หลักแห่งการวัดกับทฤษฎีควอนตัม
การวัดปริมาณอะไรบางอย่างเป็นกิจกรรมธรรมดาสามัญที่เกิดขึ้นในชีวิตประจำวันทั่วไปของมนุษย์เรา ทั้งการชั่งน้ำหนักผลไม้ จับเวลาที่ใช้ในการเดินทาง วัดความยาวของสมุด ฯลฯ ในทางฟิสิกส์แบบคลาสสิกนั้น เบื้องหลังการวัดมีแนวคิดพื้นฐานหลักๆ ที่ได้รับความเชื่อถือมา โดยตลอด ได้แก่
1. เราสามารถวัดปริมาณต่างๆด้วยความแม่นยำสูงเท่าไหร่ก็ได้ ขึ้นอยู่กับอุปกรณ์หรือเทคโนโลยีที่เราใช้ในการวัด
2. การวัดไม่ได้ส่งผลกระทบใดต่อปริมาณที่เราวัด เช่น เมื่อเราใช้ไม้บรรทัดวัดความยาวสมุดด้านหนึ่ง เมื่อวัดเสร็จไปแล้ว ไปวัดความหนาของสันสมุด แล้วกลับมาวัดความยาวด้านเดิมที่วัดไปตอนแรก จะทำแบบนี้สักกี่ครั้งด้านของสมุดก็ต้องยาวเท่าเดิม และปริมาณอื่นๆก็เป็นแบบนี้เช่นกัน
3. ปริมาณต่างๆในธรรมชาติมีอยู่ก่อนเราทำการวัด สมุดก็มีความยาวของมันอยู่แล้ว พอเราไปทำการวัดความยาว เราเลยได้ค่าความยาวที่เราวัดออกมา
แนวคิดพื้นฐานเหล่านี้มีความชัดเจนมาก จนแทบไม่ต้องอธิบายอะไรเพิ่มเติม แต่ปรากฏการณ์ทางควอนตัมทำให้นักฟิสิกส์ค้นพบว่า มีหลายๆกรณีที่แนวคิดพื้นฐานเหล่านี้ไม่เป็นจริง! ในช่วงที่ทฤษฎีควอนตัมถือกำเนิดขึ้นมานั้น นักฟิสิกส์จึงรู้สึกช็อกและหลายคนอาจจะถึงขั้นรับไม่ได้ ซึ่งเราจะไปดูกันทีละข้อว่าอะไรทำให้แนวคิดพื้นฐานเหล่านี้มีปัญหา
1. เราสามารถวัดปริมาณต่างๆด้วยความแม่นยำสูงเท่าไหร่ก็ได้ ขึ้นอยู่กับอุปกรณ์หรือเทคโนโลยีที่เราใช้ในการวัด
หลักสำคัญในทฤษฎีควอนตัมที่ทำให้นักฟิสิกส์ตระหนักถึงขีดจำกัดความแม่นยำในการวัดปริมาณ นั่นคือ หลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก
หลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก นั้นแสดงให้เห็นว่าปริมาณทางฟิสิกส์มากมายหลายคู่ ไม่สามารถถูกวัดให้แม่นยำอย่างไร้ขีดจำกัดไปพร้อมๆกันได้ เช่น ตำแหน่งและโมเมนตัม กล่าวคือถ้าเราวัดตำแหน่งของอนุภาคหนึ่งได้อย่างแม่นยำ เราจะไม่มีทางวัดโมเมนตัม(บางทิศ)ของมันได้อย่างแม่นยำได้ และในทางกลับกัน หากเราวัดโมเมนตัมของอนุภาคหนึ่งๆได้อย่างแม่นยำ เราจะไม่สามารถวัดตำแหน่ง(บางแกน)ของมันอย่างแม่นยำได้เลย
ขีดจำกัดนี้ไม่เกี่ยวกับวิธีหรือเทคโนโลยีการวัด แต่เป็นขีดจำกัดที่ฝังอยู่ในธรรมชาติที่ไม่มีใครแกะมันออกไปได้ ดังนั้นคู่ของปริมาณหลายๆคู่จึงไม่มีทางถูกวัดได้อย่างแม่นยำพร้อมๆกันได้ แต่ถ้าต้องการวัดตำแหน่งเพียงอย่างเดียว เราสามารถวัดตำแหน่งที่แม่นยำแค่ไหนก็ได้ แค่ไม่สามารถวัดให้แม่นยำพร้อมโมเมนตัมได้เท่านั้น
2. การวัดไม่ได้ส่งผลกระทบใดต่อปริมาณที่เราวัด
