ปัจจุบันเราต้องยอมรับว่าคำว่า “ควอนตัม” นั้นเป็นคำนิยมเพราะถูกใช้มากมายไม่ว่าจะเป็น สินค้า โฆษณา ภาพยนต์ต่างๆ หรือแม้แนวปาฎิหาริย์ !! ดังนั้นจุดหมายของบทความนี้ต้องการให้ความรู้แบบพื้นฐานเท่าที่จำเป็นสำหรับบุคคลทั่วไปเพื่อให้เข้าใจว่าเจ้าคำว่า “ควอนตัม” ในเชิงวิทยาศาสตร์นั้นหมายถึงอะไร แล้วทำไมปัจจุบันนี้คำนี้จึงได้ถูกนำมาใช้อย่างมากมาย 
ก่อนอื่นเราอาจจะทำเป็นต้องทำความเข้าใจความหมายของคำว่าควอนตัมก่อน ควอนตัม (Quantum) นั้นมีรากมาจากภาษาละตินจากคำว่า ควอนตัส (Quantus) ซึ่งแปลได้ว่า มีมากเท่าไร ใหญ่เท่าไร ประมาณนี้ คำว่าควอนต้า (Quanta) ซึ่งเป็นพหูพจน์ของคำว่าควอนตัม ในทางฟิสิกส์นั้นหมายถึงองค์ประกอบที่เล็กที่สุดของสิ่งใดๆ คำว่าสิ่งใดๆในที่นี้หมายถึง สิ่งของต่างๆรอบตัวเราหรือแม้กระทั่งตัวเราด้วยนะครับ
มนุษย์เรานั้นพิเศษกว่าสัตว์ชนิดอื่นๆตรงที่ว่าเรารู้จักตั้งคำถามและหาคำตอบ(นั่นทำให้เรามีสิทธิพิเศษมากกว่าสิ่งมีชีวิตประเภทอื่นๆก็ว่าได้) เราเริ่มตั้งคำถามว่าสรรพสิ่งนั้นประกอบขึ้นมาจากอะไรมานานมากๆ
เท่าที่มีบันทึกไว้น่าจะในยุคของกรีกโบราณโดยดีโมคริตุส (Democritus) ซึ่งมีชิวิตในช่วง 460-370 ปีก่อนคริสตกาล เขาเป็นผู้เสนอว่าจักรวาลนี้ประกอบด้วยอะตอม(แปลว่ามองไม่เห็น)จำนวนมากมายนับไม่ถ้วนและพื้นที่ว่างเปล่า อะตอมตามแนวคิดของดีโมคริตุสเป็นสิ่งที่มีอยู่แล้วในธรรมชาติ ไม่สามารถถูกสร้างขึ้นใหม่หรือทำลายลงได้ และอะตอมนั้นมีหลายแบบซึ่งต่างกันเพียงรูปร่างและขนาด อะตอมแต่ละตัวจะเคลื่อนที่ไปทั่วไม่มีหยุด การชนกันระหว่างอะตอมทำให้เกิดสรรพสิ่งรอบตัวและเป็นจักรวาลอย่างที่เราเห็น ในมุมมองของดีโมคริตุส อะตอมที่ประกอบขึ้นมาเป็นน้ำนั้นผิวจะเรียบเพราะน้ำนั้นลื่นไหล ขณะที่อะตอมที่ประกอบเป็นเหล็กนั้นผิวจะมีความหยาบเพื่อยึดเกาะกันได้แน่นหนา เป็นต้น
อย่างไรก็ดี อริสโตเติล(มีชีวิตช่วง 350 ก่อนปีก่อนคริสตกาล)ซึ่งเป็นนักปราชญ์ที่ทรงอิทธิพลอย่างมากในช่วงเวลาของเขานั้นไม่เชื่อในการมีอยู่ของอะตอม เขาเชื่อว่าสรรพสิ่งประกอบกันขึ้นมาจาก ดิน น้ำ ลม ไฟ
ดังนั้นแนวคิดเรื่องอะตอมจึงไม่ได้รับความสนใจเป็นเวลา 2000 กว่าปี ต่อมาในปี ค.ศ.1600 กาลิเลโอเชื่อในการมีอยู่ของอะตอม แต่การพัฒนาแนวคิดของเขาพาไปหาความขัดแย้งกับคริสตจักร ที่ว่าขนมปังและไวน์ประกอบกันขึ้นเป็นร่างของพระเยซู ทำให้ยากที่จะเชื่อว่าทุกสิ่งประกอบขึ้นมาจากอะตอม ดังนั้นแนวคิดเรื่องอะตอมของกาลิเลโอจึงไม่ได้พัฒนาไปไกล เพียงแต่กล่าวไว้เพียงสั้นๆในวารสารเพียงสองหน้าโดยใจความสำคัญว่า อะตอมมีขนาดเล็กเป็นอนันต์
สำหรับนักฟิสิกส์ จุดเริ่มต้นน่าจะเป็นยุคของนิวตัน(หากต้องการนับว่าวิทยาศาสตร์นั้นแยกออกจากปรัชญาตอนไหน…..จริงๆแล้วปัจจุบันนั้นแยกหรือเปล่า??!!)
นิวตันนำเสนอมุมมองที่ทันสมัยขึ้นเกี่ยวกับอะตอมและอันตรกิริยากับแรงต่างๆ ดังกล่าวไว้ในหนังสือ Opticks, Book 3, Part 1 นิวตันยังเชื่ออีกว่าแสงประกอบขึ้นจากอนุภาคขนาดเล็ก เรียก คอพัสคิวลาร์ (corpuscular) ตรงนี้ถือว่าแนวคิดนั้นก้าวหน้ามากๆ พูดได้ว่าก้าวหน้าเกินไป!! เพราะใครจะไปเชื่อว่าแสงที่เห็นว่าฉายออกมาจากหลอดไฟฉายนั้นจะประกอบไปด้วยอะไรเล็กๆเต็มไปหมด หรือ อาจจะพูดได้ว่าลำแสงที่เราเห็นว่าเป็นเนื้อเดียวกันนั้นประกอบขึ้นมาจากองค์ประกอบเล็กๆที่เป็นก้อนๆ!!
