แอร์วิน ชเรอดิงเงอร์ นักฟิสิกส์ควอนตัม ผู้ให้กำเนิด ‘กลศาสตร์คลื่น’
Multiverse | บัญชา ธนบุญสมบัติ
ในปีที่แล้ว วงการวิทยาศาสตร์ได้เฉลิมฉลองปีสากลแห่งวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีควอนตัม หรือ International Year of Quantum Science and Technology 2025 กันไปทั้งปีแล้ว เนื่องจากครบ 100 ปีที่กลศาสตร์ควอนตัมรูปแบบแรก ซึ่งเรียกว่า กลศาสตร์เมทริกซ์ (Matrix Mechanics) ได้ถือกำเนิดขึ้น
กลศาสตร์เมทริกซ์เป็นผลงานร่วมกันระหว่างนักฟิสิกส์ 3 คน ได้แก่ แวร์เนอร์ ไฮเซินแบร์ก (Werner Heisenberg) มักซ์ บอร์น (Max Born) และปาสกวัล ยอร์ดัน (Pascual Jordan) ทั้งนี้ ผมเคยเล่าไว้ในบทความเรื่อง แวร์เนอร์ ไฮเซินแบร์ก ผู้ให้กำเนิดกลศาสตร์ควอนตัมรูปแบบแรก (ดู link ที่ท้ายบทความนี้)
แต่ผมคิดว่าปีนี้ ค.ศ.2026 ก็สำคัญไม่แพ้กันครับ เพราะว่าครบ 100 ปีที่กลศาสตร์ควอนตัมอีกรูปแบบหนึ่งถือกำเนิดขึ้น นั่นคือ กลศาสตร์คลื่น (Wave Mechanics)
จะว่าไปแล้ว กลศาสตร์คลื่นเป็นรูปแบบที่ได้รับความนิยมมากกว่ากลศาสตร์เมทริกซ์ เนื่องจากใช้คณิตศาสตร์ที่นักฟิสิกส์คุ้นเคยกว่า ได้แก่ สมการเชิงอนุพันธ์และสมการคลื่นซึ่งมีการศึกษากันมาอย่างต่อเนื่องตั้งแต่ปี ค.ศ.1746 แล้ว
ถือกันว่า ผู้ให้กำเนิดกลศาสตร์คลื่นอย่างเป็นทางการคือ แอร์วิน ชเรอดิงเงอร์ (Erwin Schrodinger)
แอร์วิน ชเรอดิงเงอร์ เกิดเมื่อวันที่ 12 สิงหาคม ค.ศ.1887 ณ กรุงเวียนนา แห่งจักรวรรดิออสเตรีย-ฮังการี
เว็บ Nobel Prize ระบุว่า พ่อของแอร์วิน ชเรอดิงเงอร์ มีความสามารถโดดเด่นและมีการศึกษาที่กว้างขวาง ภายหลังจากสำเร็จการศึกษาด้านเคมี ก็อุทิศตนมุ่งศึกษาจิตรกรรมอิตาลีนานหลายปี จากนั้นก็หันมาศึกษาพฤกษศาสตร์ จนสามารถตีพิมพ์ชุดผลงานวิจัยทางวิชาการเกี่ยวกับวิวัฒนาการชาติพันธุ์ของพืช (plant phylogeny)
ส่วนแม่ของแอร์วิน ชเรอดิงเงอร์ เป็นลูกสาวของอเล็กซานเดอร์ เบาเออร์ (Alexander Bauer) ซึ่งเป็นศาสตราจารย์ด้านเคมี ผู้มีผลงานโดดเด่นด้านประวัติศาสตร์เคมีและเคมีของสีสำหรับจิตรกรรม
พูดได้ว่า ชเรอดิงเงอร์เติบโตขึ้นมาในครอบครัวที่มีรากฐานทางภูมิปัญญาก็ว่าได้
ชเรอดิงเงอร์ใช้ภาษาเยอรมันและภาษาอังกฤษได้อย่างคล่องแคล่ว เนื่องจากแม่เป็นชาวออสเตรียที่มีเชื้อสายอังกฤษ ทำให้บ้านของเขาใช้สองภาษานี้ควบคู่กันไป ความสามารถด้านภาษานี้มีส่วนช่วยให้เขาทำงานในสถานศึกษาชั้นนำในหลายประเทศได้ในภายหลัง
