ทำไมไอน์สไตน์ จึง ‘โจมตี’ กลศาสตร์ควอนตัม? (จบ)

Multiverse | บัญชา ธนบุญสมบัติ

ผมได้เล่าไว้ในบทความตอนแรกว่า ไอน์สไตน์เป็นหนึ่งในนักฟิสิกส์คนสำคัญที่วางรากฐานให้แก่ทฤษฎีควอนตัมยุคเก่า ถึงขนาดที่หนังสือ ‘Subtle is the Lord…’ The Science and the Life of Albert Einstein เขียนโดย อับราฮัม ไพส์ (Abraham Pais) ระบุว่าเขาเป็นหนึ่งในบิดา 3 คนของทฤษฎีควอนตัม โดยอีกสองคนที่เหลือคือ มักซ์ พลังค์ และนีลส์ โบร์

แต่เมื่อกลศาสตร์ควอนตัม (Quantum Mechanics) ถือกำเนิดขึ้นในช่วงปี ค.ศ.1925 และ 1926 ตามมาด้วยแนวคิดเชิงปรัชญาและการตีความที่เกี่ยวข้อง ไอน์สไตน์ก็พบว่าตัวเขาเองเห็นต่างจากแนวคิดที่อยู่เบื้องหลังกลศาสตร์ควอนตัมในระดับที่ ‘รับไม่ได้’ เอาซะเลย!

ผมประมวลแนวคิดในกลศาสตร์ควอนตัมที่ไอน์สไตน์ไม่ชอบอย่างยิ่งมาได้ 4 ประเด็น ลองมาไล่เรียงกันทีละประเด็นครับ

ประเด็นแรก : ความสุ่มพื้นฐานและอนิยัตินิยม

มุมมองของกลศาสตร์ควอนตัมคือ ระบบควอนตัมไม่ได้ถูกกำหนดด้วยเหตุและผลที่แน่นอน แต่ดำเนินไปตามความน่าจะเป็นโดยพื้นฐาน สภาวะของระบบมีเพียง ‘โอกาสที่จะเกิด’ หรือ ‘โอกาสที่จะเป็น’ จนกว่าจะได้รับการตรวจวัด ผลก็คือ ความเป็นไปของระบบควอนตัมไม่สามารถระบุได้อย่างชัดเจน เรียกว่ามีลักษณะอนิยัตินิยม (indeterminism)

สิ่งที่ไอน์สไตน์รับไม่ได้คือ เขาเชื่อว่าเอกภพต้องเป็นแบบนิยัตินิยม (determinism) กล่าวคือ หากเรารู้สภาวะปัจจุบันของระบบอย่างสมบูรณ์ และรู้กฎเกณฑ์ที่กำหนดหรือควบคุมระบบหนึ่งๆ เราจะสามารถทำนายอนาคตได้อย่างแม่นยำ 100% ส่วนความสุ่มที่ปรากฏนั้น ไอน์สไตน์เชื่อว่าเกิดจากความรู้ที่ไม่สมบูรณ์ของเรานั่นเอง

ไอน์สไตน์มักกล่าวในทำนองว่า “พระเจ้าไม่ทรงทอยลูกเต๋า” โดยหลักฐานที่เป็นลายลักษณ์อักษรปรากฏในจดหมายถึงมักซ์ บอร์น ลงวันที่ 4 ธันวาคม ค.ศ.1926 ดังนี้

“กลศาสตร์ควอนตัมนั้นน่าประทับใจอย่างแน่นอน แต่เสียงภายในบอกฉันว่ามันยังไม่ใช่ของจริง ทฤษฎีนี้ให้คำอธิบายมากมาย แต่ไม่ได้นำเราเข้าใกล้ความลับของ ‘ผู้เฒ่า’ ผู้นั้นเลย ไม่ว่าอย่างไรก็ตาม ผมเชื่อมั่นว่าพระองค์ไม่ทรงทอยลูกเต๋า”