ภาพก่อนหน้านี้แสดงแนวเส้นเวลาของแนวคิดว่าโครงสร้างอะตอมนั้นมีวิวัฒนาการมาอย่างไร(สรุปเอาประเด็นหลักๆมาอย่างเดียว) แต่แน่นอนว่ากว่าเราจะมีความเข้าใจว่าอะตอมจริงๆนั้นมีรูปร่างเป็นอย่างไร ก็ต้องผ่านการสั่งสมความรู้จากรุ่นสู่รุ่น อย่างที่มีคำพูดว่า เรานั้นยืนอยู่บนบ่าของยักษ์ใหญ่ ทำให้เราเห็นได้ไกลขึ้น (นิวตัน) ซึ่งกระบวนการค้นพบว่าอะตอมมีรูปร่างอย่างไรนั้นเป็นตัวอย่างที่สำคัญของสถานการณ์ยักษ์ยืนบนยักษ์ยืนบนยักษ์ยืนบนยักษ์ยืนบนยักษ์…กระบวนการเช่นนี้เกิดขึ้นตลอดเวลาในประวัติศาสตร์วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี
ตอนนี้เรารู้ว่าองค์ประกอบพื้นฐานของเรานั้นคืออะตอม(ดูรูปด้านข้าง) หากเราลองนั่งคิดตามดีๆเราจะพบว่า เออ ประหลาดมากๆ เพราะอะตอมนั้นมีนิวเคลียสและหมอกของอิเล็กตรอน(ดูจับต้องไม่ได้) แต่เมื่อนำมาประกอบกันมากๆเข้า(ด้วยเงื่อนไขต่างๆกันไป) กลายเป็นว่าเกิดเป็นเราได้ในที่สุด หากเราจับแขนเราเอง เราก็บอกว่าเออมันมีเนื้อหนัง หรือพูดง่ายๆสามารถจับต้องได้ ช่างแปลกประหลาดมาก!! มากไปกว่านั้นทุกสิ่งรอบตัวเราก็ประกอบกันขึ้นมาจากเจ้าอะตอมเล็กๆเหล่านี้เต็มไปหมด………
พูดมาตั้งนานแล้วยังไม่เห็นมีคำว่าควอนตัมโผล่มาเลยยยยยยยยยยย !! ประเด็นคืออย่างนี้ครับ กว่าเราจะเข้าใจว่าอะตอมนั้นประกอบไปด้วยนิวเคลียสและหมอกอิเล็กตรอนซึ่งเป็นภาพที่เราเข้าใจกัน(จากการค้นพบทฤษฎีควอนตัม)ในทุกวันนี้นั้น นักวิทยาศาสตร์ได้พยายามตีความผลการทดลองหลายๆอย่างมาหลายต่อหลายครั้งเพื่อทำความเข้าใจว่าจริงๆแล้วอะตอมมีรูปร่างเป็นอย่างไรกันแน่
จุดเริ่มต้นคิดว่าทุกคนต้องเคยนั่งใกล้กองไฟ เราสัมผัสได้ถึงความร้อนที่ส่งมายังเรา ซึ่งเจ้าความร้อนนี้เป็นพลังงานที่ปลดปล่อยออกมา โดยวัตถุที่ร้อนนั้นจะแผ่รังสีออกมาในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีทั้งช่วงคลื่นที่ตามองเห็นและมองไม่เห็นดังรูปด้านล่าง
ภาพแสดงช่วงของรังสีซึ่งแบ่งแยกตามความยาวคลื่นหรือความถี่ สำหรับช่วงที่ความยาวคลื่นสั้นกว่าช่วงที่ตามนุษย์มองเห็นได้นั้นเราเรียกว่าช่วง ยูวี (UV=Ultraviolet) ซึ่งเป็นช่วงที่สำคัญเพราะเป็นจุดเริ่มต้นของปัญหาทุกอย่างก็ว่าได้ ทั้งนี้เพราะองค์ความรู้ฟิสิกส์ตอนนั้นซึ่งประกอบไปด้วยทฤษฏีแม่เหล็กไฟฟ้าและทฤษฎีที่ว่าด้วยเรื่องอุณหภูมิและความร้อนบอกเราว่า พลังงานที่แผ่ออกมาในช่วงคลื่นที่มีความยาวคลื่นสั้นอาจจะนับตั้งแต่ยูวีลงไปนั้นจะมีค่าเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องดังรูปด้านข้าง นั่นหมายความว่ายิ่งรังสีที่แผ่ออกมาที่มีความยาวคลื่นสั้นมากเท่าไหร่พลังงานก็ยิ่งมากขึ้นเท่านั้น จนในที่สุดเมื่อความยาวคลื่นมีค่าน้อยมากๆพลังงานคลื่นก็จะมีค่าเข้าใกล้อนันต์ !!
นั่นหมายความว่าทฤษฎีที่เรามีตอนนั้นบอกเราว่าหากเรานั่งข้างกองไฟเราจะต้องโดนย่างสดแน่ๆเพราะเราจะโดนอาบไปด้วยรังสีที่มีพลังงานเป็นอนันต์ (เนื่องจากรังสีจากไฟจะประกอบด้วยรังสีที่มีความยาวคลื่นหลากหลาย รวมถึงพวกที่มีความยาวคลื่นสั้นมากด้วย) เหตุการณ์นี้เรียกว่า หายนะช่วงยูวี (Ultraviolet catastrophe) จริงๆอยากแปลว่า ความฉิบหายช่วงยูวี ฮาาา แต่ดูจะไม่สุภาพ(แต่เห็นภาพกว่า) แต่เดี๋ยวๆ ในความเป็นจริงเราไม่ตายขณะนั่งหน้ากองไฟ แสดงว่าทฤษฎีฟิสิกส์ที่ใช้อธิบายธรรมชาติของการแผ่รังสีของวัตถุที่มีความร้อนที่มีในตอนนั้นไม่สมบูรณ์และน่าจะพอเป็นสัญญาณว่าเราต้องการคำอธิบายใหม่ นักวิทยาศาสตร์ได้ทำการทดลองและพบว่ากราฟของการแผ่รังสีของวัตถุที่มีความร้อนนั้นมีรูปร่างเหมือนกับระฆังเบี้ยวไปทางซ้าย
เราจะเห็นว่าในความเป็นจริงพลังงานของรังสีที่แผ่ออกมาในช่วงยูวีนั้นลดลงจนเป็นศูนย์ ปัญหาหายนะช่วงยูวีที่ทฤษฎีบอกไว้จึงไม่เกิดขึ้น คำถามคือแล้วคำอธิบายแบบไหนที่จะให้เราเข้าใจพฤติกรรมของการแผ่รังสีของวัตถุที่มีความร้อนนี้
