EP6/9 |“เข้าใจ”ควอนตัมกันอย่างไร ? | ตัวอย่างเส้นทางความคุ้นเคย

“สิบปากว่ามันบ่เต้าตาหัน สิบตาหันบ่เต้ามือคลำ เอามือลูบเบา ๆ มันบ่เต้ามือขยำ”

เพลง “ลองดู” วงนกแล พ.ศ. 2529

ย้อนกลับไปที่ภาพอมตะหนึ่งของโลกจากการประชุมสุมสมองของอัจฉริยะบุคคล (the Solvay conference) ปี ค.ศ.1927 ซึ่งถ่ายไว้เมื่อครั้งกลศาสตร์ควอนตัมเริ่มเป็นทางการได้สองปีหลังทฤษฎีการแผ่รังสีวัตถุดำ ครั้งกระนั้นยังมีการถกเถียงกันหลากมุมต่อความเข้าใจที่แท้จริงของศาสตร์ใหม่อยู่มาก การหักล้างหรือสร้างเสริมทางความคิดของบรรดาขุนพลผู้มารวมกันอยู่นั้นได้สร้างจดหมายเหตุสำคัญให้วิทยาการโลกได้บันทึกไว้ โดยเฉพาะระหว่างอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ กับ นีลส์ บอร์ คู่หูคู่ฟัด เป็นต้น เช่น เรื่องตัวแปรที่ซ่อนเร้น (hidden variable) ของไอน์สไตน์พร้อมเพื่อนร่วมงาน นีลส์ บอร์เองถึงกับแย้งระดับหัวชนฝา กระทั่งต่อมาวงการจึงพิสูจน์กันได้ว่าความคิดดังกล่าวไม่ถูกต้อง แม้ความพยายามของทีมไอน์สไตน์เพื่อเผยโฉมตัวแปรของธรรมชาติที่ซ่อนเร้นอยู่ออกมาในครานั้นวืดไป แต่ก็ได้กลายเป็นบันทึกพัฒนาการหนึ่งที่น่าจดจำ ใช้สอนลูกหลานกันมาอย่างยาวนานเลยทีเดียว โดยยังมีอีกหลากหลายเกร็ดการพัฒนาองค์ความรู้ของนักวิทยาศาสตร์ผู้ปราดเปรื่องในภาพอีกมากเรื่องนัก มีความขลังประหนึ่งการรวมรุ่นพระอาจารย์ใหญ่เพื่อสังคายนาวิชาการฟิสิกส์ทั้งสายปริยัติและสายปฏิบัติของวงการมาร่วมฉายภาพกันอย่างนั้นเลย

ช่วงยุคบุกเบิกดังภาพผ่านมาระดับหนึ่งร้อยปีแล้ว ครั้นจะทำความเข้าใจโดยมีอารมณ์ร่วมสมัยให้ได้ จึ่งต้องสมมติตนเองกลับไปเป็นคนสมัยเก่าดูเพื่อสร้างบรรยากาศย้อนเวลาสู่ฟิสิกส์ยุคดั้งเดิม ขณะนั้น เกจิอาจารย์มาประชุมพร้อมเพรียงกันและกำลังสนทนาธรรมชาติเรื่องของ “โฟตอน” (photon) หรือหน่วยของแสงอันเพิ่งจะมีผู้นิยามตั้งชื่อขึ้นมาก่อนหน้าภาพถ่ายนั้นเพียงปีเดียวเอง ความรู้พื้นฐานยังมีน้อยและใหม่มาก ๆ สิ่งแวดล้อมสมัยนั้นมีชอล์กกับกระดานดำ กระดาษฟุลสแก็ปและปากกาหมึกซึม ยังไม่มีคอมพิวเตอร์ที่กดปุ่มปั๊บได้ผลคำนวณปุ๊บหรือกระทั่งระบบควบคุมการทดลองความเร็วสูงโดยอัตโนมัติในห้องปฏิบัติการ เครื่องมือที่หาได้เพื่อใช้ทดสอบยังคงเทอะทะ แสงเลเซอร์ก็ยังไม่เกิด ภาพฮอโลแกรมหรือสามมิติ (hologram) ยังไม่มีผู้คิดสร้าง เส้นใยนำแสงหรือไฟเบอร์ (fiber optics) ต้องรอต่อมาอีกสี่ทศวรรษ พัฒนาการห้องปฏิบัติการยังลงมาไม่ถึงระดับอนุภาคหรือโฟตอนเดี่ยวที่จะแสดงปรากฏการณ์ควอนตัมแสงเพื่อให้เข้าถึงได้โดยง่าย