ช่วงเรียนที่อะคาเดมิชเอิส กึมนาซีอุม (Akademisches Gymnasium) ก็น่าสนใจ เพราะโรงเรียนนี้ให้ความสำคัญกับวิชาคลาสสิกอย่างภาษาละติน ภาษากรีก รวมถึงวรรณคดีและบทกวี ชเรอดิงเงอร์ในวัยรุ่นไม่ได้เรียนเก่งเฉพาะวิทยาศาสตร์และคณิตศาสตร์เท่านั้น แต่เขายังหลงใหลในความงดงามของภาษาและวรรณกรรมอีกด้วย
ความสนใจอันหลากหลายนี้ ต่อมาสะท้อนออกมาในงานเขียนเชิงปรัชญาในช่วงบั้นปลายชีวิต ซึ่งมักเชื่อมโยงแนวคิดทางวิทยาศาสตร์เข้ากับคำถามพื้นฐานเกี่ยวกับธรรมชาติของความเป็นจริง
ที่มา : https://en.wikipedia.org/wiki/Erwin_Schr?dinger
เมื่อเข้าเรียนที่มหาวิทยาลัยเวียนนาในปี ค.ศ.1906 ชเรอดิงเงอร์ศึกษาวิชาฟิสิกส์ โดยได้รับอิทธิพลอย่างมากจาก ฟรีดริช ฮาเซินเอิร์ล (Friedrich Hasen?hrl) ผู้สืบทอดตำแหน่งของ ลุดวิก โบลต์ซมันน์ (Ludwig Boltzmann) ปรมาจารย์ด้านกลศาสตร์เชิงสถิติ
ช่วงสงครามโลกครั้งที่หนึ่ง ชเรอดิงเงอร์ได้เข้ารับราชการเป็นนายทหารในหน่วยปืนใหญ่ของจักรวรรดิออสเตรีย-ฮังการีระหว่างปี ค.ศ.1914-1918 มีหลักฐานไว้ว่า เขาได้รับประกาศเกียรติคุณสำหรับการปฏิบัติหน้าที่อย่างดีเยี่ยมในฐานะผู้บังคับหน่วยปืนใหญ่ระหว่างการรบ (ข้อมูลจาก https://mathshistory.st-andrews.ac.uk/Biographies/Schrodinger/)
ช่วงฤดูใบไม้ผลิปี ค.ศ.1917 เขาได้รับมอบหมายให้ไปทำงานที่กรุงเวียนนา โดยสอนอุตุนิยมวิทยาให้แก่เจ้าหน้าที่ทหารที่ทำงานต่อต้านอากาศยาน และช่วงนี้เองก็มีงานสอนฟิสิกส์เบื้องต้นที่มหาวิทยาลัยเวียนนา
หลังจากสงคราม ชเรอดิงเงอร์ได้งานในตำแหน่งอาจารย์ในมหาวิทยาลัยหลายแห่งในยุโรป ก่อนจะมาลงหลักปักฐานที่มหาวิทยาลัยซูริก ในปี ค.ศ.1921
ที่มา : https://www.researchgate.net/figure/lla-Frisia-of-Dr-Herwigs-sanatorium-Arosa-right-where-it-is-believed-wave-mechanics_fig1_352889645
จุดเปลี่ยนสำคัญของชเรอดิงเงอร์เกิดขึ้นในช่วงคริสต์มาส ค.ศ.1925 ขณะพักผ่อนที่บ้านพักชื่อวิลลา ฟรีเซีย (Villa Frisia) ในเมืองอาโรซา (Arosa) ประเทศสวิตเซอร์แลนด์ มีเรื่องเล่าว่าเขาใช้เวลาช่วงวันหยุดนี้อย่างโรแมนติกกับหญิงสาวนิรนามคนหนึ่ง แต่พร้อมกันนั้นก็ครุ่นคิดอย่างจริงจังเกี่ยวกับสมมุติฐานคลื่นของเดอ บรอยล์ ที่ว่าอนุภาคมีสมบัติเป็นคลื่นได้
ช่วงเวลานี้เองที่ความคิดอันลึกซึ้งได้ผลิบานในสมองของเขา!