คนที่เข้ามากอบกู้สถานะการณ์คือ มักซ์ พลังค์ (Max Planck) ช่วงเวลานั้นพลังค์ศึกษาหาหนทางในการเพิ่มประสิทธิภาพให้กับหลอดไฟ ซึ่งแน่นอนว่าเขาต้องเจอกับปัญหาที่ว่าทฤษฎีฟิสิกส์ที่มีอยู่ ณ เวลานั้นให้พฤติกรรมการแผ่รังสีของวัตถุที่มีความร้อนแบบทำให้เกิดหายนะยูวี แนวคิดพื้นฐานที่พลังค์คิดว่าน่าจะสร้างปัญหาคือ ในแนวคิดของฟิสิกส์ที่ใช้ในการอธิบายการแผ่รังสีนั้นบอกว่าพลังงานที่ออกมานั้นมีค่าต่อเนื่อง(แน่นอนหลักการนี้นำไปสู่หายนะช่วงยูวี) พลังค์ก็เลยบอกว่า เฮ้ยยย ถ้ามันไม่ต่อเนื่องล่ะจะเป็นอย่างไร ปรากฏว่าแนวคิดที่ว่าพลังงานที่ปลดปล่อยออกมาไม่ต่อเนื่องนั้นถูกกก สมการ(ไม่น่าจะมีคนอยากเห็นฮาาาา)ที่เขาได้นั้นให้กราฟแบบเดียวกับที่สังเกตได้จากการทดลองจริงๆ เจ้าแนวคิดที่ว่าพลังงานไม่ต่อเนื่องนั้นหมายความว่า ในระดับเล็กมากๆนั้น พลังงานเองก็เป็นเช่นเดียวกับอะตอมของสารต่างๆคือจะมีลักษณะเป็นก้อนๆ (Energy packet) ที่มีค่าเฉพาะ หากต้องการเปรียบเทียบภาพง่ายๆเราอาจจะเปรียบเทียบการนับจำนวณเลขบวกที่เริ่มจากศูนย์ไปถึงอนันต์ แนวคิดแบบเก่าบอกเราว่าเราสามารถเริ่มนับได้ตั้งแต่ศูนย์อย่างต่อเนื่องไปจนถึงอนันต์ แต่พลังค์บอกว่าไม่ๆๆ การนับนั้นต้องเป็น ศูนย์ หนึ่ง สอง สาม …. เท่านั้นไม่มีระหว่างนั้น
สมมติว่าก้อนพลังงานที่มีค่าน้อยที่สุดมีค่าเป็น E ก้อนพลังงานที่มีระดับพลังงานสูงขึ้นไปจะมีพลังงานเป็น 2E หรือ 3E เป็นต้น ไม่มี 0.37E หรือ 4.89E
เจ้าพฤติกรรมที่พลังงานต้องออกมาเป็นก้อนๆนี้เป็นที่รู้จักกันในชื่อ พลังงานควอนต้า (Energy quanta) ในที่นี้คำว่าควอนต้านั้นสื่อถึงความไม่ต่อเนื่อง
มีความเข้าใจกันว่าตัวพลังค์นั้นก็งุนงงกับสิ่งที่เขาคิดได้เหมือนกัน ต่อมาไอน์สไตน์(คนที่คุณก็ว่ารู้ใคร)นั้นได้หยิบแนวคิดของพลังค์ไปอธิบายว่าแสงนั้นประกอบไปด้วยก้อนพลังงาน(ไม่ได้ต่อเนื่องอย่างที่คิด) เพื่ออธิบายปรากฏการณ์อันหนึ่งที่เรียกว่า ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก(หากพูดง่ายๆปรากฏการณ์นี้คือการฉายแสงบนโลหะทำให้อิเล็กตรอนหลุดและทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า!!) ซึ่งก่อนหน้าไม่ สามารถอธิบายด้วยทฤษฎีฟิสิกส์ที่มีอยู่ แต่มุมมองใหม่ที่ว่าแสงนั้นประกอบไปด้วยก้อนพลังงานเต็มไปหมดนั้นสามารถแก้ปัญหาได้ (หากย้อนกลับไปยังแนวคิดนิวตัน ที่ได้บอกไปว่านิวตันนั้นคิดเร็วไปหน่อย!!เรื่องแสงประกอบไปด้วยอนุภาค) เจ้าก้อนพลังงานของแสงนี้ต่อมารู้จักกันในชื่อ โฟตอน (photon)
ในช่วงเวลาที่บอห์รเสนอแบบจำลองอะตอมแบบที่อิเล็กตรอนมีวงโคจรจำเพาะรอบๆนิวเคลียส(จริงแบบจำลองนี้มองได้ว่าเหมือนระบบสุริยะของเราที่มีดวงอาทิตย์อยู่ตรงกลางและดาวบริวารโคจรรอบๆ) การที่บอห์รเสนอแบบจำลองแบบนี้ช่วยแก้ปัญหาที่ว่าทำไมเส้นแถบพลังงานของก็าซไฮโดรเจนที่โดนกระตุ้นให้ร้อนแล้ว เปล่งแสงออกมาถึงไม่ต่อเนื่องแต่กลับเป็นขีดๆ (รูปด้านบนแสดง เฉพาะช่วงคลื่นที่ตามองเห็น) การทดลองทำโดยการนำเอาช่องสลิตไปวางทำให้แสงเกิดเป็นลำแล้ววิ่งไปยังปริซึม(เรารู้อยู่แล้วว่าปริซึมนั้นแยกแสงขาวออกมาเป็นสีๆได้ ความรู้ ม.ต้น คิดว่านะครับ ฮาาา)
แนวคิดคือเรามองว่าอิเล็กตรอนเมื่อถูกกระตุ้นด้วยพลังงานที่เหมาะสมก็จะมีแรงขยับออกไปไกลจากนิวเคลียส มากขึ้นเรื่อยๆ แต่อย่างที่บอก การจะขยับออกไปนั้นต้องไปวนรอบนิวเคลียสที่เฉพาะวงใหม่เป็นลำดับดังรูป แต่ว่าวงโคจรใหม่ไม่ใช่ บ้านของอิเล็กตรอน มันย่อมคิดถึงบ้านจึงจะตกลงมายังชั้นที่เป็นบ้าน(สมมติว่าเป็นชั้นที่ 2) การที่มันจะกลับลงมาตัวอิเล็กตรอนต้องปลดปล่อยพลังงานที่กักเก็บเอาไว้ตอนไต้ขึ้นไปออกมา ซึ่งการกระโดดกลับระหว่างชั้นที่ต่างกันลงมายังชั้นที่เป็นบ้านย่อมปล่อยก้อนพลังงาน(แสง)แตกต่างกัน เช่น จากชั้น 4 ไปชั้น 2 นั้นจะให้พลังงานออกมาช่วงแสงสีฟ้าเขียว หรือจากชั้น 3 ไปชั้น 2 คือช่วงแสงสีแดงเป็นต้น
จากตรงนี้การค้นพบของพลังค์นั้นดูทรงพลังมากๆเพราะสามารถนำไปแก้ปัญหาได้มากมาย แต่ปัญหาก็ยังคงมี!! เพราะว่าการที่เรามองว่าอิเล็กตรอนนั้นเป็นอนุภาคที่มีประจุลบ คำว่าอนุภาคในที่นี้เราอาจจะหมายถึงจุด มุมมองลักษณะนี้สร้างปัญหามากๆ ตามแนวคิดทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าบอกว่า อนุภาคที่เคลื่อนที่ด้วยความเร่งนั้น(เพื่อให้ง่ายต่อความเข้าใจให้มองว่าเคลื่อนที่เป็นเส้นโค้งแทนได้)จะปลดปล่อยพลังงาน(แผ่รังสีนั้นเอง) ดังนั้นเจ้าอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่เป็นวง(โค้งแน่ๆ)ยอมต้องปลดปล่อยพลังงาน เมื่อเวลาผ่านไปตัวมันย่อมหมดพลังงาน(การที่มันอยู่ห่างออกมาจากนิวเคลียสได้ต้องเข้าใจว่าอิเล็กตรอนต้องมีพลังงานค่าหนึ่งในการเอาชนะแรงดึงดูดจากนิวเคลียสที่มีประจุบวก)และค่อยๆหมุนวนเข้าใกล้นิวเคลียสไปจนในที่สุดก็ตกไปเจอกัน แน่นอนว่าหากเป็นเช่นนี้อะตอมย่อมต้องไม่เสถียร แต่จากสิ่งรอบตัวเราไม่เป็นอย่างนั้นเพราะเรายังคงเป็นเราอยู่ ของต่างๆยังไม่หายไปไหน แสดงว่า อืมมมม ต้องมีคำอธิบายบางอย่างขาดหายไป
