บทนำ ควอนตัม

โลกของฟิสิกส์ควอนตัมเป็นอาณาบริเวณน่าประหลาดใจ ทีซึ่งอนุภาคกึ่งอะตอม ดูเหมือนว่าจะทำในสิ่งที่อัศจรรย์ได้ โดยสามารถจะหายไปที่ตำแหน่งหนึ่ง และขณะเดียวกันประกฎขึ้นในอีกที่ หรือมีการสื่อสารกันและกันในบัดดล แม้ว่าจะมีอยู่ในด้านที่ตรงข้ามของจักรวาลก็ตาม  อนุภาคจริงสมารถผสมกับอนุภาคเสมือนที่ยืมพลังงานจากจักรวาล และการปฏิสัมพันธ์เหล่านี้ ครอบคลุมแรงรากฐานที่ยึดเหนี่ยวอะตอมและโมเลกุลเข้าด้วยกัน สร้างสรรค์โครงสร้างของสารได้โดยตัวเองอย่างไม่มีจุดเริ่ม ดูเหมือนกับเป็นเมื่องอัศจรรย์

กลศาสตร์ควอนตัมนำเราไปสู่เขตแดนที่เราทราบเกี่ยวกับฟิสิกส์ และนักวิทยาศาสตร์ตีความแตกต่างกันของความหมายอะไรทั้งหมด สิ่งหนึ่งที่ทุกคนดูเหมือนว่าเห็นตรงกันคือมาตรวัดที่เล็กที่สุดตามธรรมชาติคือโอกาสความน่าจะเป็น  พระเจ้าคงเล่นลูกเต๋าจริงๆ  ตัวอย่างเช่นความน่าจะเป็นในการหาตำแหน่งที่น่าเป็นไปได้มากที่สุด หรือ ความน่าจะเป็นของพลังงาน โมเมนตัม หรือปริมาณอื่นอีกจำนวนมาก สำหรับนักวิทยาศาสตร์บางคนนี่เป็นขอบเขตของความหมายที่อยู่เบื้องหลังฟิสิกส์ควอนตัม  สำหรับคนอื่นๆ ประมวลได้ว่าหลายรูปแบบของความจริงขนานที่ซึ่งทุกความเป็นไปได้แสดงออกมา ไม่หลักฐานโดยตรง แต่การตีความว่ามีหลายโลกนั้นถูกต้อง แต่คณิตศาสตร์เพียงเสนอว่ามันเป็นไปได้

ความหมายที่แท้จริงของควอนตัมฟิสิกส์อาจจะยังคงต้องถกเถียงโต้แย้งกัน แต่การประยุกต์ใช้มากมายไปไกลกว่าที่แน่นแฟ้น   การทำงานอิเลคทรอนิกส์แทบทั้งหมดในคอมพิวเตอร์ โทรศัพท์ ทีวี เทปเล็ต ที่ต้องให้คะแนนต่อหลักการทางควอนตัม เลเซอร์คงไม่สามารถมีขึ้นได้ถ้าปราศจากการควอนไตซ์ของระดับพลังงานในอะตอม  เครื่องMRI ที่สะแกนหาจุดบกพร่องของร่างใช้ในทางการแพทย์ ใช้กลไกทางควอนตัมภายในร่างกาย และเครื่องคอมพิวเตอร์ทั้งหลายสร้างขึ้นมาอาศัยเกี่ยวข้องกับหลักการทางฟิสิกส์ควอนตัม ที่อาจเป็นไปได้ที่จะแก้ปัญหาได้รวดเร็วมากขึ้นกว่าคอมพิวเตอร์ที่มีอยู่ในไม่ช้า  ฟิสิกส์ควอนตัมยังเป็นก้าวที่นำไปสู่ทฤษฎีของทุกสิ่งในที่สุด ที่จัดให้แสงเป็นจุดกำเนิดของบิกแบง ที่เป็นมาตรโครงสร้างขนาดใหญ่ของจักรวาล และนักวิทยาศาสตร์บางส่วนวิพากษ์แนะว่าแม้แต่ความรู้ตัวก็เป็นกลไกตามธรรมชาติของควอนตัม