คำกล่าวที่ว่า “พระเจ้าไม่ทรงทอยลูกเต๋า” กลายเป็นสัญลักษณ์ของไอน์สไตน์ในการต่อต้านสภาพความสุ่มโดยธรรมชาติของกลศาสตร์ควอนตัม เขามองว่าเอกภพมีลักษณะเป็นไปตามนิยัตินิยมอย่างที่ได้กล่าวมาแล้ว

ประเด็นที่สอง : หลักความไม่แน่นอนของไฮเซินแบร์ค

มุมมองของกลศาสตร์ควอนตัมคือ เราไม่สามารถระบุตำแหน่งและโมเมนตัมของอนุภาคอย่างแม่นยำพร้อมกันได้ เนื่องจากความไม่แน่นอนนี้เป็นสมบัติพื้นฐานของธรรมชาติ เรียกว่า หลักความไม่แน่นอนของไฮเซินแบร์ค (Heisenberg’s Uncertainty Principle)

สิ่งที่ไอน์สไตน์รับไม่ได้คือ การที่กลศาสตร์ควอนตัมอธิบายว่าความไม่แน่นอนเป็น ‘ธรรมชาติที่แท้จริง’ ของเอกภพ ดังนั้น ไอน์สไตน์จึงเห็นว่ากลศาสตร์ควอนตัมยังไม่สมบูรณ์

ประเด็นเรื่องหลักความไม่แน่นอนนี้ปรากฏอย่างเป็นรูปธรรมในวิวาทะโบร์-ไอน์สไตน์ซึ่งจะได้เห็นต่อไป

ประเด็นที่สาม : การตีความแบบโคเปนเฮเกน

มุมมองของกลศาสตร์ควอนตัมคือ ความจริงทางกายภาพไม่ได้ดำรงอยู่โดยตัวมันเองอย่างอิสระ แต่ถูกกำหนดขึ้นผ่านกระบวนการสังเกตและการวัด ในโลกควอนตัม อนุภาคจะอยู่ใน ‘สถานะทับซ้อน’ (superposition) คือเป็นไปได้หลายสถานะพร้อมกัน จนกระทั่งเมื่อมีการตรวจวัดเกิดขึ้น ก็จะเกิดสิ่งที่เรียกว่า ‘การยุบตัวของฟังก์ชันคลื่น’ (wavefunction collapse) ซึ่งจะทำให้ได้ผลลัพธ์ออกมาเป็นสถานะที่ชัดเจนเพียงหนึ่งเดียว การตีความนี้เสนอว่าหากปราศจากผู้สังเกต เราจะไม่สามารถนิยามความจริงที่แน่นอนได้ แนวคิดนี้เรียกว่า การตีความแบบโคเปนเฮเกน (Copenhagen interpretation)

สิ่งที่ไอน์สไตน์รับไม่ได้คือ เขาเห็นว่าแนวคิดนี้ขัดกับสามัญสำนึกและหลักสัจนิยมเชิงวัตถุ (Objective Realism) ที่เขายึดถืออย่างจริงจัง ไอน์สไตน์เชื่อว่าโลกทางกายภาพต้องดำรงอยู่ได้ด้วยตัวมันเอง ไม่ว่าจะมีใครสังเกตมันอยู่หรือไม่ก็ตาม

ประเด็นนี้เห็นได้ชัดจากคำถามเชิงประชดประชันที่ไอน์สไตน์ถามเพื่อนชื่อ อับราฮัม ไพส์ ขณะเดินเล่นด้วยกันว่า

“คุณเชื่อจริงๆ หรือว่าดวงจันทร์มีอยู่จริงก็ต่อเมื่อคุณมองมันเท่านั้น?”

