ควันตัมชาวบ้าน

⭕️ ⭕️ ⭕️

เดิม ตั้งใจจะรายงานเรื่องการประกาศรางวัลโนเบลในสัปดาห์ที่ผ่านมา เพียงเท่านั้น ก็เลยแตะเรื่องควันตัมเข้าไปหน่อย เพราะเป็นเรื่องที่ได้รับรางวัล (ตั้งใจสะกดคำว่า ควันตัม อย่างนี้ ไม่ได้เผลอเขียนผิดจากที่ส่วนใหญ่เขาเขียนกันว่า ควอนตัม หรอกครับ คือเป็นความดื้อส่วนตัว ที่เห็นว่า มันมาจากคำว่า quantum มันไม่ใช่ quontum นี่นา)

มีพรรคพวกบอกมาว่า ขอต่อเรื่องควันตัมอีกหน่อย แต่ขอแบบชาวบ้านๆ เพราะยัง งง อยู่ (ไม่เพียงแต่คนอ่านจะ งง ยอมรับว่า คนเขียนยัง งง เลยครับ)

ควันตัมแบบชาวบ้าน จึงขอยืดคำไปอีกนิดว่า ควันตัมที่ชาวบ้าน งง ละกัน แล้วเราก็มาถกแถลงกันในกลุ่มคนที่ งง อยู่ด้วยกันนี่แหละ เพราะคนที่ไม่งงเขาก็ไม่ค่อยพูด (เหมือนกับทางพระที่บอกว่า พระอริยะ จะไม่เอ่ยถึงการบรรลุแล้ว เพราะเป็นเรื่องที่ตัวเองรู้อยู่คนเดียว)

ความจริง ถ้าไม่คิดมาก ว่า มันเป็นไปได้อย่างไร เอาแค่มีคนคิดสิ่งของบางอย่างมาให้เราใช้ เราก็ใช้ไป ก็ง่ายดี ไม่ปวดหัวด้วย ไม่ว่าจะเป็นของเล็กๆ ใช้ในบ้านหรือสำนักงาน เช่นเครื่องชี้เลเซอร์ (laser pointer) ไปจนถึงของใหญ่ๆ (แต่บ้านเรายังไม่มี) เช่น โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ ก็หนีไม่พ้นที่จะต้องทำความเข้าใจในเรื่องควันตัม ไม่งั้นก็สร้างมันขึ้นมาไม่ได้

สิ่งใหญ่ๆ ไกลเกินตัว เช่น โลก และจักรวาล เป็นบ่อเกิดของจินตนาการที่กว้างไกลไม่สิ้นสุด แต่ก็ยังมีบางคนยอมเสียเวลาทั้งชีวิตคิดต่อเนื่อง และส่งต่อกันมาหลายรุ่น เริ่มมาตั้งแต่ยุคของ นิวตัน อันเป็นเรื่องของ อนุภาค และ สสาร

แต่นั่นยังไม่น่า งง มากกว่าของเล็กๆ ที่มองไม่เห็น และไม่มีทางมองเห็น เพราะมันเล็กกว่าความยาวคลื่นแสงที่ใช้มองเสียอีก อันเป็นเรื่องของ คลื่น และ พลังงาน

เรามีการศึกษาเรื่องปลายทางทั้งสองด้าน คือ อนุภาค-คลื่น หรือ สสาร-พลังงาน ความจริงแล้ว ยังมีสิ่งที่ลึกลับ ดำมืด ที่จนบัดนี้ก็ยังไม่มีใครรู้อยู่อีกอย่าง นั่นคือ รอยต่อ ระหว่างสองด้านนั้น

เช่นเมื่อเราใช้ไฟฟ้าใส่เข้าไปในเครื่องชี้เลเซอร์ (input electron to laser pointer) แล้วได้แสงความถี่เดียวออกมา (output photon)

หรือการเปลี่ยนสสารของยูเรเนียม เป็นพลังงานนิวเคลียร์

เรารู้ต้นทาง และปลายทาง แต่เรายังไม่รู้กลางทางนะครับ

ความที่ยังไม่รู้กลางทาง มันจึงยังเชื่อมต่อกันไม่ได้ระหว่าง ฟิสิกส์คลาสสิก (clasical physics จะเรียกว่า ฟิสิกส์โบราณ ก็เกรงใจ) กับ ฟิสิกส์ควันตัม (quantum physics) คือต่างคนต่างก็อธิบายเรื่องของตัวเองไป ใข้อธิบายข้ามฝั่งไม่ได้ คือจะรวมเป็นทฤษฎีเดียวกันยังไม่ได้ นั่นเอง

