Multiverse | บัญชา ธนบุญสมบัติ
ลูย เดอ บรอยล์
ผู้ริเริ่มแนวคิด ‘คลื่นสสาร’ ในโลกควอนตัม
ถ้าจะมีนักฟิสิกส์สักคนซึ่งมีภูมิหลังเป็นคนชั้นสูง แต่มีบทบาทสำคัญในการพัฒนาทฤษฎีควอนตัม ชอบถ่ายทอดเรื่องราวทางวิทยาศาสตร์ให้คนทั่วไปรับรู้จนได้รับการยกย่องจากยูเนสโก อีกทั้งยังมีชีวิตยืนยาวถึง 94 ปี ซึ่งทำให้เห็นพัฒนาการของทฤษฎีควอนตัมตั้งแต่ยุคแรกๆ จนกระทั่งมีการใช้งานในทางเทคโนโลยีและด้านต่างๆ
เขาคนนั้นคือ ลูย เดอ บรอยล์ (Louis de Broglie)
ลูย วิกตอร์ ปีแยร์ เรมง เดอ บรอยล์ (Louis Victor Pierre Raymond de Broglie) เกิดเมื่อวันที่ 15 สิงหาคม ค.ศ.1892 ที่เมืองดิแอปป์ (Dieppe) ประเทศฝรั่งเศส ครอบครัวของเขาสืบเชื้อสายมาจากขุนนางเก่าแก่ซึ่งมีบทบาทสำคัญในประวัติศาสตร์ทางการเมืองการทหารของฝรั่งเศสมาตั้งแต่คริสต์ศตวรรษที่ 17
พ่อของเขาคือ ลูย-อัลฟงส์-วิกตอร์ เดอ บรอยล์ (Louis-Alphonse-Victor de Broglie) ผู้ดำรงตำแหน่งดยุกคนที่ 5 แห่งตระกูล ส่วนแม่คือ โปลีน เดอ ลา ฟอเรสต์ ดาร์มาเย (Pauline de La Forest d’Armaill?) ผู้สืบเชื้อสายจากนักเขียนและขุนนางในยุคจักรวรรดินโปเลียน
ที่มา : https://fr.wikipedia.org/wiki/Louis_de_Broglie
ตามประวัติซึ่งเขียนโดย อนาโตล อับรากัม (Anatole Abragam) ในเว็บของราชสมาคม (Royal Society) ระบุว่า
“[ลูย เดอ บรอยล์] เติบโตขึ้นอย่างเปลี่ยวเหงา เขาอ่านหนังสือมากมายและใช้ชีวิตอยู่ในโลกที่ไม่จริง… เขามีความจำเป็นเลิศ สามารถจดจำบทละครคลาสสิคได้ทั้งฉากโดยท่องออกมาอย่างไม่รู้จบ… ดูเหมือนเขาจะชื่นชอบประวัติศาสตร์เป็นพิเศษ โดยเฉพาะประวัติศาสตร์การเมือง… เมื่อได้ยินพ่อแม่คุยกันเรื่องการเมือง เขาก็จะด้นสุนทรพจน์ขึ้นมาเองโดยได้แรงบันดาลใจจากเรื่องราวในหนังสือพิมพ์ และสามารถท่องรายชื่อรัฐมนตรีแห่งสาธารณรัฐที่สามได้อย่างครบถ้วนไม่ผิดเพี้ยนแม้ว่าจะมีการเปลี่ยนตำแหน่งบ่อยครั้งมาก…ว่ากันว่าลูยน่าจะมีอนาคตที่ยิ่งใหญ่ในฐานะรัฐบุรุษ”
(จากบทความที่ https://royalsocietypublishing.org/doi/pdf/10.1098/rsbm.1988.0002 หัวข้อ The Early Years หน้า 26)
ช่วงเรียนมัธยม เขาใช้เวลาสามปีที่ลีเซ่ ฌ็องซง-เดอ-ซายี (Lyc?e Janson-de-Sailly) ก่อนจะสำเร็จการศึกษาในปี ค.ศ.1909 ขณะอายุ 17 ปี โดยได้รับวุฒิบัตรบักกาลอเรอา (baccalaur?at) ทั้งด้านปรัชญาและคณิตศาสตร์