ช่วงเวลานั้นเดอเบรยนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสได้เสนอแนวคิด สมบัติทวิภาคของคลื่นและอนุภาค แนวคิดดังกล่าวนั้นอาจกล่าวได้ว่ามาจากความสำเร็จที่ไอน์สไตน์มองว่าแสงซึ่งเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและดูมีความต่อเนื่องนั้นจริงๆแล้วประกอบไปด้วยอนุภาคโฟตอน (ก้อนพลังงานของแสง) เดอเบรยก็เลยคิดว่าอ้าวแล้วอนุภาคที่ดูเป็นจุดๆก้อนๆไม่ต่อเนื่องก็น่าจะกลับกัน คือ มีคุณสมบัติความต่อเนื่องแบบคลื่นได้ แนวคิดดังกล่าวทำให้มุมมองเกี่ยวกับอิเล็กตรอนที่โคจรอยู่รอบๆนิวเคลียสตามแบบจำลองของบอห์รเปลี่ยนไป จากมองว่าเป็นอนุภาคแล้ววิ่งไปรอบๆนิวเคลียส แต่ตอนนี้เราสามารถมองอิเล็กตรอนว่าเป็นคลื่นที่วิ่งไปในแต่ละวงโคจรแล้วย้อนกลับมารวมกันในลักษณะที่พอดีที่ทำให้ตัวคลื่นมีลักษณะเหมือนอยู่นิ่งกับที่ ซึ่งทางเทคนิคเราจะเรียกคลื่นแบบนี้ว่าคลื่นนิ่ง เมื่อมองอย่างนี้แล้วปัญหาเรื่องอนุภาคประจุลบที่ต้องปลดปล่อยพลังงานก็หมดไปเพราะตอนนี้อิเล็กตรอนคือคลื่นไม่ได้เป็นอนุภาค อืมมมมมมมมม สุด คิดได้!!
จากแนวคิดข้างต้นหากอิเล็กตรอนนั้นทำตัวเป็นคลื่น ก็ต้องมีสมการคลื่นสำหรับมัน ด้วยเหตุนี้ชโรดิงเงอร์จึงทำการค้นคว้าหาสมการดังกล่าว ซึ่งในที่สุดเขาก็ประสบความสำเร็จในการค้นหาสมการคลื่นที่อธิบายพฤติกรรมอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียส สมการนี้สำหรับคนที่เรียนควอนตัมทุกคนต้องรู้จักเพราะมันก็คือ สมการคลื่นของชโรดิงเงอร์นั้นเอง สำหรับสมการนี้ภาษาคณิตศาสตร์เรียกว่า สมการอนุพันธ์ และสิ่งที่ต้องทำคือการหา ฟังก์ชันคลื่น (Wave function) ซึ่งเป็นตัวอธิบายความเป็นไปของอิเล็กตรอน สมการคลื่นของชโรดิงเงอร์อธิบายเส้นสเปกตรัมของก๊าซไฮโดรเจนที่ถูกกระตุ้นให้ร้อนได้อย่างดี (ตรงนี้สำหรับนักเรียนฟิสิกส์จะพบว่าการแก้สมการชโรดิงเงอร์สำหรับอะตอมไฮโดรเจนที่ประกอบไปด้วย 1 โปรตอนและ 1 อิเล็กตรอนนั้นไม่ง่ายเลย คณิตศาสตร์อลังการงานสร้างมากๆ แต่สุดท้ายหลังจากความยุ่งยากเหล่านั้นเราได้อะไรที่สอดคล้องกับธรรมชาติ เรียกได้ว่าสวยงาม!!)
ต่อมาบอร์นนักฟิสิกส์ชาวเยอรมันเสนอแนวคิดว่า เจ้าคลื่นของ อิเล็กตรอนนั้นแท้จริงแล้วมันคือคลื่นความน่าจะเป็น !!(คนอ่านอาจจะบอก งง อะไร อ่านต่อครับ) ถึงตรงนี้ถือว่าเป็นจุดเริ่มต้น ความขัดแย้งทางแนวคิดอย่างแท้จริง เพราะต่อไปนี้หมายความว่าโลกในระดับอะตอมนั้นคือโลกของความน่าจะเป็น ไม่ได้เป็นโลกที่มีความแน่นอน การตีความของบอร์นนั้นสร้างความลำบากใจให้กับหลายๆคน เช่น พลังค์ ไอน์สไตน์ หรือแม้แต่ชโรดิงเงอร์เอง ในปีเดียวกันเองไอน์สไตน์ได้เขียนจดหมายหาบอร์นมีเนื้อความว่า
“Quantum mechanics is certainly imposing. But an inner voice tells me that it is not yet the real thing. The theory says a lot, but does not really bring us any closer to the secret of the ‘old one’. I, at any rate, am convinced that He is not playing at dice.”
ซึ่งต่อเป็นที่รู้จักกันวลี “พระเจ้าไม่ทรงเล่นลูกเต๋า” ทั้งนี้เหตุที่ไอน์สไตน์นั้นไม่เห็นด้วยเพราะว่าแนวคิดของเขาวางอยู่บนฟิสิกส์แบบเก่า(รากมาจากนิวตัน) ที่ว่าสรรพสิ่งนั้นย่อมทำนายได้หากเรารู้เงื่อนไขเริ่มต้น เช่น หากเราปล่อยลูกบอลจากยอดตึก ฟิสิกส์ ม. ปลายนั้นสามารถบอกว่า ณ เวลาต่างๆ ความเร็วของลูกบอลจะเป็นเท่าไร เป็นต้น
ด้วยเหตุนี้อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่รอบๆนิวเครียสนั้นจึงกลายเป็นหมอกของความน่าจะเป็น
อันที่จริง สำหรับอะตอมไฮโดรเจนนั้นมีรูปแบบของหมอกของความน่าจะเป็นหลากหลายรูปแบบขึ้นกับเงื่อนไขว่าอิเล็กตรอนอยู่ไกลจากนิวเคลียสเท่าไรและอื่นๆ ดังรูป(มองว่าพวกมันคือภาพศิลปะแล้วจะสบายใจ !!)