เราคุ้นเคย และอยู่ในโลกของอนุภาคและสสาร ที่เกี่ยวข้องกับสิ่งของชิ้นโตๆ แถมมีทฤษฎีที่คุณปู่นิวตันช่วยอธิบายให้พอเข้าใจ แต่กระนั้น เมื่อมีคุณลุงไอน์สไตน์ เสนอแนวทางของทฤษฎีที่เราไม่คุ้น เช่นทฤษฎีสัมพันธภาพ เราก็เริ่ม งง แม้จะเป็นเรื่องมองเห็นได้ สัมผัสได้ เพียงแต่เป็นเรื่องที่ค่อนข้างสุดโต่งไปหน่อย อย่างของที่วิ่งเร็วมากๆ (เช่นดาวเทียม) หรือสิ่งที่มีมวลมหาศาล (เช่นโลกหรือดวงอาทิตย์) ดังนั้น ย่อมไม่แปลก ถ้าจะ งง ในเรื่องที่มองเห็นไม่ได้ สัมผัสไม่ได้ ต้องอาศัยจินตการล้วนๆ กับสิ่งที่เล็กมากๆ ภายในอะตอม ที่เรียกว่า ควันตัม

โลกที่ใหญ่ เกี่ยวกับเรื่องของ สสาร และอนุภาค ส่วนโลกที่เล็ก เกี่ยวกับเรื่อง พลังงาน และ คลื่น

ที่เรียกว่า คลื่น เอาเข้าจริง คนทั่วไปก็จะไปนึกถึงคลื่นบนผิวน้ำ หรืออะไรเทือกนั้น เป๋ออกไปอีก มันไม่ใช่ครับ เป็นการเปรียบเทียบให้มันคล้ายกัน (analogy) เท่านั้นเอง มันเป็นคลื่นทางคณิตศาสตร์ (wave function) ต่างหากครับ (และมันมีจริงหรือเปล่าก็ไม่รู้)

กระบวนการตรวจสอบ หรือตรวจวัด ในการทดลองทั้งหลายแหล่นั้น คือการนำเอาสิ่งลึกลับ ในโลกของควันตัม ผ่านพรมแดนรอยต่อข้ามมาอยู่ในโลกธรรมดาที่เรารู้จัก ที่เราเห็นได้ สัมผัสได้

แล้ว wave function มันก็จะหายไป

นั่นคือการเปลี่ยนจากคลื่น มาเป็นอนุภาค

การทดลองที่รู้จักกันดีในหมู่นักฟิสิกส์ด้วยกัน คือการทดลองกับอิเล็กตรอน ว่ามันเป็นคลื่น หรือเป็นอนุภาค

มันเป็นได้ทั้งคู่แหละครับ

เมื่อมันอยู่ในโลกควันตัม มันก็เป็นคลื่น แต่พอเราพยายามจะตรวจจับมัน มันก็ข้ามพรมแดนแห่งความลึกลับ ออกมาให้เราตรวจจับได้ กลายเป็นอนุภาค ให้เราวัดมวลมันได้ วัดประจุได้ วัดสปินได้ (spin เป็นเทอมทางคณิตศาสตร์นะครับ ไม่ใช่ลูกข่าง) เช่นมันวิ่งผ่านสนามแม่เหล็กแล้วมันวิ่งเป๋ขึ้น (spin up) หรือเป๋ลง (spin down)

แต่เมื่อมันยังอยู่ในโลกของควันตัมนั้น มันมีสภาพการปั่นขึ้นปั่นลงในเวลาเดียวกัน ที่มีการตั้งชื่อเรียกเป็นทางการให้พวกเรา งง กันเล่นว่า “superposition” เพราะมันเป็นเรื่องของโอกาสของความน่าจะเป็น (probability)