ที่มา : https://fr.wikipedia.org/wiki/La_Science_et_l%27Hypoth?se
ต่อมาเขาเลือกเรียนด้านมนุษยศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยปารีส (Universit? de Paris) และได้รับปริญญาด้านประวัติศาสตร์ในปี ค.ศ.1910 เส้นทางชีวิตในขณะนั้นดูเหมือนจะมุ่งไปสู่การเป็นนักการทูตหรือข้าราชการระดับสูงตามธรรมเนียมของตระกูล
แต่หลังจากนั้นไม่นานนัก ลูย เดอ บรอยล์ ก็เบนความสนใจไปที่ฟิสิกส์ สาเหตุหนึ่งเป็นเพราะพี่ชายของเขาคือ มอริส เดอ บรอย (Maurice de Broglie) เป็นนักฟิสิกส์เชิงทดลองที่มีชื่อเสียง เชี่ยวชาญด้านการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์และการศึกษาโครงสร้างผลึก ด้วยเหตุว่าตระกูลมีฐานะดี มอริสได้เปลี่ยนห้องในคฤหาสน์ไปเป็นห้องปฏิบัติการส่วนตัว และลูยมักเข้าไปช่วยงานในห้องทดลองของพี่ชายอยู่บ่อยๆ
นอกจากนี้ ลูย เดอ บรอยล์ ยังได้รับอิทธิพลอย่างสำคัญจากงานเขียนของ อองรี ปวงกาเร (Henri Poincar?) โดยเฉพาะหนังสือเล่มหนึ่งที่มีชื่อว่า La Science et l’Hypoth?se (วิทยาศาสตร์และสมมุติฐาน) หนังสือเล่มนี้ตีพิมพ์ครั้งแรกในปี ค.ศ.1902 และถือเป็นหนึ่งในงานคลาสสิคของปรัชญาวิทยาศาสตร์ยุคต้นศตวรรษที่ 20
ปวงกาเรมิได้เพียงเสนอแนวคิดทางคณิตศาสตร์และฟิสิกส์ แต่ยังเสนอแนวคิดเกี่ยวกับธรรมชาติของความรู้ทางวิทยาศาสตร์ว่า แท้จริงแล้วทฤษฎีต่างๆ ล้วนตั้งอยู่บนสมมุติฐานที่มนุษย์สร้างขึ้น มิใช่ความจริงอันสัมบูรณ์
ทั้งประสบการณ์การทำงานในห้องปฏิบัติการร่วมกับพี่ชายและแนวคิดในหนังสือของปวงกาเรล้วนมีส่วนสำคัญที่ทำให้ลูย เดอ บรอยล์ เปลี่ยนไปเรียนฟิสิกส์ (ที่มหาวิทยาลัยเดิม คือ มหาวิทยาลัยปารีส) และจบการศึกษาในปี ค.ศ.1913
เมื่อสงครามโลกครั้งที่ 1 ปะทุขึ้นในปี ค.ศ.1914 ลูย เดอ บรอยล์ ถูกเกณฑ์ไปช่วยกองทัพ และได้รับมอบหมายให้ทำงานในหน่วยวิทยุโทรเลขไร้สายของกองทัพฝรั่งเศส โดยประจำการที่หอไอเฟลชั้นใต้ดิน เขาดูแลระบบการสื่อสารและศึกษาปัญหาทางเทคนิคเกี่ยวกับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