การที่นักวิทยาศาสตร์เอกของโลกรุ่นบุกเบิกเหล่านี้ เข้าใจและซาบซึ้งกับเรื่องกลศาสตร์ควอนตัมได้รวมถึงเรื่องโฟตอนแสงร่วมสมัยด้วยโดยอาศัยเพียงเครื่องมือวิทยาศาสตร์รุ่นโบราณร่วมกับคณิตศาสตร์และฟิสิกส์ทฤษฎีเป็นหลัก จึงเป็นที่น่าสรรเสริญยิ่งที่โลกมีอัจฉริยะบุคคลผู้สร้างความเข้าใจศาสตร์ใหม่นั้นได้ด้วยตนเอง แต่นั่นคือเพียงส่วนน้อย มีจำนวนน้อยยิ่งที่บรรลุลึกถึงธรรมชาติได้ด้วยเส้นทางเช่นนั้น

ดังที่เกริ่นมา สำหรับสังคมทั่วไปการสร้างความเข้าใจจากการสะสมความคุ้นเคยแนวอื่นน่าจะเหมาะกว่า จึงได้เวลาเลี้ยวกลับเพื่อแสวงหาโอกาสความคุ้นเคยหาทางไปสัมผัสเครื่องไม้เครื่องมือที่สามารถหยิบจับ ขยับประชิดปรากฏการณ์ธรรมชาติที่น่าพิศวงด้วยตนเอง แล้วพยายามนำประสาทสัมผัสของตนไปเข้าถึงให้ใกล้ที่สุดกัน

ทั้งนี้ ถัดจากยุคประวัติศาสตร์บรรยากาศภาพรวมรุ่นนักวิทยาศาสตร์รุ่นปู่ย่าครั้งนั้นมา โลกของการทดลอง (experimental physics) มีพัฒนาการอย่างต่อเนื่องโดยตลอด โอกาสเข้าถึงคำว่าควอนตัมร่วมสมัยใหม่จึงมีมากขึ้นกว่าศตวรรษก่อนหน้า ลองมาตามศึกษาเส้นทางตัวอย่างยุคหลังทั้งในและนอกประเทศกันดังต่อไปนี้

ความพัวพันของแสง (photon entanglement) ณ ปทุมธานี

สำหรับในประเทศไทย ปรากฏการณ์เชิงความพัวพันควอนตัมแสงทำนองเรื่องของคู่แฝดต่างสถานที่คือเรื่องแรกที่ปรากฏขึ้นเมื่อ ปี พ.ศ. 2555 หรือหลังจากที่วิชาการด้านกลศาสตร์ควอนตัมถูกเอื้อนเอ่ยขึ้นในเมืองไทยแล้วเริ่มมีการเรียนการสอนที่จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัยแห่งแรกมาถึงสี่ทศวรรษก่อนแล้ว เป็นการทดลองที่มีโอกาสสัมผัสได้ใกล้ชิดมากแนวทางขึ้น โดยขยายระบบมาจากงานพื้นฐานของผลึกกับแสงเลเซอร์บทก่อนหน้า อันทำให้เกิดปรากฏการณ์ความพัวพันพื้นฐานได้อย่างง่าย ที่ต่อมากลายเป็นชุดทดลองพบเห็นได้ในการเรียนระดับมหาวิทยาลัยของต่างประเทศ รวมถึงมีให้ศึกษาเรียนรู้ออนไลน์อยู่ทั่วไปและสะดวกขึ้นอย่างมาก

บนพื้นฐานเดียวกันนั้น ชุดทัศนศาสตร์เพื่องานวิจัยในประเทศสามารถสร้างคู่โฟตอนแสงพัวพันเปล่งออกได้อัตราไม่สูงมากนักต่อวินาที แล้วแยกคู่ทั้งหมดส่งให้ออกห่างจากกันเพื่อได้ระยะที่ไกลขึ้น ทำให้เกิดการสื่อข่าวสารปริมาณต่ำเชิงควอนตัมต่างสถานที่เกิดขึ้นได้ ชุดการทดลองดังกล่าวพัฒนาขึ้นเพื่อการประยุกต์งานรหัสลับเชิงควอนตัมเป็นหลัก แต่ได้มาพร้อมกับอีกประโยชน์หนึ่งสนองการเข้าถึงใกล้ชิดมากขึ้นกับปรากฏการณ์ความพัวพันที่ห่างไกล (ดังพื้นฐานจาก EP4.)

