EPR paradox
ปรากฏการณ์ที่โยงใยคนละฟากของเอกภพได้
ทฤษฎีควอนตัมนั้นใช้อธิบายปรากฏการณ์เล็กๆ ในระดับอะตอมได้เป็นอย่างดี แต่ปรัชญาพื้นฐานของมันเป็นสิ่งที่ขัดกับหลักการของฟิสิกส์แบบคลาสสิกอย่างมาก ทำให้ยุคที่ทฤษฎีควอนตัมถูกพัฒนาขึ้นมาได้ไม่นานนัก นักฟิสิกส์มากมายพยายามมองหาช่องโหว่และความไม่สมบูรณ์ของทฤษฎีควอนตัมทุกวิถีทาง หนึ่งในนั้นคือ สุดยอดนักฟิสิกส์โลกอย่างอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์
หลักการสำคัญหนึ่งของทฤษฎีควอนตัมคือ สถานะของระบบจะถูกกำหนดก็ต่อเมื่อมีการวัดค่าเกิดขึ้น ลองนึกถึงการโยนเหรียญสักเหรียญเพื่อเสี่ยงทายหัว-ก้อย นะครับ เมื่อเราโยนเหรียญขึ้นไปในอากาศแล้วเอามือตบมันลงอย่างรวดเร็ว เรารู้ดีว่าในตอนนั้น เหรียญย่อม "ถูกกำหนดไว้เรียบร้อยแล้ว" ว่าออกหัวหรือก้อย เพียงแต่เรามองไม่ทันว่ามันออกอะไรกันแน่
แต่ในมุมมองของทฤษฎีควอนตัม ถ้าเหรียญมีขนาดเล็กลงๆจนอยู่ในระดับเดียวกับอิเล็กตรอน การออกหัวก้อยจะไม่ถูกระบุจนกว่าจะมีการเปิดขึ้นมาดู โดยก่อนหน้านั้นมันจะอยู่ในสถานะซ้อนทับระหว่างหัวกับก้อย!
แม้ว่าหลักการนี้จะดูแปลกและขัดกับสามัญสำนึก แต่มันเป็นคำอธิบายที่สอดคล้องกับตัวทฤษฎีควอนตัมและการทดลองอย่างมาก จนไม่มีใครไปสั่นคลอนได้
(แอร์วิน ชเรอดิงเงอร์ นักฟิสิกส์ผู้สร้างสมการหลักของทฤษฎีควอนตัมก็ทำใจรับหลักการนี้ไม่ได้ ทำให้เขาสร้างการทดลองในจินตนาการเรื่อง แมวของชเรอดิงเงอร์ อันโด่งดังออกมาเพื่อโต้แย้งนั่นเอง)
อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ เชื่อว่าแนวคิดนี้ไม่ถูกต้อง กล่าวคือ ระบบทางควอนตัมแท้จริงแล้วถูกกำหนดได้แน่นอนก่อนการวัดไม่ต่างอะไรกับเหรียญ เพียงแต่โลกในระดับอะตอมอาจจะมีตัวแปรซ่อนเร้นบางอย่างที่เรายังไม่เข้าใจหรือตรวจจับไม่พบ ส่งผลให้ดูเหมือนกับว่าสถานะก่อนการวัดยังไม่ถูกกำหนดลงไปอย่างแน่นอน
ในปี ค.ศ. 1935 สามนักฟิสิกส์อย่าง อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) , บอริส โพโดลสกี (Boris Podolsky) และ นาธาน โรเซน (Nathan Rosen) ตีพิมพ์งานวิจัยที่กลายเป็นตำนาน โดยเนื้อหาของงานแสดงให้เห็นว่า หากหลักการของทฤษฎีควอนตัมเป็นจริง มันจะนำไปสู่ผลลัพธ์ที่ไม่น่าเป็นไปได้ ดังนั้นทฤษฎีควอนตัมจึงไม่สมบูรณ์ และระบบทางควอนตัมถูกกำหนดไว้ตั้งแต่ก่อนการวัดจะเกิดขึ้นแล้ว งานวิจัยนี้ถูกเรียกว่า EPR paradox ซึ่งตั้งตามชื่อของนักฟิสิกส์ทั้งสามข้างต้น
