แวร์เนอร์ ไฮเซินแบร์ก ผู้ให้กำเนิดกลศาสตร์ควอนตัมรูปแบบแรก (1)
Multiverse | บัญชา ธนบุญสมบัติ
แวร์เนอร์ ไฮเซินแบร์ก
ผู้ให้กำเนิดกลศาสตร์ควอนตัมรูปแบบแรก (1)
เมื่อ 100 ปีก่อน คือ ค.ศ.1925 นักฟิสิกส์หนุ่ม อายุเพียง 23 ปีครึ่ง นามแวร์เนอร์ ไฮเซินแบร์ก (Werner Heisenberg) ได้วางรากฐานทางทฤษฎีให้กับกลศาสตร์ควอนตัมรูปแบบแรกสำเร็จที่เกาะเฮลโกลันด์ (Helgoland) ในประเทศเยอรมนี ซึ่งในขณะนั้นปกครองโดยสาธารณรัฐไวมาร์ (Weimar Republic)
ปี ค.ศ.2025 นี้จึงได้รับการประกาศให้เป็นปีสากลแห่งวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีควอนตัม หรือ International Year of Quantum Science and Technology เรียกย่อว่า IYQ 2025 ดูเว็บได้ที่ https://quantum2025.org
แวร์เนอร์ ไฮเซินแบร์ก เป็นนักฟิสิกส์ทฤษฎีชาวเยอรมัน ถือเป็นหนึ่งในผู้บุกเบิกกลศาสตร์ควอนตัม ทั้งยังเป็นผู้เสนอหลักความไม่แน่นอน (Uncertainty Principle) ซึ่งเป็นหลักการสำคัญข้อหนึ่งของกลศาสตร์ควอนตัม และร่วมกับนีลส์ โบร์ (Niels Bohr) เสนอการตีความแบบโคเปนเฮเกน (Copenhagen Interpretation) ซึ่งเป็นรูปแบบการตีความที่นักฟิสิกส์ส่วนใหญ่นิยมใช้ในปัจจุบัน
ใครที่ชมภาพยนตร์เรื่อง Oppenheimer ของคริสโตเฟอร์ โนแลน อาจจะจำได้ว่าตัวละครไฮเซินแบร์กปรากฏตัวสั้นๆ ในฉากเหตุการณ์ช่วงที่ออปเพนไฮเมอร์กำลังศึกษาในยุโรปและได้เข้าฟังบรรยายของไฮเซินแบร์กซึ่งขณะนั้นเป็นนักฟิสิกส์ระดับโลก หลังจบการบรรยายทั้งสองได้พบกัน ไฮเซินแบร์กเสนอให้ออปเพนไฮเมอร์มาร่วมงานวิจัยที่เยอรมนี แต่ออปเพนไฮเมอร์ปฏิเสธโดยบอกว่าเขาต้องการกลับไปสอนฟิสิกส์ควอนตัมในอเมริกา
ฉากนี้มีความหมายเชิงสัญลักษณ์ โดยสื่อถึงการพบกันของ ‘ว่าที่ผู้นำ’ ที่ได้กลายเป็นคู่แข่งในการพัฒนาอาวุธนิวเคลียร์ โดยออปเพนไฮเมอร์เป็นผู้นำโครงการแมนฮัตตัน (Manhattan Project) ของสหรัฐอเมริกา ส่วนไฮเซินแบร์กเป็นผู้นำโครงการอูรานแฟไรน์ (Uranverein) ของนาซีเยอรมัน
ที่มา : https://www.ebsco.com/research-starters/history/werner-heisenberg
ไฮเซินแบร์ก เกิดเมื่อวันจันทร์ที่ 5 ธันวาคม ค.ศ.1901 ที่เมืองเวือร์ซบวร์ค (W?rzburg) เยอรมนี บิดาคือ ดร.เอากุสต์ ไฮเซินแบร์ก (Dr. August Heisenberg) ซึ่งเป็นศาสตราจารย์ด้านภาษากรีกยุคไบแซนไทน์ และมารดาคือ แอนนี เวคไคลน์ (Annie Wecklein)
ใน ค.ศ.1910 เมื่อเขาอายุได้ราว 8 ขวบ ครอบครัวก็ย้ายไปอยู่ที่เมืองมิวนิก เนื่องจากพ่อได้เป็นศาสตราจารย์ที่มหาวิทยาลัยมิวนิก ไฮเซินแบร์กจึงใช้เวลาส่วนใหญ่ในช่วงวัยเด็กที่เมืองนี้