ความน่าสนใจคือองค์ความรู้ของควอนตัมนั้นทำให้เราเข้าใจโครงสร้างของแต่ละธาตุอันนำไปสู่สมบัติที่แตกต่างกัน สุดท้ายเราสามารถจัดตารางธาตุออกมาได้อย่างที่เห็น ขอบคุณพระเจ้าที่ส่งควอนตัมมาให้มวลมนุษย์ ฮาาาาาาา
หลายคนอ่านแล้วอาจบอกว่า ยังไม่ค่อยเข้าใจตรงประเด็นความน่าจะเป็นหรือคลื่นของความน่าจะเป็นเลย ต้อง บอกผู้อ่านก่อนเลยว่าพอเข้าเรื่องนี้แล้วมันจะดูประหลาดมากๆ ดังนั้นต้องทำใจ คิดตาม ถึงแม้มันจะดูขัดๆความรู้สึกก็ตาม ฮาาาาาา โอเคหากเราพูดถึงคำว่าจุดอนุภาค(point particle) ที่อาจจะเป็นอิเล็กตรอน แน่นอนว่าเราสามารถบอกได้ว่าเจ้าอิเล็กตรอนนี้อยู่ตรงไหนในบริเวณ(เส้นตรงในหนึ่งมิติ)ที่เราสนใจ แต่สำหรับมุมมองที่ว่าอิเล็กตรอนเป็นคลื่นเราจะบอกไม่ได้เลยว่าแท้จริงแล้วอิเล็กตรอนอยู่ที่ไหนเพราะคลื่นกระจายไปทั่วบริเวณที่สนใจทั้งหมด(ดูรูป)!! หากเราพูดเทียบกันอนุภาคมีสมบัติความเป็นที่ ส่วนคลื่นนั้นมีสมบัติความไม่เป็นที่
ความประหลาดยังไม่หมดเท่านี้เพราะตามที่บอร์นตีความ เขาบอกว่ากำลังสองของฟังก์ชันคลื่นคือขนาดของความน่าจะเป็นที่จะพบอนุภาค ตามรูปก่อนหน้านี้เราจะได้กราฟใหม่ ณ เวลาหนึ่ง จากรูปเราจะสามารถบอกว่าได้ ณ ตำแหน่ง ก นั้นมีโอกาสพบอิเล็กตรอนนั้นมากกว่าตำแหน่ง ข (ทั้งนี้ด้วยเงื่อนไขทางคณิตศาสตร์ผลรวมพื้นที่ใต้กราฟต้องเท่ากับ 1) ดังนั้นเราพูดแต่ความน่าจะเป็นว่าเราจะพบอิเล็กตรอน ณ ตำแหน่งนี้ด้วยโอกาสเท่าไร ต่างจากภาพของอนุภาคที่มันอยู่ตรงนั้น 100%
ตอนนี้ผู้อ่านน่าจะหัวเริ่มร้อนละผมว่า ฮาาาา สูดหายใจยาวๆๆๆๆครับแล้วไปกันต่อ นอกจากนั้นแล้วควอนตัมยังบอกว่า ถ้าเราไม่สนใจอะไรมัน อิเล็กตรอนก็จะทำตัวเป็นคลื่นแต่เมื่อไรที่เราต้องการรู้ว่าจริงๆแล้วเจ้าอิเล็กตรอนอยู่ที่ไหน ซึ่งเราสามารถทำได้โดยการเข้าไปสังเกต(มีหลากหลายรูปแบบ) ประเด็นคือการเข้าไปสังเกตของเรานั้นทำให้ฟังก์ชันคลื่นเกิดการยุบตัว (Collapse) ให้พีคตรงที่อิเล็กตรอนอยู่แบบสุ่ม (เพราะทุกอย่างกำกับด้วยความน่าจะเป็น !!) สำหรับตรงตำแหน่ง ก นั้นโอกาสก็จะเยอะหน่อยเมื่อเทียบกับบริเวณอื่นๆ
ตรงนี้เพื่อให้เห็นภาพว่าการยุบตัวมันสุ่มจริงๆ เราต้องเตรียมเจ้าคลื่นอิเล็กตรอน แบบนี้หลายอันมากๆๆ (เหตุผลที่ต้องเตรียมตัวอย่างมากๆเพราะว่าธรรมชาติทางสถิติจะออกมาให้เราเห็นหากจำนวนตัวอย่างมากพอ ไม่งั้นจะไม่เห็น) จากนั้นทำการวัดเพื่อหาว่าตำแหน่งของอิเล็กตรอนอยู่ที่ไหนทีละอันๆ เราจะพบว่าแต่ละอันฟังก์ชันคลื่นก็จะยุบตัวแบบสุ่มไปยังตำแหน่งต่างๆ แตกต่างกันออกไป
การทดลองข้างต้นเราทำการเก็บสถิติจำนวนครั้งที่เราจะพบอนุภาคในแต่ละตำแหน่ง ตลอดช่วงที่เราสนใจ จากนั้นนำมาทำเป็นกราฟแท่งสถิติของแต่ละตำแหน่งเราจะพบว่ามันจะสอดคล้องกับเส้นกราฟความน่าจะเป็น(ฟังก์ชันคลื่นกำลังสอง)ก่อนหน้านี้พอดี สุด!!(อย่าลืมว่าจำนวนตัวอย่างต้องมหาศาลนะครับ) ถึงตรงนี้เราเน้นอีกทีว่าหากเราไม่สังเกตเจ้าอิเล็กตรอนมันจะอยู่ทั่วไปหมดทั้งบริเวณเพราะทำตัวเป็นคลื่น แต่เมื่อเราทำการสังเกตจะเกิดการยุบตัวลงไปตำแหน่งใดตำแหน่งหนึ่งด้วยความน่าจะเป็นค่าหนึ่ง หากอ่านแล้วงงก็ ปล่อยให้งงไปครับ ฮาาาาาา เพราะการงงนั้นไม่ใช่เรื่องแปลก
หากเราต้องการภาพเปรียบเทียบง่ายๆ(อาจจะไม่ถูกต้องนักแต่น่าจะช่วยได้เยอะ) สมมุติว่าข้าวเกรียบ(หมาควอนตัม)อยู่ในห้อง หากเราไม่มอง ข้าวเกรียบ(หมานินจา)จะแยกร่างอยู่ทุกที่ ตรงไหนที่มีร่างข้าวเกรียบซ้อนทับกันเยอะแสดงว่ามีโอกาสที่ข้าวเกรียบจะอยู่ตรงนั้นเยอะ แต่เมื่อเรามองหาว่าข้าวเกรียบอยู่ตำแหน่งไหนในห้อง ข้าวเกรียบจะยุบร่างแยกทั้งหมดมาเหลือร่างเดียว ณ ตำแหน่งใดตำแหน่งหนึ่งในห้องอย่างสุ่ม !!