กระนั้น เคยมีนักศึกษา นักวิจัย และคณะบุคคลหลายฝ่ายมาเยี่ยมชมงาน ส่วนใหญ่จะพึมพำคล้ายกัน จากก่อนหน้าที่ว่า “อยากไปดูควอนตัมจัง” พอมาเห็นการทำงานของชุดการทดลองพลันมีเสียงกระซิบว่า “แล้วไหนล่ะ ควอนตัมอยู่ไหน” อยากจะมาเห็นแต่กลับมองไม่เห็น !

จึงเพิ่มต่อให้อีกคำถามด้วยเลยว่า

คำถาม: ปรากฏการณ์ดังกล่าวเกิดขึ้นทันทีทันใด (instantaneouly) มนุษย์ไม่สามารถรับรู้ได้ทัน ดังนั้น จะสร้างความคุ้นเคยด้วยจนเข้าใจได้อย่างไรหนอ ?

การนำเอากระบวนการทำงานของชุดทดลองวิทยาศาสตร์สร้างมาให้เข้าใจด้วยตัวหนังสือนั้น เป็นอีกตัวอย่างหนึ่งที่ยากและทับซ้อนจากการแปลงข่าวสารข้ามสื่อ กับคำถามใหม่นี้จึงจำเป็นต้องเพิ่มเนื้อหาเทคนิคอีกเล็กน้อยซึ่งอาจหนักสมองเพิ่มอีกหน่อย ด้วยการไปรู้จักการแปลงสื่อนำสารที่ยังใหม่และซับซ้อนมากกับเรื่องของแสงที่ใช้อยู่ในชุดทดลองลักษณะนี้ จากนั้นค่อยทยอยแทรกตอบคำถามไปพร้อมกัน ดังนี้

ก) คุณสมบัติเด่นประการหนึ่งของแสงคือ การเคลื่อนที่ความเร็วสูงเทียบได้กับระยะการโอบโลกเกือบแปดรอบโดยใช้เวลาเพียง 1 วินาที แล้วตาของมนุษย์จะจับได้ไล่ทันโฟตอนที่เดินทางไวจัด ๆ นั้นหรือ ? ไม่ทันแน่นอน !

ข) คู่โฟตอนควอนตัมเกิดขึ้นทันทีทันใดที่เสี้ยวเวลาไหน เกิดสม่ำเสมอไหม แล้วเกิดทุกครั้งที่ต้องการสังเกตหรือไม่ คำตอบคือนักวิทยาศาสตร์เองก็ไม่สามารถฟันธงได้ ต้องสังเกตจากการวัดผลประมวลเข้ากับความรู้พื้นฐานอื่นอีกมาก และเมื่อตรวจจับวัดผลโดยอุปกรณ์หรือถ่ายภาพไว้แล้วโฟตอนหรือควอนตัมแสงเสี้ยวเวลานั้นก็พลันสลายไป มิได้หยุดรอหรือคงอัตตาสภาพ

จึงควรตระหนักต่อว่า จากข้อจำกัดที่ประสาทสัมผัสทั้งห้าเข้าถึงไม่ได้ (อีกแล้ว) การแปลงข่าวสารของสถานะควอนตัมบนสื่อที่เป็นแสงแบบนี้ต้องมีวิธีเฉพาะทางต่างจากเรื่องก่อนหน้าที่คุ้นเคยกันมา (ซับซ้อนกว่าตัวอย่างความถี่นอกขอบเขตของโลมา วาฬ หรือค้างคาวที่มนุษย์อาจมีมิติการเรียนรู้ได้มากกว่าจากทั้งอาจได้สัมผัสตัวตนของสัตว์ทันต่อการสร้างความคุ้นเคยได้) ในเมื่อแสงเดินทางไวไปต่อไม่รอแล้วและสถานะควอนตัมเกิดเมื่อไหร่ก็ต้องให้เครื่องมือวิทย์ตรวจจับแทนอีก ดังนั้น การทดลองแสงลักษณะนี้จึงต้องสร้างมิติเทียมด้วยการกำเนิดผลให้ยาวนานและต่อเนื่อง นานกระทั่งผู้สังเกตสามารถรับรู้การเปลี่ยนแปลงสะสมของผลตรวจวัดปลายทาง หรืออีกนัยหนึ่งต้องสร้างสะพานเทคนิคเชื่อมมิติที่ขาดไป ราวกับเป็นการหน่วงแสงความเร็วสูงยิ่งให้ช้าลงด้วยการแปลงมาจากสร้างปรากฏการณ์เชิงควอนตัมพัวพันนั้นซ้ำ ๆ ให้บ่อยถี่มากครั้งตลอดเวลาที่นั่ง ยืน เฝ้าทำเฝ้าสังเกต