ไฮเซินแบร์กมีพรสวรรค์ทั้งในด้านวิชาการและดนตรี โดยเฉพาะอย่างยิ่งเล่นเปียโนเก่ง ความสามารถในการเล่นเปียโนที่เก่งกาจนี้มีส่วนทำให้ได้พบรักกับหญิงสาวซึ่งได้กลายเป็นภรรยาคู่ชีวิตที่รักกันมาก เรื่องนี้ผมได้เล่าไว้แล้วในบทความก่อนหน้านี้เรื่อง ‘จดหมายรักนักฟิสิกส์ควอนตัม – แวร์เนอร์ ไฮเซินแบร์ก’
ตามประวัติระบุว่า ช่วงปี ค.ศ.1911-1920 ไฮเซินแบร์กเรียนที่โรงเรียนมักซิมิเลียนส์กึมนาซีอุม (Maximilliansgymnasium) ในเมืองมิวนิก แต่มีแง่มุมที่น่าสนใจไม่น้อยคือ สงครามโลกครั้งที่ 1 (28 กรกฎาคม ค.ศ.1914 ถึง 11 พฤศจิกายน ค.ศ.1918) ได้ส่งผลต่อชีวิตของเขาอย่างมีนัยสำคัญ เพราะว่าบางส่วนของโรงเรียนถูกยึดครองโดยทหาร ทำให้ไฮเซินแบร์กใช้เวลาเรียนด้วยตนเองค่อนข้างมาก
อีกทั้งในช่วงเดือนสิงหาคมและเดือนกันยายน ค.ศ.1918 เขากับนักศึกษาในวัยใกล้เคียงกันอีกจำนวนหนึ่งได้ไปทำงานในฟาร์ม เพราะว่าเยอรมนีในช่วงนั้นขาดแคลนอาหาร ไฮเซินแบร์กได้พบปะผู้คนจากหลากหลายชนชั้น ได้เล่นหมากรุก และได้ศึกษาคณิตศาสตร์ด้วยตนเองในยามว่าง
เมื่ออายุได้ 19 ปีเต็ม คือช่วงฤดูหนาว ค.ศ.1920/1921 ไฮเซินแบร์กเริ่มศึกษาฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยมิวนิก (Ludwig-Maximilians-Universit?t M?nchen เรียกย่อว่า LMU M?nchen) โดยเป็นศิษย์ของอาจารย์อาร์โนลด์ ซอมเมอร์เฟลด์ (Arnold Sommerfeld) ซึ่งเป็นผู้ที่มีอิทธิพลต่อเขาอย่างมาก อาจารย์ซอมเมอร์เฟลด์ท่านนี้เลื่องชื่อในเรื่องการส่งเสริมให้นักศึกษาคิดอย่างอิสระและมีความคิดสร้างสรรค์ โดยเปิดโอกาสให้นักศึกษาอภิปรายงานวิจัยล่าสุดในวิชาฟิสิกส์และสนับสนุนให้นักศึกษาทำงานวิจัยตั้งแต่ช่วงต้นของการศึกษา
เดิมทีไฮเซินแบร์กต้องการเรียนคณิตศาสตร์ แต่หลังจากพบกับศาสตราจารย์คาร์ล ลูอิส เฟอร์ดินานด์ ฟอน ลินเดอมันน์ (Carl Louis Ferdinand von Lindemann) และการสนทนาไม่ราบรื่น เขาจึงเบนเข็มไปเรียนฟิสิกส์ทฤษฎีแทน ศาสตราจารย์ลินเดอมันน์ท่านนี้เป็นนักคณิตศาสตร์ชาวเยอรมัน และมีชื่อเสียงจากผลงานชิ้นสำคัญ นั่นคือ ในปี ค.ศ.1882 เขาสามารถพิสูจน์ได้ว่า ? (พาย) เป็นจำนวนอดิศัย (transcendental number)
ในปี ค.ศ.1922 ไฮเซินแบร์กได้รับเชิญให้เข้าร่วมกลุ่มวิจัยของ มักซ์ บอร์น (Max Born) ที่มหาวิทยาลัยเกิททิงเงิน (Universit?t G?ttingen) ซึ่งเน้นการพัฒนาทฤษฎีอะตอมโดยใช้วิธีทางคณิตศาสตร์อย่างเข้มข้น รวมทั้งได้ทำงานกับนักฟิสิกส์เชิงทดลองคือ เจมส์ ฟรังก์ (James Frank) และนักคณิตศาสตร์คือ ดาฟิด ฮิลแบร์ต (David Hilbert)
ระหว่างวันที่ 12-22 มิถุนายน ค.ศ.1922 นีลส์ โบร์ (Niels Bohr) ได้เดินทางไปยังเมืองเกิททิงเงิน เพื่อจัดบรรยายชุดต่อเนื่องที่สถาบันฟิสิกส์ทฤษฎี การบรรยายชุดนี้เป็นที่รู้จักในชื่อ Bohrfestspiele หรือ Bohr Festival ในภาษาอังกฤษ
