กลศาสตร์ควอนตัมในชีวิตประจำวัน

5 มกราคม 2561

 

              กลศาสตร์ควอนตัม (Quantum Mechanics)  เป็นสาขาหนึ่งในวิชาฟิสิกส์สมัยใหม่ (Modern Physics) ที่ทำให้มนุษย์สามารถเข้าใจพฤติกรรมของอนุภาคขนาดเล็กในระดับอะตอมได้ เพราะในโลกจุลภาค (microscopic world) อะตอมหรืออนุภาคทั้งหลาย เช่น อิเล็กตรอน จะไม่ประพฤติตัวตามกฎการเคลื่อนที่ของเซอร์ไอแซค นิวตันเฉกเช่นวัตถุทั่วไปในโลกมหภาค (macroscopic world) ที่มนุษย์คุ้นเคยอยู่ในชีวิตประจำวัน แต่มีหลายพฤติกรรมที่ฟังดูว่าแปลกประหลาดมาก ไม่น่าจะเป็นจริงได้ตามประสบการณ์ทั่วไปของคนเรา เช่นอนุภาคตัวหนึ่งสามารถอยู่ “สองตำแหน่ง” ในเวลาเดียวกันได้ หรือ อนุภาคสามารถวิ่ง“ทะลุ” กำแพงได้ ดังนี้เป็นต้น ดังนั้นเมื่อพูดถึงวิชากลศาสตร์ควอนตัม บางคนจึงมองว่าก็แค่เป็นเพียงทฤษฎีในตำราเท่านั้น ประจวบกับที่ได้ข่าวว่าเข้าใจได้ยากมาก ถึงมากที่สุด จึงไม่คิดอยากจะเข้าไปข้องเกี่ยวด้วย แต่ในความเป็นจริงนั้น แม้จะตีกรอบให้อยู่ภายในห้วงเวลาของโลกยุคปัจจุบันนี้เท่านั้น (ยังไม่ต้องพูดถึงโลกอนาคตที่จะมีควอนตัมคอมพิวเตอร์ หรือการโทรคมนาคมเชิงควอนตัม ฯลฯ ซึ่งกำลังได้รับการวิจัยและพัฒนาอย่างเข้มข้นอยู่ในปัจจุบันนี้ ดังปรากฏบางส่วนในคอลัมน์ “ข่าวพิเศษ”) ท่านก็กำลังข้องเกี่ยวกับกลศาสตร์ควอนตัมอยู่ในชีวิตประจำวัน เช่นอะไรบ้าง จะได้นำมาอรรถาธิบายพอเป็นสังเขปในลำดับต่อไปนี้

 

 

 1.คอมพิวเตอร์กับสมาร์ตโฟน

 

                                     

 

รูปที่ 1 แผนภาพแสดงขั้นตอนการผลิตชิปคอมพิวเตอร์ในอุตสาหกรรมเซมิคอนดัคเตอร์ โดยเริ่มต้นจากแผ่นซิลิกอนเวเฟอร์เปล่าๆทางด้านซ้ายมือ (ที่มารูป: https://www.hitachi-hightech.com/global/products/device/semiconductor/metrology-inspection.html)

 

             สามารถพูดได้เต็มปากเต็มคำเลยว่า อุตสาหกรรมคอมพิวเตอร์เกิดขึ้นมาได้เพราะกลศาสตร์ควอนตัม เพราะอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ที่สร้างขึ้นบนสารกึ่งตัวนำ (semiconductor) อย่างเช่นซิลิกอน  ต้องอาศัยทฤษฎีแถบพลังงาน (Band Structure Theory) ซึ่งเป็นทฤษฎีของปรากฏการณ์ทางควอนตัม นั่นคือเกี่ยวข้องกับธรรมชาติความเป็นทวิภาพของอิเล็กตรอนในส่วนที่เป็นคลื่น ไม่ใช่อนุภาค และเมื่อเรามีความรู้เกี่ยวกับคลื่นนี้เป็นอย่างดีจากวิชากลศาสตร์ควอนตัม ก็ทำให้เราสามารถจัดการกับสมบัติทางไฟฟ้าของซิลิกอนได้ตามต้องการ เช่นโดยการผสม (หรือโด๊ป)ด้วยธาตุอื่นที่เหมาะสมแม้เพียงเล็กน้อย ก็สามารถเปลี่ยนรูปแบบแถบพลังงานของซิลิกอนไปได้ ซึ่งทำให้สภาพนำไฟฟ้าเปลี่ยนไป เมื่อนำซิลิกอนที่ถูกโด๊ป (dope) แบบต่างๆมาซ้อนทับกันเป็นชั้นๆก็จะได้ทรานซิสเตอร์ที่สามารถทำให้มีขนาดอยู่ในเรือนนาโนเมตรได้ โดยเมื่อนำมาผนวกกันเป็นวงจรก็จะเกิดเป็นชิปคอมพิวเตอร์ ที่มีอยู่ในเครื่องใช้ไฟฟ้าสมัยใหม่แทบทุกเครื่อง ดังนั้นถ้าไม่มีวิชากลศาสตร์ควอนตัม โลกเราก็จะยังไม่มีคอมพิวเตอร์ทั้งหลายไม่ว่าจะเป็นแบบตั้งโต๊ะ, แล็ปท็อป, แท็บเล็ต, สมาร์ตโฟน, ฯลฯ