แนวคิดของ EPR paradox นั้นซับซ้อนมาก
ผมจะขอเล่าเวอร์ชันที่น่าจะเข้าใจได้ง่ายที่สุดให้ฟังดังนี้
อนุภาคชื่อไพออน นั้นไม่เสถียร มันสามารถสลายตัวให้อิเล็กตรอนกับโพสิตรอนได้ โดยที่อนุภาคทั้งสองเป็นคู่อนุภาค-ปฏิอนุภาคกัน หากไพออนอยู่นิ่งๆ อิเล็กตรอนกับโพสิตรอนย่อมพุ่งออกไปในทิศทางตรงข้ามกันเพื่อให้โมเมนตัมของระบบมีค่าเท่าเดิม (หลักการเดียวกับที่เวลายิงปืนแล้วเราถอยกระเด็นไปในทิศทางตรงข้ามกับกระสุน)
อนุภาคอย่างอิเล็กตรอนและโพสิตรอน มีคุณสมบัติหนึ่งที่เรียกว่า สปิน (spin) ซึ่งเป็นไปได้เพียง สองค่าคือ ขึ้น (up) หรือลง (Down) โดยทั้งสองจะต้องมีค่าสปินแตกต่างกัน จะเป็นค่าเดียวกันไม่ได้ เพราะถ้าเป็นค่าเดียวกันจะทำให้หลักการอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุมของระบบมีปัญหา
สรุปคือ ถ้าอิเล็กตรอนสปินขึ้น โพสิตรอนจะต้องสปินลง และ ถ้าโพสิตรอนสปินขึ้น อิเล็กตรอนต้องสปินลง อย่างแน่นอน
แต่หลักการของทฤษฎีควอนตัมบอกเราว่า ก่อนการวัดค่าสปิน อิเล็กตรอนอยู่ในสถานะคลื่นที่ซ้อนทับกันระหว่างขึ้นกับลง และมันจะออกเป็นขึ้นหรือลง ก็ต่อเมื่อมีการวัดเกิดขึ้นแล้ว แต่ปัญหาคือ อนุภาคที่อยู่ห่างกันรู้ได้อย่างไรว่าอีกฝ่ายหนึ่งมีค่าสปินเป็นอะไร
ความประหลาดจะยิ่งปรากฏชัดเจน เมื่อให้ผู้สังเกตทั้งสองคนยืนอยู่ห่างกันสิบปีแสงหรือมากกว่านั้น สปินของทั้งสองอนุภาคยังอยู่ในสถานะซ้อนทับจนกระทั่งมีการวัดเกิดขึ้น ดังนั้นหากอิเล็กตรอนออกค่าสปินขึ้น แล้วโพสิตรอนที่อยู่ห่างไกลออกไปสิบปีแสง ไม่รู้ว่าอิเล็กตรอนออกค่าสปินอะไร โพสิตรอนอาจจะเผลอออกค่าสปินเดียวกับอิเล็กตรอนได้ ซึ่งเป็นการละเมิดหลักการอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุม แต่ถ้าโพสิตรอนรู้ว่าอิเล็กตรอนมีสปินเป็นอะไรในพริบตา ก็ยิ่งแปลก เพราะระยะทางไกล 10 ปีแสงจะไม่สามารถขวางกั้นอนุภาคทั้งสองจากการรับรู้กันและกันได้เลยหรือ
หลักการทางควอนตัมทำให้เกิดความย้อนแย้งไม่ว่าจะเลือกทางไหนก็ตาม
นี่คือ EPR paradox ที่สร้างความกระอักกระอ่วนให้กับนักฟิสิกส์สายควอนตัมในยุคนั้นอย่างมาก
