สวัสดีครับ วันนี้เราจะพาไปรู้จักกับอาจารย์หนุ่มมากๆ แต่ไฟแรงสุดๆ ณ วิทยาลัยเพื่อการค้นคว้าระดับรากฐาน มหาวิทยาลัยนเรศวร พร้อมกับทำการเรียนรู้การทำงานวิจัยในสาขาทฤษฎีสตริง
ก่อนอื่นให้อาจารย์แนะนำตัวก่อนเลยครับ
สวัสดีครับ ผมชื่อ พิเชฐ วณิชชาพงศ์เจริญ ผมเรียนจบปริญญาเอกจากDurham University ณ สหราชอาณาจักร ครับ ตอนนี้ผมทำงานอยู่ที่วิทยาลัยเพื่อการค้นคว้าระดับรากฐาน “สถาบันสำนักเรียนท่าโพธิ์ฯ” มหาวิทยาลัยนเรศวร ตอนเรียนผมทำงานวิจัยทางด้านทฤษฎีสตริงและทฤษฎีเอ็ม ครับ ผมขอกล่าวถึงทฤษฎีเหล่านี้ก่อนครับ ก่อนที่จะลงรายละเอียดมากขึ้นเกี่ยวกับงานวิจัยที่ผมทำตอนเรียน
ทฤษฎีสตริงเป็นหนึ่งในทฤษฎีที่เชื่อกันว่าอยู่ในระดับที่มูลฐานที่สุด เพราะเป็นทฤษฎีที่รวบรวมอันตรกิริยาพื้นฐานทุกชนิด และอนุภาคมูลฐานทุกประเภทไว้ในทฤษฎีเดียว โดยจุดเริ่มต้นของทฤษฎี คือ สิ่งที่มีลักษณะเป็นเส้น ซึ่งเรียกว่าสตริง สิ่งหนึ่งที่น่าทึ่งของสตริงคือ หากเราศึกษาคุณสมบัติทางควอนตัมของสตริง จะพบว่าการสั่นของสตริงในลักษณะหนึ่งก่อกำเนิดความโน้มถ่วง ดังนั้นทฤษฎีสตริงจึงเป็นหนึ่งในทฤษฎีที่รวมควอนตัมและความโน้มถ่วงไว้ในทฤษฎีเดียวกัน ทั้งนี้ คุณสมบัติทางควอนตัมของความโน้มถ่วงนั้น ยังมีปริศนาอยู่จำนวนมากที่คอยให้นักฟิสิกส์ทฤษฎีมาแก้ ซึ่งทฤษฎีสตริงเป็นหนึ่งในทฤษฎีที่เชื่อว่าจะช่วยตอบคำถามต่าง ๆ เหล่านี้ได้ในอนาคต
การนำอันตรกิริยาพื้นฐานทุกชนิด และอนุภาคมูลฐานทุกประเภทไว้ในทฤษฎีเดียวนั้น จำเป็นต้องผ่านเงื่อนไขต่าง ๆ ที่สำคัญจำนวนมาก แต่ปรากฎว่าการจะผ่านเงื่อนไขเหล่านี้ได้นั้นมีอยู่ 5 วิธี หรืออาจจะเรียกได้ว่าที่จริงแล้วมีทฤษฎีสตริงอยู่ 5 ทฤษฎี ซึ่งแปลว่าทฤษฎีสตริงนั้นไม่ใช่ทฤษฎีที่มูลฐานที่สุดอย่างแท้จริง และจากการศึกษาต่อเนื่อง ในที่สุดจึงมีการค้นพบทฤษฎีเอ็ม ซึ่งสามารถให้กำเนิดทฤษฎีสตริงทั้ง 5 ทฤษฎีได้ ซึ่งทฤษฎีเอ็มนั้นเป็นทฤษฎีที่ยังมีความลึกลับอยู่อีกมากที่ยังรอการหาคำตอบ
