จับผิดผีไอน์สไตน์ ถึงรางวัลโนเบล และเทคโนโลยี “สตาร์เทรค”

วันที่ 4 เดือนตุลาคม พ.ศ. 2565 ราชสภาวิทยาศาสตร์สวีเดน (The Royal Swedish Academy of Science) ประกาศผลรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ ประจำปี พ.ศ.2565!

มีผู้ได้รับรางวัล 3 คน คือ อะลอน แอสเปกต์ (Alain Aspect), จอห์น เอฟ. เคลาเซอร์ (John F. Clauser) และ อันตัน เซลลิงเกอร์ (Anton Zelliger) สำหรับผลงานเกี่ยวกับ “Quantum Entanglement” หรือ “ความพัวพันเชิงควอนตัม”

เมื่อกล่าวถึง “ความพัวพันเชิงควอนตัม” แฟน ๆ นักดูหนังวิทยาศาสตร์ ก็มักจะนึกถึงภาพยนตร์วิทยาศาสตร์ ชุด “สตาร์เทรค” (Star Trek) ที่ กัปตัน เคิร์ก (ในภาพยนตร์โทรทัศน์ Star Trek ชุดแรก ออกฉายปี พ.ศ. 2509) สามารถเดินทางจากยาน “เอนเตอร์ไพรส์” ลงสู่ดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะ หรือในกาแล็กซีอื่น ได้อย่างสะดวกสบาย โดยเครื่องส่งถ่ายสสาร “ทรานสปอร์ตเตอร์” (transporter)

หรือย้อนหลังไปก่อนสตาร์เทรคทีวีตอนแรกแปดปี ก็จะนึกถึงภาพยนตร์วิทยาศาสตร์สยองขวัญคลาสสิกเรื่อง The Fly (พ.ศ.2501) ที่นักวิทยาศาสตร์ทดลองเครื่องส่งถ่ายสสาร แล้วบังเอิญมีแมลงวันตัวหนึ่ง บินเข้าไปในเครื่อง จึงเกิดการสลับร่างและหัว เป็น “คนหัวแมลงวัน” และ “แมลงวันหัวคน”

ภาพยนตร์โทรทัศน์ และภาพยนตร์จอเงิน ชุด Star Trek มี วิลเลียม แชตเนอร์ (William Shatner) แสดงนำในชุดแรก และ อัล เฮดิสัน (Al Hedison), วินเซนต์ ไพรซ์ (Vincent Price) แสดงนำในภาพยนตร์ The Fly

ปัจจุบัน (พ.ศ.2565) วิลเลียม แชตเนอร์ อายุ 91 ปี เป็นมนุษย์มีอายุมากที่สุด ที่ได้เดินทางขึ้นสู่อวกาศ กับยานอวกาศบริษัท Blue Origin เมื่อวันที่ 31 ตุลาคม พ.ศ.2564 ของเจฟฟ์ เบซอส (Jeff Bezos)

การที่ผลงานวิทยาศาสตร์จริงๆ เกี่ยวกับการพัวพันเชิงควอนตัม ได้รับรางวัลโนเบล แสดงว่า เทคโนโลยีการส่งถ่ายสสารด้วยการพัวพันเชิงควอนตัม เกิดขึ้นได้แล้วจริงๆ ใช่หรือไม่?

จริงหรือไม่ มีการส่งถ่ายสสารด้วยการพัวพันเชิงควอนตัม กับสิ่งมีชีวิตจริงๆ แล้ว?

หรือตรงๆ เทคโนโลยีการส่งถ่ายสสาร ดังในสตาร์เทรค เกิดขึ้นได้จริงๆ แล้วใช่ไหม?