ขณะเดียวกันยังต้องทำให้เกิดระยะทางที่มนุษย์สามารถรับรู้ถึงการเปลี่ยนแปลงนั้นได้เพิ่มอีกหนึ่งมิติ หากคู่โฟตอนกำเนิดอยู่เพียงภายในผลึกระยะห่างกันระดับพิโคเมตร นาโนเมตร หรือไมโครเมตร แทบจะเป็นไปไม่ได้ที่ผู้สังเกตจะรับรู้ถึงปรากฏการณ์คู่แฝดต่างสถานที่ จึงต้องแยกให้ออกห่างจากกันระดับมาตรมนุษย์ (human scale) ขึ้นไป ได้ระยะพอที่จะทำให้เกิดความรู้สึกพิลึกต่อคู่โฟตอนที่พัวพันกันและมีผลเปลี่ยนแปลงตามกันแม้จะละขาดจากกันไปแล้ว สรุป คือจำต้องสะสมผลพร้อมกันทั้งช่วงเวลาสังเกตที่ยาวนานเพียงพอและระยะทางที่รับรู้ความพัวพันที่ห่างไกลจากการไปปรับค่าเปลี่ยนแปลงองค์รวมของระบบด้วยตนเองให้ได้ก่อน จึงจะสามารถคุ้นเคยกับควอนตัมแสงที่แปลกพิลึกนั้นได้ด้วยสัมผัสตน

กรณีความพัวพันของอนุภาคที่ห่างไกลกันจากการทดลองนี้ ใช่แล้วคือเรื่องเดียวกับประโยคเด็ดดังของไอน์สไตน์ที่ว่า “Spooky action at a distance” หรือถอดความให้เข้ากับกิจกรรมการรับรู้ความพิลึกที่เพิ่งสังเกตได้ คือ “ปรากฏการณ์วิญญาณที่ห่างไกล” ด้วยสภาพการทำงานทดลองอยู่ในห้องหรือกล่องมืด อุปกรณ์เครื่องไม้เครื่องมือที่ไม่ถูกแสงภายนอกรบกวน ก็อาจทำให้รู้สึกราวกับว่าโฟตอนคู่ต้องมนตร์แม้ห่างจากกันไปแล้วแต่ยังคงผลตามไปให้ชุดโฟตอนทั้งสองด้านนั้นมีความเหมือนกันในภายหลังได้ นักวิทย์สายฮาร์ดคอร์ทั้งหลายคุ้นดีอยู่แล้วกับปรากฏการณ์ธรรมชาติที่น่าพิศวงสร้างได้ทำซ้ำได้ สำหรับเมืองไทยก็เคยคุ้นเช่นกันแล้วเมื่อ ปี พ.ศ.2555 ด้วยสถิติทดลองระยะห่างความพัวพันสูงสุด 22 เมตรภายในอาคาร ส่วนโครงการภายนอกระดับ 500 เมตรระหว่างอาคารและเคลื่อนที่ได้ด้วยนั้นระงับและยุติไปเสียก่อน

การสร้างปรากฏการณ์ความพัวพันควอนตัมของโลกมีอายุผ่านมาร่วมสามสิบปีมิใช่เรื่องใหม่แต่อย่างใดเลย เมื่อนำแนวทางใดมาเล่าให้“ฟัง”ต่อเป็นทอด ๆ มาทำให้เยี่ยม“ดู”ชมงานช่วงสั้น จะเป็นเพียงเศษเสี้ยวของปรากฏการณ์เท่านั้น แม้นำภาพถ่ายมาให้“เห็น”ก็คือส่วนที่เกิดจากการสะสมคู่โฟตอนพัวพันซ้ำ ๆ บนแผ่นฟิล์มด้วยเทคนิคการถ่ายภาพขั้นสูงจนกลายเป็นภาพสองมิติของวงแสงซ้อนทับ หากยังไม่เคยมีโอกาสใช้เวลาได้นานพอเพื่อเข้าถึงมือคลำนำความคุ้นมาที่ประสาทสัมผัสตนได้เอง แต่ประสงค์เพียง “ฟัง อ่าน เห็น” ปุ๊บ แล้วต้องรู้เรื่องให้ได้เลยปั๊บ ... ความเข้าใจที่เที่ยงแท้ยังคงมาถึงได้ยาก