ในทฤษฎีสตริงนั้น นอกจากสตริงแล้วยังมีวัตถุอีกชนิดหนึ่งที่มีความสำคัญเช่นกัน คือ D-brane ซึ่ง สามารถเป็นที่อยู่อาศัยของสตริงปลายเปิด D-brane เป็นวัตถุที่ยื่นออกไปในมิติต่าง ๆ โดยเราสามารถเรียกชื่อ D-braneได้ตามจำนวนมิติที่ยื่นออกไป เช่น D3-brane คือ D-brane ที่ยื่นออกไปใน 3 มิติ (และ +1มิติ ของเวลา) ซึ่งD-brane นั้นสามารถเคลื่อนไหว และโค้งงอได้ หรือแม้กระทั่งซ้อนทับกันเองได้ โดย D-brane ที่ซ้อนทับกันนั้นจะเรียกว่า non-abelian D-brane เช่น non-abelian D3-brane คือ D3-brane ที่ซ้อนทับกันสนิท ในขณะที่ D-brane ที่ไม่ซ้อนทับกันนั้น จะเรียกว่า abelian D-brane
ส่วนในทฤษฎีเอ็ม ไม่มีสตริง แต่ก็ยังมีวัตถุที่ยื่นออกไปในมิติต่าง ๆ ซึ่งถูกเรียกว่า M-brane ซึ่งหลัก ๆ แล้วมีสองชนิดคือ M2-brane และ M5-braneแต่คุณสมบัติของ M-brane นั้น ลึกลับกว่าคุณสมบัติของ D-brane อยู่มาก
การศึกษาคุณสมบัติของD-brane นั้น ก่อให้เกิดหลักการหนึ่งที่สำคัญมากคือ ภาวะคู่กันระหว่างเกจกับความโน้มถ่วง (gauge-gravity duality)ซึ่งกล่าวถึงความสมมูลระหว่างทฤษฎีทางฟิสิกส์บางคู่ โดยทฤษฎีความโน้มถ่วงบางทฤษฎีจะมีคู่คือทฤษฎีสนามเกจ ซึ่งเป็นทฤษฎีที่มีอันตรกิริยาต่าง ๆ ที่นอกเหนือจากความโน้มถ่วง โดยทั่วไปแล้วหากเราต้องการทราบบางคุณสมบัติของทฤษฎีสนามเกจ ซึ่งยากที่จะแก้โดยตรงในทฤษฎีนี้ เราก็จะศึกษาทฤษฎีความโน้มถ่วงที่เป็นคู่ของมัน ซึ่งจะศึกษาได้ง่ายกว่า แล้วจึงนำผลที่ได้จากทฤษฎีความโน้มถ่วง มาอธิบายคุณสมบัติของทฤษฎีสนามเกจ
งานวิจัยทางด้านทฤษฎีสตริงและทฤษฎีเอ็มนั้นกว้างมาก เพราะเมื่อศึกษามากเข้าก็ยิ่งเกิดการขยายผลและเชื่อมโยงไปเรื่อย ๆ แม้กระทั่งเชื่อมโยงกับคณิตศาสตร์ระดับสูง และในขณะเดียวกันก็มีการนำทฤษฎีเหล่านี้มาประยุกต์เพื่อพยายามอธิบายปรากฏการณ์ต่าง ๆ โดยเฉพาะปรากฏการณ์ที่จะอธิบายลำบากหากใช้ทฤษฎีอื่น ๆ
งานวิจัยที่ผมทำในระดับปริญญาเอก อาจแบ่งได้เป็น 3 ด้านหลัก ๆ คือ
- การหาคำตอบของโซลิตอนเชิงทอพอโลยี(topological soliton) จากแบบจำลองหนึ่งของnon-abelian M5-brane ซึ่งคำตอบที่ได้นั้นเชื่อว่าเป็นการอธิบายรอยตัดระหว่าง M5-brane ซึ่งซ้อนทับกัน และถูกตัดด้วย M2-brane
- การสร้างแอคชันที่สมบูรณ์แบบของ abelian M5-brane ซึ่งแอคชันที่สมบูรณ์ของ abelian M5-brane นั้น มีมาก่อนแล้ว แต่ผู้ร่วมงานและผม พบว่าเราสามารถสร้างแอคชันอีกรูปแบบหนึ่ง ซึ่งก็เป็นแอคชันที่สมบูรณ์ของ M5-braneเช่นกัน โดยเมื่อสร้างเสร็จแล้ว ก็ได้นำไปเปรียบเทียบว่าสอดคล้องกับแอคชันที่มีอยู่เดิม และมีคุณสมบัติเบื้องต้นที่น่าพอใจ