ประเด็นนี้สร้างความกังวลใจให้กับไอน์สไตน์มากๆ เพราะหากเราพูดถึงการมีตัวตนอยู่ในชีวิตปกติทั่วไป ไม่ว่าเราจะมองหรือไม่มองมันก็มีตัวตน อย่างที่ไอน์สไตน์พูดไว้ว่า ดวงจันทร์มองไม่มองมันก็อยู่ตรงนั้น แต่สำหรับโลกควอนตัมหากยังไม่ได้มอง(กระบวนการวัดทางควอนตัม) ความมีตัวตนของสิ่งที่เราสนใจ เช่น อิเล็กตรอน ยังไม่นิยามเพราะมันอยู่ไปทุกที่ ความมีตัวตนจะนิยามก็ต่อเมื่อสังเกตแล้ว(ฟังก์ชันคลื่นยุบตัว) อืมมมมมมมมม แปลก
ความน่าประหลาดใจในโลกควอนตัมนั้นยังไม่หมดเท่านี้ ไฮเซนเบิร์ก (หนึ่งในผู้บุกเบิกควอนตัม) ได้พบเงื่อนไขอันเป็นที่สุดของการวัด เรียกว่า หลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก (Uncertainty principle) จริงๆมีอยู่ด้วยกันหลายแบบ แต่จะขอยกตัวอย่างที่ง่ายที่สุดคือหลักความไม่แน่นอนระหว่างตำแหน่งและโมเมนตัม(คิดเสียว่าคือความเร็วแล้วกัน) โดยปกติ หากเราเตะฟุตบอลไป ณ เวลาใดๆเราสามารถระบุตำแหน่งและความเร็ว(ประมาณว่าทิศที่มันพุ่งไป)
แต่หากเราคิดว่าลูกฟุตบอลเป็นอนุภาคควอนตัม แน่นอนว่ามันจะทำตัวเป็นคลื่น !! กระจายไปทั่วบริเวณ(ตอนนี้สมมติให้คลื่นที่แทนฟุตบอลสวยๆ)
สิ่งหนึ่งที่ต้องจำไว้ก่อนคือ ความยาวคลื่น(วัดจากยอดถึงยอดถัดไป)นั้นแปรผกผันกับโมเมนตัม คำถามคือตอนนี้เจ้าลูกฟุตบอลนั้นอยู่ไหน คำตอบคือ ทั่วบริเวณ(อย่างที่ได้กล่าวไปแล้วก่อนหน้า)
การเลือกรูปร่างคลื่นแบบก่อนหน้าเหมือนจะไม่ตอบโจทย์เพราะมันกระจายไปทั่วๆบริเวณแบบสม่ำเสมอ การที่จะระบุตำแหน่งของลูกบอลจากคลื่น ดูเหมือนว่าเจ้าคลื่นนี้น่าจะต้องกระจุกอยู่สักที่(เจ้าคลื่นนี้คือคลื่นความน่าจะเป็นแสดงว่าตรงที่พีคๆก็น่าจะมีโอกาสเจอลูกบอลเยอะ)
ในทางคณิตศาสตร์ คลื่นที่เป็นกระจุกเล็กๆอย่างภาพด้านบนนั้นเกิดจากการเอาคลื่นสม่ำเสมอที่มีความยาวคลื่นต่างกันเล็กน้อยจำนวนมหาศาลมารวมกัน(ตรงนี้หากใครงง ก็ให้เชื่อไปเถอะ ฮาาา คิดมากปวดหัวครับ) ซึ่งแต่ละคลื่นที่นำมารวมกันนั้นมีความยาวคลื่นแตกต่างไม่เหมือนกันซักอัน อย่างที่บอกไปแล้วว่า ความยาวคลื่นนั้นแปรผกผันกับโมเมนตัม ดังนั้นในการสร้างคลื่นกระจุกเราจำเป็นที่จะต้องใช้คลื่นที่ความแตกต่างของโมเมนตัมกันจำนวนมหาศาล
ดังนั้นเราสรุปประเด็น คือ
-หากเราใช้คลื่นสม่ำเสมออันเดียวเป็นตัวแทนลูกบอลเรารู้ว่ามันมีความยาวคลื่นอันเดียว แน่นอนว่ามีโมเมนตัมอันเดียวรู้ได้แน่ชัด แต่ระบุตำแหน่งไม่ได้
-หากเราเลือกคลื่นกระจุก แน่นอนเราบอกตำแหน่งได้แน่นอน แต่เราบอกไม่ได้ว่าโมเมนตัมเป็นค่าเท่าไร เพราะคลื่นกระจุกเกิดจากการเอาคลื่นที่มีค่าโมเมนตัมแตกต่างกันจำนวนมหาศาลมารวมกัน
เงื่อนไขในโลกควอนตัมบอกเราว่า หากต้องการรู้ตำแหน่งแน่นอนจะไม่สามารถรู้ค่าโมเมนตัมที่แน่นอนได้พร้อมกัน หรือในทางกลับกันหากรู้ค่าโมเมนตัมแน่นอนจะไม่สามารถรู้ค่าตำแหน่งแน่นอนได้พร้อมกัน อันนี้คือใจความอย่างง่ายของ หลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก
ในตอนเริ่มต้นของการค้นพบหลักความไม่แน่นอนนั้นมีหลายคนคิดว่าการที่เราวัดตำแหน่งหรือโมเมนตัมได้ไม่แน่นอนนั้นเป็นเพราะความคลาดเคลื่อนทางการวัดของเรา เช่น หากเราต้องการวัดเส้นผ่านศูนย์กลางของลูกบอล เราต้องทำการวัดแล้วทำการบันทึกผล ผลที่ได้ออกมาในแต่ละครั้งของการวัดนั้นอาจไม่เท่ากันเพราะความผิดพลาดในการมองของเรา (observer effect) ทำให้เกิดความไม่แน่นอนในการบอกขนาดของลูกบอล ฟังดูนั้นก็อาจจะไม่ต่างจากกรณีควอนตัมเพราะการวัดแต่ละครั้งผลที่ออกมาอาจจะต่างกัน แต่ความเป็นจริงทั้งสองกรณีนั้นต่างกันอย่างสิ้นเชิงเพราะความไม่แน่นอนของค่าที่เราทำการวัดนั้นเป็นธรรมชาติของระบบในระดับควอนตัมที่เป็นคลื่นของความน่าจะเป็น ไม่ได้เป็นผลของกระบวนการวัดเหมือนเราวัดเส้นผ่านศูนย์กลางลูกฟุตบอล ส่งผลให้เราไม่มีทางที่จะสร้างเครื่องมือทางการวัดใดๆเพื่อแก้ปัญหาความไม่แน่นอนของธรรมชาติในระดับควอนตัมได้
ไปครับ ไปกันต่อ เรายังมีอะไรให้เรียนรู้และประหลาดใจอีกเยอะครับ !! ตรงนี้ขอพื้นที่ให้ข้าวเกรียบมีส่วนรวมหน่อยนะครับ ฮาาา สมมติว่าเราขว้างข้าวเกรียบ(อาจจะคิดว่าข้าวเกรียบตอนนี้เป็นตุ๊กตายางก็นะครับจะได้ขว้างได้อย่างสบายใจ)เข้าใส่กำแพง แน่นอนว่าข้าวเกรียบจะต้องกระดอนออกมา ไม่มีทางทะลุกำแพงไปได้โดยไม่ทำลายกำแพง
ป.ล. ในการอธิบายฟิสิกส์นี้ไม่มีสุนัขได้รับบาดเจ็บหรือทรมานแต่อย่างใด ฮาาาาาาา
สถานการณ์จะแตกต่างออกไปเมื่อเราคิดว่าข้าวเกรียบคืออนุภาคควอนตัม !! (จากที่ผ่านมาเราย่อมต้องคิดแล้วว่าเมื่อพูดถึงควอนตัม มันต้องมีอะไรประหลาดแน่ๆ) อย่างที่ได้กล่าวไปแล้วว่าเจ้าอนุภาคข้าวเกรียบนี้มันมีความเป็นคลื่นของความน่าจะเป็นอยู่ ดังนั้นขณะที่มันเข้าหาและสะท้อนกำแพงนั้นมันเหมือนเกิดการซึมของคลื่นความน่าจะเป็นผ่านกำแพงไปอีกฝาก !! นั้นหมายความว่าหากคลื่นมันซึมทะลุผ่านกำแพงไปได้ก็มีโอกาสที่เราจะเจอข้าวเกรียบอีกฝากของกำแพงได้ ดังนั้นสำหรับอนุภาคควอนตัมข้าวเกรียบที่วิ่งเข้าหากำแพงมีโอกาสที่มันจะทะลุผ่านไปได้หรือสะท้อน ปรากกฏารณ์เรียกว่า การทะลุผ่านอุโมงควอนตัม (Quantum tunneling) คำเตือน! เจ้ากำแพงในกรณีควอนตัมนั้นค่อนข้างเข้าใจยากเพราะเกี่ยวข้องกับเรื่องพลังงานศักย์ จึงทำการเทียบกับกำแพงที่เราคุ้นเคย แน่นอนว่าหากใช้ภาพกำแพงแบบที่เราคุ้นเคย ความหนาและความสูงของกำแพงนั้นมีผลต่อโอกาสที่อนุภาคควอนตัมข้าวเกรียบจะทะลุผ่าน
อันนี้เป็นภาพแบบในหนังสือเรียนควอนตัม(สำหรับคนที่ไม่มีพื้นก็บายยยยยยยไปเลยก็ได้ครับ ฮาาาา) ยกเอามาให้ดูเฉยๆ แม้กระทั้งภาพนี้ก็ยังห่างใกล้กับความจริงมากๆ !!