คำถามอันโด่งดังนี้มาจากหนังสือ ‘Subtle is the Lord…’ The Science and the Life of Albert Einstein เขียนโดยอับราฮัม ไพส์ หน้า 5

สำหรับไอน์สไตน์แล้ว การที่ฟิสิกส์บอกว่าความจริงขึ้นอยู่กับการวัด เป็นเรื่องที่ ‘รับไม่ได้’ เพราะเขามองว่าหน้าที่ของวิทยาศาสตร์คือการค้นพบความจริงที่มีอยู่แล้ว ไม่ใช่การสร้างความจริงขึ้นมาจากการที่มีใครสักคน (หรืออะไรสักอย่าง) ทำการสังเกต

ประเด็นที่สี่ : สภาพนอนโลคัลลิทีและกิริยาระยะไกลเหมือนผีหลอก

มุมมองของกลศาสตร์ควอนตัมคือ ปรากฏการณ์ ‘การพัวพันเชิงควอนตัม’ (quantum entanglement) ทำให้อนุภาคคู่หนึ่งมีความสัมพันธ์กันอย่างลึกซึ้งจนเสมือนหนึ่งเป็นระบบเดียวกัน เมื่อเราทำการตรวจวัดเพื่อระบุสถานะของอนุภาคหนึ่ง อีกอนุภาคหนึ่งจะถูกกำหนดสถานะในทันที ไม่ว่าทั้งสองจะอยู่ห่างไกลกันเท่าใดก็ตาม

นักฟิสิกส์เรียกความเชื่อมโยงที่เกิดขึ้นโดยไม่คำนึงว่าระยะทางจะไกลแค่ไหนนี้ว่า สภาพนอนโลคัลลิที (Nonlocality)

สิ่งที่ไอน์สไตน์รับไม่ได้คือ ไอน์สไตน์มองว่าแนวคิดนี้ไม่มีเหตุผล โดยเรียกมันอย่างประชดประชันว่า ‘กิริยาระยะไกลเหมือนผีหลอก’ (spooky action at a distance) เนื่องจากมันดูเหมือนมีการส่งอิทธิพลถึงกันได้เร็วกว่าแสง

การที่วัตถุควอนตัมที่พัวพันกันอยู่นั้น ดูเหมือนว่าสามารถส่งอิทธิพลต่อกันได้เร็วกว่าแสงนี้ ขัดแย้งโดยตรงกับทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของไอน์สไตน์ที่ระบุว่าไม่มีสิ่งใด (รวมถึงข้อมูลข่าวสาร) สามารถเดินทางได้เร็วกว่าแสงในสุญญากาศ จึงไม่น่าแปลกใจที่ไอน์สไตน์ไม่เห็นด้วย

ที่เล่ามาถึงตรงนี้คือ 4 ประเด็นหลักในกลศาสตร์ควอนตัมที่ไอน์สไตน์รับไม่ได้ครับ!

ความขัดแย้งทางความคิดของไอน์สไตน์กับนักฟิสิกส์ที่สนับสนุนกลศาสตร์ควอนตัมกระแสหลัก ได้นำไปสู่การปะทะทางปัญญาอันเป็นตำนานที่เรียกว่า วิวาทะโบร์-ไอน์สไตน์ (Bohr-Einstein debates)

วิวาทะโบร์-ไอน์สไตน์เกิดขึ้นหลายครั้ง ทุกครั้งไอน์สไตน์จะเป็นคนเริ่มก่อน โดยเสนอการทดลองทางความคิดซึ่งพยายามชี้ให้เห็นข้อบกพร่องของกลศาสตร์ควอนตัม

วิวาทะครั้งแรกเกิดขึ้นในการประชุมโซลเวย์ (Solvay Conferences) ปี ค.ศ.1927 ซึ่งไอน์สไตน์เสนอการทดลองที่เขาเชื่อว่า หลักความไม่แน่นอนของไฮเซินแบร์ค (ซึ่งเขียนในรูปของตำแหน่งและโมเมนตัม) นั้นไม่ถูกต้อง แต่โบร์ก็หักล้างได้

ต่อมาในปี ค.ศ.1930 ไอน์สไตน์พยายามจับผิดกลศาสตร์ควอนตัม โดยชี้ให้เห็นว่า หลักความไม่แน่นอนของไฮเซินแบร์คซึ่งเขียนในรูปแบบพลังงาน-เวลานั้นไม่ถูกต้อง เขาใช้การทดลองทางความคิดซึ่งต่อมาเรียกว่า กล่องโฟตอนของไอน์สไตน์ (Einstein photon box)

