เจาะลึกรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2022 จากการทดลองสู่การบุกเบิกเทคโนโลยี

รางวัลโนเบล (Nobel Prize) เป็นรางวัลที่ตั้งขึ้นเพื่อมอบให้กับการวิจัยซึ่งสร้างการเปลี่ยนแปลงที่มีคุณูปการต่อโลกตามสาขาวิจัยต่าง ๆ และในสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2022 ก็ได้มอบรางวัลนี้ให้กับนักวิจัยด้านควอนตัมฟิสิกส์ 3 ท่าน ผู้ที่บุกเบิกการทดลองซึ่งทำลายข้อกังขาเกี่ยวกับสถานะทางควอนตัมลงได้เป็นผลสำเร็จ ส่งให้นักวิจัยและนักพัฒนาทั่วโลกนำองค์ความรู้นี้ไปใช้ในการสื่อสารและการส่งข้อมูลที่เรียกว่าสารสนเทศเชิงควอนตัม (Quantum Information)

สถานะทางควอนตัม ปัญหาโลกแตกแห่งศตวรรษที่ 20

นับตั้งแต่การกำเนิดทฤษฎีควอนตัม โลกของนักฟิสิกส์ก็แบ่งออกเป็นสองฝ่าย ฝ่ายหนึ่งนำโดยนีล โบร์ (Neil Bohr) บิดาแห่งควอนตัมฟิสิกส์ที่ระบุว่าสถานะของอนุภาคในระบบควอนตัมจะไม่สามารถรับรู้ได้ว่าเป็นอย่างไรจนกว่าจะทำการวัดหรือตรวจสอบ แต่อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) กลับโต้แย้งกลับอย่างรุนแรงว่าถ้าแบบนี้ดวงจันทร์ที่เรามองเห็นทุกคืนก็มีตัวตนอยู่จริงเฉพาะตอนที่เรามองหรืออย่างไร และนับแต่นั้นการถกเถียงทางวิชาการก็รุนแรงจนใช้เวลาเป็นทศวรรษ โดยฝั่งอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) นั้นได้ชูแนวคิดที่ว่ามีตัวแปรซุกซ่อน (Hidden Variables) ซ่อนอยู่ที่ทำให้ดูเหมือนกับว่าสถานะของอนุภาคนั้นไม่ชัดเจน

เบื้องหลังของการถกเถียงในครั้งนี้อยู่ที่ว่าสถานะทางควอนตัมที่ชื่อว่าการพัวพันทางควอนตัม (Quantum Entanglement) ซึ่งกล่าวว่าอนุภาคที่มีคุณลักษณะเหมือนกันและอยู่บนเส้นทางเดียวกัน (Wavefunction เดียวกัน) แม้ว่าจะมีขั้ว (Spin) ต่างกันก็ถือว่าเกี่ยวโยงกันในลักษณะที่เรียกว่าพัวพันกัน แต่ปัญหาคือถ้าเป็นไปตามกฎนี้ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์มองว่าถ้าอนุภาคที่พัวพันกันเดินทางคนละทิศทางกัน การวัดข้อมูลของคู่อนุภาคนี้จะขัดกับกฎความไม่แน่นอน (Uncertainty Principle) หรือง่าย ๆ หมายความว่ากฎทางควอนตัมอันนี้จะขัดกับกฎทางควอนตัมอีกอันนั่นเอง

ในเวลาต่อมา จอห์น สจ๊วต เบลล์ (John Stewart Bell) นักฟิสิกส์ชาวไอร์แลนด์ได้ประกาศอสมการของเบลล์ (Bell’s Inequality) ซึ่งมองว่าตัวแปรซุกซ่อนที่อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์เคยกล่าวไว้น่าจะหมายถึงคุณสมบัติทางควอนตัมบางอย่างซึ่งไม่ทราบแน่ชัดว่าคืออะไร พร้อมกลับให้มุมมองว่าแท้จริงแล้วอนุภาคไม่ได้เป็นไปตามมุมมองของนักฟิสิกส์ควอนตัม และมองว่าปรากฏการณ์การพัวพันจะไม่มีทางเกินกว่าค่าคงตัวค่าหนึ่งซึ่งอธิบายในรูปแบบของอสมการอันโด่งดัง