ฟิสิกส์ควอนตัมเป็นวิทยาศาสตร์ไม่ใช่มายากล แต่สิ่งที่ควอนตัมสามารถทำได้เป็นเหมืนอกับมายากลจริงๆ และการแสวงหาความเข้าใจทางควอนตัม เราพบว่าตัวเราเกี่ยวข้องกับองค์ประกอบรากฐานทางธรรมชาติและความเป็นจริง

ฟิสิกส์ควอนตัมคืออะไร

1ฟิสิกส์ควอนตัมอธิบายวิทยาศาสตร์ของสิ่งที่เล็กมากเล็กกว่าหนึ่งในล้านของเมตรบนมาตรของอะตอม อนุภาคกึ่งอะตอม และความยาวคลื่นของแสง และยังได้แสดงถึงมีคุณสมบัติมากเท่าใดที่ควอนไตซ์ในมาตรวัดจิ๋วนี้ โดยแบ่งย่อยเป็นแบบเต็มหน่วยมากกว่าที่จะมีค่าต่อเนื่องที่เปลี่ยนค่าไปเรื่อยๆ ในโลกในชีวิตประจำวัน ยากท่จะจินตนากการถึงคุณสมบัติที่พบได้ในโลกระดับไมโคร ตัวอย่างเช่นอนุภาคเช่นอิเลคตรอนที่ไม่มีมิติทางกายภาพ และบางอนุภาคไม่มีมวล และที่แปลกไปกว่าใคร อย่างไรก็ตามมีข้อสังเกตที่ว่าอนุภาคนั้นทำตัวเหมือนกับเป็นคลื่นและคลื่นก็สามารถทำตัวเหมือนอนุภาค ด้วยความเรียบง่ายนี้ได้ก่อรูปร่างเป็นความจริงอันเป็นหัวใจของฟิสิกส์ควอนตัม และทุกอย่างที่เป็นผลจากเลื่อนไหลจากอนุภาคและคลื่นดังกล่าว

เป็นเวลานานทีเดียวที่จะให้นักวิทยาศาสตร์ยอมรับแนวคิดที่แปลกประหลาด และการปฏิวัติวงการที่ตามมาที่มีผลกระทบอย่างลึกซึ้งต่อวิทยาศาสตร์สมัยใหม่ แต่การค้นพบทฤษฎีควอนตัมมีรากฐานการโต้เถียงที่ยาวนานมาหลายศตวรรษว่าแสงประกอบด้วยอนุภาคหรือคลื่น

แสงเป็นคลื่นหรือไม่

ทฤษฎีควอนตัมมีรากฐานที่โต้เถียงกันอย่างเผ็ดร้อนและยาวนานถึงธรรมชาติของแสง คำถามเช่นแสงประกอบด้วยอนุภาคหรือเป็นคลื่นมีส่วนเข้าไปเกี่ยวข้องอย่างมากในปลายศตวรรษที่ 17 ในปี 1678 นักวิทยาศาสตร์ชาวดัช Christiaan Huygens ได้ทำให้สมมุติฐานว่าแสงส่งผ่านไปในรูปของคลื่นเป็นที่รู้จักทั่วไป มีฐานมาจากแนวคิดจากนักปรัชญา Rene Descartes

แน่นอนว่าคลื่น จากคลื่นน้ำ และคลื่นเสียงในอากาศนั้นต้องใช้ตัวกลางในการคลื่นที่ เป็นที่ชัดเจนว่าคลื่นแสงไม่ได้ใช้อากาศเป็นตัวกลาง สเปสซ์ที่คลื่นผ่านไม่มีอากาศ และนั่นคือเรายังคงสามารถมองเห็นแสงจากดวงอาทิตย์ ดวงดาว และดาวเคราะห์ เพื่อให้สอดคล้องกัน Huygensจึงได้ตั้งสมมุติฐานตัวกลางที่เขาเรียกว่า luminiferous aether  เขาละไว้ที่จะอธิบายให้แน่ชัดว่าaether เป็นอะไร นอกจากบอกว่าไม่มีน้ำหนัก ไม่สามารถมองเห็นได้ และปรากฏอยู่ทุกที่ ไม่ต้องสงสัยว่านักวิทยาศาสตร์มากมาย ที่เด่นสำคัญคือไอแซคนิตัน ไม่ค่อยเห็นด้วยกับทฤษฎีคลื่นของHuygen    แล้วได้เสนอว่าแสงจะต้องประกอบด้วยอนุภาค

