ทำไมไอน์สไตน์ จึง ‘โจมตี’ กลศาสตร์ควอนตัม? (1)

Multiverse | บัญชา ธนบุญสมบัติ

คนทั่วโลกรู้ว่าอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ เป็นอัจฉริยะ และหากสนใจเรื่องราวทางวิทยาศาสตร์ ก็จะรู้ว่าเขาเป็นผู้ให้กำเนิดทฤษฎีสัมพัทธภาพ (Theory of Relativity) ซึ่งเป็นทฤษฎีทางฟิสิกส์ที่ให้มุมมองใหม่กับเราในเรื่องเวลา อวกาศ มวล พลังงาน และความโน้มถ่วง

แต่ในความเป็นจริง ไอน์สไตน์ยังเป็นนักฟิสิกส์ที่มีบทบาทสูงยิ่งต่อการวางรากฐานทฤษฎีควอนตัม (Quantum Theory) อีกด้วย อย่างไรก็ตาม เมื่อกลศาสตร์ควอนตัม (Quantum Mechanics) ยุคใหม่ถือกำเนิดขึ้น เขากลับกลายเป็นหนึ่งในผู้วิพากษ์วิจารณ์ทฤษฎีใหม่นี้อย่างจริงจัง

ที่มา-ที่ไปของเรื่องนี้ค่อนข้างซับซ้อน ผมจึงขอให้ภาพรวมไว้ก่อน จะได้จับประเด็นสำคัญง่ายขึ้นนะครับ

ในระยะแรก คือช่วงราวปี ค.ศ.1905-1924 ไอน์สไตน์มีส่วนสำคัญในการวางรากฐานของทฤษฎีควอนตัมยุคเก่า (The Old Quantum Theory) โดยมีผลงานที่ทรงอิทธิพลอย่างน้อย 4 เรื่อง ได้แก่ การอธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก ซึ่งทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบล, การเสนอแบบจำลองความจุความร้อนของของแข็ง, การคิดค้นสถิติแบบโบส-ไอน์สไตน์ และการเสนอแนวคิดการแผ่รังสีแบบถูกกระตุ้น ซึ่งต่อมากลายเป็นหลักการของเลเซอร์

อย่างไรก็ตาม เมื่อกลศาสตร์ควอนตัมถือกำเนิดขึ้นในช่วงปี ค.ศ.1925-1926 ตามมาด้วยแนวคิดหลักของศาสตร์ใหม่นี้ ไอน์สไตน์กลับกลายเป็นผู้คัดค้านอย่างแข็งขัน เนื่องจากแนวคิดหลักของกลศาสตร์ควอนตัมนั้นขัดแย้งอย่างจังกับปรัชญาสัจนิยม (Realism) ที่เขายึดถือ

ความเห็นต่างกันในแง่ปรัชญาระดับรากฐานนี้นำไปสู่การโต้แย้งที่ทรงอิทธิพลในโลกวิทยาศาสตร์ นั่นคือ วิวาทะโบร์-ไอน์สไตน์ (Bohr-Einstein Debates) ซึ่งนักฟิสิกส์ทั้งคู่ได้ปะทะคารมและหักล้างกันด้วยการทดลองทางความคิด (Thought Experiment) หลายครั้ง

ถ้าจะสรุปให้สั้นๆ ที่สุด ก็อาจใช้คำกล่าวของไอน์สไตน์อันโด่งดังที่ว่า ‘พระเจ้าไม่ทรงทอดลูกเต๋า’ ซึ่งคุณผู้อ่านบางท่านอาจจะเคยได้ยินมาก่อน

ในช่วงบั้นปลายชีวิต ไอน์สไตน์ไม่ได้ยุ่งเกี่ยวกับการพัฒนากลศาสตร์ควอนตัมมากนัก แต่ทุ่มเทเวลาให้กับการสร้างทฤษฎีสนามรวม (Unified Field Theory) เพราะตัวเขาเองหวังจะผนวกแรงโน้มถ่วงเข้ากับแรงแม่เหล็กไฟฟ้า โดยคาดว่ากฎของกลศาสตร์ควอนตัมจะ ‘ผุดขึ้นมาเอง’ จากทฤษฎีที่เขาพยายามสร้างขึ้นนั้น หากทำสำเร็จ…

แต่ความพยายามของไอน์สไตน์ก็ไม่เป็นผล!