สปิน (spin) เป็นปริมาณทางฟิสิกส์ที่ตอบสนองต่อสนามแม่เหล็กของอนุภาคต่างๆ ถ้าในตอนเริ่มต้นอิเล็กตรอนอยู่ในเตาร้อนๆทำให้สปินชี้ทิศทางแบบสุ่มๆ ดังนั้นเมื่อทำการวัดสปินของกลุ่มอิเล็กตรอนที่ออกมาจากเตา โดยวัดในแนวแกน z เราย่อมได้ค่าที่เป็นบวกและลบ แยกออกจากกันอย่างชัดเจน เมื่อเราบล็อคค่า z- ไม่ให้ไปต่อ ก็จะเหลือแค่ z+ ที่ได้ไปต่อ และเมื่อเราทำการวัดสปินในแนวแกน z อีกครั้ง คราวนี้จะได้แต่ z+ อย่างชัดเจน ซึ่งฟังดูไม่ได้น่าตื่นเต้นอะไร (รูปa)
คราวนี้ ถ้าเราทำการวัดสปินในแนวแกน z แล้วทำอย่างเดิมคือ กำจัดเอา z- ทิ้ง ให้เหลือแค่ z+ จากนั้นทำการวัดสปินในแนว x พบว่าผลที่ได้คือ อิเล็กตรอนครึ่งหนึ่งเป็น x+ และอีกครึ่งหนึ่งเป็น x- (รูป2)
จากนั้นทำการทดลองแบบเดิม แต่คราวนี้กำจัดสปินที่อยู่ในแนว x- ทิ้งไปให้เหลือแต่ x+ แล้วนำมาวัดสปินในแนว z อีกครั้ง ผลการทดลองที่เกิดขึ้นคือ อิเล็กตรอนครึ่งหนึ่งมีสปินเป็น z+ และอีกครึ่งหนึ่งเป็น z-
เราจะอธิบายผลการทดลองนี้ว่าอย่างไร?
สปินในแนว z- กลับมาได้อย่างไรในเมื่อเราจำกัดมันทิ้งไปแล้ว นี่เป็นหนึ่งในความแปลกประหลาดทางควอนตัม การวัดสปินในแนว x นั้นได้ทำลายค่าสปินในแนว z ที่เราได้คัดเลือกเอาไว้ก่อนหน้านี้ไปแล้ว
จริงๆเมื่อมองในแง่ของหลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์กจะพบว่า สปินในแนวz กับในแนว x นั้นเป็นหนึ่งในคู่ปริมาณที่ไม่สามารถถูกวัดให้แม่นยำพร้อมกันได้ ดังนั้นการวัดสปินในแนว x จึงทำลายข้อมูลของสปินในแนว z ซึ่งก็สอดคล้องกับหลักความไม่แน่นอนเป็นอย่างดี
3.ปริมาณต่างๆ ในธรรมชาติล้วนมีอยู่ก่อนเราทำการวัด สมุดก็มีความยาวของมันอยู่แล้ว พอเราไปทำการวัดความยาว เราเลยได้ค่าความยาวที่เราวัดออกมา
ทฤษฎีควอนตัมแสดงให้เห็นว่า ก่อนจะทำการวัดปริมาณบางอย่าง สถานะทางควอนตัมอาจอยู่ในรูปการซ้อนทับของคลื่น ซึ่งในตอนนั้นปริมาณดังกล่าวยังไม่ถูกกำหนดว่ามีค่าเป็นอะไรกันแน่ แต่เมื่อเกิดการวัดขึ้นแล้ว คลื่นจะยุบตัว ทำให้เราวัดปริมาณออกมาได้
แนวคิดที่ว่า "ก่อนการวัด ปริมาณบางอย่างไม่ได้ถูกระบุว่ามีค่าอะไรกันแน่" ไม่ใช่แค่สมมติฐาน หรือเครื่องมือทางคณิตศาสตร์ในทฤษฎีควอนตัม แต่เป็นสิ่งที่ได้รับการตรวจสอบด้วยการทดลองได้ รายละเอียดของเรื่องนี้ซับซ้อน จึงไม่ขอกล่าวไว้ในบทความนี้ แต่มันทำให้นักฟิสิกส์อย่างเออร์วิน ชโรดิงเจอร์ถึงขั้นออกแบบการทดลองในความคิดเรื่องแมวของชโรดิงเจอร์เพื่อโต้ตอบความแปลกประหลาดนี้
อย่างไรก็ตาม จะเห็นได้ว่าทฤษฎีควอนตัมนั้นได้เปลี่ยนแปลงความคิดพื้นฐานเกี่ยวกับการวัดของนักฟิสิกส์ไปอย่างมาก โดยหลักพื้นฐานที่เป็นจริงสำหรับโลกในชีวิตประจำวันนั้น ไม่ได้เป็นจริงเสมอไปในโลกควอนตัม
- 27
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