ในการบรรยาย โบร์อธิบายแบบจำลองอะตอมที่เขาเสนอในปี ค.ศ.1913 ซึ่งอธิบายอะตอมไฮโดรเจนโดยใช้อิเล็กตรอนที่โคจรเป็นวงกลมในระดับพลังงานที่กำหนด โดยต่อมาซอมเมอร์เฟลด์ได้ขยายแนวคิดนี้ในปี ค.ศ.1916 โดยปรับวงโคจรเป็นวงรีและเพิ่มหลักควอนตัมบางข้อ เช่น ควอนไทเซชันตามแนวรัศมี (radial quantization) อย่างไรก็ตาม แบบจำลองนี้ยังไม่สามารถอธิบายอะตอมที่ซับซ้อนหรือปรากฏการณ์บางอย่างได้ เช่น ปรากฏการณ์ซีมัน (Zeeman effect) ซึ่งเส้นสเปกตรัมแยกออกเมื่ออะตอมอยู่ภายใต้สนามแม่เหล็ก
นีลส์ โบร์ ได้เน้นถึงข้อจำกัดของทฤษฎีในขณะนั้น โดยกล่าวว่า “ทุกอย่างยังไม่สมบูรณ์และไม่แน่นอน” อันสะท้อนถึงปัญหาและความท้าทายในการพัฒนาทฤษฎีอะตอม
การบรรยายของโบร์ครั้งนั้นส่งอิทธิพลอย่างลึกซึ้งต่อนักฟิสิกส์รุ่นใหม่ โดยเฉพาะแวร์เนอร์ ไฮเซินแบร์ก และโวล์ฟกัง เพาลี (Wolfgang Pauli) นับเป็นจุดเปลี่ยนสำคัญที่กระตุ้นให้เกิดการตั้งคำถามเชิงทฤษฎี และนำไปสู่การพัฒนากลศาสตร์ควอนตัมในเวลาต่อมา
ไฮเซินแบร์กช่วยงานมักซ์ บอร์น ที่มหาวิทยาลัยเกิททิงเงิน ในช่วงเดือนพฤศจิกายน ค.ศ.1922 ถึงเดือนมีนาคม ค.ศ.1923 จากนั้นก็กลับไปที่มหาวิทยาลัยมิวนิกเพื่อทำงานวิจัยต่อ และได้รับปริญญาเอก สาขาฟิสิกส์ทฤษฎีจากมหาวิทยาลัยมิวนิก เขาสอบดุษฎีนิพนธ์ เมื่อวันที่ 23 กรกฎาคม ค.ศ.1923 โดยมีอาร์โนลด์ ซอมเมอร์เฟลด์ และวิลเฮล์ม วีน (Wilhelm Wien) เป็นกรรมการสอบ
หัวข้อดุษฎีนิพนธ์ชื่อ “?ber Stabilit?t und Turbulenz von Fl?ssigkeitsstr?men” หรือ “ว่าด้วยความเสถียรและความปั่นป่วนของการไหลของของไหล (On the Stability and Turbulence of Fluid Flow)” ดุษฎีนิพนธ์มีความยาว 59 หน้า เป็นการวิเคราะห์ทางคณิตศาสตร์เกี่ยวกับพลศาสตร์ของของไหล โดยเน้นศึกษาเฉพาะประเด็นการเปลี่ยนผ่านจากการไหลแบบชั้น (laminar flow) ไปสู่การไหลแบบปั่นป่วน (turbulent flow) ซึ่งถือเป็นปัญหาที่ซับซ้อนและท้าทายอย่างมาก
อาร์โนลด์ ซอมเมอร์เฟลด์ เคยกล่าวไว้ในภายหลังว่าเขาคงไม่มอบหมายหัวข้อที่ยากเช่นนี้ให้กับนักศึกษาคนอื่นเลย นอกจากไฮเซินแบร์กเท่านั้น
มีเกร็ดน่ารู้เล่าว่าเขาเกือบสอบไม่ผ่าน เพราะแม้ไฮเซินแบร์กจะเป็นอัจฉริยะด้านฟิสิกส์ทฤษฎี แต่เขากลับมีปัญหาอย่างมากกับวิชาฟิสิกส์เชิงทดลอง ในการสอบปากเปล่าเพื่อจบปริญญาเอก เขาทำได้ดีเยี่ยมในส่วนของฟิสิกส์ทฤษฎี คณิตศาสตร์ และดาราศาสตร์
แต่เมื่อถึงคราวสอบฟิสิกส์เชิงทดลองกับวิลเฮล์ม วีน ไฮเซินแบร์กกลับทำได้ไม่ดีเอาเสียเลย เช่น เขาไม่สามารถอธิบายการหาค่ากำลังแยกแยะของภาพของกล้องโทรทรรศน์และกล้องจุลทรรศน์ เรื่องนี้ทำให้วีนไม่พอใจมากและต้องการให้เขาสอบตก!
