แสงกับควอนตัม

แสงเป็นอนุภาคและแสงเป็นคลื่น

นิวตันได้เสนอเกี่ยวกับเรื่องแสงไว้ว่า เป็นกระแสธารของอนุภาคในศตวรรษที่ 17 คล้ายกับการยิงกระสุนปืนจากปืนกล ซึ่งแนวคิดอันมีชื่อนี้ได้ถูกยกเลิกไปจากผู้ที่ไม่เห็นด้วยจนกระทั่งในศตวรรษที่ 19 โทมัส ยัง และผู้ร่วมงานได้สรุปและแสดงให้เห็นว่าการมองแสงเป็นอนุภาคนั่นไม่ถูกต้อง แต่เห็นด้วยกับความคิดที่ว่าให้แสงเคลื่อนที่แบบคลื่น ที่คุ้นเคยรู้จักกันดีได้แก่การแทรกสอด (intrference)

โดยคำที่นักฟิสิกส์ใช้กับสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อคลื่นเคลื่อนที่มาชนกันดังในภาพ  แสดงให้เห็นรูปแบบการสอดแทรก (interference pattern) ที่เกิดจากแหล่งกำเนิดคลื่นน้ำ 2 ชุดที่ผิวน้ำ โดยใช้เครื่องมือเป็นช่องแคบคู่หนึ่ง (double slit) อันมีชื่อเสียงของโทมัส ยัง  เพื่อสร้างให้มีแหล่งกำเนินแสง 2 ชุด เข้าได้สังเกตพบรูปแบบการสอดแทรกแบบเดียวกับการใช้แสง

นักฟิสิกส์ได้ชื่นชมกับผลสำเร็จที่คิดให้แสงเป็นคลื่นได้ไม่นานนัก  การทดลองในปลายศตวรรษที่ 19 ได้เปิดเผยให้ทราบถึงผลที่ไม่สามารถอธิบายด้วยทฤษฎีคลื่นของแสง การทดลองดังกล่าวเกี่ยวข้องกับผลของคลื่นแสงต่อไฟฟ้า (photo-electric effect) จากการปล่อยแสงอุลตราไวโอเลตให้ไปกระทบประจุไฟฟ้าลบของโลหะ ทำให้ประจุหลุดออกจากโลหะ  แต่ขณะที่ส่องแสงที่ทำให้มองเห็น (visible light) บนโลหะนั้นจะไม่เกิดผลใดๆ ข้อสงสัยนี้อันเบิร์ต ไอน์ไตย์อธิบายได้เป็นครั้งแรกในปีเดียวกันกับที่ไอน์สไตย์อธิบายได้พํฒนาทฤษฎีสัมพันธภาพขึ้นมา  ซึ่งได้สร้างชื่อเสียงให้เขาเป็นอย่างมาก การอธิบายผลของแสงต่อไฟฟ้าได้รื้อฟื้นความคิดท่ให้แสงเป็นอนุภาคใหม่ การที่ประจุไฟฟ้าปล่อยออกจากโลหะ นั่นคืออิเลคตรอนถูกผลักให้หลุดออกจากโลหะโดยพลังงานแสงที่มุ่งเน้นเป็นกลุ่มพลังงานมวลน้อยมาก ซึ่งใช้ชื่อว่าโฟตอน (Photon) ตาททฤษฎีโฟตอนของแสงอุลตราไวโอเลตมีพลังงานมากกว่าแสงที่ทำให้มองเห็น และไม่ว่าจะใช้แสงที่ทำให้มองเห็นความเข้มเท่าใดก็ตาม โฟตอนของแสงดังกล่าวยังมีพลังงานไม่พอจะผลักดันให้อิเลคตรอนหลุดออกไปได้

จากปรากฏการณ์ที่เกิดความสับสนในการศึกษาวิชาฟิสิกส์หลายสิบปี ทางออกในข้อขัดแย้งนี้ทำให้เกิดรายวิชากลศาสตร์ควอนตัมในปี 1920 นักวิทยาศาสตร์ที่เป็นผู้บุกเบิกได้แก่ Heisenberg, Schrodinger และ Dirac ทฤษฏีนี้สามารถอธิบายสิ่งที่เดิมทีขัดแย้งกันได้สำเร็จ ที่เกี่ยวข้องกับธรรมชาติของแสง อะตอม และที่เกี่ยวข้องกับวัตถุในระดับอะตอม  แต่ความสำเร็จที่ได้ทำให้ต้องยกเลิกความคิดที่จะอธิบายการเคลื่อนที่อยู่รอบนิวเคลียสของอะตอม  ด้วยแนวคิดที่ใช้อยู่ในชีวิตประจำวัน ในเรื่องของคลื่นอนุภาคโฟตอนมีพฤติกรรมไม่เหมือนอะไรเลยกับที่เคยเห็นๆกัน  อย่างไรก็ตามไม่ได้หมายความว่า วิธีการที่กลศาสตร์ควอนตัมใช้ เต็มไปด้วยความคิดที่คลุมเคลือ และขาดกำลังในการทำนาย

ในทางกลับกันกลศาสตร์ควอนตัมเป็นเพียงทฤษฎีเดียวที่สามารถกำหนดระบบขนาดเล็กระดับอะตอมได้ประสบผลสำเร็จ ซึ่งทำนองเดียวกับกลศาสตร์แบบฉบับที่ทำนายการเคลื่อนที่ของลุกบอลล์ ลูกบิลเลียด ซึ่งก็คือการเคลื่อนที่ของวัตถุควอนตัม ไม่อาจมองเป็นภาพที่แน่นอนตายตัวที่สามารถสร้างขึ้นมาได้ โดยสรุปได้ว่าการไม่ภาพที่จะกล่าวได้ว่า โฟตอนประพฤติตัวไปตามกลศาสตร์ควอนตัม ซึ่งถ้ามองในทัศนะของกลศาสตร์แบบฉบับ โฟตอนและอิเลคตรอนจะแตกต่างกันไปคนละชนิดกัน ดังที่เห็นได้ชัดในขอบข่ายของควอนตัม ทั้งโฟตอนและอิเลคตรอนเป็นวัตถุทางควอนตัม ก็จะประพฤติตัวตามแบบกลศาสตร์ควอนตัม