หลายคนอ่านมาถึงตรงนี้อาจจะรู้สึกว่า ไม่เห็นจะมีข้อขัดแย้งตรงไหน
เราอาจจินตนาการว่าตนเองกำลังถือรองเท้าแตะสองข้าง ซ้ายกับขวา แล้วหมุนตัวอย่างรวดเร็วจนฝุ่นตลบ จากนั้นก็สุ่มโยนให้เพื่อนสองคนที่อยู่ห่างกันรับไว้ ถ้าเพื่อนคนหนึ่งรับรองเท้าข้างซ้าย อีกคนย่อมได้รับรองเท้าข้างขวาแน่ๆ ไม่มีอะไรน่าแปลก แต่หากทำให้รองเท้ามีขนาดเล็กลงจนอยู่ในระดับเดียวกับอนุภาคอย่างอิเล็กตรอน เราจะพบว่าสถานะความเป็นซ้าย-ขวา จะไม่เกิดขึ้นจนกว่าจะมีการรับรองเท้านั้นมาทำการสังเกตดู
ปัญหานี้ค้างคาในโลกควอนตัมในฐานะปรัชญาอันลึกซึ้งจนกระทั่งปี ค.ศ. 1964 นักฟิสิกส์ชื่อ จอห์น สจ๊วต เบลล์ (John Stewart Bell) แสดงให้เห็นความเป็นไปได้ว่าเราสามารถตรวจสอบความถูกต้องของ EPR paradox ด้วยการทดลองได้ กล่าวคือ สถานะระบบถูกกำหนดก่อนการวัดหรือหลังการวัดสามารถให้ผลการทดลองออกมาแตกต่างกันได้
การทดลองที่เกิดจากแนวคิดของเบลล์ เพื่อทดสอบ EPR
ต่อมาในปี ค.ศ. 1982 Alain Aspect นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสทำการทดลองเพื่อพิสูจน์ความจริงเรื่องนี้ ผลการทดลองชี้ให้เห็นว่า ระบบทางควอนตัมนั้นไม่ได้ถูกกำหนดก่อนการวัด อิเล็กตรอนกับโพสิตรอนสามารถรับรู้สถานะของกันและกันได้แบบฉับพลันทันที แม้ว่าทั้งสองจะอยู่ห่างกันคนละฟากของเอกภพก็ตาม สถานะที่โยงใยสองอนุภาคนี้เข้าด้วยกันเรียกว่า การพัวพันเชิงควอนตัม (Quantum entanglement) ซึ่งทุกวันนี้นักฟิสิกส์มีการต่อยอดไปเชิงทฤษฎีมากมาย และมีการแสวงหาความเป็นไปได้ในการนำมาประยุกต์ใช้
อย่างไรก็ตาม สิ่งหนึ่งที่ต้องเข้าใจคือ การพัวพันเชิงควอนตัม ไม่ได้ขัดแย้งกับทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษที่ชี้ว่าเราไม่มีทางส่งสัญญาณได้เร็วกว่าแสง เพราะ สถานะพัวพันไม่สามารถถูกใช้ในการส่งสัญญาณได้ กล่าวคือ การวัดสปินของอิเล็กตรอนนั้นไม่สามารถกำหนดลงไปได้ว่าจะให้อิเล็กตรอนมีสปินเป็นขึ้นหรือลง แต่สปินจะมีค่าสุ่มๆ เราจึงไม่สามารถใช้ส่งสัญญาณได้นั่นเอง
กล่าวได้ว่า การพยายามจับผิดทฤษฎีควอนตัมของไอน์สไตน์ กลายเป็นอีกหนึ่งการพัฒนาครั้งใหญ่ของทฤษฎีนี้อีกครั้ง
- 49
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