อย่างไรก็ตาม อาจารย์ซอมเมอร์เฟลด์ได้เข้ามาช่วยปกป้องลูกศิษย์อย่างเต็มที่ โดยเน้นย้ำถึงความสามารถอันโดดเด่นของไฮเซินแบร์กในด้านฟิสิกส์ทฤษฎี ด้วยการสนับสนุนจากซอมเมอร์เฟลด์ ทำให้ไฮเซินแบร์กสามารถสอบผ่านได้ในที่สุด แต่ก็เป็นเกรดที่ต่ำที่สุดในบรรดาเกรดที่ผ่าน (เทียบเท่ากับ C หรือ “cum laude”) ผลการสอบครั้งนั้นทำให้ไฮเซินแบร์กรู้สึกอับอายยิ่ง
ไฮเซินแบร์กได้รับปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยมิวนิกในเดือนกรกฎาคม ค.ศ.1923 หลังจากนั้นเขาเดินทางไปฟินแลนด์ช่วงสั้นๆ ก่อนจะกลับมายังเยอรมนีเพื่อเข้ารับตำแหน่งผู้ช่วยวิจัยของมักซ์ บอร์น ที่มหาวิทยาลัยเกิททิงเงินในเดือนตุลาคมปีเดียวกัน ถือเป็นจุดเริ่มต้นของการร่วมงานที่ส่งผลสำคัญต่อการพัฒนาฟิสิกส์ควอนตัมในเวลาต่อมา
ในช่วงฤดูใบไม้ผลิ ค.ศ.1924 (ราวเดือนมีนาคม-พฤษภาคม) ไฮเซินแบร์กเดินทางไปเยือนโคเปนเฮเกนเพื่อพบกับนีลส์ โบร์ และเริ่มต้นการแลกเปลี่ยนทางวิชาการระยะสั้น ก่อนจะกลับมาเกิททิงเงินเพื่อเตรียมสอบ Habilitation ซึ่งเป็นคุณสมบัติสำคัญในระบบการศึกษาของเยอรมนีสำหรับผู้ที่ต้องการสอนในมหาวิทยาลัยและมีโอกาสเลื่อนขึ้นเป็นศาสตราจารย์ในอนาคต โดยเขาผ่านการสอบดังกล่าวสำเร็จในวันที่ 28 กรกฎาคม ค.ศ.1924
หลังจากสอบผ่าน ไฮเซินแบร์กได้รับตำแหน่ง Privatdozent หรือ “อาจารย์อิสระ” ที่มหาวิทยาลัยเกิททิงเงินในช่วงปลายเดือนกรกฎาคม ค.ศ.1924 ตำแหน่งนี้ไม่มีเงินเดือนประจำ แต่ผู้ดำรงตำแหน่งสามารถหารายได้จากค่าธรรมเนียมนักศึกษาและการบรรยายพิเศษ ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของระบบมหาวิทยาลัยในประเทศที่ใช้ภาษาเยอรมัน เช่น เยอรมนีและออสเตรีย
ในเดือนกันยายน ปี ค.ศ.1924 ไฮเซินแบร์กได้รับทุนจากมูลนิธิร็อกเกอะเฟลเลอร์ (Rockefeller Foundation) เพื่อไปทำงานวิจัยร่วมกับนีลส์ โบร์ ที่สถาบันฟิสิกส์ทฤษฎีในโคเปนเฮเกน โดยการเดินทางเริ่มต้นในวันที่ 17 กันยายน ค.ศ. 1924 และสิ้นสุดในวันที่ 1 พฤษภาคม ค.ศ. 1925 หลังจากนั้นเขากลับมาเกิททิงเงิน และยังคงดำรงตำแหน่ง Privatdozent จนถึงปี ค.ศ. 1927
ปี ค.ศ.1925 น่าจะถือได้ว่าเป็นปีสำคัญที่สุดปีหนึ่งในชีวิตการทำงานของไฮเซินแบร์ก เพราะว่าเขาได้คิดวิธีการทางคณิตศาสตร์ซึ่งต่อมามักซ์ บอร์น และปาสกวัล จอร์แดน (Pascual Jordan) ได้ร่วมกับเขาพัฒนาไปเป็นกลศาสตร์เมทริกซ์ (Matrix Mechanics) อันเป็นกลศาสตร์ควอนตัมรูปแบบแรก
ไฮเซินแบร์กคิดค้นวิธีการทางคณิตศาสตร์นี้ได้อย่างไร ผมจะเล่าต่อในตอนต่อไป ใครสนใจกำเนิดกลศาสตร์ควอนตัมรูปแบบแรกของโลก – โปรดติดตามครับ!