ถ้าเขียนเป็นกราฟ ให้โอกาสสูง อยู่บน โอกาสต่ำ อยู่ล่าง จะพลอตกับตัวแปรอะไรก็แล้วแต่ เราก็จะเห็นฟังก์ชั่นของความน่าจะเป็นนี้เป็นลูกคลื่น ขึ้นๆลงๆ (wave function)

โลกของควันตัม ที่เป็นโลกของความน่าจะเป็น จึงเป็นคลื่น

เช่นเรายิงลำอิเล็กตรอนผ่านช่องเล็กๆ ให้มันไปกระทบจอด้านหลัง ตรงไหนโดนมาก จึงเป็นบริเวณที่มีความเป็นไปได้สูง ตรงไหนไม่ค่อยโดน เป็นบริเวณที่มีความเป็นไปได้ต่ำ

และนี่จึงเป็นที่มาของการทดลองที่ถูกอ้างถึงมากที่สุด คือการยิงอิเล็กตรอนผ่านร่องเล็กๆ 2 ช่องคู่กัน เพื่อพิสูจน์ว่า อิเล็กตรอนที่เป็นอนุภาค คือมีมวลนั้น บทจะแสดงตนว่าเป็นคลื่น ก็เป็นได้เหมือนกัน

คืออนุภาค หรือสสาร ถ้ามี 2 ตัว เคลื่อนที่ตรงไปข้างหน้า ก็จะไม่กวนกัน ต่างคนต่างวิ่ง ถ้าเอาปืนมายิงผ่านช่องเล็กๆ 2 ช่องซ้ายขวา กระสุนก็จะกระทบเป้า 2 กลุ่ม ซ้ายหนึ่งกลุ่มที่ผ่านช่องซ้าย และขวาอีกหนึ่งกลุ่ม ที่ผ่านช่องขวา

แต่ถ้าใช้ปืนอิเล็กตรอน (electron gun : อย่างที่มีในจอทีวีสมัยโบราณ ที่ยิงจากข้างหลัง มากระทบจอทีวีข้างหน้า) เอามายิงผ่านช่องเล็กๆ 2 ช่องเหมือนกัน ให้ไปชนจอ แต่แทนที่มันจะชนจอแค่ 2 กลุ่ม ซ้าย-ขวา มันกลับมีบริเวณถูกชน และไม่ถูกชน สลับกันไปทั้งทางซ้ายและทางขวา เหมือนทางม้าลายข้ามถนน

เช่นเดียวกันกับการเอาแสงมาส่องผ่าน 2 ช่อง ไปที่จอรับแสงข้างหลัง ก็จะเห็นเป็นแถบ มืด-สว่าง สลับกันไปเช่นเดียวกัน

อาการนี้ เป็นอาการของ คลื่น 2 คลื่น “กวน” กัน เหมือนอย่างเช่นคลื่นน้ำวิ่งเข้าฝั่ง ชนกำแพงกั้นคลื่นที่มีช่องเปิดอยู่ 2 ช่อง มันจะกลายเป็น 2 คลื่น ซ้าย-ขวา “กวน” กัน เมื่อมันกระทบฝั่ง จึงมีทั้งบริเวณที่คลื่นสูงมาก กับคลื่นต่ำ เรียงสลับกันไป ทั้งนี้เพราะ เมื่อคลื่นสูง รวมกับคลื่นสูง จะกลายเป็นคลื่นสูงมาก แต่ถ้าคลื่นสูง รวมกับคลื่นต่ำ มันจะหักล้างกัน

การ “กวน” กัน ที่เป็นเอกลักษณ์ของความเป็นคลื่นนี้ เรียกว่า “interference”

ดังนั้น เรื่องของควันตัม ที่ดูแปลกใหม่นี้ มีเรื่องหลักๆแค่ 3 เรื่องที่ดูจะย้อนแย้งความเข้าใจโดยทั่วไป ก็คือ …

interaction

superposition และ …

entanglement

เรื่อง entanglement หรือการจับคู่กันในโลกของควันตัม ที่เมื่อดูหรือตรวจวัดสถานะหรือสภาพของตัวหนึ่ง อีกตัวหนึ่งจะแสดงสถานะหรือสภาพเป็นอีกอย่างหนึ่งทันที ไม่ว่ามันจะอยู่ห่างไกลกันแค่ไหนก็ตาม ดังที่เป็นเรื่องที่ได้รับรางวัลโนเบลไปเมื่อสัปดาห์ที่แล้ว

