ปีหน้าเป็นวันครบรอบหนึ่งร้อยปีของฤดูร้อนที่นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีชาวเยอรมัน แวร์เนอร์ ไฮเซนเบิร์ก ได้ขอลี้ภัยจากไข้ละอองฟางบนเกาะเฮลโกแลนด์ในทะเลเหนือ ที่นั่น เขาค้นพบวิธีการแสดงการสังเกตการณ์อะตอมที่น่างงงวยด้วยสเปกโทรสโกปี โดยที่พวกมันดูดซับและปล่อยแสงที่ความถี่ลักษณะเฉพาะที่กำหนดไว้อย่างดี ในรูปแบบทางคณิตศาสตร์ นีลส์ บอร์ นักฟิสิกส์ชาวเดนมาร์ก ที่ปรึกษาของไฮเซนเบิร์ก เสนอว่าสามารถเข้าใจสเปกตรัมได้บนสมมติฐานที่ว่าอิเล็กตรอนของอะตอมอาจมีพลังงานจำเพาะเท่านั้น โดยเปลี่ยนจากระดับพลังงานหนึ่งไปอีกระดับหนึ่งโดยการเปล่งหรือดูดซับ "ควอนตัม" ของแสงเพียงตัวเดียวด้วยพลังงานหนึ่ง เป็นสัดส่วนกับความถี่ของมัน อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์เสนอสมมติฐานควอนตัมเกี่ยวกับแสงในปี 1905 และบอร์ได้พัฒนาให้เป็นทฤษฎีใหม่ของอะตอม แม้ว่าทฤษฎีนี้จะดูไม่สมเหตุสมผลในแง่คลาสสิกก็ตาม
ด้วยการแสดงพลังงานที่ได้รับอนุญาตของ "การกระโดดควอนตัม" เหล่านี้ในฐานะเมทริกซ์ของค่าที่สังเกตได้จากการทดลอง ไฮเซนเบิร์กจึงเปลี่ยนรูปแบบ เฉพาะกิจทฤษฎีควอนตัมที่เพิ่งเกิดขึ้นใหม่จนกลายเป็นกลศาสตร์ควอนตัมของแท้ พีชคณิตเมทริกซ์ของเขาบอกเป็นนัยว่าเป็นไปไม่ได้ที่จะรู้ทั้งตำแหน่งและโมเมนตัมของอนุภาคพร้อม ๆ กันด้วยความแม่นยำตามอำเภอใจ “หลักการความไม่แน่นอน” นี้ชี้ให้เห็นว่าฟิสิกส์ควอนตัมจำกัดความรู้ที่เรามีเกี่ยวกับโลกอะตอม
Bohr, Heisenberg และผู้ร่วมงานของพวกเขาในโคเปนเฮเกนโต้แย้งต่อไปว่าข้อจำกัดนี้เป็นพื้นฐาน ไม่ใช่ว่าเราถูกลิขิตให้เพิกเฉยต่อความเป็นไปของสิ่งต่าง ๆ อย่างแน่นอน แต่จะไม่มีความหมายว่า “สิ่งต่าง ๆ เป็นอย่างไรบ้าง” จนกว่าจะถูกวัดผล ข้อเสนอแนะดังกล่าวจุดประกายให้เกิดการโต้เถียงกันอย่างมีอัธยาศัยดีแต่รุนแรงระหว่างบอร์กับไอน์สไตน์ซึ่งกินเวลาไปตลอดชีวิต “ไอน์สไตน์ไม่สามารถให้สัมปทานได้ มันจะขจัดวัตถุแต่ละชิ้นที่แยกจากกัน ซึ่งเป็นลักษณะสำคัญของภาพโลกที่ยอมรับได้” John Heilbron และ Jim Baggott เขียนในหนังสือเล่มใหม่ของพวกเขา ดราม่าควอนตัม: จากการอภิปรายของบอร์-ไอน์สไตน์ สู่ปริศนาพัวพัน. Baggott นักฟิสิกส์และนักเขียนวิทยาศาสตร์ และ Heilbron นักประวัติศาสตร์ด้านวิทยาศาสตร์ที่เสียชีวิตในปี 2023 เล่าประวัติศาสตร์ของกลศาสตร์ควอนตัม ตั้งแต่เริ่มก่อตั้งจนถึงเทคโนโลยีสารสนเทศควอนตัมที่ล้ำหน้าในปัจจุบัน
