เพื่อทำให้ระบบมีอุณหภูมิศูนย์องศาสัมบูรณ์

นั่นแสดงว่า การทำให้อุณหภูมิ T=0 เราต้องทำลายข้อมูลจำนวนมากนับอนันต์และต้องใช้พลังงานมากถึงอนันต์ด้วย

แต่ Marcus Huber ก็ได้เสนอแนะว่า เราไม่จำเป็นต้องใช้พลังงานมากถึงอนันต์ คือใช้พลังงานน้อยกว่าได้ แต่ต้องใช้เวลานานนับชั่วกัปชั่วกัลป์ จึงจะทำลายข้อมูลได้หมด

เพราะระบบควอนตัมที่อยู่ในสถานะพื้นฐานสามารถกำหนดได้ ถ้ามีพลังงานส่วนหนึ่ง ภายในช่วงเวลาที่จำกัดค่าหนึ่ง เพราะระบบควอนตัมที่มีความซับซ้อนระดับอนันต์ (infinite complex) จะทำให้มันมีอุณหภูมิศูนย์องศาสัมบูรณ์ได้ ด้วยพลังงานที่มีค่าจำกัด และภายในเวลาที่จำกัดด้วย


ดังนั้นถ้ามีคอมพิวเตอร์ควอนตัมใช้ และถ้าเราต้องการกำจัดสารสารกาศควอนตัมในคอมพิวเตอร์นั้น ก็ต้องทำให้ qubit อยู่ในสถานะพื้นฐานอย่างสมบูรณ์ โดยที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมต้องมีความซับซ้อนระดับอนันต์ จึงจะสามารถควบคุม qubit จำนวนมากนับอนันต์ในคอมพิวเตอร์ควอนตัมได้

ในโลกของความเป็นจริง อุณหภูมิเป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญมาก อุณหภูมิยิ่งสูง สถานะควอนตัมของ qubit จะสลายง่าย

การศึกษาเรื่อง thermodynamics เชิงควอนตัม จึงเป็นเรื่องที่มีความสำคัญมาก ในคอมพิวเตอร์ควอนตัม

อ่านเพิ่มเติมจาก Landauer Versus Nernst: What is the True Cost of Cooling a Quantum System? โดย Philip Taranto กับคณะ ในวารสาร PRX Quantum ฉบับวันที่ 27 มีนาคม 2023


ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน : ประวัติการทำงาน - ราชบัณฑิตสำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย

อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" ได้ทุกวันศุกร์