ส่วน interaction คือการกวนกันของคลื่น ดังที่กล่าวมาแล้ว

เหลืออีกตัวหนึ่ง คือ superposition คือการมีสถานะสภาพมากกว่าหนึ่งอย่างอยู่ตลอดเวลาในโลกของควันตัมที่ไม่มีอะไรแน่นอน

ผมนึกออกแล้ว ว่า จะแทนคำว่า superposition แบบไทยๆ ด้วยอะไร … ปั่นแปะ ไงครับ

ถ้าเราหมุนเหรียญอยู่ เหรียญนั้นจะมีความเป็น หัว กับ ก้อย อยู่ในเวลาเดียวกัน แต่เมื่อใดที่เราต้องการจะดู ก็ต้องตบให้มันหยุดหมุน เมื่อเปิดออกดูก็จะเห็น ว่าเป็นหัว หรือเป็นก้อย

ปั่นแปะ หรือ โยนหัวโยนก้อย ที่ใช้ก่อนการแข่งกีฬาระดับโลกเช่นฟุตบอล ว่าใครจะอยู่ฝั่งไหนก่อน จึงใช้หลักการเดียวกับควันตัมนี่แหละครับ

เรื่องปั่นแปะ พอจะถือว่าเป็น ควันตัมสำหรับชาวบ้านได้ไหมนี่ ๛

  ... @_@ ...

วัชระ นูมหันต์

2022-10-16

ควันตัมใช้ทำอะไร

⭕️ ⭕️ ⭕️

ตั้งใจจะปิดจ๊อบเรื่องควันตัมตั้งแต่อาทิตย์ที่แล้วครับ แต่ปิดไม่ลง เพราะมี FC ถามมาว่า ควันตัมนี่ ใช้ทำอะไร ตอนแรกผมก็ตอบแบบครอบจักรวาลอย่างเดียวกับที่ ไมเคิล ฟาราเดย์ ตอบ เมื่อมีคนถามหลังจากที่เขาได้พบว่า เมื่อเอาโลหะตัดผ่านสนามแม่เหล็ก จะมีกระแสไหลในโลหะนั้น ว่า มันใช้ทำอะไรได้บ้าง ฟาราเดย์ ก็ตอบได้น่ารักมาก ว่า “ยังไม่รู้เหมือนกัน” แปลว่า ก็ต้องคอยดูกันต่อไป จนกระทั่งเราได้มีเครื่องกำเนิดไฟฟ้า (generator) และไดนาโม (motor) มาใช้กันเกลื่อนในทุกวันนี้

แต่ก็ยังอุตส่าห์มีคำถามจากพรรคพวก ต่ออีกว่า แล้วควันตัมนี่ เปลี่ยนแปลงวิถีชีวิตชาวบ้านแค่ไหน และอย่างไรบ้าง

ก็เลยต้องยอม ลองไปค้นดูว่า พวกกูรูด้านควันตัมเขามีคำตอบเรื่องนี้อย่างไร

เราอาจจะมัวไปตื่นเต้นกับเรื่องประหลาดๆของควันตัมที่เราไม่คุ้น เช่นเรื่อง การมีหลายสถานะในเวลาเดียวกัน (superposition) หรือการพัวพันกันไม่ว่ามันจะไกลกันแค่ไหน (entanglement)

เขาบอกว่า อันที่จริง ผู้คนในปัจจุบันก็ใช้เทคโนโลยีด้านควันตัมมานานแล้วละ ไม่ว่าจะรู้ตัวหรือไม่ก็ตาม เพราะไม่มีใครมาบอกว่า มันคือเทคโนโลยีด้านควันตัม

ลองดูสัก 5 ตัวอย่างนี้สิครับ

เรื่องแรก คอมพิวเตอร์ ไง อย่าบอกนะครับ ว่าไม่รู้จัก

เครื่องในของคอมพิวเตอร์ มีสิ่งที่เรียกว่า ชิป หรือวงจรเบ็ดเสร็จ เสมือนกับว่ามีทรานซิสเตอร์เป็นพันล้านตัวทำหน้าที่เหมือนสวิทช์ปิดเปิดเป็นพันล้านสวิทช์ต่อวินาที แทนค่าตัวเลข 0 กับ 1 บนแผ่นซิลิกอนนั้น ก็ใช้เทคโนโลยีควันตัม แทนที่จะใช้ตัวทรานซิสเตอร์จริงๆแบบสมัยโบราณ เอาพลังงานต่ำสุด (ground state) ของอิเล็กตรอนแทน 0 และพลังงานที่สูงขึ้น (energetic state) แทน 1 ในมือถือเราก็หนีไม่พ้น มีตัวพวกนี้อยู่เพียบ