เรื่องราวในแต่ละช่วงโดยละเอียดเป็นอย่างไรนั้น ลองมาติดตามกันครับ

คนที่เสนอแนวคิดเรื่อง ‘ควอนตัม’ เป็นครั้งแรกคือ มักซ์ พลังค์ (Max Planck) โดยในปี ค.ศ.1900 เขาเสนอสมมุติฐานที่แหวกแนวและขัดกับความเชื่อของวงการฟิสิกส์เพื่ออธิบายปริศนาการแผ่รังสีของวัตถุดำ (black-body radiation)

พลังค์เสนอว่า พลังงานที่วัตถุส่งออกมานั้นมีค่าไม่ต่อเนื่อง คือมีได้เพียงบางค่าเท่านั้น พูดด้วยภาษาฟิสิกส์ว่าเป็น ‘ควอนตัม (quantum)’ ผมเคยเขียนเรื่อง มักซ์ พลังค์ ผู้ให้กำเนิดทฤษฎีควอนตัม ไว้ในบทความของมติชนสุดสัปดาห์ อ่านได้ที่ https://www.matichon.co.th/weekly/column/article_626958

ส่วนคุณผู้อ่านอยากชมคลิป อาจดูได้จากรายการ Eureka ของ Thai PBS เรื่อง Max Planck (มักซ์ พลังค์) ผู้บุกเบิกทฤษฎีควอนตัม ซึ่งผมอธิบายไว้ที่ https://www.youtube.com/watch?v=rqpfp3htuhM

อย่างไรก็ตาม ไอน์สไตน์ต่อยอดความคิดของพลังค์ไปอีกขั้น โดยในปี ค.ศ.1905 เขาเสนอว่า ตัวแสงเองนั่นแหละที่เป็นก้อนพลังงาน เรียกว่า ควอนตัมแสง (light-quantum)

ตัวไอน์สไตน์เองบอกว่า นี่เป็นแนวคิดที่มีลักษณะถอนรากถอนโคนที่สุด คือแหวกแนวอย่างสุดขั้วจากความเชื่อเดิม น่าสนใจว่า ไอน์สไตน์เสนอทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษในปีเดียวกันนี้ คือ ค.ศ.1905

ควรทราบด้วยว่าไอน์สไตน์ไม่ได้คำว่า โฟตอน (photon) ในขณะนั้น เพราะคำว่าโฟตอนเสนอโดย จี เอ็น ลิวอิส (G.N. Lewis) ในปี ค.ศ.1926

แนวคิด ‘ควอนตัมแสง’ ของไอน์สไตน์สามารถอธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก (photoelectric effect) ได้อย่างยอดเยี่ยม ปรากฏการณ์นี้คือการที่อิเล็กตรอนถูกปลดปล่อยออกจากพื้นผิวโลหะเมื่อโลหะถูกแสงตกกระทบ

ทั้งนี้ โดยที่อิเล็กตรอนจะหลุดออกมาหรือไม่นั้นไม่ได้ขึ้นกับความเข้ม (พลังงานต่อพื้นที่) ของแสงตามที่ทฤษฎีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทำนายไว้ แต่กลับขึ้นกับความถี่ของแสง

ทฤษฎีที่ไอน์สไตน์เสนอคือ ควอนตัมแสง หรือก้อนของแสงหนึ่งก้อน มีพลังงานแปรผันตามความถี่

ผมขอเปรียบเทียบง่ายๆ อย่างนี้นะครับ สมมุติว่า เราวางขวดน้ำขนาด 1.5 ลิตรไว้บนโต๊ะ ขวดนี้ใส่น้ำเอาไว้เต็มจึงตั้งอยู่บนโต๊ะได้ค่อนข้างมั่นคง (เปรียบเสมือนมีพลังงานคอยยึดเหนี่ยวไม่ให้ขวดล้ม)

ฉากทัศน์ที่ 1 คือ เราขว้างลูกปิงปองพุ่งชนขวดน้ำทีละลูก ขว้างไปเรื่อยๆ ไม่ว่ากี่ลูกก็จะไม่มีทางล้มขวดน้ำได้ ตรงนี้เปรียบเสมือนอนุภาคของแสงที่มีพลังงานต่ำ (คือ แสงมีความถี่ต่ำ) พุ่งชนอิเล็กตรอน จะไม่สามารถทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกมาผิวโลหะได้