การทดลองที่หักล้างไอน์สไตน์และเบลล์อย่างสมบูรณ์

จอห์น เคลาเซอร์ (John Clauser) คาใจกับทฤษฎีของเบลล์อย่างมาก ในปี 1972 จอห์น เคลาเซอร์จึงได้ออกแบบการทดลองให้มีการปล่อยประจุโฟตอนออกจากอนุภาคแคลเซียมในคนละทิศทาง และให้ผ่านโพลาร์ไลเซอร์ (Polarizer) หรือตัวเรียงทิศของคลื่น (การเดินทางของอนุภาคและประจุจัดว่าเป็นคลื่น) ที่ทำมุมแตกต่างกัน ผลปรากฏว่าคลื่นมีหน้าตาเปลี่ยนไปโดยที่ระบุตัวแปรได้ สวนทางกับทฤษฎีของเบลล์ที่ตั้งมุมมองสมมติเพื่อระบุว่ามีตัวแปรซุกซ่อนซึ่งจะต้องมีเหตุการณ์ที่ระบุไม่ได้ 

ความขัดกันนี้ยังพบในการทดลองของอเลน อัสแปต์ (Alain Aspect) ในช่วงปีเดียวกันด้วย การทดลองของเขาคล้ายกับของจอห์น เคลาเซอร์ (John Clauser) แต่ปรับปรุงให้สามารถเลือกทิศทางการปล่อยประจุไปยังชุดโพลาร์ไรเซอร์ (Polarizer) ที่มีทิศทางต่างกันทั้ง 4 ทิศ เป็นการหักล้างทฤษฎีตัวแปรซุกซ่อนของไอน์สไตน์และทำลายการคำนวณของเบลล์โดยสิ้นเชิง เพราะถ้าทฤษฎีนี้มีจริง อเลน อัสแปต์ (Alain Aspect) จะไม่สามารถตรวจวัดค่าหลังจากประจุผ่านตัวโพลาร์ไรเซอร์ (Polarizer) ได้เลย

การทดลองของทั้งคู่ได้เบิกทางสู่ยุคสารสนเทศควอนตัม (Quantum Information) โดยมีการทดลองของอันทวน ไซลิงเกอร์ (Anton Zeilinger) ที่เปลี่ยนจากการกระตุ้นอะตอมแบบปกติอย่างที่อเลน อัสแปต์ทำ เป็นการกระตุ้นด้วยเลเซอร์ที่อยู่ห่างกันออกไปไกลมาก ๆ และเพิ่มการทำปฏิกิริยา (Interaction) กับประจุมากกว่า 2 คู่ เพื่อพิสูจน์ว่าทฤษฎีของเบลล์นั้นถูกหักล้างอย่างแท้จริง 

อย่างไรก็ตาม สมมติฐานของเบลล์และการทดลองของนักฟิสิกส์ทั้ง 3 คน ก็มีผลพลอยได้เป็นกระบวนการที่เอาไปประยุกต์ใช้สำหรับการติดต่อสื่อสาร การเข้ารหัส (Encoding) แบบใหม่ รวมถึงการพัฒนามาเป็นระบบอินเทอร์เน็ตที่ใช้ทฤษฎีนี้เข้ากับสายใยแก้วนำแสง (Fiber Optic) อีกด้วย ดังนั้น การทดลองของทั้ง 3 คน จึงทรงคุณค่าและทำให้นักวิจัยทั่วโลกตระหนักถึงความสามารถที่แท้จริงในการนำเอาการพัวพันทางควอนตัม (Quantum Entanglement) มาใช้อย่างที่เป็นอยู่ในปัจจุบัน คณะกรรมการรางวัลโนเบลจึงมอบรางวัลประจำปีนี้ให้อย่างสมเกียรตินั่นเอง

ที่มาข้อมูล Wikiquote, The Nobel Prize

ที่มารูปภาพ The Nobel Prize