แสงเป็นอนุภาคหรือไม่

นักฟิสิกส์ที่ทรงอิทธิพลคือไอแซคนิวตันได้เสนอโมเดลว่าแสงเป็นอนุภาคที่ไม่ต่อเนื่อง (เรียกว่า corpuscles) ห้เป็นฐานไม่เพียงแต่คัดค้านแสงเป็นคลื่นตามทฤษฎีของ Huygens และยังค้านต่อการสังเกต โดยนิวตันได้ชี้ให้เห็นว่าแนวทางที่แสงสะท้อนจากกระจก คลื่นไม่ได้เคลื่อนที่เป็นเส้นตรงที่จำเป็นในการสร้างการสะท้อน แต่อนุภาคทำได้ ยิ่งกว่านั้น นิวตันได้อธิบายถึงการหักเห(การเบนไปของแสงในสารบางชนิดเช่นน้ำ) เนื่องจากผลของตัวกวางที่ดึงดูดอนุภาคของแสงและทำให้อันตราเร็วสูงขึ้น สุดท้ายออกจากตัวกลางไปในวันที่มีแสงอาทิตย์ส่อง เราจะเห็นขอบมุมที่คมชัดของแสงเงาของเราเอง ขณะที่แสงอาทิตย์เป็นคลื่นเงาของเราคงจะไม่คมชัด  โมเดลแสงของนิวตันได้กลายเป็นผู้นำด้านทฤษฎีแสง แต่ก็ไม่ได้รับการยอมรับจากทุกคน โดยผู้เห็นแย้งเช่น Robert hook จะได้รับเสียงสนับสนุนมากกว่า ที่ยังคงสนับสนุนทฤษฎีแสงเป็นคลื่นมากกว่า แล้วในปี 1801 เป็นเวลานานหลังจากที่นิวตันเสียชีวิตไปแล้ว การทดลองเรื่อง double slit เหมือนกับเป็นการพิสูจน์ทฤษฎีคลื่นและล้มล้างทฤษฎีอนุภาคของนิวตันตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา

การทดลองสลิทคู่ (The double-slit experiment)

แม้ว่าความสำเร็จของทฤษฏีคอร์ปัสคิวลาร์ของแสงของนิวตัน  ทฤษฏีคลื่นคู่ปรับกันยังคงมีอิทธิพลอยู่ และในตอนเริ่มต้นของศตวรรษที่19 , โทมัส ยัง ชาวอังกฤษ ได้แสดงให้เห็นว่าทฤษฎีของนิวตันไม่น่าจะเป็นจรอง พร้อมยืนยันความถูกต้องของทฤษฎีคลื่นโดยการทดลอง  ที่นักเรียนในชั้นมัธยมปลายปัจจุบันสามารถทดลองให้เห็นซ้ำได้

 

การทดลองของยังเกี่ยวข้องกับสิ่งที่ขวางกั้นแสงเป็นสองช่องแคบ ทันที่ที่แสงผ่านช่องแคบมาได้ แสงดังกล่าวก่อให้เกิดรูปแบบกระจายออกหรือเบี่ยงเบนของแสงสองทางจากสองช่องแคบ ซึ่งเริ่มที่จะคาบเกี่ยวกันแทรกสอดกันและกัน ที่ท้องคลื่นของคลื่นตรงกับยอดคลื่นของอีกคลื่นทำให้คลื่นหักล้างกัน ดังนั้นเมื่อแสงไปตกกระทบบนฉาก ส่วนคลื่นที่หักล้างกันจะเกิดเป็นแถบสีดำมืด ส่วนที่เป็นแถบสว่างเป็นส่วนที่คลื่นเสริมกัน ที่เรียกกันว่า 'interference fringes'. เนื่องจากเฉพาะคลื่นเท่านั้นที่สามารถแทรกสอดในการทดลองแบบนี้ ยังจึงสรุปว่า แสงต้องเป็นคลื่นเท่านั้น โดยการศึกษาสีที่แตกต่างกันของแสงอาทิตย์ ก่อให้เกิดรูปแบบของแถบสีที่ต่างกัน เขายังคงสามารถที่จะประมาณความยาวคลื่นของแสงสีต่างๆ