 

2.เลเซอร์และโทรคมนาคม

 

                                         

 

รูปที่ 2 การสื่อสารโทรคมนาคมผ่านทางเส้นใยนำแสง (ที่มารูป: https://ecurrent.fit.edu/blog/panther-voices/cant-live-without-fiber-optics/)

 

             การสื่อสารโทรคมนาคมในโลกปัจจุบัน ต้องอาศัยเส้นใยนำแสง (fiber optic) ซึ่งไม่เกี่ยวอะไรกับกลศาสตร์ควอนตัม แต่ลำพังมีเพียงเส้นใยนำแสงก็นำไปใช้ทำประโยชน์อะไรไม่ได้ เส้นใยนำแสงจำเป็นต้องใช้คู่กับต้นกำเนิดแสง ซึ่งก็คือแสงเลเซอร์  คำว่า Laser มีที่มาจากคำว่า Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ทางควอนตัมโดยแท้ที่ค้นพบโดยไอน์สไตน์เมื่อปีพ.ศ. 2460 กล่าวคือเมื่ออะตอมทั้งหลาย (เช่นไอออนของอะตอมโครเมียมในแท่งทับทิม ซึ่งเป็นผลึกอลูมิเนียมออกไซด์(Al2O3)ที่มีไอออนโครเมียมแทรกแทนที่ไอออนอลูมิเนียมในโครงสร้างผลึกอยู่เล็กน้อย) ถูกกระตุ้นให้ขึ้นไปอยู่ในสถานะที่มีระดับพลังงานสูงกว่าระดับปกติ อะตอม(หรือไอออน)เหล่านี้สามารถกลับลงสู่ระดับพลังงานปกติพร้อมๆกันได้ ถ้าถูกชักนำด้วยอนุภาคโฟตอนที่มีพลังงานเหมาะสม เมื่ออะตอม(หรือไอออน)ทั้งหลายกลับลงสู่ระดับพลังงานที่ต่ำกว่าก็จะปลดปล่อยพลังงานส่วนเกินออกไปในรูปของแสง เช่นแสงที่มีความยาวคลื่น 694.3 นาโนเมตร (แสงสีแดงเข้ม)ในกรณีของทับทิม หรือที่เรียกว่า ruby laser (T. H. Maiman นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน สร้างสำเร็จเป็นคนแรกเมื่อปีพ.ศ. 2503)

 

              ดังนั้นคราใดที่ท่านใช้โทรศัพท์, เครื่องเล่น CD, เครื่องเล่น DVD, เครื่องเล่น Blu-ray หรือ นำสินค้าที่ซื้อไปให้พนักงานอ่านบาร์โค้ดเพื่อคิดราคา ก็ให้ทราบเถอะว่าท่านกำลังใช้ประโยชน์วิชากลศาสตร์ควอนตัมอยู่

 

3. นาฬิกาอะตอมและ GPS

 

                                          

 

รูปที่ 3 ระบบ GPS เป็นโครงข่ายดาวเทียมที่มีไม่ต่ำกว่า 24 ดวง โคจรรอบโลกใน 6 ระนาบ ที่ระดับความสูง 20,200 กิโลเมตร ด้วยอัตราหมุนรอบโลก 12 ชั่วโมง/รอบ (ที่มารูป: https://cosmosmagazine.com/technology/how-does-gps-work)

 

              เดี๋ยวนี้จะไปไหนมาไหนสะดวกขึ้นมากเพราะมีผู้นำทางอย่าง Google map ให้เรียกใช้  การนำทางด้วยสมาร์ตโฟนสามารถทำได้เพราะได้รับการสนับสนุนจากระบบ Global Positioning System (GPS) ซึ่งเป็นโครงข่ายดาวเทียมหลายดวงที่ถ่ายทอดเรื่องเวลาเป็นหลัก ตัวรับ GPS ในโทรศัพท์มือถือของท่านรับสัญญาณเวลาจากดาวเทียมเหล่านี้ คอมพิวเตอร์ชิปในโทรศัพท์มือถือจะคำนวณตำแหน่งของโทรศัพท์จากความแตกต่างในเวลาของสัญญาณที่โทรศัพท์ได้รับจากดาวเทียมนับสิบดวงนั้น โดยใช้หลักการว่าแสงมีความเร็วคงที่ เมื่อรู้ความเร็วแสงที่แน่นอน (299,792,458 เมตร/วินาที) รู้ความแตกต่างในเวลา ก็สามารถคำนวณระยะทาง และเปลี่ยนเป็นการระบุตำแหน่งบนผิวโลกได้ แต่จะเห็นได้ว่าในกระบวนการนี้ความเที่ยงตรงของเวลาจะต้องสูงมากๆ มิฉะนั้นจะเกิดความคลาดเคลื่อน ขาดความแม่นยำในการระบุตำแหน่งของโทรศัพท์ ดังนั้นนาฬิกาในดาวเทียมทุกดวงของระบบ GPS จะต้องเป็นนาฬิกาอะตอม (atomic clock เรือนแรกที่ใช้อะตอมซีเซียมถูกสร้างขึ้นโดยนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ 2 คนคือ Louis Essen กับ Jack Parry เมื่อปีพ.ศ. 2498) การทำงานของนาฬิกาอะตอมขึ้นอยู่กับการสลับสับเปลี่ยนระหว่าง 2 สถานะเชิงควอนตัมที่แตกต่างกันของอะตอมซีเซียม (หรืออะตอมรูบิเดียมในนาฬิกาอะตอมบางเรือน) นาฬิกาอะตอมเที่ยงตรงในระดับที่กว่าจะเดินช้าหรือเร็วไป 1 วินาทีต้องกินเวลาถึง 3.7 พันล้านปี