ฉากทัศน์ที่ 2 คือ เราขว้างลูกฟุตบอลใส่ขวดน้ำเปรี้ยงเดียว จะพบว่า ขวดน้ำล้มลงทันที ตรงนี้เปรียบเสมือนอนุภาคของแสงที่มีพลังงานสูง (คือ แสงมีความถี่สูง) พุ่งชนอิเล็กตรอน จนทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกมาจากผิวโลหะได้นั่นเอง

การอธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกด้วยแนวคิดนี้ ร่วมกับการที่โรเบิร์ต มิลลิแกน (Robert Millikan) ทำการทดลองตรวจสอบนานร่วม 10 ปี และพบว่าถูกต้อง ทำให้ไอน์สไตน์ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี ค.ศ.1921 คือหลังจากที่เสนอคำอธิบายนานถึงราว 16 ปี

นั่นคือข้อเสนอเรื่องควอนตัมแสงเพื่ออธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกเป็นผลงานด้านทฤษฎีควอนตัมชิ้นแรกของไอน์สไตน์

คราวนี้มาดูผลงานชิ้นที่สองกัน

ก่อนหน้าปี ค.ศ.1907 กฎของดูลอง-เปอตี (Dulong-Petit law) ทำนายว่า ของแข็งมีค่าความจุความร้อนคงที่ไม่ว่าอุณหภูมิจะมีค่าเท่าไร ซึ่งขัดแย้งผลการทดลองโดยเฉพาะที่อุณหภูมิต่ำ เนื่องจากความจุความร้อนจะลดลงอย่างมีนัยสำคัญเมื่ออุณหภูมิลดลง

ในปี ค.ศ.1907 ไอน์สไตน์เสนอแบบจำลองของของแข็ง โดยถือว่าอะตอมในของแข็งเป็นตัวสั่นฮาร์มอนิกแบบควอนตัม (quantum harmonic oscillator)

ความหมายก็คือ ความถี่ในการสั่นของอะตอมจะมีค่าได้เฉพาะบางค่าเท่านั้น ผลก็คือ ไอน์สไตน์สามารถคำนวณหาสมการซึ่งแสดงให้เห็นว่าค่าความจุความร้อนของแข็งแบบนี้จะมีค่าใกล้เคียงกับที่กฎดูลอง-เปอตีทำนายไว้เมื่ออุณหภูมิมีค่าสูง แต่ค่านี้จะลดลงเมื่ออุณหภูมิลดลง สอดคล้องดีพอสมควรกับผลการทดลอง

แบบจำลองความจุความร้อนของของแข็งจึงเป็นผลงานชิ้นที่สองของไอน์สไตน์ที่ประยุกต์แนวคิดแบบควอนตัมและได้ผลดี

ต่อมาในปี ค.ศ.1917 ไอน์สไตน์ได้วางรากฐานทางทฤษฎีสำหรับอุปกรณ์ที่เราน่าจะคุ้นเคยกันดีในปัจจุบัน นั่นคือ แสงเลเซอร์ (laser)

ไอน์สไตน์เสนอแนวคิดเกี่ยวกับการปล่อยรังสีแบบกระตุ้น (stimulated emission) เขาอธิบายกระบวนการพื้นฐานสามอย่างสำหรับการปฏิสัมพันธ์ระหว่างแสงกับสสาร

กระบวนการที่หนึ่ง ได้แก่ การดูดกลืน คืออะตอมดูดรับเอาควอนตัมของแสงเข้าไป แล้วอิเล็กตรอนในอะตอมนั้นเคลื่อนไปยังสถานะพลังงานที่สูงขึ้น

กระบวนการที่สอง ได้แก่ การปล่อยรังสีแบบธรรมชาติ คืออะตอมที่มีอิเล็กตรอนอยู่ในสถานะพลังงานที่สูง (พูดแบบฟิสิกส์คือ อะตอมอยู่ในสถานะถูกกระตุ้น) จะปล่อยควอนตัมแสงออกมาแบบสุ่มๆ ทำให้อิเล็กตรอนตกลงสู่สถานะพลังงานที่ต่ำกว่าเดิม

กระบวนการที่สาม ได้แก่ การปล่อยรังสีแบบกระตุ้น คือ ควอนตัมของแสงเข้ามาทำให้อะตอมที่ถูกกระตุ้นปล่อยแสงที่มีความถี่เหมือนกัน เฟสตรงกัน หลุดออกไปในทิศทางเดียวกัน

ผลก็คือ มีควอนตัมของแสงจำนวนมากออกไปพร้อมๆ กัน และนี่คือหลักการพื้นฐานของเทคโนโลยีเลเซอร์ (LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) และเมเซอร์ (MASER, Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation)