แม้จะเป็นงานในภาวะสงคราม แต่ลูยได้ใช้โอกาสนี้ในการศึกษาทฤษฎีคลื่นอย่างลึกซึ้ง ซึ่งต่อมาได้กลายเป็นแรงบันดาลใจสำคัญในการพัฒนาแนวคิดเรื่องคลื่นของสสาร อันเป็นรากฐานของกลศาสตร์ควอนตัมในยุคหลังสงคราม
ในเวลาเดียวกัน มอริส พี่ชายของลูย ซึ่งเป็นอดีตนายทหารเรือและนักฟิสิกส์เชิงทดลอง ได้พัฒนาเครื่องรับสัญญาณวิทยุสำหรับเรือดำน้ำ โดยทำงานในเครือข่ายวิจัยของกองทัพที่มุ่งเน้นการสื่อสารไร้สาย แม้จะไม่ได้ทำงานร่วมกับลูยโดยตรง แต่ทั้งสองแลกเปลี่ยนแนวคิดกันอย่างต่อเนื่อง และมอริสยังคงเป็นผู้สนับสนุนทางวิชาการที่สำคัญของน้องชาย
ที่มา : https://scienceready.com.au/pages/matter-wave-duality?srsltid=AfmBOorGdMF6gx6Qdpq1m7tmY0EyZBh-XIobaCDxyKtmbDejh7pOrb73
อีกหนึ่งบุคคลสำคัญในช่วงเวลาเดียวกันคือ เลออง บริลลูแอ็ง (L?on Brillouin) นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีรุ่นใหม่ ซึ่งมีบทบาทในการทดลองระบบสื่อสารไร้สายของกองทัพ และร่วมทดสอบเครื่องรับสัญญาณสำหรับเรือดำน้ำที่มอริสเป็นผู้พัฒนา บริลลูแอ็งมีโอกาสแลกเปลี่ยนแนวคิดกับลูยในโครงการบางอย่างที่เกี่ยวข้องกับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าด้วยเช่นกัน
สงครามโลกครั้งที่ 1 จบลงในปี ค.ศ.1918 แต่ลูย เดอ บรอยล์ ยังคงประจำการต่อจนถึงปี ค.ศ.1919 ต่อมาภายหลังเขาเคยเล่าไว้ว่ารู้สึกเสียดายช่วงเวลา 6 ปีที่ใช้ไปที่ทำงานในกองทัพ เพราะความสนใจที่แท้จริงของเขาคือฟิสิกส์ทฤษฎี
หลังสงคราม ลูยกลับมาเรียนต่อด้านฟิสิกส์ และในปี ค.ศ.1923 ได้เสนอแนวคิด คลื่นสสาร (matter wave) ในบทความสั้นๆ 3 บทความ ตีพิมพ์ในวารสาร Comptes rendus de l’Acad?mie des Sciences บทความทั้งสามมีชื่อว่า Ondes et quanta (คลื่นและควอนตา), Quanta de lumi?re, diffraction et interf?rences (ควอนตาของแสง, การเลี้ยวเบน และการแทรกสอด) และ Les quanta, la th?orie cin?tique de la chaleur et la pesanteur uniforme (ควอนตา ทฤษฎีจลน์ของความร้อน และความโน้มถ่วงแบบสม่ำเสมอ)
น่าสนใจว่าช่วงที่เขานำเสนอบทความทั้งสามชิ้นนี้ออกมาใหม่ๆ วงการฟิสิกส์ไม่ได้ให้ความสำคัญอะไรมากนัก แต่ในเวลาต่อมาแนวคิดนี้กลับส่งผลกระทบต่อฟิสิกส์อย่างกว้างไกลและลึกซึ้งเป็นระลอก โดยในอีกราว 1 ปีถัดมาคือ ค.ศ.1924 ก็ได้รับการขยายผลไปเป็นดุษฎีนิพนธ์