ทว่าความพยายามครั้งนี้ก็ไม่สำเร็จเช่นกัน แถมยังตอกย้ำความถูกต้องของหลักความไม่แน่นอนอีกต่างหาก เรื่องนี้ผมเคยเขียนเล่าไว้แล้วในบทความชื่อ ‘กล่องโฟตอนของไอน์สไตน์ : เมื่อไอน์สไตน์จ้องจับผิดกลศาสตร์ควอนตัมจนลืมทฤษฎีของตนเอง!’ อ่านได้ที่ https://www.matichon.co.th/weekly/column/article_864179

ส่วนความท้าทายที่ลึกซึ้งที่สุดนั้น ไอน์สไตน์เสนอในปี ค.ศ.1935 ซึ่งต่อมาเรียกว่า ปฏิทรรศน์อีพีอาร์ (EPR Paradox) ชื่อนี้มาจากตัวอักษรแรกของชื่อสกุลผู้เขียนบทความ 3 คน ได้แก่ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein), บอริส โปโดลสกี (Boris Podolsky) และนาธาน โรเซน (Nathan Rosen)

บทความดังกล่าวมีชื่อในภาษาอังกฤษว่า ‘Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?’ แปลว่า ‘คำบรรยายความจริงทางกายภาพโดยกลศาสตร์ควอนตัมสามารถถือได้ว่าสมบูรณ์แล้วหรือไม่?’ และมักเรียกว่า บทความอีพีอาร์ (EPR paper)

มีแง่มุมน่ารู้ด้วยว่า ไอน์สไตน์ไม่ค่อยพอใจกับบทความอีพีอาร์เท่าใดนัก เพราะสิ่งที่เขาต้องการสื่อจริงๆ ก็คือ การพัวพันเชิงควอนตัมทำให้วัตถุควอนตัมแสดง ‘กิริยาระยะไกลที่เหมือนผีหลอก’ ซึ่งไอน์สไตน์ไม่เห็นด้วยอย่างยิ่ง แต่ผู้ที่ได้รับมอบหมายให้เขียนบทความนี้คือ บอริส โปโดลสกี กลับอธิบายโดยอิงหลักความไม่แน่นอนของไฮเซินแบร์ค และไม่ได้กล่าวถึงประเด็นการส่งสัญญาณเร็วกว่าแสงโดยตรงแม้แต่น้อย

แต่ถึงกระนั้น บทความอีพีอาร์ก็สร้างแรงสั่นสะเทือนให้วงการฟิสิกส์ควอนตัมอย่างมาก!

แม้ว่าเจตนาเดิมของไอน์สไตน์คือ การชี้ให้เห็นว่ากลศาสตร์ควอนตัมไม่สมบูรณ์และอาจมีตัวแปรซ่อนเร้น (hidden variables) อยู่ด้วย แต่กลับกลายเป็นว่า บทความนี้ได้วางรากฐานให้แก่การศึกษาการพัวพันเชิงควอนตัม และต่อมาถูกตีความว่าเป็นการแสดงให้เห็นว่าการพัวพันเชิงควอนตัมเป็นของจริง

ทั้งนี้ เนื่องจากในปี ค.ศ.1964 จอห์น เบลล์ (John Bell) ได้ต่อยอดบทความ EPR โดยเสนอทฤษฎีบทของเบลล์ (Bell’s theorem) ซึ่งเป็นวิธีการทางคณิตศาสตร์เพื่อทดสอบว่าตัวแปรซ่อนเร้นแบบโลคัล (local hidden variables) ที่ไอน์สไตน์เชื่อนั้นมีอยู่จริงหรือไม่ และผลจากการทดลองในเวลาต่อมาแสดงให้เห็นว่า ตัวแปรซ่อนเร้นแบบโลคัลไม่สามารถอธิบายธรรมชาติได้