“เชื่อ คิด และทำอย่างวิทยาศาสตร์” วันนี้ ขอนำท่านผู้อ่านไปค้นหาคำตอบสำหรับคำถามเหล่านี้ด้วยกัน

จุดเริ่มต้นเรื่องนี้ เกิดขึ้นตั้งแต่เมื่อต้นศตวรรษที่ยี่สิบ กับกำเนิดของทฤษฎีควอนตัม และทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ ที่มีความขัดแย้งกันในประเด็นใหญ่ บางเรื่อง

แต่คนที่จุดประเด็นเรื่อง “การพัวพันเชิงควอนตัม” ขึ้นมาโดยตรง คือ ไอน์สไตน์ จากความคิดความรู้สึก และความเข้าใจของไอน์สไตน์ ที่ไม่ชอบทฤษฎีควอนตัมนัก ทั้งๆ ที่ไอน์สไตน์เอง ก็มีบทบาทสำคัญช่วยในการพัฒนาทฤษฎีควอนตัม

ไอน์สไตน์ จุดประเด็นเรื่องปรากฏการณ์การพัวพันเชิงควอนตัมขึ้นมา ในบทความชื่อ “Can Quantum Mechanical Description Of Physical Reality Be Considered Complete” (ความเป็นจริงเชิงกายภาพตามกลศาสตร์ควอนตัม มีความสมบูรณ์หรือไม่?) ตีพิมพ์ในวารสาร Physical Review วันที่ 15 พฤษภาคม พ.ศ. 2478

บทความนี้ กลายเป็นบทความสำคัญที่สุดบทความหนึ่ง ในประวัติวิทยาศาสตร์ และรู้จักเรียกกันเป็น “บทความอีพีอาร์” (EPR article) โดยที่ EPR เป็นชื่อย่อของผู้เขียนบทความนี้สามคน โดย E คือ Einstein (ไอน์สไตน์), P คือ Podolsky (โบริส โพโดลสกี : Boris Podolsky) และ R คือ Rosen (นาทาน โรเซน : Nathan Rosen)

ในบทความนี้ ไอน์สไตน์ และผู้ร่วมเขียน ตั้งโจทย์ในรูปของการทดลองในความคิด สมมติว่า มีอนุภาคหรือระบบสองระบบ ที่เกิดขึ้นจากกระบวนการควอนตัม เช่น การสลายตัวของพลังงาน แล้วเกิดเป็น อนุภาคคู่กันขึ้นมา ซึ่งอนุภาคที่เกิดคู่กัน ก็จะเคลื่อนที่ออกไปจากกัน และซึ่งตามหลักของควอนตัม อนุภาคทั้งสอง ก็จะมีคุณสมบัติทางกายภาพ เช่น โมเมนตัม และตำแหน่งที่เกี่ยวโยงกัน ...

และถ้าเราวัดโมเมนตัมของอนุภาคหนึ่ง ตามหลักของควอนตัม อนุภาคอีกตัวหนึ่ง ก็จะต้องมีโมเมนตัมอีกอย่างหนึ่งในทันที ไม่ว่าอนุภาคทั้งสองนั้น จะอยู่ห่างไกลกันแค่ไหน

ณ จุดนี้เอง ไอน์สไตน์ชี้ว่า เป็นปัญหาเพราะแสดงว่าอนุภาคทั้งสอง จะต้องสามารถส่ง และรับสัญญาณ เรื่องโมเมนตัมในทันที ไม่ว่าจะอยู่ห่างกันแค่ไหน แม้แต่คนละฟากของกาแล็กซี ซึ่งก็จะขัดกับทฤษฎีสัมพัทธภาพ ที่สัญญาณระหว่างอนุภาคทั้งสอง จะเกินทางถึงกันได้เร็วกว่าแสง

ไอน์สไตน์ จึงสรุปว่า ปรากฏการณ์แบบที่ได้ยกตัวอย่างในการทดลองทางความคิดนี้ เกิดขึ้นไม่ได้ นำมาสู่ข้อสรุป เป็นการตั้งคำถามถึงความไม่สมบูรณ์ของทฤษฎีควอนตัม ที่ปรากฏการณ์ดังกล่าวนี้เกิดขึ้นได้