ผลลัพธ์คือปี ค.ศ.1926 ถือเป็นปีมหัศจรรย์ของชเรอดิงเงอร์ เพราะเขาได้ตีพิมพ์บทความสำคัญ 6 ฉบับที่สร้างความสั่นสะเทือนให้แก่วงการวิทยาศาสตร์ และถือเป็นจุดกำเนิดกลศาสตร์คลื่นอย่างเป็นทางการ
บทความแรกมีชื่อในภาษาเยอรมันคือ Quantisierung als Eigenwertproblem (Erste Mitteilung) หรือ Quantization as an Eigenvalue Problem (Part I) ตีพิมพ์ในเดือนมีนาคม ค.ศ.1926 นำเสนอสมการชเรอดิงเงอร์แบบไม่ขึ้นกับเวลา (time-independent Schrodinger’s equation)
บทความที่ 6 มีชื่อในภาษาเยอรมันคือ Quantisierung als Eigenwertproblem (Vierte Mitteilung) หรือ Quantization as an Eigenvalue Problem (Part IV) ตีพิมพ์ในเดือนพฤศจิกายน ค.ศ.1926 นำเสนอสมการชเรอดิงเงอร์แบบขึ้นกับเวลา (time-dependent Schrodinger’s equation)
สมการชเรอดิงเงอร์เป็น ‘หัวใจ’ ของกลศาสตร์คลื่น พูดง่ายๆ คือเป็นสูตรทางคณิตศาสตร์ที่ใช้หาฟังก์ชันคลื่น (wave function) ซึ่งเป็นตัวกำหนดสมบัติต่างๆ ของระบบ และเมื่อนำฟังก์ชันคลื่นไปคำนวณต่อ ก็จะทำให้เราทราบความน่าจะเป็นในการพบอนุภาคที่ตำแหน่งต่างๆ ณ เวลาหนึ่งๆ
ความสำเร็จจากสมการคลื่นทำให้ชเรอดิงเงอร์ได้รับเกียรติอย่างสูง เขาได้รับเชิญให้สืบทอดตำแหน่งศาสตราจารย์ทางฟิสิกส์ทฤษฎีต่อจาก มักซ์ พลังค์ (Max Planck) ที่มหาวิทยาลัยเบอร์ลิน ซึ่งเป็นศูนย์กลางทางฟิสิกส์ระดับโลกในขณะนั้น และเขายังได้ร่วมงานอย่างใกล้ชิดกับนักวิทยาศาสตร์ชั้นนำอย่าง อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์
ในปี ค.ศ.1933 ชเรอดิงเงอร์ก็ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ ร่วมกับ พอล เอ.เอ็ม. ดิแร็ก (Paul A.M. Dirac) จากผลงานการค้นพบรูปแบบใหม่ที่สร้างสรรค์ของทฤษฎีอะตอม
แต่ถึงแม้จะอยู่บนจุดสูงสุดทางวิชาชีพ สถานการณ์ทางการเมืองในเยอรมนีกลับเลวร้ายลงเรื่อยๆ ชเรอดิงเงอร์ไม่เห็นด้วยกับนโยบายของนาซีและรู้สึกไม่สบายใจกับการกดขี่ชาวยิว แม้เขาเองจะไม่ได้มีเชื้อสายยิวและไม่ได้รับผลกระทบโดยตรง แต่ด้วยหลักการและสำนึกทางศีลธรรม ชเรอดิงเงอร์ไม่สามารถทนเห็นการกดขี่มนุษย์ได้
ชเรอดิงเงอร์จึงตัดสินใจลาออกจากตำแหน่งที่เบอร์ลินในปี ค.ศ.1933 หลังนาซีขึ้นสู่อำนาจ และเดินทางไปทำงานที่มหาวิทยาลัยออกซ์ฟอร์ด ประเทศอังกฤษ ในช่วงปี ค.ศ.1933-1935
ในปี ค.ศ. 1935 ขณะทำงานที่มหาวิทยาลัยออกซ์ฟอร์ด ชเรอดิงเงอร์ได้นำเสนอการทดลองทางความคิดอันโด่งดัง เรียกว่า ‘แมวของชเรอดิงเงอร์’ การทดลองนี้ไม่ได้มีจุดประสงค์เพื่อเสนอว่า แมวสามารถมีชีวิตและตายได้พร้อมกันอย่างแท้จริง แต่เป็นการใช้ตรรกะเชิงประชดประชันความไม่สมเหตุสมผลของการตีความแบบโคเปนเฮเกน (Copenhagen interpretation) ซึ่งระบุว่าระบบควอนตัมสามารถอยู่ในสภาวะทับซ้อนกันได้จนกว่าจะมีการสังเกต
ปี ค.ศ.1936 เขาไปรับตำแหน่งศาสตราจารย์ที่มหาวิทยาลัยกราซ ในออสเตรีย แต่พอถึงปี ค.ศ.1938 เกิดเหตุการณ์อันชลุส (Anschluss) ซึ่งนาซีผนวกออสเตรีย เขาต้องเผชิญกับแรงกดดันอย่างหนัก โดยถูกบังคับให้เขียนจดหมายแสดงความสนับสนุนระบอบนาซีลงในหนังสือพิมพ์ท้องถิ่น เขารู้สึกเสียใจมาก และต่อมาได้เรียกการกระทำนั้นว่า ‘ขี้ขลาด’ ในจดหมายที่เขียนถึงไอน์สไตน์