ควอนตัมแสงออกนอกโลกไปไกลมากแล้ว

ต่อจากตัวอย่างแรกด้วยหลักการเดียวกันของกลุ่มเวียนนาก่อนหน้า การสร้างคู่โฟตอนพัวพันไม่ใช่เพียงแค่ 22 เมตร มิใช่เพียงแค่ข้ามหลังคาตึก ตั้งแต่ปี พ.ศ.2555 สามารถพัฒนาสร้างการทดลองข้ามสองเกาะที่มีหอดูดาวเป็นตัวส่งรับที่ห่างกันไกลถึง 144 กิโลเมตร เช่นกันเมื่อด้านใดด้านหนึ่งถูกเปลี่ยนแปลงไปอีกข้างหนึ่งก็จะปรับตัวตาม ปรากฏการณ์ความพัวพันที่ห่างไกลข้ามทะเลแบบนี้โลกก็ได้รู้จักมาแล้ว หลังจากกรณีเกือบพ้นระยะสายตาจึงเติบโตต่อไปเป็นวิทยาการดาวเทียมเชิงควอนตัมโดยยกฝาแฝดการสื่อสารขึ้นไปสร้างกันอยู่บนฟ้า เดือนสิงหาคมปี พ.ศ. 2559 ประเทศจีนยิงดาวเทียมขึ้นสู่วงโคจรต่ำเพื่อสร้างคู่โฟตอนพัวพันด้านบนแล้วปล่อยลงมาในระดับประมาณ 500-1,000 กิโลเมตรสูงจากพื้นโลกตามพิกัดการเคลื่อนที่ของดาวเทียมที่ไม่อยู่นิ่งไปกับการหมุนของโลก แฝดฝาหนึ่งไปที่กรุงปักกิ่งประเทศจีน อีกข้างพุ่งตามหลังไปที่ประเทศออสเตรีย ด้วยเทคโนโลยีสุดล้ำอัตราสร้างคู่โฟตอนพัวพันสูงมากกว่าล้านคู่ต่อวินาทีบนฟ้า หากเหลือรอดลงมาให้ตรวจจับบนพื้นโลกเพียงคู่เดียวต่อวินาทีได้นั้นนักวิจัยก็กระโดดดีใจกันแล้ว จนถึงปลายปี พ.ศ.2560 จึงเริ่มทดลองกับงานการประชุมทางไกลพ่วงวิทยาการรหัสลับเชิงควอนตัม โดยส่ง (เฉพาะ) กุญแจรหัสสั้นผ่านดาวจำแลงดวงนี้ ตามด้วยทดลองการส่งถ่ายหรือเทเลพอร์ทจากภาคพื้นดินขึ้นไปปรากฏบนดาวเทียม เป็นอันว่าเรื่องที่เคยเป็นนิยายวิทยาศาสตร์ถูกนำมาพิสูจน์สร้างให้เป็นจริงโดยประจักษ์ได้อีกครั้งใหญ่และไกลมาก

ปรากฏการณ์เชิงควอนตัมแสงหรือเทียบเคียงภาษาชาวบ้านได้ว่าวิญญาณในโฟตอนนี้เคยกระโดดในระยะเมตรสั้น ๆ กระทั่งไกลถึงระดับนับร้อยกิโลเมตรขึ้นดาวเทียมก็ได้ และกำลังไปปรากฏเป็นเครือข่ายของดาวเทียมบนฟากฟ้ากันต่อในอนาคตอีก โลกวิทยาการที่นำกลศาสตร์ควอนตัมไปประยุกต์กับงานไอทีจึงก้าวหน้าไปมากจากพื้นโลกออกสู่อวกาศไปแล้ว สำหรับเมืองไทยเพื่อให้ผู้คนส่วนใหญ่มีโอกาสคุ้นเคยกับปรากฏการณ์ควอนตัมเส้นทางตรงนี้ได้บ้าง ... ควรลงมือทำจับขยำอะไรกันต่อดี ?

---

สำเนาจาก “เข้าใจ”ควอนตัมกันอย่างไร ?

ภาค ๑ - ความคุ้นเคย - ISBN : 978-616-572-644-3

สงวนลิขสิทธิ์ © พ.ศ. ๒๕๖๓ - copyright

(เพื่อการศึกษาสาธารณะเท่านั้น)

---

“เข้าใจ”ควอนตัมกันอย่างไร ? | (EP1-9)

| EP1/9 | EP2/9 | EP3/9 | EP4/9 | EP5/9 | EP6/9 | EP7/9 | EP8/9 | EP9/9 |

---

๐ (คอลัมน์แนะนำ) ควอนตัมกับสิ่ง “มีชีวิต”vs“ไม่มีชีวิต” | Quantum Biology ๐

| Quantum Biology (1) | Quantum Biology (2) | Quantum Biology (3) |

| Quantum Biology (4) | Quantum Biology (5) |

ชีววิทยาเชิงควอนตัม (Quantum Biology)

หมายถึงควอนตัมของ “ส่ิงมีชีวิต” แน่แท้หรือ ?