จริงๆ แล้ว ปรากฏการณ์ที่ไอน์สไตน์กล่าวถึง ก็คือ เรื่องของ quantum entanglement ที่รู้จักเรียกกันทุกวันนี้นั้นเอง แต่ไอน์สไตน์ยังไม่ได้ใช้คำ “entanglement” ในบทความอีซีอาร์

ผู้ที่ตั้งคำ “entanglement” ขึ้นมา คือ เออร์วิน ชโรดิงเงอร์ (Erwin Schrodinger) นักฟิสิกส์ชาวออสเตรีย ผู้ตั้งสมการมีชื่อเรียกตามชื่อของเขาว่า สมการชโรดิงเงอร์ (schrodinger equation)

สมการชโรดิงเงอร์ เป็นสมการที่นักฟิสิกส์ใช้ในการคำนวณโจทย์ทางควอนตัม แบบเดียวกับที่สมการการเคลื่อนที่ของนิวตัน (F = ma) ที่ใช้ในการคำนวณเกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของวัตถุ

ชโรดิงเงอร์ ใช้คำ “entanglement” ในจดหมายที่เขาเขียนถึง ไอน์สไตน์ หลังจากที่ได้อ่านบทความอีพีอาร์

หลังจากนั้นมา คำ “entanglement” จึงกลายเป็นคำมีความหมายเฉพาะทางฟิสิกส์ ที่ใช้กันต่อๆ มา และเรียกกันเต็มๆ เป็น “quantum entanglement” หรือ “ความพัวพันเชิงควอนตัม” เพราะเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นได้เฉพาะในโลกของควอนตัม

แล้วคำกล่าว “ฝีมือผีทางไกล” ของไอน์สไตน์ โผล่ขึ้นมาตอนไหน?

ก็หลังจากที่ ไอน์สไตน์ได้รับจดหมายของชโรดิงเงอร์ และไอน์สไตน์ ก็ตอกย้ำ ความคิดของไอน์สไตน์ในปี พ.ศ.2478 นั่นเอง ถึงความไม่สมบูรณ์ของทฤษฎีควอนตัม ว่า ปรากฏการณ์การพัวพันเชิงควอนตัม เกิดขึ้นไม่ได้ เพราะมันเป็น “ฝีมือ ผีทางไกล”

ตลอดช่วงเวลา ตั้งแต่เมื่อปี พ.ศ. 2478 ที่ไอน์สไตน์เรียกการพัวพันเชิงควอนตัม เป็นฝีมือผีทางไกล จนกระทั่งถึงวันที่ไอน์สไตน์จากโลกไป (พ.ศ. 2498) ก็มีความพยายามในวงการฟิสิกส์ ที่จะพิสูจน์ว่า คำกล่าวของไอน์สไตน์ นั้น ถูกต้องหรือไม่?

โดยทั่วไป กล่าวได้ว่า ความคิดเห็นของนักฟิสิกส์ส่วนใหญ่เห็นว่าไอนสไตน์น่าจะผิด แต่ก็ไม่มีหลัก หรือการพิสูจน์ใดๆ ที่จะชี้ชัดได้ว่า ไอน์สไตน์ถูกหรือผิด

ไอน์สไตน์ จึงจากโลกไปพร้อมกับความมั่นใจว่า “ฝีมือผีทางไกล” นั้นถูก!

แต่เมื่อไอน์สไตน์ จากไปเป็นเวลาประมาณเกือบสิบปี เสียงของฝ่ายที่เห็นว่า ไอน์สไตน์ น่าจะผิด ก็เริ่มดังอย่างชัดเจนขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่ง กับ “Bell inequality” หรือ “หลักความไม่เสมอภาคเบลล์” ของ จอห์น สจวร์ต เบลล์ (John Stewart Bell) เมื่อปี พ.ศ.2507