ในความเป็นจริงพวกเราทุกคนต้องขอบคุณกระบวนการลอดอุโมงค์ควอนตัมนี้เพราะว่ามันคือเงื่อนไขที่ทำให้เกิดการส่องแสงของ ดวงอาทิตย์ แต่กระนั้นอย่างคำพูดที่ว่าเหรียญยังมี 2 ด้าน มีประโยชน์ ก็อาจจะมีโทษได้ เจ้าโทษที่ว่าคืออย่างนี้ครับ เรารู้อยู่ว่าในคอมพิวเตอร์ในปัจจุบันนั้นมีชิ้นส่วนองค์ประกอบพื้นฐานที่เรียกว่าชิป ในชิปนั้นก็จะมีทรานซิสเตอร์(ถ้างงก็ไม่เป็นไร เอาเป็นว่ามันมี) หลักการทำงานง่ายๆของทรานซิสเตอร์คือควบคุมการไหลของกระแส(ประกอบขึ้นมาจากอิเล็กตรอนจำนวนมากๆคิดง่ายๆ)ให้วิ่งจากด้านหนึ่งไปยังอีกด้านหนึ่ง โดยกระแสนั้นมีประตูควบคุม หากต้องการให้ไหลก็เปิด ไม่ต้องการให้ไหลก็ปิด
ขีดความสามารถของเทคโนโลยี ณ ปัจจุบันนั้นเราสามารถทำให้ในหนึ่งชิปประกอบไปด้วยจำนวนทรานซิสเตอร์มากๆ ยิ่งมากประสิทธิ์ภาพของคอมพิวเตอร์ก็ยิ่งดี แนวโน้มการเพิ่มจำนวนทรานซิสเตอร์ต่อชิปนั้นเป็นไปตามกฏของมัวร์ (Moore’s law) อย่างไรก็ตาม หากเราทำการย่อขนาดของเจ้าทรานซิสเตอร์ให้เล็กลงเรื่อยๆๆๆ เมื่อถึงจุดๆหนึ่ง ผลของควอนตัมจะเข้ามามีบทบาท นำมาซึ่งผลลัพธ์อันไม่น่าจะดีสำหรับคอมพิวเตอร์เท่าไร อันนี้เรียกว่า ขีดจำกัดทางควอนตัม นั้นเองครับ จึงทำให้นักวิทยาศาสตร์ต้องคิดใหม่ทำใหม่ จึงได้เกิดควอนตัมคอมพิวเตอร์ขึ้นนั้น ว่าง่ายเอาควอนตัมมาสู่ควอนตัม ฮาาาาา (ยังไม่ขออธิบายว่าควอนตัมคอมพิวเตอร์เป็นอย่างไร)
แล้วเจ้าขีดจำกัดทางควอนตัมมันเป็นอย่างไรในทรานซิสเตอร์ หากเรามองว่าอิเล็กตรอนเป็นคลื่นความน่าจะเป็น และมองว่าทรานซิสเตอร์คือกำแพงซึ่งตอนนี้ไม่หนาเท่าไรละ โอกาสที่คลื่นจะซึมผ่านนั้นมีสูง ยิ่งทรานซิสเตอร์เล็กยิ่งสูง นั้นหมายความว่าถึงแม้เราจะปิดประตูไว้ กระแสก็ไหลได้ !! ว่าง่ายๆคือเมื่อผลของควอนตัมเข้ามาเราควบคุมการไหลของกระแสไม่ได้แล้วเพราะมันจะไหลตลอด จบข่าวครับ
เหนื่อยยังครับ ถ้ายังก็ไปกันต่อครับ ฮาาาา จากตัวอย่างที่ข้าวเกรียบกระจายตัวอยู่ทั่วทั้งห้องขณะที่เรายังไม่ได้สังเกต และเมื่อเราสังเกตจะเกิดการยุบตัวของคลื่นและพบว่าข้าวเกรียบอยู่ ณ ตำแหน่งหนึ่งในห้อง คำถามที่นักฟิสิกส์ถามคือ แล้วความเป็นไปได้คลื่นความน่าจะเป็นของข้าวเกรียบจะยุบไปยังตำแหน่งอื่นๆละ มันหายไปไหนทำไมเราถึงไม่รับรู้ถึงมัน (แน่นอนว่าเรารับรู้เฉพาะอันที่มันปรากฏเป็นผลลัพธ์ออกมาจากหลากหลายผลลัพธ์ที่เป็นไปได้) สิ่งที่นักฟิสิกส์เสนอคือ เมื่อเราทำการวัดหาว่าข้าวเกรียบอยู่ที่ไหนในห้อง ตัวเราและข้าวเกรียบและห้องก็จะตกลงไปในเงื่อนไขของผลลัพธ์ที่วัดออกมาได้(อย่างสุ่ม) อย่างไรก็ตามยังมีกรณีที่เราและข้าวเกรียบและห้องในแบบ กรณีอื่นๆ อีกมากหมายดังรูป 
ตรงนี้เรียกว่าเกิดจักรวาลคู่ขนานแบบควอนตัม (Parallel universes จริงๆ คำภาษานั้นมีหลายคำ Many-world หรือ Multiverse) สุด! และในแต่ละจักรวาลคู่ขนานจะไม่สามารถสื่อสารกันได้ ว่าง่ายๆทางใครทางมัน ความน่าสนใจ คือ ในแต่ละจักรวาลย่อยๆนั้นก็อาจจะไปแตกย่อยไปอีกๆๆ ด้วยเงื่อนไขควอนตัมแบบอื่นๆ เกิดเป็นเส้นจักรวาลคู่ขนานที่ซับซ้อนวุ่นวาย ด้วยเหตุนี้ก็อาจจะมีตัวเราเป็นอนันต์ที่อยู่จักรวาลคู่ขนานข้างนอกนั้น !! คิดแล้วอืมมมมมมมมมมม เกินไปละ ฮาาาาาาา แต่นัก ฟิสิกส์เขาคิดกันอย่างนี้
ความประหลาดที่อนุภาคข้าวเกรียบนั้นเป็นคลื่นความน่าจะเป็นแล้วอยู่ทุกๆที่ในห้อง ณ เวลาเดียวกัน (สภาวะซ้อนทับ) นั้นสร้างความกลัดกลุ้มให้กับชโรดิงเงอร์พอสมควร(ถึงแม้เขาจะเป็นผู้ให้กำเนิดเรื่องคลื่นก็ตาม) คำถามคือทำไมพฤติกรรมเหล่านี้ถึงมีเฉพาะในระดับอะตอมหรืออนุภาคที่ประกอบกันเป็นอะตอม ทำไมเราไม่เคยเจอว่าข้าวเกรียบ(จริงๆ)นั้นมีสภาวะซ้อนที่เป็นผลของคลื่นความน่าจะเป็น ชโรดิงเงอร์จึงได้เสนอแนวคิด (ลักษณะนี้นักฟิสิกส์เรียกว่าการทดลองทางความคิด แต่ก็นะ ช่างคิด!) ว่าจริงๆแล้วเป็นไปได้ที่เราจะเจอสภาะซ้อนทับของวัตถุขนาดใหญ่ เช่น แมว !!