ความกดดันที่เพิ่มขึ้นทำให้ชเรอดิงเงอร์หลบหนีออกจากออสเตรียในปี ค.ศ.1938 และเดินทางไปยังดับลิน ประเทศไอร์แลนด์ ในปี ค.ศ.1940
ที่ไอร์แลนด์นี้เขาได้รับบทบาทสำคัญในการเป็นผู้อำนวยการผู้ก่อตั้งโรงเรียนฟิสิกส์ทฤษฎี ณ สถาบันดับลินเพื่อการศึกษาขั้นสูง (Dublin Institute for Advanced Studies – DIAS) ซึ่งเพิ่งก่อตั้งขึ้นใหม่
ที่มา : https://ia802303.us.archive.org/13/items/quantisierung-als-eigenwertproblem/Quantisierung_als_Eigenwertproblem.pdf?utm_source=copilot.com
ในช่วงที่พำนักอยู่ในดับลินเป็นเวลา 15 ปี ชเรอดิงเงอร์ได้เขียนหนังสือที่ทรงอิทธิพลอย่างยิ่งอีกเล่มหนึ่งคือ “What Is Life?” (ชีวิตคืออะไร?) ในปี ค.ศ.1944
หนังสือ What is Life? สำรวจคำถามพื้นฐานว่าชีวิตคืออะไรจากมุมมองของฟิสิกส์ ชเรอดิงเงอร์เสนอแนวคิดว่าสารพันธุกรรมจะต้องมีลักษณะเป็นผลึกที่ไม่มีลักษณะเป็นคาบ (aperiodic crystal) และมีความเสถียรพอที่จะเก็บข้อมูลทางพันธุกรรมได้ และกลไกของชีวิตอาจจำเป็นต้องพิจารณาในกรอบของกลศาสตร์ควอนตัม
น่าสนใจว่าหนังสือ What is Life? ของชเรอดิงเงอร์มีผลกระทบอย่างมากต่อการพัฒนาชีววิทยาโมเลกุลที่กำลังก่อตัวขึ้นในเวลานั้น เพราะผู้ค้นพบโครงสร้างของดีเอ็นเอคือ เจมส์ วัตสัน (James Watson) และฟรานซิส คริก (Francis Crick) ต่างระบุว่าหนังสือเล่มนี้เป็นแรงบันดาลใจสำคัญที่จุดประกายความสนใจของพวกเขาในการประยุกต์หลักการทางฟิสิกส์เพื่อศึกษาชีววิทยาของเซลล์และพันธุศาสตร์
ถือได้ว่า ชเรอดิงเงอร์จึงเป็นหนึ่งในผู้บุกเบิกทางความคิดในการเชื่อมโยงฟิสิกส์เข้ากับชีววิทยา!
ชีวิตส่วนตัวของชเรอดิงเงอร์นั้นซับซ้อนและเป็นที่กล่าวขวัญ เขาใช้ชีวิตอยู่กับภรรยาแอนนี่ (Anny) แต่ก็คงความสัมพันธ์อันลึกซึ้งกับ ฮิลเดอ มาร์ช (Hilde March) ภรรยาของเพื่อนร่วมงาน ซึ่งเขามีลูกสาวด้วยกันหนึ่งคนคือ รูธ (Ruth) ครอบครัวที่มีความสัมพันธ์แบบไม่ธรรมดานี้เป็นตัวอย่างหนึ่งที่บ่งถึงตัวตนและสะท้อนถึงทัศนคติส่วนตัวของเขา
ที่มา : https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Grave_Schroedinger_%28detail%29.png
ในปี ค.ศ.1955 ชเรอดิงเงอร์เกษียณจากสถาบันในดับลิน และเดินทางกลับไปยังกรุงเวียนนา บ้านเกิดของเขา ในเวลานั้นออสเตรียได้กลับมาเป็นกลางหลังสงครามโลกครั้งที่สอง เขาใช้ชีวิตบั้นปลายในฐานะศาสตราจารย์กิตติมศักดิ์ที่มหาวิทยาลัยเวียนนา และยังคงเขียนงานเกี่ยวกับปรัชญาและวิทยาศาสตร์ต่อไป
แอร์วิน ชเรอดิงเงอร์ เสียชีวิตเมื่อวันที่ 4 มกราคม ค.ศ.1961 ด้วยวัย 73 ปี ทิ้งมรดกอันล้ำค่าไว้เบื้องหลัง ไม่เพียงแต่สมการที่ปฏิวัติความเข้าใจในโลกควอนตัม แต่ยังรวมถึงแนวคิดที่เชื่อมโยงฟิสิกส์ ปรัชญา และชีววิทยาเข้าด้วยกันอย่างแยบยล
บนหลุมฝังศพของเขามีการจารึกสมการชเรอดิงเงอร์ ซึ่งถือว่าเป็นหนึ่งในสมการที่สำคัญที่สุดของวิชาฟิสิกส์อยู่ด้วย!
บทความแนะนำ
บทความเรื่อง ‘แวร์เนอร์ ไฮเซินแบร์ก ผู้ให้กำเนิดกลศาสตร์ควอนตัมรูปแบบแรก’ อ่านได้ที่