จากนี้ ก็มาถึงสามผลงานรางวัลโนเบล สาขาฟิสิกส์ ประจำปี พ.ศ.2565 เริ่มจาก เคลาเซอร์ เมื่อปี พ.ศ.2515 ที่ออกแบบการทดลองเพื่อทดสอบ “หลักความไม่เสมอภาคเบลล์”

ขยายความต่อสำหรับการทดสอบหลักความไม่เสมอภาคเบลล์ โดย แอสเปกต์ ในปี พ.ศ.2524

ถึงบทสรุปการทดลอง โดย เซลลิงเกอร์ เมื่อปี พ.ศ.2541 ที่แสดงให้เห็นว่า “การพัวพันเชิงควอนตัม” ของสองอนุภาค เกิดขึ้นได้จริง

ที่สำคัญ เซลลิงเกอร์ ได้แสดงให้เห็นเป็นครั้งแรกว่า “quantum teleportation” (การส่งถ่ายหรือเทเลพอร์ตควอนตัม) เกิดขึ้นได้จริง โดยการเทเลพอร์ตโฟตอน (อนุภาคของแสง) 1 ตัว เป็นระยะทาง 1 เมตร ในห้องทดลอง

จึงมาถึงบทสรุปชัดเจนว่า คำกล่าวของไอน์สไตน์ ถึง “ฝืมือผีทางไกล” นั้นผิด !

ไอน์สไตน์จะรู้สึกอย่างไร ถ้ายังมีชีวิตอยู่ถึงวันที่ “ผีทางไกล” ของเขาถูกจับได้ว่าผิด?!

ไอน์สไตน์ เป็นคนกล้านำเสนอความคิดแปลกใหม่ ที่ไม่มีใครกล้าคิดมาก่อน

โดยปกติ ไอน์สไตน์ เป็นคนได้ชื่อว่า “หัวรั้น” มีความเชื่อมันในความคิดที่แปลกใหม่ของตน

แต่ก็จะยอมรับ ถ้าความคิดของตนเอง มีหลักฐานชัดเจนว่าผิด!

เมื่อนักวิทยาศาสตร์เยอรมัน จำนวน 100 คน ลงนามในแถลงการณ์ “One Hundred Authors Against Einstein” (หนึ่งร้อยรายชื่อต่อต้านไอน์สไตน์) เมื่อปี พ.ศ.2474 ประณามทฤษฎีสัมพัทธภาพ ของไอน์สไตน์ว่าผิด! ไอน์สไตน์ กล่าวว่า ......

“ไม่จำเป็นต้องมีนักวิทยาศาสตร์ถึง 100 คน ออกมาประกาศว่า ทฤษฎีสัมพัทธภาพนั้น ผิด เพราะเพียงความจริงข้อเดียวว่า สัมพัทธภาพ ผิด ก็เพียงพอแล้ว!”

ถ้าไอน์สไตน์ มีชีวิตอยู่ถึงวันที่ “ผีทางไกล” ถูกจับผิด ผู้เขียนเชื่อว่า ไอน์สไตน์ ก็จะ “เสียใจ” ที่ความคิดของตนเกี่ยวกับ ความพัวพันเชิงควอนตัม นั้น ผิด

แต่ไอน์สไตน์ก็จะ “ยอมรับ” และถือเป็น “ความก้าวหน้ายิ่งใหญ่ของวิทยาศาสตร์” เพราะไอน์สไตน์ ก็กล่าวเสมอว่า “ความก้าวหน้าของวิทยาศาสตร์ จะเกิดขึ้นได้กับการ กล้าคิดใหม่ และไม่ยึดติดกับความคิดเก่า ไม่ว่าจะเป็นความคิดที่ยิ่งใหญ่ หรือสำคัญแค่ไหน!”

จากนี้ ก็มาถึงเวลาของคำตอบสำหรับประเด็นคำถามที่เราตั้งเอาไว้ โดยผู้เขียนจะขอสรุปเป็นคำถาม – คำตอบ ดังต่อไปนี้ .....