เรื่องที่สอง พวกเราก็คุ้นอีกแหละ ทีวีจอแบนไง เลิกใช้ทีวีรุ่นเก่า ที่มีจอเป็นแบบเครื่องยิงอิเล็กตรอนอยู่ข้างหลัง (CRT : cathode ray tube) ที่หนักมาก กลายมาเป็นจอแบน (LED : light emitted diode) รวมทั้งจอคอม และจอมือถือด้วย ซึ่งจอมือถือระบบสัมผัสนี่ก็มีพิเศษขึ้นไปอีกในการใช้เทคโนโลยีควันตัม แต่ยังไม่เคยได้ยินใครเรียกว่า อุโมงค์ควันตัม เพราะมันคือ “quantum tunneling” เพราะในโลกควันตัม ถึงแม้จะมีกำแพงขวางกั้น แต่คลื่นฝั่งหนึ่ง อาจจะไปปรากฏอยู่อีกฝั่งหนึ่งของกำแพงได้ อนุภาคจากฝั่งหนึ่งจึงอาจทะลุไปอยู่อีกฝั่งหนึ่งเหมือนมันลอดอุโมงค์ไป ดังนั้น เมื่อเราเอานิ้วเขี่ยจอมือถือ อิเล็กตรอนจากปลายนิ้วเราจึงอาจทะลุจอเข้าไปเขี่ยภาพต่างๆใต้จอนั้นได้ ส่วนจอ LED ธรรมดานั้น ก็เป็นการเพิ่มพลังงานวงรอบนอกให้กับอิเล็กตรอนด้วยไฟฟ้า มันจึงยกระดับเพิ่มขึ้นในเชิงควันตัม พอมันลดระดับตกกลับไปที่เดิม จึงคายพลังงานออกมาเป็นคลื่นแสง (photon)

เรื่องที่สาม จะกลับกับเรื่องที่สองที่เอาแสงออกมา แต่คราวนี้เป็นเรื่องของเอาแสงเข้าไป นั่นคือ จอรับภาพของกล้องดิจิตอลนั่นเอง ที่เอาแสงจากการถ่ายภาพเข้าไปเก็บไว้ในรูปแบบของอิเล็กทรอนิกส์ จะบอกว่า ฟิล์มถ่ายรูปโกดัก เจ๊งเพราะควันตัม ก็ย่อมได้

เรื่องที่สี่ เป็นอุปกรณ์พกพาที่บรรดาครูบาอาจารย์ หรือผู้ที่จะต้องบรรยายทั้งหลาย ไม่ว่าจะนำเสนองาน หรือนำเสนอสินค้า อาจจะเคยสัมผัสกันมาบ้าง นั่นคือ เครื่องชี้เลเซอร์ (laser pointer) เจ้าตัวนี้เป็นการเอาไฟฟ้าเข้าไปแล้วได้คลื่นแสงความถี่เดียวออกมาเป็นลำยาวสำหรับชี้เป้า ที่ใช้กันทั่วไป จะเป็นลำแสงสีแดงอันเกิดจากการใช้ก๊าซฮีเลียมและก๊าซนีออนผสมกัน อิเล็กตรอนวงรอบนอกของฮีเลียม มีพลังงาน 20.61 eV (electron volt) เชื่อมต่อกับอิเล็กตรอนวงรอบนอกของนีออน เมื่อได้รับพลังงานไฟฟ้า จะกระโดดขึ้นไปนิดหนึ่ง เป็น 20.66 eV  แล้วตกกลับลงมาที่ 18.7 eV พร้อมกับปล่อยคลื่นแสง (photon) สีแดงออกไป

