หลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก คืออะไร?
ฟิสิกส์แบบฉบับตั้งแต่กลศาสตร์ของนิวตัน เทอร์โมไดนามิกส์ จนถึงทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า ล้วนแล้วแต่วางอยู่บนรากฐานความคิดอย่างหนึ่งที่เรียกว่า หลักดีเทอร์มินิสติก (Deterministic Principle) ที่เชื่อว่า เหตุอย่างหนึ่งย่อมนำไปสู่ผลอย่างหนึ่งที่เฉพาะเจาะจง เช่น ถ้าเราออกแรงเตะลูกฟุตบอลด้วยแรงค่าหนึ่ง(เหตุ) ลูกฟุตบอลย่อมลอยไปตกยังตำแหน่งหนึ่ง (ผล) อย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ เป็นต้น
หลักการนี้ทำให้นักฟิสิกส์มั่นใจว่า เมื่อรู้ว่าสถานะเริ่มต้นของวัตถุหนึ่งๆ แล้วรู้ว่าแรงที่กระทำต่อวัตถุนั้นเป็นเท่าใด ย่อมทำนายได้ว่าวัตถุนั้นจะเคลื่อนที่ไปยังตำแหน่งไหนในอนาคต ไม่ว่าวัตถุนั้นจะเป็นลูกปืนใหญ่ ดาวเทียม หรือ ยานอวกาศ
นักฟิสิกส์ยุคคลาสสิคอย่างปีแยร์ ซีมง ลาปลาส (Pierre-Simon Laplace) เชื่อว่า หากเราล่วงรู้สถานะเชิงการเคลื่อนที่ของทุกอนุภาคในเอกภพอย่างชัดเจน ซึ่งสถานะเชิงการเคลื่อนที่หมายถึง ตำแหน่งและโมเมนตัม เราย่อมทำนายสภาวะของเอกภพในอดีตและอนาคตได้อย่างแม่นยำ ด้วยกฎฟิสิกส์
หากมองในมุมนี้ เอกภพย่อมคล้ายกับเครื่องจักรที่เปลี่ยนแปลงไปตามกฎธรรมชาติอย่างชัดเจนแน่นอน นักฟิสิกส์นับตั้งแต่ยุคของนิวตันเชื่อถือหลักการนี้มาจนกระทั่งร้อยกว่าปีที่แล้ว นักฟิสิกส์หนุ่มชาวเยอรมัน ชื่อ เวอร์เนอร์ ไฮเซนเบิร์ก (Werner Heisenberg) ค้นพบหลักการที่ทำให้หลักการเก่าแก่ที่เคยได้รับความเชื่อถือมาอย่างยาวนานพังทลายลง
เวอร์เนอร์ ไฮเซนเบิร์ก เป็นอัจฉริยะด้านฟิสิกส์ ผู้รักการปีนเขา
ผลงานด้านกลศาสตร์ควอนตัม ทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี ค.ศ. 1932 ด้วยวัยเพียง 31 ปีเท่านั้น
หนึ่งในการค้นพบที่สำคัญของเขาคือ หลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก (Heisenberg's uncertainty principle) ซึ่งทำให้นักฟิสิกส์ตระหนักถึงขีดจำกัดการวัดปริมาณทางฟิสิกส์ให้แม่นยำ
หลักความไม่แน่นอนรูปแบบที่รู้จักกันดีที่สุด ถูกแสดงในรูป โมเมนตัมและตำแหน่ง กล่าวคือ เราไม่สามารถวัดโมเมนตัมในแกน x และ ตำแหน่งในแกน x ให้แม่นยำพร้อมกันมากเกินกว่าที่หลักความไม่แน่นนอนกำหนดไว้ ไม่ว่าเราจะใช้วิธีการวัดที่ละเอียดรอบคอบรัดกุมแค่ไหนก็ตาม (แต่หากเป็นโมเมนตัมในแกน x และตำแหน่งในแกน y เราจะวัดปริมาณทั้งสองอย่างนี้ให้แม่นยำสุดๆได้)
เวอร์เนอร์ ไฮเซนเบิร์ก
หลักการนี้เป็นขีดจำกัดของตัวแปรพื้นฐานในธรรมชาติ พูดง่ายๆว่าธรรมชาติไม่อนุญาตให้เรารู้โมเมนตัม และตำแหน่งในแกนเดียวกันที่แม่นยำพร้อมกันได้ ถ้าเรารู้ตำแหน่งอย่างแม่นยำสุดๆ เราจะสูญเสียความแม่นยำของโมเมนตัม และถ้าเรารู้โมเมนตัมที่แม่นยำสุดๆ เราจะสูญเสียความแม่นยำของตำแหน่งไป*
เมื่อนักฟิสิกส์มีการขยายต่อยอดแนวคิดของไฮเซนเบิร์กให้อยู่ในรูปแบบที่กว้างขวางมากขึ้น ก็พบว่ามีคู่ตัวแปรอื่นๆอีกที่ไม่สามารถวัดอย่างแม่นยำได้พร้อมกัน เช่น พลังงานและช่วงเวลา , โมเมนตัมเชิงมุมแกน i และ j ที่ตั้งฉากกัน เป็นต้น