• ความพัวพันเชิงควอนตัม หรือ quantum entanglement เป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นได้จริงใช่หรือไม่?

คำตอบตรงๆ คือ ใช่ ปรากฏการณ์ความพัวพันเชิงควอนตัม มีทั้งที่เกิดเองในธรรมชาติ และที่ถูกสร้างขึ้นมาโดยนักวิทยาศาสตร์

ตัวอย่างความพัวพันเชิงควอนตัม ที่เกิดขึ้นเองในธรรมชาติ มีเช่น อิเล็กตรอน ซึ่งอยู่เป็นชั้นๆ รอบนิวเคลียส ของอะตอม จะอยู่แบบมีความพัวพันกันเชิงควอนตัม มิได้อยู่กันได้อย่างอิสระ

ส่วนความพัวพันเชิงควอนตัม ที่ถูกสร้างขึ้นมา มีตัวอย่างมากมาย ทั้งที่เป็นอนุภาคของแสง (โฟตอน) และอนุภาคพื้นฐานทั่วไปจำพวกอิเล็กตรอน โปรตอน และที่เป็นอะตอม ถึงกลุ่มของอะตอม และระยะทางระหว่างอนุภาค หรือกลุ่มอะตอม ที่พัวพันกัน ก็เพิ่มขึ้นเป็นระดับพันกิโลเมตร ระหว่างโลกกับอวกาศ

• จริงหรือไม่ นักวิทยาศาสตร์สามารถสร้างความเกี่ยวพันเชิงควอนตัม กับสิ่งมีชีวิตได้แล้ว?

คำตอบคือ มีรายงานการทดลองทำให้เกิดความพัวพันเชิงควอนตัม กับสิ่งมีชีวิตมาแล้วจริง สองชนิด คือ แบคทีเรีย และหมีน้ำ (Tardigrade) ที่เป็นสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลัง มีแปดขา ตัวเล็กๆ ขนาดใหญ่ที่สุดเพียง 1.5 มิลลิเมตร มีความทนทานต่อสภาพแวดล้อมอันสุดโต่ง ทั้งอุณหภูมิ ความดัน อาหาร น้ำ และแม้แต่ในอวกาศ

สำหรับแบคทีเรีย มีรายงานตีพิมพ์ในวารสาร Journal Of Physics Communications วันที่ 10 ตุลาคม พ.ศ. 2561 รายงานการทดลองความพัวพันเชิงควอนตัม ระหว่างแบคทีเรียกับโฟตอน (เกี่ยวกับการสังเคราะห์แสง)

ส่วนกรณีของ หมีน้ำ มีรายงานตีพิมพ์ในวารสาร arXiv (ยังไม่ผ่านการตรวจสอบโดยผู้เชี่ยวชาญ) วันที่ 16 ธันวาคม พ.ศ. 2564 การทดลองทำความพัวพันเชิงควอนตัม กับ หมีน้ำ ซึ่งถ้าเป็นจริง ก็จะเป็นครั้งแรกของการทำความพัวพันเชิงควอนตัม กับสิ่งมีชีวิตระดับเป็น สัตว์

อย่างไรก็ตาม สำหรับการทดลองทำความพัวพันกับสิ่งมีชีวิต ตามรายงานทั้งกรณีของแบคทีเรีย และหมีน้ำ ยังมีการตั้งข้อสงสัยว่า สิ่งที่เกิดขึ้นยังมิใช่การทำความพัวพันเชิงควอนตัมอย่างแท้จริง

• การส่งถ่ายสสารแบบเครื่องทรานสปอร์ตเตอร์ในภาพยนตร์สตาร์เทรค ล่ะ?