- การประยุกต์ใช้ภาวะคู่กันระหว่างเกจกับความโน้มถ่วงในการศึกษาการวางตัวของ non-abelian D-brane ในกาลอวกาศแบบโค้ง แล้วนำผลที่ได้ไปอธิบายระบบที่คล้ายคลึงกับ QCD โดยศึกษาคุณสมบัติของระบบ เช่น การเปลี่ยนเฟส จากการเปลี่ยนขนาดของระบบ อุณหภูมิ และสนามแม่เหล็กภายนอก
โห้ยาวเลยครับ ฮาาาา แล้วทำไมอาจารย์ถึงสนใจทำงานด้านนี้ครับ
ตั้งแต่เรียนสมัยปริญญาตรี ผมชอบความท้าทายครับ ชอบที่จะศึกษาด้านที่คิดว่าน่าจะเป็นแก่นของฟิสิกส์ ครอบคลุมมากที่สุด ซึ่งทฤษฎีสตริงและทฤษฎีเอ็ม ตอบโจทย์นี้ได้พอดีเลยครับ เพราะทฤษฎีสตริงเริ่มจากการเปลี่ยนสมมุติฐานพื้นฐานที่บอกว่าอนุภาคที่เล็กที่สุดมีลักษณะเป็นจุด มาเป็นสมมุติฐานที่ว่าอนุภาคที่เล็กที่สุดมีลักษณะเป็นเส้น แล้วจากจุดเริ่มต้นตรงนี้ก็สามารถได้อนุภาคต่าง ๆ ขึ้นมา
ตอนเรียนปริญญาตรีก็ทราบแค่ว่ามีทฤษฎีนี้อยู่ครับ แต่พื้นฐานยังไม่พอที่จะศึกษาครับ ทำได้ก็แค่เรียนวิชาฟิสิกส์พื้นฐานทั้งหมดของระดับปริญญาตรีและปริญญาโทครับ แล้วตอนเรียนปริญญาโท ถึงได้เริ่มอ่านทฤษฎีสตริง และก็ตอนปริญญาเอกถึงได้ทำงานวิจัยในด้านนี้ที่ใฝ่ฝันมานานครับ
ผลงานตีพิมพ์ชิ้นล่าสุดเกี่ยวกับเรื่องอะไรแล้วเราเรียนรู้อะไรใหม่เพิ่มขึ้นจากผลงานชิ้นนี้
ผลงานตีพิมพ์ชิ้นล่าสุดไม่เกี่ยวกับทฤษฎีสตริงและทฤษฎีเอ็มครับ แต่เป็นงานที่ตีพิมพ์กับนิสิตในที่ปรึกษาระดับปริญญาโทครับ ซึ่งผมพยายามหาหัวข้อที่ไม่ยากเกินไปสำหรับนิสิตในระดับปริญญาโทครับ หัวข้อนี้ได้รับแรงบันดาลใจจากการอภิปรายกับ อ.ริน (ผศ.ดร.สิขรินทร์ อยู่คง) ครับ ก่อนหน้านี้ อ.ริน ชี้ให้เห็นว่ามีงานวิจัยที่สร้างวงศ์ 1 พารามิเตอร์ ของฮามิลโตเนียน โดยที่ทุกฮามิลโตเนียนในวงศ์นี้ต่างก็ให้สมการการเคลื่อนที่ของนิวตัน และเมื่อพารามิเตอร์มีค่าเป็นศูนย์ จะได้ฮามิลโตเนียนปกติที่พวกเรารู้จักกันดี นอกจากนี้ งานวิจัยอ้างอิงนี้ยังควอนไทซ์ฮามิลโตเนียนนี้ในวงศ์1 พารามิเตอร์ เพื่อวิเคราะห์การสั่นเชิงฮาร์มอนิกอย่างง่ายในทางควอนตัม คือวิเคราะห์ว่าฟังก์ชันคลื่นและระดับพลังงานมีค่าขึ้นกับพารามิเตอร์นี้อย่างไร
