ศัพท์ S&T ทันโลก ตอน 32
ควอนตัม (Quantum)
https://www.publicdomainpictures.net/en/view-image.php?image=380053&picture=00040-waves-and-particles
คำว่า “ควอนตัม (quantum)” ค่อยๆ คลืบคลานออกจากวงการวิทยาศาสตร์มาสู่ปากชาวบ้านมากขึ้นเรื่อยๆ
บางท่านอาจจะเคยได้ยินคำว่า “ควอนตัมคอมพิวเตอร์” ที่เชื่อกันว่า จะช่วยให้เครื่องคอมพิวเตอร์คำนวณได้เร็วขึ้นและมีความผิดพลาดลดน้อยลงมาก
แต่ “ควอนตัม” คืออะไรกันแน่
คำว่า ควอนตัม มาจากภาษาอังกฤษ quantum (ถ้าพหูพจน์ใช้ ควอตา quanta) หมายถึง สิ่งที่มีลักษณะที่อาจวัดออกมาได้เป็น “ก้อน” เช่น ก้อนอนุภาคแสงที่ชื่อว่า โฟตอน (photon)
เรื่องมันแปลกตั้งแต่ตรงนี้แหละครับ คือปกติแสงที่เราเห็นด้วยตาของเรานี่ แต่ไหนแต่ไรมามันก็มีลักษณะเป็น “คลื่น” แบบหนึ่งในหมู่มวลคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทั้งหลาย ไม่ว่าจะเอกซ์เรย์ อัลตาไวโอเลต (ยูวี) อินฟราเรด ไมโครเวฟ ฯลฯ ที่ต่างก็เป็นคลื่นทั้งนั้น
เวลาบอกว่าเป็น “คลื่น” ก็ดูจากการที่มันมีความถี่และความยาวคลื่นเฉพาะตัว เวลามันไปไหนต่อไหน ก็ไปแบบคล้ายๆ กับระลอกคลื่นในทะเลที่เราเคยเห็น เพียงแต่ไม่ต้องอาศัยตัวกลาง
แต่เมื่อมาถึงต้นคริสต์ศตวรรษที่ 20 ก็มีนักฟิสิกส์ที่ทั้งคำนวณและทดลองเกี่ยวกับไฟฟ้าและความร้อน แล้วพบว่าแทนที่จะวัดค่าได้ต่อเนื่องแบบคลื่น แต่บางทีกลับวัดได้ค่าแน่นอนแค่บางค่า เหมือนกับพลังงานมันมาเป็นก้อนๆ โดยมักจะให้เครดิตกันว่า แฮร์มันน์ ฟอน เฮล์มฮอลทซ์ (Hermann von Helmholtz) นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันน่าจะเป็นคนแรกที่นำเอาคำนี้มาใช้เป็นคนแรก จนแพร่หลายต่อมาในภายหลัง
นักฟิสิกส์อีกคนที่ช่วยให้คำว่า ควอนตัม และ ควอนตา นิยมขึ้นมาก็คือ มักซ์ พลังค์ (Max Plack) คนนี้ดังมากเป็นนักวิทยาศาสตร์ฮีโร่ของชาติ ขนาดที่เอาชื่อไปตั้งเป็นชื่อสถาบันวิจัย และชื่อค่าคงตัวสำคัญชนิดหนึ่งในทางฟิสิกส์คือ ค่าคงตัวของพลังค์ (Planck’s constant)
อ้อ เขาได้รางวัลโนเบลปี ค.ศ. 1918 ด้วยนะครับ เรียกว่า เท่สุดๆ กันไปเลย
พลังค์ใช้คำว่า “ควอนตา” เรียก ก้อนสสาร ไฟฟ้า แก๊ส และความร้อน ... คือ อะไรที่วัดสมบัติที่เป็นก้อนๆ ไม่ต่อเนื่องได้สำเร็จ แกก็เรียกเป็นควอนตาหมดนั่นแหละครับ
ต่อมาฟิสิกส์ที่ใช้ศึกษาอะไรที่เป็นควอนตัม ก็แยกออกมาเป็นสาขาจำเพาะเรียกว่า ควอนตัมฟิสิกส์ (quantum physics) และกลศาสตร์ควอนตัม (quantum mechanics) ซึ่งเป็นสาขาที่มีไอเดียพิลึกกึกกืออยู่เยอะ
อย่างเช่นที่เกริ่นไปข้างต้นคือ แสงเป็นได้ทั้งก้อนแสงและคลื่นแสง ขึ้นอยู่กับว่าคุณเอาอุปกรณ์อะไรไปวัดมัน
ถ้าเอาอุปกรณ์วัดก้อนแสง มันก็จะแสดงสมบัติเป็นก้อนแสงให้คุณเห็น แต่ถ้าเอาอุปกรณ์ที่วัดสมบัติแบบคลื่นแสงไปวัด มันก็จะทำตัวเป็นคลื่นแสงให้คุณวัด เรียกว่าเป็นพวก 2 หน้าที่แนบเนียนสุดๆ
นักฟิสิกส์บางคนอธิบายว่าที่จริงมันไม่ได้เป็นทั้งก้อนอนุภาคและระลอกคลื่นด้วยซ้ำไป แต่มีสมบัติแบบที่ 3 คือ มีสมบัติบางอย่างเป็นแบบอนุภาค (ตรวจนับได้และมีตำแหน่งที่พอจะระบุได้ด้วยความแม่นยำระดับหนึ่ง) และยังมีสมบัติบางอย่างเป็นแบบคลื่น (มีความถี่และความยาวคลื่นจำเพาะตัว) ไปพร้อมๆ กัน
จนนักฟิสิกส์บางคนบอกว่าถ้าจะให้ถูกต้องจริงๆ ต้องบอกว่า ไม่ใช่อนุภาคหรือคลื่น แต่เป็น “สภาวะที่สนามควอนตัมถูกกระตุ้น (excitation of a quantum field)”
อย่างที่ตอนพบฮิกส์โบซอน (Higgs boson) ก็มีบางคนอยากให้เรียกว่า สนามฮิกส์ (Higgs field) มากกว่า เพราะทุกอย่างในเอกภพเป็นส่วนหนึ่งของสนามแรง
โอ้ย มึน พอกันแค่นี้ก่อนดีกว่านะครับ....เราเขียน-อ่านกันแค่ระดับฟิสิกส์ 101 ก็พอนะครับ แหะๆ
อ่านมาถึงตรงนี้ อาจจะมองไม่ค่อยเห็นประโยชน์ว่า ความรู้แบบนี้จะมีประโยชน์อะไร ก็เลยจะขอยกตัวอย่าง
เคยได้ยินคำว่า นาฬิกาอะตอม (atomic clock) ไหมครับ ความเข้าใจเรื่องสภาวะควอนตัมของอะตอมซีเซียม (cesium) ที่เป็นหัวใจหลักของนาฬิกาอะตอมนี่แหละครับ ที่ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถสร้างนาฬิกาที่เที่ยงตรงที่สุดระดับคลาดเคลื่อนแค่ 1 วินาทีในช่วงเวลา 30 ล้านปี
สมบัติแบบควอนตัมอีกอย่างที่ประหลาดมากๆ (อันที่จริงก็ประหลาดไปหมดทุกสมบัติเลยล่ะครับ) เรียกว่า ซูเปอร์โพซิชัน (superposition)
ในชีวิตประจำวัน ถ้าเราขว้างลูกบอลเข้าช่องแคบๆ ช่องหนึ่งในจำนวน 2 ช่องที่อยู่ติดกัน ถ้าปาแม่นมันก็จะผ่านเข้าไปในช่องนั้นช่องเดียวอย่างไม่ต้องสงสัยใดๆ
แต่เมื่อนักฟิสิกส์ทดลองยิงโฟตอนหรือก้อนแสงเข้าไปในช่องแคบๆ ผลกลับเป็นว่า มันกลับทำตัวคล้ายกับเป็นคลื่น และลอดผ่านไปทั้ง 2 ช่อง
แต่ที่พิลึกที่สุดคือ คลื่นทั้งสองยังแทรกสอด (interfere) กันได้ด้วย ราวกับมัน “แยกร่าง” อวตารออกเป็น 2 คลื่นได้!
แต่....แต่หากเราไปตั้งอุปกรณ์วัดคลื่นเอาไว้ เพราะตั้งอกตั้งใจจะตรวจจับเมื่อใด มันก็จะเลิกทำตัวเป็นคลื่นแทรกสอดกันให้เราเห็นทันที !!!
อาจมีคนสงสัยว่า แล้วรู้ได้ยังไงว่ามันทำตัวแบบนี้จริงๆ
เอาเป็นว่ามีวิธีวัด แต่สลับซับซ้อนซ่อนเงื่อนน่าดู
แต่ที่น่าตื่นเต้นมากขึ้นไปอีกก็คือ มีผลการศึกษาเบื้องต้นที่แสดงว่า มันอาจอวตารได้ถึง 3 ร่างพร้อมๆ กัน หรือแม้แต่อาจมากกว่านั้น
https://www.pinterest.com/pin/416864509259992901/
โว้ว สมกับที่นักวิทยาศาสตร์ชื่อดังอีกท่านหนึ่งคือ นีลส์ โบร์ (Niels Bohr) เคยกล่าวไว้ว่า
“หากกลศาสตร์ควอนตัม ไม่ทำคุณตกตะลึงอย่างหนัก ก็ถือว่าคุณยังไม่ได้เข้าใจเรื่องนี้จริงๆ”
- 2
ดูเพิ่มเติมในซีรีส์
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