คำตอบตรง ๆ คือ ยังไม่ได้ เพราะยังซับซ้อน ยาก และต้องใช้พลังงานที่เกี่ยวข้อง กล่าวกันว่า มหาศาลอย่างสุดๆ ถ้าจะส่งถ่าย “กัปตันเคิร์ก” จากยานเอนเตอร์ไพรส์ ลงสู่ดาวเคราะห์เบื้องล่างจริง ๆ เนื่องจากการส่งถ่าย หรือเทเลพอร์ตควอนตัม ที่ทำกันได้ ยังอยู่ในระดับอนุภาค หรือกลุ่มอนุภาคที่ไม่ใหญ่นัก และจริงๆ แล้ว สิ่งที่ทำกันได้ ก็เป็นเพียงการส่งถ่าย หรือเทเลพอร์ตสถานะเชิงควอนตัม (quantum state) ในรูปของข้อมูลข่าวสาร เท่านั้น

อีกปัญหาหนึ่งที่มีการกล่าวถึง สำหรับการส่งถ่ายสสารแบบสตาร์เทรค ก็คือ จริงๆ แล้ว ก็จะขัดกับทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ เพราะถ้าต้องมีการขนย้ายสสาร ก็จะไม่สามารถทำได้อย่างทันทีทันใด ดังกรณีการส่งถ่ายข้อมูลข่าวสารของการพัวพันเชิงควอนตัม นั่นคือ ก็จะต้องทำได้ด้วยความเร็ว ที่ต่ำกว่า ความเร็วแสง เสมอ

ซึ่งก็หมายความว่า กรณีของการส่งถ่ายสสารแบบสตาร์เทรค คำกล่าวของไอน์สไตน์ ว่าเป็น “ฝีมือผีทางไกล” ก็จะยัง ไม่ผิด!

• ถ้าความพัวพันเชิงควอนตัม ไม่สามารถจะทำให้เทคโนโลยีการส่งถ่ายสสารแบบในภาพยนตร์ สตาร์เทรค ให้เกิดขึ้นได้ แล้วความพัวพันเชิงควอนตัม จะมีประโยชน์อะไร?

คำตอบคือ ลำพังเพียงแค่การทำความพัวพันเชิงควอนตัม ที่ส่งถ่ายเฉพาะข้อมูลข่าวสาร ก็ได้เปิดโอกาสการวิจัย และประยุกต์ใช้กลศาสตร์ควอนตัม เกี่ยวกับข้อมูลข่าวสารเชิงควอนตัม ที่แปลกใหม่มากมาย ดังเช่น ควอนตัมคอมพิวเตอร์ , เครือข่ายคอมพิวเตอร์ (computer network) และการสื่อสารเข้ารหัสควอนตัม (quantum encryption) ที่ดักฟัง หรือถอดรหัสได้ยาก

ที่สำคัญ ถึงแม้ความคิดความเข้าใจของนักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่ ถึงวันนี้ จะมองว่า เทคโนโลยีการส่งถ่ายสสารแบบสตาร์เทรคไม่น่าจะเกิดขึ้นได้ ...

แต่ก็มีนักวิทยาศาสตร์จำนวนหนึ่ง รวมถึงผู้เขียนด้วย ที่นึกถึง “กฎข้อที่หนึ่ง” (ในจำนวนสามข้อ) ของ อาเธอร์ ซี. คลาร์ก เกี่ยวกับ “ความเป็นไปได้หรือไม่ของวิทยาศาสตร์ และเทคโนโลยีอนาคต” ความว่า ......

ถ้านักวิทยาศาสตร์อาวุโส ที่สำคัญคนหนึ่ง กล่าวว่า อะไรสักอย่างอาจเป็นไปได้ ก็จงแน่ใจได้เลยว่า “เขาพูดถูก” แต่ถ้าเขากล่าวว่า มันเป็นไปไม่ได้ ก็เกือบจะเชื่อได้เลยว่า “เขาพูดผิด”

แล้วท่านผู้อ่านล่ะครับ คิดอย่างไรกับเรื่องเทคโนโลยีการส่งถ่ายสสารแบบสตาร์เทรค?

ท่านเห็นด้วย กับกฎข้อที่หนึ่งของคลาร์ก หรือไม่?