ซึ่งเมื่อลองสำรวจงานวิจัยต่าง ๆ ดูแล้วก็พบเรื่องที่น่าประหลาดใจ และอาจจะพอเข้าใจได้ในเวลาเดียวกัน กล่าวคือ แทบไม่พบงานวิจัยที่นำงานวิจัยนี้มาต่อยอดเพื่อวิเคราะห์ระบบอื่น ๆ ทางควอนตัม ส่วนสาเหตุที่พอเข้าใจได้ก็เพราะแทบทุกฮามิลโตเนียนในวงศ์ 1 พารามิเตอร์นี้จะให้สมการชโรดิงเจอร์ที่เป็นสมการเชิงอนุพันธ์อันดับอนันต์ ซึ่งแก้ยากกว่าสมการชโรดิงเจอร์ปกติซึ่งเป็นสมการเชิงอนุพันธ์อันดับสอง
ผมจึงเลือกที่จะทำงานวิจัยร่วมกับนิสิตในหัวข้อเกี่ยวกับการแก้สมการชโรดิงเจอร์สำหรับวงศ์1 พารามิเตอร์ของฮามิลโตเนียน ของบ่อศักย์จำกัด ซึ่งวิธีการแก้ปัญหานี้สำหรับฮามิลโตเนียนปกตินั้น มีอยู่ตามหนังสือทั่วไปที่วิเคราะห์กลศาสตร์ควอนตัม แต่สำหรับงานวิจัยนี้ ความยากอยู่ที่สมการชโรดิงเจอร์ที่พวกเราต้องแก้ เป็นสมการเชิงอนุพันธ์อันดับอนันต์ ดังนั้นคำตอบรูปทั่วไปของฟังก์ชันคลื่นจะต้องมีตัวคงค่า (arbitrary constant) อยู่เป็นจำนวนอนันต์ ซึ่งจะต้องกำหนดด้วยเงื่อนไขค่าขอบ (ที่บริเวณขอบบ่อศักย์) เป็นจำนวนอนันต์เช่นกัน ซึ่งวิธีการที่ผมและนิสิตใช้แล้วได้ผล คือ การตัดจำนวนเงื่อนไขค่าขอบให้เหลือเป็นจำนวนจำกัด
และในขณะเดียวกันก็ตัดตัวคงค่าออกให้เหลือจำนวนจำกัด ซึ่งทำโดยการไม่พิจารณาคำตอบที่มีค่าเข้าสู่ศูนย์เร็วจนเกินไปเมื่อออกมาห่างจากขอบบ่อ
เพื่อให้แน่ใจว่าวิธีนี้ได้ผล ผมและนิสิตตรวจสอบวิธีนี้ด้วยการเริ่มจากกรณีที่หยาบ คือ มีตัวคงค่าที่จะต้องกำหนดอยู่เพียงจำนวนน้อย แล้วหาพลังงานและฟังก์ชันคลื่น หลังจากนั้นก็ศึกษากรณีที่ละเอียดขึ้น คือ กรณีที่ตัวคงค่าที่จะต้องกำหนดมีจำนวนมากขึ้น แล้วหาพลังงานและฟังก์ชันคลื่น เช่นกัน ซึ่งเราพบว่าเมื่อพิจารณากรณีที่ละเอียดขึ้นเรื่อย ๆ ค่าของพลังงานและฟังก์ชันคลื่นนั้นมีแนวโน้มที่จะลู่เข้าหาค่าที่นิ่ง
ซึ่งผลที่ได้นั้นขึ้นอยู่กับค่าพารามิเตอร์ ซึ่งก็แสดงว่าแต่ละฮามิลโตเนียนในวงศ์ 1 พารามิเตอร์นี้ ต่างก็อธิบายระบบเดียวกัน แต่ให้ค่าของระดับขั้นพลังงานและฟังก์ชันคลื่นต่างกัน แต่หากทำการทดลองเพื่อวัดค่า ผลที่ได้ควรมีคำตอบเดียว ดังนั้นคำถามคือ ธรรมชาติจะเลือกค่าพารามิเตอร์ค่าใด ซึ่งจากที่เรียนกลศาสตร์ควอนตัมมา พวกเราน่าจะคิดว่าค่าพารามิเตอร์นี้ควรจะต้องเป็นศูนย์ (ซึ่งเป็นกรณีของฮามิลโตเนียนปกติที่พวกเราคุ้นเคย) แต่เป็นไปได้ไหมว่าอันที่จริงแล้วธรรมชาติเลือกพารามิเตอร์ค่าอื่น ซึ่งในงานวิจัยนี้ ผมและนิสิตก็เสนอว่าการจะทำการทดลองเพื่อทดสอบจะต้องสร้างบ่อศักย์ซึ่งแคบมากพอ และขณะเดียวกันพลังงานศักย์จะต้องสูงมากพอด้วย ซึ่งจะมีการทดลองที่สร้างบ่อศักย์ลักษณะนี้ได้จริงหรือไม่ หรือจะได้ผลอย่างไร ก็เป็นเรื่องที่คงต้องฝากไว้ให้กลุ่มนักทดลองที่สนใจครับ
งานวิจัยที่คุณทำอยู่ถือได้ว่าเป็นต้นน้ำ(พื้นฐาน)กลางน้ำ(ส่งต่อ) หรือปลายน้ำ(นำไปใช้)
ต้นน้ำครับ
แล้วคุณคิดว่างานวิจัยส่วนไหน(แบบไหน)สำคัญมากน้อยอย่างไร
ทุกส่วนล้วนมีความสำคัญครับ แต่ต้องมีจำนวนนักวิจัยที่เพียงพอที่จะทำงานวิจัยในแต่ละส่วน ขณะเดียวกันงานวิจัยควรมีคุณภาพดี นอกจากนี้ นักวิจัยที่เชี่ยวชาญด้านใดก็ควรได้รับการสนับสนุนส่งเสริมให้มีความเชี่ยวชาญด้านนั้น ๆ มากขึ้น
ในมุมมองของผม ผมคิดว่าธรรมชาติของงานวิจัยแต่ละชิ้นนั้น ส่วนใหญ่แล้วการจะต่อเติมองค์ความรู้ หรือพัฒนาเทคนิควิธีการต่าง ๆ ในการแก้ปัญหาเฉพาะ หรือแม้แต่การสร้างเทคโนโลยีใหม่ ต้องอาศัยเวลาหลายเดือนหรือหลายปี เพื่อที่จะก้าวไปข้างหน้าทีละน้อย และเป็นชิ้นส่วนเล็ก ๆ ที่รอการนำมาประกอบกับอีกหลายชิ้นส่วนเพื่อให้เห็นประโยชน์เชิงประจักษ์ แม้กระทั่งงานวิจัยที่ทำโดยผู้เชี่ยวชาญระดับโลก ผมก็ยังมองว่าก็มีลักษณะเช่นนี้เหมือนกัน ดังนั้นสิ่งที่สำคัญไม่ใช่การคาดหวังให้นักวิจัยผลิตผลงานออกมาเพื่อแก้ปัญหาใหญ่ ๆ ได้ในทันที แต่ควรจะเป็นการเพิ่มจำนวนนักวิจัยที่เชี่ยวชาญในแต่ละด้าน เพื่อให้มีผลงานระดับคุณภาพจำนวนมาก และหากมีการสนับสนุนให้นักวิจัยได้พบปะแลกเปลี่ยนความรู้ ผลงานคุณภาพจำนวนมากเหล่านี้ก็จะค่อย ๆ เชื่อมโยงเข้าหากัน และก่อให้เกิดประโยชน์เชิงประจักษ์ได้ในที่สุด
หากจะเปรียบเทียบความเร็วในการก้าวหน้าของงานวิจัยในภาพรวม ก็อาจจะพอเปรียบได้กับการต่อจิ๊กซอว์ขนาดใหญ่ และมีจำนวนมาก การจะหยิบแต่ละชิ้นขึ้นมาต่อได้นั้น ต้องอาศัยเวลาเป็นเดือนหรือเป็นปี ดังนั้นจึงต้องอาศัยคนจำนวนมากในการต่อจิ๊กซอว์ตามตำแหน่งต่าง ๆ ซึ่งไม่ว่าจะเป็นตรงมุม ตรงขอบ หรือตรงกลาง ต่างก็มีความสำคัญครับ
ทิศทางของงานวิจัยในอนาคตที่คุณสนใจทำ