ไอน์สไตน์ไม่เคยเบื่อหน่ายกับการเรียบเรียงข้อโต้แย้งใหม่ๆ ต่อมุมมอง "โคเปนเฮเกน" ในการประชุม Solvay Conference เมื่อปี 1930 ที่ประเทศเบลเยียม ซึ่งเป็นการรวมตัวกันของนักฟิสิกส์ชั้นนำในยุคนั้น เขาได้เผชิญหน้ากับ Bohr ด้วยการทดลองทางความคิดที่ขัดแย้งกัน โดยมีกล่องหนักๆ ห้อยลงมาจากสปริง ซึ่งมีโฟตอน (ที่หลุดออกมา) และนาฬิกาที่อยู่กับที่ บอร์สร้างคำตอบให้กับปริศนาที่คลายความสงสัยมากมาย แต่ดูเหมือนว่าจะไม่พอใจในตัวบอร์เอง “เขากังวลเรื่องนี้ไปตลอดชีวิต” ไฮลบรอนและแบ็กกอตต์กล่าว “ภาพร่างคร่าวๆ ของอุปกรณ์อยู่บนกระดานดำของเขาในวันที่เขาเสียชีวิต”
การต่อต้านของไอน์สไตน์เผยให้เห็นธรรมชาติที่ขัดกับสัญชาตญาณอย่างลึกซึ้งของกลศาสตร์ควอนตัม ซึ่งมีชื่อเสียงที่สุดในการทดลองทางความคิดที่คิดค้นขึ้นในปี 1935 ร่วมกับเพื่อนร่วมงานรุ่นน้องของเขา บอริส โพโดลสกี และนาธาน โรเซน “การทดลอง EPR [Einstein–Podolsky–Rosen]” นี้แสดงให้เห็นว่าเมื่ออนุภาคสองตัวมีปฏิสัมพันธ์กัน กลศาสตร์ควอนตัมดูเหมือนจะยืนยันว่าคุณสมบัติของพวกมันหลังจากนั้นยังคงพึ่งพาซึ่งกันและกัน โดยการวัดจะทำให้เกิดสัญญาณที่เป็นไปไม่ได้ในทันทีระหว่างทั้งสอง เออร์วิน ชโรดิงเงอร์ ผู้ซึ่งแบ่งปันความเกลียดชังของไอน์สไตน์ต่อมุมมองของโคเปนเฮเกน ตั้งชื่อผลกระทบนี้ว่า "ความพัวพัน"
สำหรับไอน์สไตน์ ข้อขัดแย้งของ EPR สามารถแก้ไขได้โดยการสมมุติว่าอนุภาคที่พันกันมีคุณสมบัติคงที่ตลอดมา แม้ว่าจะสังเกตไม่ได้และด้วยเหตุนี้จึงมี "ตัวแปรที่ซ่อนอยู่" เป็นพิเศษ ปัญหาคือการตีความของทั้งบอร์และไอน์สไตน์มีการทำนายเชิงทดลองที่เหมือนกัน เนื่องจากไม่มีวิธีที่ชัดเจนในการแก้ไขปัญหา จึงถูกละทิ้งไป และนักวิจัยหลายคนในช่วงทศวรรษที่ 1940 และ 1950 ถือว่าคำถาม "พื้นฐาน" ดังกล่าวไม่มีจุดหมายหรือแม้แต่ไม่สมควรด้วยซ้ำ ใครจะสนใจล่ะ เมื่อกลศาสตร์ควอนตัมทำงานได้ดีในทางปฏิบัติ? นี่เป็นทัศนคติที่นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน เดวิด เมอร์มิน กำหนดไว้อย่างโด่งดังว่า "หุบปากแล้วคำนวณ" ซึ่งมีความโดดเด่นเป็นพิเศษในสหรัฐอเมริกาที่เน้นการปฏิบัติจริง การสนใจประเด็นดังกล่าวอาจเทียบเท่ากับการฆ่าตัวตายในอาชีพการงาน “คุณจะไม่มีวันได้รับปริญญาเอก ถ้าคุณปล่อยให้ตัวเองถูกรบกวนจากเรื่องไร้สาระแบบนั้น” Mermin กล่าวที่ Harvard ตามหนังสือ เขาตั้งข้อสังเกตว่า "มันเป็นช่วงเวลาที่ไม่มีหลักปรัชญามาก"