เรื่องที่ห้า จีพีเอส (GPS: Global Positioning System) ไงครับ เดี๋ยวนี้กลายเป็นเรื่องธรรมดาไปแล้ว มันจึงกลายเป็นอุปกรณ์ติดรถบางรุ่น หรือในมือถือของเราสำหรับผู้ที่ไม่อยากหลงทางทั้งหลาย เพราะระบบจีพีเอสนี้สามารถที่จะบอกตำแหน่งของเราได้อย่างเป๊ะๆ ซึ่งหัวใจของระบบนี้คือนาฬิกาที่จะต้องเที่ยงตรงที่สุดในโลก คลาดเคลื่อนไม่เกิน 1 วินาที ต่อ 1 ล้าน 4 แสนปี อันเป็นผลพวงของควันตัมเทคโนโลยี ที่ใช้นาฬิกาอะตอม ให้ความถี่ 9,192,631,770 Hz จากวงรอบการ “ปั่นขึ้นปั่นลง” (เรียกให้งงเล่น จากคำว่า spin up และ spin down) ของธาตุซีเซียม (caesium) ถึงแม้เราจะไม่ได้พกพานาฬิกาอะตอมนี้ในกระเป๋าของเรา แต่มันก็มีในระบบดาวเทียมที่เรารับสัญญาณมา

นั่นคือของ 5 อย่างที่เราพกพา ใช้อยู่ในชีวิตประจำวัน โดยเราอาจจะไม่รู้ว่า มันใช้เทคโนโลยีควันตัม นั่นยังไม่นับของที่ใหญ่ๆ ที่ยังไม่ได้กล่าวถึง ซึ่งก็เปลี่ยนวิถีชีวิตของคนเราเช่นเดียวกันอันเป็นผลมาจากเทคโนโลยีด้านควันตัม เป็นต้นว่า

แผงเซลล์แสงอาทิตย์ (solar panel)

เครื่องสแกนเอ็มอาร์ไอ (MRI scanner)

Scanning tunnelling microscope

การพัฒนายารักษาโรค (drug development)

และที่กำลังทำกันอยู่อย่างขะมักเขม้นในตอนนี้ หลายคนอาจจะเคยได้ยินได้ฟังมาบ้างแล้ว คือ คอมพิวเตอร์ควันตัม (quantum computer)

ก็ทิ้งเรื่องนี้เอาไว้พอเป็นกระสายให้คนที่อยากรู้ต่อไป บอกคร่าวๆก่อนก็ได้ว่า มันยังไม่ไปถึงไหน แค่เพิ่งเริ่มต้นเท่านั้น เช่น บิท (bit) ในคอมพิวเตอร์ธรรมดา ที่มีแต่ 0 กับ 1 ก็จะเป็น คิวบิท (qubit) ในคอมพิวเตอร์ควันตัม ที่เป็นทั้ง 0 และ 1 (superposition) ถ้ามี 2 คิวบิท ก็จะมี 00, 01, 10, 11 ในเวลาเดียวกัน คือมี 4 positions หรือ 2 ยกกำลังสอง ซ้อนทับกันอยู่ ปัจจุบัน คอมพิวเตอร์ควันตัมของกูเกิ้ล (Google) มีอยู่เพียง 72 คิวบิท (IBM มีมากกว่านี้หน่อย) ดูว่าเยอะใช้ได้ใช่ไหมครับ คือตั้ง 2 ยกกำลัง 72 แต่มันยังห่างไกลเป้าหมายที่จะใช้งานได้จริงอีกมากมาย เพราะต้องใช้เป็นล้านคิวบิท … อีกนานครับ

ดังนั้น ที่มีผู้คนเคยวิตกกันว่า ความลับหรือความมั่นคงของข้อมูล (data security) ในอินเตอร์เน็ตของพวกเรา จะถูกเจาะ (crack) ด้วยควันตัมคอมพิวเตอร์อย่างง่ายดายนั้น ผู้เชี่ยวชาญด้านควันตัมคอมพิวเตอร์ปลอบใจว่า สบายใจได้ ยังไม่มีทางเป็นไปได้ … ภายใน 30 ปีนี้

สบายใจอยู่ดีๆ ยังอุตส่าห์ตบท้ายด้วยเงื่อนเวลาอีกแน่ะ - เฮ้อ!  ๛

  ... @_@ ...

วัชระ นูมหันต์

2022-10-23