ในอนาคต ผมอยากจะหันไปศึกษาทางด้านจักรวาลวิทยา (cosmology) และทฤษฎีสสารควบแน่น (condensed matter theory) โดยเฉพาะสถานะเชิงทอพอโลยีของสสาร ครับ ในปัจจุบันและอนาคต องค์ความรู้ในสาขาต่าง ๆ ทางฟิสิกส์ทฤษฎี เริ่มเชื่อมโยงเข้าหากัน
มีการถ่ายโอนความรู้และเทคนิคไปมาระหว่างสาขา ดังนั้นการจะเปลี่ยนไปทำงานวิจัยในด้านใกล้เคียงกันนั้น เป็นเรื่องที่น่าสนใจ และไม่ยากจนเกินไป ผมคาดหวังถึงโอกาสที่จะได้นำความรู้และเทคนิคที่ได้เรียนรู้ระหว่างศึกษาทฤษฎีสตริงและทฤษฎีเอ็ม มาใช้กับการศึกษาทางด้านจักรวาลวิทยา และทฤษฎีสสารควบแน่น และหลังจากที่ศึกษาด้านเหล่านี้ได้สักระยะหนึ่ง ก็อาจจะนำความรู้และเทคนิคที่ได้กลับมาใช้กับการศึกษาทฤษฎีสตริงและทฤษฎีเอ็ม
สำหรับเครื่องมือและเทคนิคในการทำงานวิจัยทางด้านฟิสิกส์ทฤษฎีนั้นมีหลากหลายครับ แต่ตั้งแต่เริ่มเรียนจบ กลับมาทำงาน ผมพยายามมองหาว่ามีเทคนิคอะไรบ้างที่จะเป็นประโยชน์กับการศึกษาในหลาย ๆ ด้านของฟิสิกส์ทฤษฎี แล้วพยายามศึกษาเมื่อมีโอกาส ซึ่งผมพบว่ามีเครื่องมือต่าง ๆ ที่สำคัญและทรงพลังมาก แต่ผมกลับมีโอกาสเริ่มศึกษารายละเอียดตอนหลังเรียนจบ ซึ่งจริง ๆ แล้ว เครื่องมือต่าง ๆ เหล่านี้ ไม่ยากเกินความสามารถนิสิตนักศึกษาระดับปริญญาตรี–โท–เอก และหากได้ศึกษาในระหว่างเรียน น่าจะเป็นประโยชน์อย่างมาก ซึ่งเครื่องมือเหล่านี้ ยกตัวอย่างเช่น การวิเคราะห์ฮามิลโตเนียนสำหรับระบบที่มีข้อจำกัด,เรขาคณิตเชิงอนุพันธ์,ระบบพลวัต,ฟังก์ชันกรีนซึ่งเหล่านี้เป็นหัวข้อและเครื่องมือที่ผมได้เริ่มศึกษาตั้งแต่หลังเรียนจบและยังคงศึกษาต่อเนื่องมาจนถึงปัจจุบันครับ และในอนาคตก็จะยังศึกษาต่อไป และอาจจะศึกษาเครื่องมืออื่นเพิ่มเติม ผมคิดว่า ไม่ว่าทิศทางของงานวิจัยในอนาคตของผมจะเปลี่ยนไปอย่างไร ตราบใดที่ผมยังทำฟิสิกส์ทฤษฎีอยู่ ผมยังคงมีโอกาสได้หยิบเครื่องมือเหล่านี้มาใช้ตลอดครับ
สุดท้ายนี้ทีมต้องขอขอบคุณ ผศ.ดร.พิเชฐ วณิชชาพงศ์เจริญ มากครับ หวังว่าผู้อ่านน่าจะได้ประโยชน์ไม่ก็น้อยในการเรียนฟิสิกส์หรือการทำงานวิจัย หากใครสนใจเรียนต่อระดับปริญญาโทหรือเอกกับทางวิทยาลัยเพื่อการค้นคว้าระดับรากฐาน มหาวิทยาลัย ซึ่งกล่าวได้ว่าเป็นสถาบันฟิสิกส์ทฤษฎีแห่งแรงของไทย ลองเข้าไปดูรายละเอียดได้ที่เวป IF
หรือลองเข้าไปรับชมคลิปประชาสัมพันธ์ของสถาบันได้นะครับ