 

             ดังนั้นคราวหน้าที่ท่านใช้บริการของแอปนำทางก็เป็นการที่ท่านกำลังใช้ประโยชน์กลศาสตร์ควอนตัมเช่นกัน

 

4.การถ่ายภาพ MRI

 

                                                   

 

รูปที่ 4 ภาพวาดแสดงให้เห็นส่วนประกอบหลักๆของเครื่อง MRI (ที่มารูป: https://www.orthopaedics.com.sg/treatments/other-services/magnetic-resonance-imaging-mri/)

 

              ผู้เขียนเคยปวดหลังมาก ไปถ่ายเอกซเรย์ หมอบอกว่ากระดูกสันหลังงอก แต่เมื่อยอมเสียเงินประมาณ 8,000 บาทไปถ่าย MRI จึงได้เห็นชัดเจนว่าหมอนรองกระดูกสันหลังบริเวณเอวยื่นออกไปทับเส้นประสาท ต้องขอบคุณเครื่อง MRI มิฉะนั้นอาจจบไม่สวยไปแล้วก็ได้ ปัจจุบันเครื่อง MRI มีให้บริการแล้วในโรงพยาบาลใหญ่ๆทั่วประเทศ ครั้งใดที่ท่านหรือญาติหรือนักกีฬาคนโปรดไปใช้เครื่อง MRI ก็โปรดรู้เถอะว่าท่านหรือเขากำลังใช้ประโยชน์วิชากลศาสตร์ควอนตัมเต็มๆ  ทั้งนี้เพราะหลักการทำงานของเครื่องต้องอาศัยการพลิกกลับของ “สปิน (spin)” ของนิวเคลียสในอะตอมไฮโดรเจน สปินของอนุภาคต่างๆเป็นสมบัติเฉพาะที่มีอยู่ในโลกควอนตัมเท่านั้น (สมบัติทางควอนตัมที่เรียกว่าสปินนี้ถูกเสนอแนะขึ้นมาเป็นครั้งแรกโดยนักฟิสิกส์ชาวดัตช์ 2 คนคือ George Uhlenbeck กับ Samuel Goudsmit เมื่อปีพ.ศ. 2468) โดยการจัดแจงทิศทางของสนามแม่เหล็กอย่างเหมาะสมทำให้สามารถทราบความหนาแน่นของอะตอมไฮโดรเจนตามส่วนต่างๆของร่างกายได้อย่างแม่นยำ ซึ่งส่งผลให้สามารถเห็นภาพของเนื้อเยื่ออ่อน (soft tissue) ตามอวัยวะต่างๆได้อย่างคมชัด ซึ่งทำไม่ได้ด้วยเครื่องเอกซเรย์ทั่วไป (ในร่างกายของผู้ใหญ่ที่หนัก 70 กิโลกรัม ประมาณว่ามีจำนวนอะตอมของธาตุต่างๆอยู่รวมทั้งสิ้น 7x1027อะตอม โดยจะเป็นอะตอมของไฮโดรเจนถึง 62 เปอร์เซ็นต์ นั่นคือมากที่สุดกว่าธาตุใดๆ)

 

              จาก 4 ตัวอย่างที่ยกมา คงทำให้ท่านได้เห็นแล้วว่าวิชากลศาสตร์ควอนตัมมีประโยชน์ที่จับต้องได้จริง พบเจออยู่ในชีวิตประจำวันของปัจจุบันนี้นี่แหละ ไม่ใช่เป็นวิชาการที่มีอยู่แต่ในตำราของพวกนักฟิสิกส์เท่านั้น  ดังนั้นต่อไปขอท่านอย่าได้หมางเมินเลย เพราะในอนาคตจะมีการใช้ประโยชน์จากวิชากลศาสตร์ควอนตัมเพิ่มมากขึ้นกว่านี้เสียอีก