สมการความไม่แน่นอน แสดงให้เห็นว่าความเบี่ยงเบนของตำแหน่ง คูณ ความเบี่ยงเบนของโมเมนตัมต้องมากกว่าหรือเท่ากับค่าๆหนึ่ง
อย่างไรก็ตาม ธรรมชาติในระดับชีวิตประจำวัน เราไม่สามารถรับรู้ถึงหลักความไม่แน่นอนได้เลยเพราะขีดจำกัดความแม่นยำนั้นมีค่าน้อยมากๆ เปรียบได้กับการที่จุดตกของกระสุนปืนใหญ่จะเบี่ยงเบนไปในระดับหนึ่งในล้านเมตรก็ไม่ได้สลักสำคัญต่อการใช้งานหรือการวัด แต่สำหรับอนุภาคเล็กจิ๋วอย่างอิเล็กตรอน ขีดจำกัดดังกล่าวไม่นับว่าเล็กอีกต่อไป
ผลที่เกิดขึ้นทันทีจากหลักความไม่แน่นอน คือ แนวคิดของนักฟิสิกส์อย่างลาปลาสที่เชื่อว่าหากรู้ตำแหน่งและโมเมนตัมของอนุภาคพร้อมกัน จะทำนายอนาคตและอดีตได้อย่างแม่นยำนั้นย่อมพังทลายลง เพราะเราไม่มีทางรู้ปริมาณทั้งอย่างอย่างแม่นยำได้** หลักดีเทอร์มินิสติกที่ได้รับความเชื่อถืออย่างยาวนานพังลงในโลกของอนุภาคเล็กๆซึ่งเป็นสิ่งพื้นฐานที่สุดที่ประกอบขึ้นเป็นเอกภพ
เวอร์เนอร์ ไฮเซนเบิร์ก ปรากฏบนแสตมป์ของประเทศเยอรมันนี
แน่นอนว่ามันทำให้นักฟิสิกส์สายคลาสสิคมากมายไม่ชอบและพยายามหาทางล้มล้างมัน ซึ่งหนึ่งในนั้นคือ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ผู้ไม่พอใจกับหลักความไม่แน่นนอนถึงกับกล่าววาทะ "พระเจ้าไม่สร้างเอกภพด้วยการทอยลูกเต๋าหรอก" (God does not play dice with the universe) ซึ่งสะท้อนให้เห็นความเชื่อว่ากฎธรรมชาติควรเป็นสิ่งที่มีความชัดเจน ไม่ใช่สิ่งที่คุลมเครืออย่างการทอยลูกเต๋าที่เราไม่มีทางรู้ว่ามันจะออกหน้าไหนกันแน่
ไอน์สไตน์จึงใช้สิ่งที่เขาถนัด นั่นคือ การทดลองในจินตนาการที่รู้จักกันในชื่อ กล่องนาฬิกาแสงของไอน์สไตน์ (Einstein's light box) เพื่อทำลายหลักความไม่แน่นอน แต่สุดท้ายก็ล้มเหลว แต่รายละเอียดนั้นน่าคิดน่าสนใจมาก ซึ่งผมจะเล่าให้ฟังในอนาคตครับ
<หมายเหตุ>
*หลักการนี้ สอดคล้องกับภาพของกลศาสตร์คลื่น โดยโอกาสในการพบอนุภาคขึ้นอยู่กับการกระจายตัวของฟังก์ชันคลื่น ซึ่งจะยกตัวอย่างเป็น 2 กรณี
1. หากคลื่นมีการกระจายตัวแบบทั่วๆ เท่ากับความไม่แม่นยำของตำแหน่งมีค่ามาก แต่นั่นจะทำให้เราระบุความยาวคลื่นได้ชัดเจน เพราะคลื่นมีการกระจายตัวที่สม่ำเสมอชัดเจน ซึ่งโมเมนตัมของอนุภาคหาได้จากความยาวคลื่น
2.หากคลื่นกระจุกเป็นก้อน เท่ากับระบุตำแหน่งได้ชัดเจน แต่โมเมนตัมจะไม่แม่นยำ เพราะคลื่นที่กระจุกตัวเป็นก้อนนั้นยากต่อการระบุความยาวคลื่น หรือพูดให้ชัดเจนกว่านั้นคือมันเกิดจากการรวมกันของคลื่นต่างๆความยาวคลื่นจำนวนมาก ทำให้ค่าความไม่แน่นอนของความยาวคลื่นมีค่ามากนั่นเอง
**นอกจากนี้ มันยังส่งผลต่อเรื่องเจตจำนงอิสระ (free will) ว่ามนุษย์มีอิสระในการเลือกหรือไม่อีกด้วย ซึ่งประเด็นนี้เป็นปรัชญาที่ค่อนข้างับซ้อนจึงยังไม่กล่าวถึงในบทความนี้
- 12
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
