| | แบบจำลองอะตอมของ Niels Bohr ที่รู้จักกันดี | | | ทุกวันนี้นักเรียนระดับมัธยมศึกษาสายวิทยาศาสตร์ทุกคนรู้จักแบบจำลองอะตอมไฮโดรเจนของ Bohr ซึ่งกล่าวถึงโครงสร้างอย่างง่ายๆ แต่ก็สมบูรณ์เพียงพอสำหรับความเข้าใจพื้นๆ ของนักเรียน ทว่าในความรู้สึกส่วนตัวของ Bohr นั้น เขาต้องการจะเข้าใจธรรมชาติของอะตอมไฮโดรเจนอย่างละเอียดและสมบูรณ์ เพราะเป็นนักฟิสิกส์ทฤษฎี จึงมีแนวคิดที่แตกต่างจากวิศวกร ที่ตามปรกติไม่ต้องการจะรู้ว่าอิเล็กตรอนและอะตอมในเหล็กอยู่เรียงรายกันอย่างไร จึงทำให้เหล็กนั้น มีสมบัติต่างๆ เช่น ค่าของความแข็ง (hardness) เป็นดังที่ได้วัดในห้องทดลอง หลังจากที่ Bohr ได้เปิดประตูโลกอะตอมด้วยกุญแจควอนตัมแล้ว เขาได้หันมาสนใจเรื่องธรรมชาติของการสังเกตและการวัด และได้พบว่า เวลานักวิทยาศาสตร์ต้องการจะเห็นอนุภาค เขาจำเป็นต้องฉายแสงไปกระทบอนุภาคนั้น เพราะอนุภาคแสงมีทั้งพลังงาน และโมเมนตัม ดังนั้นอนุภาคเป้าที่ถูกแสงชน จะมีพลังงานและโมเมนตัมที่เปลี่ยนไป ด้วยเหตุนี้ถ้าไม่ต้องการให้สมบัติของอนุภาคเป้าเปลี่ยนแปลงมาก ก็ต้องใช้อนุภาคแสงที่มีพลังงานและโมเมนตัมน้อย เพราะการชนกันระหว่างอนุภาคแสงกับอิเล็กตรอน จะทำให้อิเล็กตรอนเปลี่ยนแปลงพลังงานและโมเมนตัม อย่างไม่มีทางหลีกเลี่ยงได้ นั่นคือ ความเร็วของอิเล็กตรอนที่เปลี่ยนไปจะมีค่าน้อย ถ้านักทดลองใช้อนุภาคแสงที่มีความยาวคลื่นมาก (นั่นคือมีโมเมนตัมน้อย) แต่ผลที่ตามมาคือ เวลาสังเกตดูอิเล็กตรอนด้วยกล้องจุลทรรศน์ ถ้านักทดลองใช้แสงที่มีความยาวคลื่นมาก ความละเอียด และความแม่นยำในการระบุตำแหน่งของอิเล็กตรอนก็จะถูกทำลายไปในทันที เนื้อหาที่กล่าวมานี้คือแนวคิดที่ Werner Heisenberg ใช้ในการพบหลักความไม่แน่นอน (Uncertainty Principle) ในปี 1925 เมื่อหนุ่ม Heisenberg วัย 20 ปี ได้พบ Bohr ที่มหาวิทยาลัย Göttingen ในเยอรมนี และ Bohr ได้เชื้อเชิญ Heisenberg ให้ไปทำงานวิจัยที่ Copenhagen เพราะเห็นว่า Heisenberg เป็นคนที่มีความสามารถทางคณิตศาสตร์ระดับเทพ และ Heisenberg ก็ได้ตอบรับคำเชิญ เพราะได้พบว่า ตลอดเวลาที่ Heisenberg พยายามอธิบายทฤษฎีควอนตัมโดยใช้คณิตศาสตร์ขั้นสูง Bohr จะซักไซ้ ถามและเสนอแนะความหมายของคณิตศาสตร์ที่ Heisenberg ใช้ทุกขั้นตอน เพราะ Bohr ไม่ต้องการให้สมการ หรือโครงสร้างคณิตศาสตร์ที่ Heisenberg ใช้เข้ามาบดบังความเข้าใจฟิสิกส์ และ Bohr เชื่อว่า ความเข้าใจสำคัญยิ่งกว่าสูตร ดังนั้นขณะคนทั้งสองพากันไปเดินเล่น ไม่ว่าจะในชนบทนอกกรุง Copenhagen หรือเวลาแล่นเรือใบในทะเล Kattegat หรือในห้องทำงานที่สถาบัน Bohr ในยามดึก Bohr จะขอร้องให้ Heisenberg พยายามอธิบายความหมายของหลักความไม่แน่นอนให้คนธรรมดาเข้าใจ ซึ่งหลักนี้มีใจความสำคัญว่า มนุษย์ไม่สามารถรู้ตำแหน่งและโมเมนตัมของอนุภาคได้พร้อมกันอย่างแม่นยำ นอกจากนี้Heisenberg ยังพิสูจน์ได้อีกว่า ผลคูณระหว่างความไม่แน่นอนของตำแหน่งและความไม่แน่นอนของโมเมนตัมจะมีค่ามากกว่า ค่าคงตัวของ Planck เสมอ ในปี 1929 ที่ทฤษฎีควอนตัมเริ่มก่อตัวเป็นรูปเป็นร่าง และถูกนำไปประยุกต์อธิบายปรากฏการณ์ต่างๆ ในอะตอมอย่างแพร่หลายนั้น การแปลความหมายของเทคนิคการคำนวณของทฤษฎีก็ยังไม่กระจ่างชัด Bohr จึงได้พยายามแก้ไขข้อบกพร่องนี้ โดยร่วมทำงานอย่างใกล้ชิดกับ Leon Rosenfeld ผู้เป็นศิษย์คนโปรดที่สามารถจดจำคำพูดทุกคำของ Bohr ได้หมด จนเวลา Rosenfeld อ้างถึง Bohr ผู้ฟังจะรู้สึกเสมือนได้ยินกับหูว่า Bohr พูดเอง Rosenfeld เล่าว่า Einstein เป็นคนที่มีบทบาทสำคัญมากในชีวิตทำงานเป็นนักฟิสิกส์ของ Bohr และ Bohr เองก็ชื่นชมในตัว Einstein มาก ดังนั้นจึงรู้สึกเสียใจอย่างสุดซึ้งที่ตลอดชีวิต Einstein ไม่ยอมรับความสมบูรณ์ของทฤษฎีควอนตัม แต่ Bohr ก็ยอมรับว่า ความพยายามที่จะหาเหตุผลมาหักล้าง Einstein ได้ผลักดันให้ Bohr เข้าใจทฤษฎีควอนตัมได้มากขึ้นอย่างถึงแก่น โดยเฉพาะเรื่องทฤษฎีความไม่แน่นอนของ Heisenberg ซึ่งมีเนื้อหาว่า ถ้าเราวัดโมเมนตัมของอนุภาคได้อย่างละเอียดและถูกต้อง ความรู้ที่แม่นยำนี้จะทำให้เราวัดตำแหน่งของอนุภาคนั้นผิดพลาดอย่างสิ้นเชิง และความผิดพลาดนี้อาจหมายถึง อนุภาคนั้นไม่มีที่อยู่ หรืออนุภาคมีตำแหน่งที่แน่นอน แต่เราเองไม่มีทางจะรู้ ตัว Einstein เองคิดว่า ประเด็นหลังถูกต้อง คือ เราไม่มีทางรู้ ดังนั้น Einstein จึงพยายามล้มทฤษฎีความไม่แน่นอนของ Heinsenberg โดยแสวงหากลไก และอุปกรณ์วิทยาศาสตร์ในจินตนาการมาต่อสู้เชิงเชิงความคิดกับ Bohr แต่ Bohr ก็ได้พบจุดบกพร่อง ในวิธีคิดและทฤษฎีที่ Einstein