ในปี ค.ศ.1926 แอร์วิน ชเรอดิงเงอร์ (Erwin Schrodinger) ได้นำไปต่อยอดจนลึกซึ้งกลายเป็นกลศาสตร์คลื่น (Wave Mechanics) อันเป็นรูปแบบหนึ่งของกลศาสตร์ควอนตัมที่ได้รับความนิยมในหมู่นักวิทยาศาสตร์
นอกจากนี้ แนวคิดคลื่นสสารยังทำให้ลูย เดอ บรอยล์ ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในอีกเพียง 5 ปีถัดมา คือ ค.ศ.1929 อีกด้วย
ดุษฎีนิพนธ์ปริญญาเอกของเขาชื่อ Recherches sur la th?orie des quanta (การวิจัยว่าด้วยทฤษฎีควอนตัม) เสนอประเด็นสำคัญที่ว่า สสารทุกอย่างมีสมบัติเป็นคลื่นได้ เขาเสนอสมการที่เชื่อมโยงความยาวคลื่น (?) กับโมเมนตัม (p) ของอนุภาค โดยใช้ค่าคงที่ของพลังค์ (h) ว่าคำนวณได้จาก ? = h/p
ลูย เดอ บรอยล์ ได้เสนอว่าอนุภาค เช่น อิเล็กตรอน มีสมบัติเป็นคลื่นควบคู่กับสมบัติของอนุภาค และมีความยาวคลื่นตามสมการที่ระบุไว้ข้างต้น แนวคิดนี้ทำให้การตีความการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในอะตอมแตกต่างจากเดิม เขาเสนอว่าอิเล็กตรอนสามารถแสดงพฤติกรรมคล้ายคลื่นนิ่งที่อยู่รอบนิวเคลียส โดยเส้นรอบวงของวงโคจรมีความยาวเป็นเท่าๆ ของความยาวคลื่น กล่าวคือ?2?r = n??โดยที่?n?เป็นจำนวนเต็ม (1, 2, 3, …)
เงื่อนไขนี้หมายความว่าเฉพาะวงโคจรที่สามารถรองรับคลื่นนิ่งได้เท่านั้นที่เสถียร ซึ่งช่วยอธิบายว่าทำไมอิเล็กตรอนจึงปรากฏเฉพาะในระดับพลังงานบางระดับ แนวคิดนี้จึงเป็นการขยายแบบจำลองของนีลส์ โบร์ โดยเพิ่มมิติของคลื่นเข้าไป ทำให้เข้าใจพฤติกรรมควอนตัมของอิเล็กตรอนได้ลึกซึ้งยิ่งขึ้น และเป็นแรงบันดาลใจสำคัญให้แอร์วิน ชเรอดิงเงอร์ พัฒนากลศาสตร์คลื่นในเวลาต่อมา
หลักฐานทางประวัติศาสตร์ระบุว่า ปอล ลองเจอแวง (Paul Langevin) ซึ่งเป็นอาจารย์ที่ปรึกษา รู้สึกว่าแนวคิดคลื่นสสารนี้แหวกขนบอย่างยิ่ง จึงส่งดุษฎีนิพนธ์ดังกล่าวไปให้ไอน์สไตน์พิจารณา เมื่อไอน์สไตน์ได้อ่านแล้วก็สนับสนุนแนวคิดนี้ และนี่เป็นอีกเหตุผลหนึ่งที่ทำให้แอร์วิน ชเรอดิงเงอร์ สนใจและศึกษาดุษฎีนิพนธ์นี้ด้วยเช่นกัน
แนวคิดคลื่นสสารได้รับการพิสูจน์ในปี ค.ศ.1927 ทั้งโดยการทดลองการเลี้ยวเบนอิเล็กตรอนของคลินตัน เดวิสสัน (Clinton Davisson) กับเลสเตอร์ เกอร์เมอร์ (Lester Germer) ที่สหรัฐอเมริกา และการทดลองของจอร์จ แพเจ็ต ทอมสัน (George Paget Thomson) ที่สกอตแลนด์