แนวคิดเรื่องการปล่อยรังสีแบบกระตุ้นที่นำไปสู่การพัฒนาเลเซอร์นี้จึงเป็นผลงานชิ้นที่สามของไอน์สไตน์ที่ประยุกต์แนวคิดแบบควอนตัม

ทีนี้มาถึงผลงานสำคัญอีกเรื่องที่ไอน์สไตน์คิดค้นไว้ในการวางรากฐานทฤษฎีควอนตัมยุคเก่า

ในปี ค.ศ.1924 ไอน์สไตน์ได้ต่อยอดผลงานของนักฟิสิกส์ชาวอินเดียชื่อ สัตเยนทรา นาถ โพส (Satyendra Nath Bose) และพัฒนาสถิติโบส-ไอน์สไตน์ (Bose-Einstein statistics) เพื่ออธิบายพฤติกรรมของอนุภาคบางประเภทที่ปัจจุบันเรียกว่า โบซอน (boson) ผมเคยเล่าเรื่องเกี่ยวกับสัตเยนทร นาถ โพส ไว้ในบทความของมติชนสุดสัปดาห์ ตรงนี้ https://www.matichon.co.th/weekly/column/article_623677

ในปี ค.ศ.1924 และ 1925 ไอน์สไตน์ได้ต่อยอดสถิติโบส-ไอน์สไตน์ออกไป โดยทำนายว่าที่อุณหภูมิต่ำมาก อนุภาคโบซอนจำนวนมากจะควบแน่นลงสู่สถานะควอนตัมที่ต่ำที่สุดที่เป็นไปได้ เกิดเป็นสถานะใหม่ของสสารซี่งมีพฤติกรรมราวกับเป็นก้อนควอนตัมเพียงก้อนเดียว

สถานะของสสารที่ไอน์สไตน์ทำนายไว้นี้เรียกว่า โบส-ไอน์สไตน์ คอนเดนเสท (Bose-Einstein condensate ได้รับการยืนยันจากการทดลองในอีกหลายทศวรรษต่อมาในปี ค.ศ.1995 อันแสดงให้เห็นถึงปรากฏการณ์ควอนตัมในระดับมหภาค

ผลงานเกี่ยวกับสถิตโบส-ไอน์สไตน์ และการทำนายสถานะใหม่ของสสารที่เรียกว่า โบส-ไอน์สไตน์ คอนเดนเสท นับเป็นผลงานสำคัญชิ้นที่สี่ของไอน์สไตน์

ถึงตรงนี้ จะเห็นว่า ไอน์สไตน์มีผลงานสำคัญอย่างน้อย 4 ชิ้น ในการวางรากฐานของทฤษฎีควอนตัมยุคเก่า

อย่างไรก็ตาม ในช่วงปี ค.ศ.1925-1926 เมื่อทฤษฎีควอนตัมพัฒนาไปสู่รูปแบบที่ทันสมัย เรียกว่า กลศาสตร์ควอนตัม โดยกลุ่มนักฟิสิกส์ เช่น แวร์เนอร์ ไฮเซินแบร์ก, มักซ์ บอร์น, พาสควัล ยอร์ดัน, แอร์วิน ชเรอดิงเงอร์, พอล ดิแรก และนีลส์ โบร์ เป็นผู้นำ ไอน์สไตน์กลับพบว่าตนเองมีความคิดเชิงปรัชญาที่ขัดแย้งกับปรัชญาและแนวคิดหลักของกลศาสตร์ควอนตัม โดยเฉพาะธรรมชาติของความน่าจะเป็น หลักความไม่แน่นอน และแนวคิดที่ต่อมาถูกเรียกว่าการตีความแบบโคเปนเฮเกน รวมทั้งปรากฏการณ์บางอย่างที่ดูเหมือนว่าจะมีกิริยาระยะไกลที่เหมือนผีหลอก (spooky action at a distance)

ผลก็คือ แม้ว่าเขาจะยอมรับผลการคำนวณและการทำนายอันแม่นยำของกลศาสตร์ควอนตัม แต่เขาโต้แย้งหลักปรัชญาพื้นฐานและการตีความความจริงของกลศาสตร์ควอนตัมอย่างไม่ลดละจวบจนชั่วชีวิต

เป็นอย่างไร ผมจะมาเล่าต่อในตอนหน้าครับ!