นำมาเสนอทุกครั้งไป ซึ่งก็ได้ทำให้ Einstein ท้อแท้ แต่ใจก็ยังไม่ยอมแพ้ เหตุผลหลักอีกประการหนึ่งที่ทำให้ Einstein รู้สึกไม่สบายใจในการยอมรับหลักการพื้นฐานของทฤษฎีควอนตัมคือ ทฤษฎีควอนตัมไม่สามารถพยากรณ์หรือทำนายเหตุการณ์ต่างๆ ได้แม่นยำ 100% แต่จะให้คำตอบเป็นโอกาสที่เหตุการณ์ต่างๆ จะเกิด ซึ่งการให้คำตอบในเชิงความเป็นไปได้นี้ Einstein ถือว่า เป็นวิทยาการที่ไม่สมบูรณ์ ดังเช่น Einstein อ้างว่า ในการทอดลูกเต๋า ถ้าเรามีรายละเอียดของรูปลักษณ์ และวิธีทอดลูกเต๋าอย่างสมบูรณ์ ทฤษฎีกลศาสตร์ของ Newton จะสามารถบอกได้ว่า หลังการทอด ลูกเต๋าจะออกหน้าใด แต่ Bohr ก็ชี้แจงว่า ในชีวิตจริง เราไม่มีวันจะรู้สมบัติทางกายภาพของลูกเต๋า และวิธีทอดอย่างสมบูรณ์ ดังนั้น เราจึงรู้แต่เพียงว่า โอกาสที่หน้าลูกเต๋าจะออกเลข 1, 2, 3, 4, 5, 6 ว่ามีค่าเท่ากับ 1/6 หรือในกรณีการสลายตัวของอะตอมกัมมันตรังสี นักฟิสิกส์ก็ไม่มีวันรู้ว่า ในบรรดาอะตอมที่เห็นนั้นอะตอมใดจะสลายตัวและเมื่อใด ดังนั้น การศึกษาเรื่องการสลายตัว จึงเป็นเรื่องของความเป็นไปได้อีกเช่นกัน เมื่อได้รับคำชี้แจงเช่นนี้ Einstein จึงคิดว่า โครงสร้างเชิงคณิตศาสตร์ของทฤษฎีควอนตัมที่ Bohr กับสานุศิษย์สร้างนั้น กำลังพยายามทำนายเหตุการณ์ต่างๆ จากข้อมูลที่ไม่สมบูรณ์ และสำหรับตัว Einstein เองนั้นเชื่อมั่น 100% ว่าอนาคตเป็นสิ่งทฤษฎีฟิสิกส์สามารถทำนายได้ เหนือสิ่งอื่นใด Einstein คิดว่า God does not play dice with the world ส่วน Bohr นั้นคิดว่า เพราะมนุษย์ไม่มีทางจะรู้ข้อมูลทุกรูปแบบอย่างสมบูรณ์ ดังนั้น ทฤษฎีฟิสิกส์จึงทำนายได้เพียงโอกาสเท่านั้นเอง ในปี 1935 Einstein กับ Boris Podolski และ Nathan Rosen ได้นำเสนองานวิจัยชิ้นหนึ่งที่ Einstein คิดว่า สามารถจะล้มล้างทฤษฎีควอนตัมได้อย่างสมบูรณ์ ในรายงานชิ้นนั้น Einstein กับคณะได้แสดงให้เห็นว่า ตามปกตินักฟิสิกส์สามารถทำการทดลองนานเพียงใดก็ได้ เช่นให้คู่อนุภาคเคลื่อนที่ไปไกลจากกันมาก แล้วจึงลงมือวัดตำแหน่งหรือโมเมนตัมของอนุภาคทั้งสอง ซึ่งถ้าวัดตำแหน่งหรือโมเมนตัมของอนุภาคหนึ่งได้ เพราะอนุภาคอยู่ไกลกันมาก ดังนั้น อนุภาคทั้งสองจะไม่รบกวนกันเลย นั่นแสดงว่า เราสามารถรู้โมเมนตัม และตำแหน่งของอนุภาคที่ 2 ได้อย่างแม่นยำ ดังนั้น