พูดง่ายๆ คือ แม้ไอน์สไตน์จะตั้งคำถามอย่างมีเหตุผล แต่ผลการทดลองชี้ชัดว่าตัวแปรซ่อนเร้นแบบโลคัลไม่ถูกต้อง อย่างไรก็ตาม การตั้งข้อสงสัยของเขากลับเป็นแรงผลักดันสำคัญที่ทำให้ฟิสิกส์ควอนตัมก้าวหน้าไปอีกขั้น

บทความอีพีอาร์เป็นแรงบันดาลใจและจุดเริ่มต้นสำคัญที่ทำให้นักฟิสิกส์ขบคิดเรื่องการพัวพันอย่างจริงจัง งานวิจัยต่อเนื่องหลายทศวรรษต่อมาได้พัฒนาแนวคิดนี้จนกลายเป็นพื้นฐานของเทคโนโลยีสมัยใหม่ ไม่ว่าจะเป็นการคำนวณเชิงควอนตัม (Quantum Computing) ที่ใช้การพัวพันเพื่อประมวลผลข้อมูลมหาศาลพร้อมกัน การสื่อสารควอนตัม (Quantum Teleportation) ที่ถ่ายโอนสถานะควอนตัมผ่านการพัวพันร่วมกับการสื่อสารคลาสสิก รวมทั้งการเข้ารหัสลับควอนตัม (Quantum Cryptography) ซึ่งเป็นการสื่อสารที่ปลอดภัยจากการดักฟัง

ในช่วงบั้นปลายชีวิต ไอน์สไตน์ทุ่มเทเวลาให้กับการสร้างทฤษฎีสนามรวม (Unified Field Theory) โดยหวังจะรวมแรงโน้มถ่วงและแรงแม่เหล็กไฟฟ้าเข้าด้วยกัน เขาเชื่อว่าหลักการควอนตัมจะปรากฏขึ้นเองอย่างเป็นธรรมชาติภายในทฤษฎีนี้ และมุ่งแสวงหาคำอธิบายที่สมบูรณ์แบบและเป็นนิยัตินิยมเพื่อแทนที่ความน่าจะเป็นของกลศาสตร์ควอนตัมที่เขามองว่าไม่สมบูรณ์

อย่างไรก็ตาม ไอน์สไตน์ไม่ประสบความสำเร็จ เนื่องจากทฤษฎีสนามรวมของเขาไม่ได้ครอบคลุมแรงนิวเคลียร์แบบเข้มและแรงนิวเคลียร์แบบอ่อน อีกทั้งยังไม่ได้ตั้งอยู่บนกรอบกลศาสตร์ควอนตัม ซึ่งจากมุมมองปัจจุบันย่อมไม่สามารถเป็นทฤษฎีที่สมบูรณ์ได้

ถึงที่สุดแล้ว ไอน์สไตน์ยังคงเป็นนักฟิสิกส์ที่ไม่ยอมรับแนวคิดแบบถอนรากถอนโคนของการปฏิวัติควอนตัมที่เขาเองเป็นหนึ่งในผู้ริเริ่ม แต่การวิพากษ์วิจารณ์อย่างต่อเนื่องและการทดลองในความคิดอันชาญฉลาดของเขาก็ได้ทำให้ผู้สนับสนุนกลศาสตร์ควอนตัมต้องชี้แจงและเสริมสร้างรากฐานของศาสตร์นี้ให้มั่นคงยิ่งขึ้น โดยการทดสอบและพัฒนาแนวคิดใหม่ๆ ในเวลาต่อมา

ผมเล่าเรื่องทั้งหมดนี้ไว้ในรายการ Eureka ของ Thai PBS ตอน เหตุใด Einstein จึงโจมตีกลศาสตร์ควอนตัม? สามารถรับชมได้ตาม link นี้ครับ

ทำไมไอน์สไตน์ จึง ‘โจมตี’ กลศาสตร์ควอนตัม? (1)