ชโรดิงเงอร์เสนอว่าให้เอาแมวใส่ไปไว้ในกล่องพร้อมกับขวดยาพิษที่ต่อกับกลไกเข้ากับเงื่อนไขควอนตัมของธาตุกัมมันตรังสี เงื่อนไขคือ ธาตุกัมมันตรังสีนั้นมีโอกาส 50%ที่จะสลายตัวและกลไกจะทำงานทุบขวดยาพิษ แมวตาย ส่วนอีก 50% นั้นไม่สลายตัว ก็จะไม่เกิดอะไรขึ้น แมวปลอดภัย ดังนั้นตั้งแต่ตอนต้นการทดลองเราทำการปิดกล่องสนิท ดังนั้นเราไม่มีทางรู้ได้เลยว่า ธาตุกัมมันตรังสีจะสลายตัวหรือไม่ 50/50 หรืออยู่ในสภาวะซ้อนทับหากเราไม่เปิดกล่องดู(การเปิดกล่องคือการเข้าไปสังเกต) แต่ประเด็นคือเรานำเอาแมวไปใส่ในกล่องด้วยจึงผูกเข้ากับเงื่อนไขซ้อนทับของการสลายตัวของกัมมันตรังสีซะงั้น จึงได้เงื่อนไขใหม่ว่าตราบเท่าที่เราไม่เปิดกล่องดูเราจะไม่รู้เลยว่าแมวเป็นหรือตายแบบ 50/50 หรือมองได้ว่าแมวตอนนี้อยู่ในสภาวะซ้อนทับระหว่างเป็นและตาย โอ้ยยยยยย ได้ไง !!
อย่างที่ได้กล่าวไปแล้วถึงแม้ชโรดิงเงอร์บอกว่าทำอย่างนี้ได้ แต่ในความเป็นจริงเราก็ยังไม่เคยเจอวัตถุขนาดใหญ่ๆ เช่น ข้าวเกรียบ ที่แสดงพฤติกรรมแปลกๆของควอนตัมเลย ปัจจุบันนักฟิสิกส์ก็ยังไม่เข้าใจอย่าถ่องแท้ว่าจริงๆแล้วความประหลาดเหล่านี้มันหายตอนไหนขณะที่เราขยับสเกลการพิจารณาระบบขึ้นมาเรื่อยๆ นักฟิสิกส์ก็ยังต้องขบคิดและทำการทดลองกันต่อไป เพื่อ ตามหาแมวของชโรดิงเงอร์ในชีวิตจริง !!
ก่อนจบ อยากกลับไปยังประเด็นที่ว่าคำว่า “ควอนตัม” นั้นเป็นคำนิยม ด้วยความประหลาดของพฤติกรรมในโลกควอนตัม มันจึงโดนนำไปใช้ปั่นกระแสเพื่อเรียกกระแสนิยมมากมายแบบที่คนนำไปใช้อาจจะไม่เข้าใจมันจริงๆก็ได้ว่ามันเป็นอย่างไร ประเด็นที่น่าเป็นห่วงคือการนำไปผูกกับศาสนาแล้วโปรยว่าควอนตัมคือคำตอบสุดท้ายในการเข้าใจธรรมชาติ !! อันนี้น่าเป็นห่วงมากๆครับ เพราะนักฟิสิกส์เองนั้นก็ยังไม่เข้าใจจริงๆว่าควอนตัมนั้นเป็นอย่างไร ทั้งนี้ผู้เขียนคิดว่ายังไม่มีใครรู้ว่าบ่อความรู้ควอนตัมนี้มีก้นบ่อหรือไม่ หรือว่าบ่อนี้ลึกขนาดไหน เพียงแต่เราเข้าใจมันดีระดับหนึ่งที่จะนำเอาไปใช้งานโน้นนี้ได้เป็นเทคโนโลยีปัจจุบัน ไม่ว่าจะเป็น เลเซอร์ เครื่องสแกน MRI ทรานซิสเตอร์ และอื่นๆอีกมากมายที่เราไม่รู้ว่าเป็นผลพวงจากการที่เราเข้าใจควอนตัม เทคโนโลยีเหล่านี้อาจจะเทียบได้ว่าเป็นเทคโนโลยีจากการที่มีการปฎิวัติทางควอนตัมครั้งที่ 1 (เริ่มนับจากพลังค์) ต่อไปในอนาคตข้างหน้าเทคโนโลยีใหม่ๆ ที่กำลังจะมาถึงหรือมีแล้ว เช่น ควอนตัมคอมพิวเตอร์ การเข้ารหัสทางควอนตัม การเทเลพอร์ตแบบควอนตัม นั้นนับได้ว่าเป็นการปฎิวัติทางควอนตัมครั้งที่ 2
เรียบเรียง
สิขรินทร์ อยู่คง (QuTE Co-Founder)
วิทยาลัยเพื่อการค้นคว้าระดับรากฐาน (Institute for Fundamental Study: IF)
มหาวิทยาลัยนเรศวร
ปล ขอบคุณทีมงาน QuTE สำหรับการแก้คำผิดและคำแนะนำในการลำดับเนื้อเรื่อง