วิชากลศาสตร์ควอนตัมในรูปแบบของ Bohr จึงยังไม่สมบูรณ์ แต่ Bohr ไม่เห็นด้วยกับข้อสรุปของ Einstein โดยอ้างว่า ปริมาณต่างๆ เช่น ตำแหน่งหรือโมเมนตัมจะมีความหมายหรือมีค่า ก็ต่อเมื่อผู้ทดลองลงมือวัด และผู้วัดต้องเลือกว่าจะวัดตำแหน่ง หรือวัดโมเมนตัม ซึ่งการวัดค่าเหล่านี้ต้องใช้อุปกรณ์ต่างรูปแบบกัน ดังนั้นเมื่อใช้อุปกรณ์หนึ่งซึ่งให้ข้อมูลละเอียด อีกอุปกรณ์หนึ่งก็จะไม่ให้ข้อมูลอะไรเลย และการตัดสินใจนี้ จะต้องกระทำเสมอไม่ว่าจะเป็นเวลาก่อนหรือหลังการลงมือวัดทุกครั้งไป ดังนั้นข้อสรุปของ Einstein จึงไม่ถูกต้อง เพื่อสนับสนุน Einstein ว่าทฤษฎีควอนตัมยังไม่สมบูรณ์ David Bohm ได้นำเสนอทฤษฎีการมีตัวแปรซ่อนเร้น (hidden variable) แฝงอยู่ในกลศาสตร์ควอนตัมของ Bohr และ Heisenberg เพื่อกำจัดความไม่แน่นอนในการวัดค่าต่างๆ และขจัดประเด็นเรื่องความเป็นไปได้ของคำพยากรณ์ แต่การเสนอแนะนี้ได้นำความยุ่งยากเข้ามาในทฤษฎีของ Bohm คือนักฟิสิกส์ต้องตั้งสมมติฐานเพิ่มเติมว่า อนุภาคที่อยู่ไกลกันมากสามารถส่งอันตรกริยากระทำต่อกันได้ด้วยความเร็วสูงยิ่งกว่าความเร็วแสง ดังนั้น ทฤษฎีของ Bohm จึงไม่เป็นที่ยอมรับ ในความเห็นของ Bohr นั้น แนวคิดเรื่องความไม่สามารถของมนุษย์ที่จะรู้ข้อมูลของปริมาณสองปริมาณอย่างละเอียดและพร้อมกันนั้นมีความสำคัญมาก จึงเห็นสมควรต้องมีชื่อพิเศษ ดังนั้น Bohr จึงคิดคำว่า Complementarity (เติมเต็ม) สำหรับเรื่องนี้ Bohr อธิบายว่า เราทุกคนสามารถพบได้ทั่วไป เช่น กรณีอิเล็กตรอนมีสมบัติความเป็นอนุภาคกับสมบัติความเป็นคลื่นซึ่งต่างก็เป็นสมบัติสองด้านของสิ่งเดียวกัน Bohr ได้นำแนวคิดเรื่อง Complementarity มาใช้กับปัญหาสังคมของมนุษย์ด้วย เช่น Bohr คิดว่าความยุติธรรมกับความกรุณาเป็นสมบัติเติมเต็มของกันและกัน เพราะถ้ามีความยุติธรรมมากก็จะขาดความกรุณา แต่ถ้ามีความกรุณามากความยุติธรรมก็จะไม่มี ดังนั้นเราจึงต้องพิจารณาประเด็นทั้งคู่ร่วมกันในการแก้ปัญหาใดๆ ของสังคม จึงจะทำให้เห็นภาพทั้งหมด ในงานเขียนของ Bohr ก็เช่นกัน เขาคิดว่า ความจริงและความชัดเจนก็เป็นเรื่องของ Complementarity เพราะใครก็ตามที่จะเขียนเรื่องที่ยากจะเข้าใจ จำต้องทิ้งรายละเอียดของความจริงบ้าง เพื่อให้คนที่อ่านบทความนั้นอ่านรู้เรื่อง
|