เมอร์เรย์ เกลล์-มานน์ ผู้ได้รับรางวัลโนเบลกล่าวหาบอร์ว่าล้างสมองนักฟิสิกส์รุ่นหนึ่งให้คิดว่าปริศนาของกลศาสตร์ควอนตัมได้รับการแก้ไขมานานแล้ว
ในหนังสือของเธอในปี 1999 บทสนทนาควอนตัมนักประวัติศาสตร์วิทยาศาสตร์ มารา เบลเลอร์ กล่าวหาว่า Bohr และเพื่อนร่วมงานของเขาวางแนวทางโคเปนเฮเกนออร์โธดอกซ์และตีความหรือเยาะเย้ยการตีความทางเลือกอื่น เช่น "คลื่นนำร่อง" ของ David Bohm และ "ฟังก์ชันคลื่นสากล" ของ Hugh Everett หรือที่รู้จักในชื่อการตีความกลศาสตร์ควอนตัม "หลายโลก" เมอร์เรย์ เกล-มานน์ ผู้ได้รับรางวัลโนเบล กล่าวหาว่าบอร์ล้างสมองนักฟิสิกส์รุ่นหนึ่งให้คิดว่าปริศนาเกี่ยวกับกลศาสตร์ควอนตัมได้รับการแก้ไขมานานแล้ว แต่ไฮล์บรอนและแบ็กกอตต์แสดงให้เห็นว่า การกล่าวโทษความไม่แยแสของชุมชนโดยรวมนั้นยุติธรรมกว่า ดังที่ Paul Dirac กล่าวไว้เกี่ยวกับปัญหาทางอภิปรัชญาของทฤษฎีนี้ว่า “ผู้คนจำนวนมากมีชีวิตที่ยืนยาวและประสบผลสำเร็จโดยไม่ต้องกังวลเกี่ยวกับ [พวกเขา] เลย”
สามสิบปีแห่ง 'ต่อต้านการวัด'
อย่างไรก็ตาม ทัศนคติดังกล่าวเริ่มเปลี่ยนไปเมื่อปี พ.ศ. 1964 เมื่อ จอห์น เบลล์ นักฟิสิกส์ชาวไอร์แลนด์เหนือ ค้นพบวิธีแยกแยะสิ่งที่เรียกว่าแบบจำลองตัวแปรซ่อนเร้นจากกลศาสตร์ควอนตัมที่ไม่ซับซ้อน สิ่งที่ต้องมีก็แค่คิดอย่างจริงจัง “ไม่มีสิ่งใดในความไม่เท่าเทียมกันของเบลล์ที่ผู้ก่อตั้งควอนตัมไม่รู้” ผู้เขียนกล่าว
น่าแปลกที่เบลล์เกิดการทดสอบอันโด่งดังขึ้นเพราะเขาต้องการค้นหาข้อบกพร่องในกลศาสตร์ควอนตัมแบบโบห์เรียน เป็นคนแรกที่ทำการทดสอบ John Clauser ซึ่งทำงานร่วมกับ Stuart Freedman ที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียที่ Berkeley แต่การทดลองนั้นและการทดลองอื่นๆ อีกมากมายที่ดำเนินการในเวลาต่อมา ได้สนับสนุนกลศาสตร์ควอนตัมเพียงอย่างเดียวอย่างไม่ล้มเหลว และตัดตัวแปรที่ซ่อนอยู่ใดๆ ออกไป อย่างน้อยก็ตัวแปรที่ใช้ ในท้องถิ่น เพื่อกำหนดคุณสมบัติคงที่ของอนุภาคแต่ละตัวในตำแหน่งที่กำหนดก่อนการวัด (นั่นไม่ได้หมายความว่า Bohr ถูกต้อง แม้ว่าแทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะกอบกู้จุดยืนของไอน์สไตน์ก็ตาม) หนังสือเล่มนี้ให้รายละเอียดที่ยอดเยี่ยมเกี่ยวกับการฟื้นคืนความสนใจในรากฐานควอนตัมที่ตามมาจากงานของเบลล์และเคลาเซอร์ โดยเฉพาะเพื่อนร่วมงานของคลอเซอร์ในปี 2022 ผู้ได้รับรางวัลโนเบล ได้แก่ Anton Zeilinger และ Alain Aspect การศึกษาดังกล่าวห่างไกลจากปรัชญาที่ว่างเปล่า ปัจจุบันการศึกษาดังกล่าวอยู่ภายใต้เทคโนโลยี เช่น คอมพิวเตอร์ควอนตัม และการเข้ารหัสควอนตัม