เหมือนกับเป็นการชดเชยกับสิ่งที่ไม่สามารถมองภาพของสิ่งที่เป็นควอนตัม ด้วยการสงสัย กระหายใคร่รู้ ตามประวัติที่ผ่านมาของความพยายามที่จะเข้าใจธรรมชาติของอิเลคตรอน  ในปี 1897 JJ. Thomson ได้ทดลองวัดประจุต่อมวลของอิเลคตรอน และกำหนดให้อิเลคตรอนเป็นอนุภาคพื้นฐานของธรรมชาติ สามสิบปีต่อมาลูกชายของเขาคือ GP Thomson รวมทั้ง Dvisson และ Germer ในประเทศอเมริกา  ได้ทำการทดลองต่อเนื่องกันมา  โดยสรุปบอกให้ทราบว่าอิเลคตรอนประพฤติตัวเป็นแบบคลื่น ซึ่งมีผู้เขียสไว้ว่า “อาจจะรู้สึกได้ว่าทอมสันผู้พ่อได้รับรางวัลโนเบลจากการที่แสดงให้เห็นว่าอิเลคตรอนเป็นอนุภาค และทอมสันผู้เป็นบุตรได้แสดงให้เห็นว่าอิเลคตรอนเป็นคลื่น”

จากความคิดที่แปลกน่าขันของเดอ บรอย  ชเรอดิงเงอร์และไฮเซนเบิร์ก ได้ทำให้เกิดเทคโนโลยีใหม่ๆ ซึ่งเป็นไปได้จริงที่มีทางมาจากการค้นพบบุเบิกของกลศาสตร์ควอนตัม  อุตสาหกรรมอิเลคทรอนิกส์สมัยใหม่ เทคโนโลยีการผลิตซิลิกอนชิป (siligon chip) ซึ่งต่างก็มีพื้นฐานของทฤษฎีควอนตัมของสารที่เรียกว่า สารกึ่งตัวนำ (semiconductors) ตัวอย่างเช่นการประยุกต์ใช้เลเซอร์ในด้านต่างๆ ทำให้เป็นไปได้จากความเข้าใจรากฐานทางควอนตัม กลไกในการแผ่รังสีของแสงจากอะตอมได้รับการแยกแยะได้เป็นครั้งแรกในปี 1916 เป็นครั้งแรกโดยไอน์สไตน์  ยิ่งกว่านั้นความเข้าใจเกี่ยวกับวัตถุควอนตัม จำนวนมากที่รวมกลุ่มกันมีคุณสมบัติอันนำไปสู่ความเข้าใจสารที่ต่างชนิดกัน  จากตัวนำยิ่งยวดไปจนถึงดาวนิวตรอน  แม้ว่าในตอนเริ่มต้นคิดขึ้นเพื่ออธิบายจากการแก้ปัญหาพื้นฐานที่เกี่ยวข้องกับการคงอยู่ของอะตอมก็ตาม  พบว่ากลศาสตร์ควอนตัมยังประยุกต์ใช้ได้กับนิวเคลียสขนาดเล็กที่แกนของอะตอมได้ผลสำเร็จ นำไปสู่ความเข้าใจสภาพกัมมันตรังสี และปฏิกิริยานิวเคลียร์

ความพยายามที่จะอธิบายวัตถุทางควอนตัมที่ระดับอะตอม ซึ่งยากต่อการอธิบายในการเทียบเคียงได้ถูกต้อง  จากการอธิบายพฤติกรรมทางควอนตัมด้วยคณิตศาสตร์ จะเป็นไปได้ดีขึ้นถ้าใช้ทั้งการเทียบเคียงและการเปรียบเทียบ เช่นการทดลองเรื่องช่องแคบคู่ของยัง 

ในการทดลองช่องแคบคู่ของยังใช้จอรับภาพจากแหล่งกำเนิดแสงจากช่องแคบคู่ที่จะทำให้เกิดการสอดแทรก เกิดริ้วการสอดแทรกที่มีชื่อเสียงอันแสดงให้เห็น เส้นมืด เส้นสว่างดังในภาพ  การศึกษาการสอดแทรกของคลื่นน้ำ อิเลคตรอน และช่องแคบคู่ที่ให้อนุภาคที่ผ่านเป็นลูกกระสุนปืนทั้งนี้เพื่อนำไปสู่ความเข้าใจในกรณีอนุภาคควอนตัม จากการเปรียบเทียบ เทียบเคียง ทำให้ได้ความคิดที่สำคัญอันเป็นลักษณะของกลศาสตร์ควอนตัม ปัญหาความขัดแย้งของฟิสิกส์ของควอนตัมทั้งหลายสามารถแสดงให้เห็นได้จากการทดลองนี้  เพื่อไม่ให้เข้าสู่ทางตันโดยพยายามรับเอาความจริงที่สามารถสังเกตได้จากการทดลอง ดังที่ Richart Feyman เคยกล่าวไว้ คือไม่มีใครเข้าใจกลศาสตร์ควอนตัมอย่างแท้จริง ที่จะบอกให้ทราบได้ทั้งหมดซึ่งเกี่ยวข้องกับแนวทางที่ธรรมชาติแสดงออกมาให้เห็น