ในปี ค.ศ.1927 ลูย เดอ บรอยล์ ได้นำเสนอทฤษฎีคลื่นนำร่อง (Pilot-wave Theory) อย่างเป็นทางการในการประชุมโซลเวย์ ครั้งที่ 5 ทฤษฎีคลื่นนำร่องนี้อิงตามปรัชญาสัจนิยม (realism) จึงแตกต่างอย่างสิ้นเชิงจากการตีความแบบโคเปนเฮเกน ซึ่งพัฒนาโดยนีลส์ โบร์ และแวร์เนอร์ ไฮเซินแบร์ก ซึ่งเน้นความน่าจะเป็นและการปฏิเสธความเป็นจริงของสถานะควอนตัมก่อนการวัด
เรื่องการตีความแบบโคเปนเฮเกนนี้ผมเคยอธิบายโดยใช้การเปรียบเทียบแบบง่ายๆ ไว้ สนใจตามไปอ่านบทความนี้ นีลส์ โบร์ : สถาปนิกของ ‘การตีความแบบโคเปนเฮเกน’ สำหรับกลศาสตร์ควอนตัม (1) https://www.matichon.co.th/weekly/column/article_854943
ทฤษฎีคลื่นนำร่องของลูย เดอ บรอยล์ ถือว่าอนุภาคมีอยู่จริงตลอดเวลาในทางกายภาพ (ตามปรัชญาสัจนิยม) และเคลื่อนที่ตามเส้นทางที่ถูกกำหนดโดยคลื่นนำร่องที่มีอยู่จริงในอวกาศ ไม่ใช่แบบสุ่มหรือไม่แน่นอนเหมือนในทฤษฎีควอนตัมกระแสหลัก แนวคิดนี้ตั้งอยู่บนหลักนิยัตินิยม (determinism) ซึ่งเชื่อว่าทุกเหตุการณ์ในธรรมชาติ (รวมทั้งการเคลื่อนที่ของอนุภาค) มีสาเหตุที่แน่นอนและสามารถคำนวณได้ หากทราบเงื่อนไขเริ่มต้นทั้งหมด
อย่างไรก็ตาม ในการประชุมครั้งนั้น ว็อล์ฟกัง เพาลี ได้ตั้งข้อสังเกตว่าทฤษฎีคลื่นนำร่องไม่สามารถอธิบายการกระเจิงแบบไม่ยืดหยุ่นในระบบที่มีอนุภาคมากกว่า 1 ตัวได้อย่างชัดเจน ลูย เดอ บรอยล์ ไม่สามารถตอบข้อโต้แย้งนี้ได้ในขณะนั้น จึงละทิ้งแนวคิดของตนไป
อีก 25 ปีถัดมา คือในปี ค.ศ.1952 เดวิด โบห์ม (David Bohm) ได้นำแนวคิดคลื่นนำร่องกลับมาพัฒนาใหม่ โดยยังคงรักษาหลักนิยัตินิยมไว้ และขยายทฤษฎีให้ครอบคลุมระบบหลายอนุภาคได้อย่างเป็นระบบ จนเกิดเป็นการตีความควอนตัมอีกแบบหนึ่งที่เรียกว่า กลศาสตร์โบห์เมียน (Bohmian Mechanics) ซึ่งเสนอว่าอนุภาคมีตำแหน่งที่แน่นอนและเคลื่อนที่ตามเส้นทางที่ถูกกำหนดโดยคลื่นนำร่อง โดยใช้สมการชโรดิงเงอร์ร่วมกับสมการนำร่อง (guidance equation) อีกทั้งยังเพิ่มสมมุติฐานสมดุลควอนตัม (quantum equilibrium hypothesis) เข้าไป เพื่อให้ผลการทดลองที่คาดการณ์โดยกลศาสตร์โบห์เมียนเทียบเท่ากับกลศาสตร์ควอนตัมแบบมาตรฐานในเชิงประจักษ์ แม้ว่ากลศาสตร์ทั้งสองแบบนี้จะมีรากฐานทางปรัชญาที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิงก็ตาม