ดราม่าควอนตัม บอกเล่าเรื่องราวที่ซับซ้อนด้วยนักแสดงมากมาย แม้ว่าบางครั้งผู้เขียนต้องการผู้อ่านมาก แต่ฉันไม่เคยอ่านเรื่องราวที่ดีไปกว่านี้เลย มีความสมดุล เชื่อถือได้ และปรุงรสด้วยไหวพริบอันสง่างาม ไฮลบรอนและแบ็กกอตต์กล่าวถึงการเดินทางไปญี่ปุ่นโดยผู้บุกเบิกควอนตัมยุคแรกๆ หลายคน โดยบรรยายถึงการเดินผ่านเจดีย์ว่า “ไฮเซนเบิร์กปีนขึ้นไปเองตามธรรมชาติ และยืนอยู่บนยอดสุด (ความกว้าง ∆q) ด้วยเท้าข้างเดียวท่ามกลางสายลมที่พัดแรง รักษาความไม่แน่นอนอย่างมีความสุข ∆p น้อยเกินไปที่จะทำให้เขาล้มลง”
หนังสือเล่มนี้จะไม่ใช่ทุกสิ่งสำหรับทุกคน เช่นเดียวกับหนังสือเล่มก่อนๆ ของไฮลบรอน Niels Bohr: บทนำสั้น ๆคำอธิบายอะตอมของบอร์นั้นเป็นเรื่องทางเทคนิคมากจนแทบจะเข้าถึงไม่ได้สำหรับทุกคน ยกเว้นผู้เชี่ยวชาญ ทำให้เกิดอุปสรรคที่น่าเกรงขามในช่วงต้นของหนังสือ และยังมีโอกาสอื่นๆ อีก เช่น ในคำอธิบายของการทดสอบของ Bell ที่ใครๆ ต่างก็ปรารถนาบทสรุปที่ลึกซึ้งเกี่ยวกับความหมายเชิงคุณภาพในรายละเอียดต่างๆ บางครั้งผู้อ่านจะได้รับความคิดเห็นจากผู้เชี่ยวชาญอย่างต่อเนื่องโดยไม่ได้บ่งชี้มากนักว่าจะจัดการกับความขัดแย้งของตนอย่างไร
แต่ถ้าสิ่งนี้ทำให้หนังสือเล่มนี้ท้าทายสำหรับผู้อ่านทั่วไปเป็นครั้งคราว ผลตอบแทนจากความอุตสาหะก็มีมาก ในฐานะผู้เขียนเรื่องราวระดับยอดนิยมเกี่ยวกับกลศาสตร์ควอนตัม ฉันลังเลที่จะเสนอให้ละทิ้งความพยายามดังกล่าวไปสนใจปริมาณที่มากขึ้นนี้ แต่แน่นอนว่าฉันขอแนะนำให้ปฏิบัติต่อเรื่องราวดังกล่าวทั้งหมดด้วยความระมัดระวังจนกว่าคุณจะได้อ่านบทความนี้
- 2024 สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยออกซ์ฟอร์ด 352pp £25hb
- เนื้อหาที่ขับเคลื่อนด้วย SEO และการเผยแพร่ประชาสัมพันธ์ รับการขยายวันนี้
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai เพิ่มพลังให้กับตัวเอง เข้าถึงได้ที่นี่.
- เพลโตไอสตรีม. Web3 อัจฉริยะ ขยายความรู้ เข้าถึงได้ที่นี่.
- เพลโตESG. คาร์บอน, คลีนเทค, พลังงาน, สิ่งแวดล้อม แสงอาทิตย์, การจัดการของเสีย. เข้าถึงได้ที่นี่.
- เพลโตสุขภาพ เทคโนโลยีชีวภาพและข่าวกรองการทดลองทางคลินิก เข้าถึงได้ที่นี่.
- ที่มา: https://physicsworld.com/a/entangled-entities-bohr-einstein-and-the-battle-over-quantum-fundamentals/
