Einstein's light box
เมื่อไอน์สไตน์ท้าทายหลักความไม่แน่นอน
การทดลอง เป็นกระบวนการที่สำคัญอย่างยิ่งต่อการตรวจสอบความถูกต้องของทฤษฎีทางวิทยาศาสตร์ จะกล่าวว่ามันเป็นหัวใจของวิทยาศาสตร์เลยก็ว่าได้ แต่ในหลายๆสถานการณ์ มนุษย์เรามีข้อจำกัดในการทดลอง ตั้งแต่ไม่มีงบประมาณ เทคโนโลยียังไม่ก้าวหน้าพอ จนถึง การทดลองนั้นอาจขัดต่อศีลธรรม ดังนั้นเพื่อก้าวข้ามข้อจำกัดเหล่านี้ นักคิดจำนวนหนึ่งจึงใช้เครื่องมือที่เรียกว่า การทดลองทางความคิด (Thought experiment) เพื่อช่วยในการค้นหาความจริง
การทดลองทางความคิดเป็นการจินตนาการถึงสถานการณ์สมมติ แต่สมจริงและมีความสมบูรณ์ในเชิงตรรกะ แล้วตั้งคำถามต่อสถานการณ์นั้นๆหรือดูว่าสถานการณ์ดังกล่าวให้ผลลัพธ์อย่างไร เพื่อตรวจสอบแนวคิดต่างๆว่าถูกต้องหรือไม่ มีช่องโหว่ตรงไหน ถึงแม้ว่ามันจะไม่ใช่การทดลองจริงๆ แต่มันมีบทบาทสำคัญต่อการแสวงหาความรู้โดยเฉพาะด้านวิทยาศาสตร์และปรัชญาแขนงต่างๆ
หนึ่งในนักฟิสิกส์ผู้มีชื่อเสียงจากการทดลองทางความคิด คือ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ในปี ค.ศ. 1930 ไอน์สไตน์พยายามจับผิดทฤษฎีควอนตัมโดยพุ่งเป้าไปที่หลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก ด้วยการทดลองทางความคิดชื่อ กล่องแสงของไอน์สไตน์ (Einstein's light box)
ลองจินตนาการถึงกล่องๆหนึ่งที่ภายในเต็มไปด้วยแสง โดยแสงเหล่านั้นเคลื่อนที่สะท้อนไปมาในกล่องโดยไม่สูญเสียพลังงาน นอกจากนี้ ภายในกล่องดังกล่าวยังมีนาฬิกาที่กลไกของมันควบคุมบานเลื่อนเล็กๆไว้ เมื่อบานเลื่อนถูกเปิดในช่วงเวลาสั้นๆ (dt) แสงในกล่องจะพุ่งออกมา ทำให้มวลของกล่องลดลงเล็กน้อย ซึ่งเมื่อชั่งมวลที่ลดลง จะนำมาซึ่งการหาค่าพลังงานของแสงที่สอดคล้องกันได้ ตามสมการ E=mc^2
การชั่งมวลของกล่องที่แม่นยำ นำมาซึ่งการวัดพลังงานแสงที่ออกไปจากแม่นยำ ในช่วงเวลาที่แม่นยำ จะเห็นได้ว่าเราสามารถออกแบบการทดลองให้แม่นยำได้แบบสุดๆ โดยไม่มีอะไรมาขวางกั้นความแม่นยำอันสมบูรณ์แบบที่เกิดขึ้นได้เลย
ไอน์สไตน์เล่าเรื่องนี้ให้ นีลส์ บอร์ นักฟิสิกส์ผู้บุกเบิกทฤษฎีควอนตัมฟัง บอร์ฟังแล้วรู้สึกช็อคกับแนวคิดนี้ เพราะมันอาจพังทลายเสาหลักของทฤษฎีควอนตัมลงได้ หลังจากแยกกับไอน์สไตน์ เขาเคร่งเครียด และครุ่นคิดตลอดช่วงเย็น แต่หลังจากผ่านไปหนึ่งคืน เขามาพร้อมกับคำตอบทางคณิตศาสตร์ที่ชัดเจน แต่ในที่นี่จะเล่าให้เห็นไอเดียกว้างๆโดยไม่ใช้คณิตศาสตร์นะครับ
สมมติว่ากล่องแสงของไอน์สไตน์ถูกแขวนไว้บนตาชั่งสปริงเพื่อวัดมวล หลังจากแสงถูกปล่องออกจากกล่อง แน่นอนว่ากล่องย่อมเบาลงเล็กน้อย การวัดมวลที่หายไปย่อมทำได้โดยการเติมมวลเข้าไปให้กล่องกลับมาอยู่ในตำแหน่งเดิมก่อนที่แสงจะถูกปล่อยออกมา
บอร์เริ่มต้นอธิบายว่ามวลที่ถูกเติมเข้าไปย่อมมีความไม่แน่นอนของมวล และการเติมมวลให้ตำแหน่งกลับมาที่เดิม ย่อมมีความไม่แน่นอนของตำแหน่งด้วย
จากนี้ไปเป็นจุดที่น่าสนใจมาก
- นีลส์ บอร์ เขียนความไม่แน่นนอนของมวลในรูปความไม่แน่นนอนของพลังงานผ่านสมการ E=mc^2
- ส่วนความไม่แน่นนอนของตำแหน่งนั้นถูกเขียนในรูปความไม่แน่นอนของเวลาผ่านสมการ Gravitational redshift จากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป
ผลลัพธ์ที่ได้คือสมการความไม่แน่นอนของทฤษฎีควอนตัม นั่นหมายความว่าหลักความไม่แน่นนอนไม่ได้ถูกล่วงละเมิดแต่อย่างใด นีลส์ บอร์ สามารถปกป้องทฤษฎีควอนตัมให้รอดพ้นจากการถูกจู่โจมของไอน์สไตน์ได้อย่างงดงาม และไอน์สไตน์คิดผิด
แต่ความผิดพลาดของไอน์สไตน์นั้น กลายเป็นหนึ่งในกรณีตัวอย่างสำคัญที่แสดงให้นักฟิสิกส์รุ่นใหม่เข้าใจธรรมชาติของทฤษฎีควอนตัมมากขึ้น อีกทั้งยังแสดงให้เห็นว่า ไม่ว่าคุณจะเคยสร้างผลงานที่ยิ่งใหญ่แค่ไหนก็ตาม มันไม่ได้แปลว่าคุณจะเป็นฝ่ายที่คิดถูกเสมอไป
- 5
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