ในระหว่างสงครามโลกครั้งที่ 2 ลูย เดอ บรอยล์ ดำรงตำแหน่งในสถาบันวิทยาศาสตร์ฝรั่งเศส (Acad?mie des Sciences) โดยได้รับเลือกเป็นเลขานุการถาวรสำหรับสาขาวิทยาศาสตร์เชิงคณิตศาสตร์ในปี ค.ศ.1942 ซึ่งรวมถึงฟิสิกส์ทฤษฎีที่เขาเชี่ยวชาญ การเลือกตั้งเกิดขึ้นท่ามกลางบริบทการยึดครองของนาซีเยอรมนีและข้อจำกัดทางวิชาการที่เกิดจากความวุ่นวายของสงคราม เขาเลือกที่จะอยู่ในฝรั่งเศสและยังคงมุ่งเน้นการสอนและการวิจัยทางฟิสิกส์ทฤษฎี ซึ่งไม่จำเป็นต้องใช้เครื่องมือขนาดใหญ่หรือห้องปฏิบัติการที่อาจถูกควบคุมหรือทำลายได้
ลูย เดอ บรอยล์ ยังโดดเด่นในการสื่อสารวิทยาศาสตร์สู่สาธารณชน เขาเขียนหนังสือกว่า 20 เล่ม ที่อธิบายแนวคิดทางฟิสิกส์ที่ซับซ้อนให้เข้าใจง่ายขึ้น เช่น หนังสือ La Mati?re et la Lumi?re (1937) แปลเป็นภาษาอังกฤษในชื่อ Matter and Light : The New Physics (1946) และหนังสือ Nouvelles perspectives en microphysique (1956) แปลเป็นภาษาอังกฤษในชื่อ New Perspectives in Physics (1962)
ด้วยความมุ่งมั่นในการเผยแพร่วิทยาศาสตร์และความสามารถในการสื่อสารแนวคิดอันซับซ้อนให้เข้าใจง่าย ทำให้ลูย เดอ บรอยล์ ได้รับรางวัลกลิงคะ (Kalinga Prize) จากยูเนสโก (UNESCO) ในปี ค.ศ.1952 ซึ่งถือเป็นครั้งแรกที่มีการมอบรางวัลนี้ให้แก่ผู้ที่มีบทบาทโดดเด่นในการสื่อสารวิทยาศาสตร์สู่สาธารณชน
ในปี ค.ศ.1960 เมื่อมอริส พี่ชายของเขาเสียชีวิตโดยไม่มีทายาท ลูย เดอ บรอยล์ จึงได้รับสืบทอดตำแหน่งเป็นดยุกคนที่ 7 แห่งตระกูลบรอยล์ ตำแหน่ง ‘ดยุก’ (duc) ถือเป็นบรรดาศักดิ์สูงสุดในระบบขุนนางฝรั่งเศสแบบดั้งเดิม ซึ่งอยู่ต่ำกว่าราชวงศ์ เช่น กษัตริย์ (roi) และเจ้าชาย (prince) แต่สูงกว่าขุนนางอื่นๆ เช่น มาร์ควิส (marquis) และเคานต์ (comte)
ลูย เดอ บรอยล์ เสียชีวิตในปี ค.ศ.1987 ด้วยวัย 94 ปี เขาเสนอแนวคิดคลื่นสสารซึ่งเป็นจุดเริ่มต้นที่พลิกความเข้าใจของมนุษย์เกี่ยวกับธรรมชาติของสสารในระดับจุลภาค ซึ่งเป็นแนวคิดที่ขัดกับสามัญสำนึก แต่พบว่าเป็นความจริงแท้อันลึกซึ้งของธรรมชาติ และมนุษย์สามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้ในปัจจุบัน
