บทความ
ในช่วงปีแรกๆ ของคริสตศตวรรษที่สิบเก้า นักวิทยาศาสตร์ต้องการที่จะเปลี่ยนฟิสิกส์ทั้งมวลให้เป็นแรงง่ายๆ ที่กระทำต่ออนุภาควัตถุซึ่งมีตำแหน่งและมีความเร็วที่ชัดเจแน่นอนที่เวลาใดๆ เราลองหวนคิดว่าเราอธิบายการเคลื่อนที่อย่างไรเมื่อพูดถึงกลศาสตร์ที่จุด เริ่มต้นของการเดินทางของเราผ่านขอบเขตของปัญหาเชิงฟิสิกส์ต่างๆ เราเขียนจุดไปตามเส้นทางที่ชัดเจนแน่นอนที่แสดงให้เห็นตำแหน่งที่ถูกต้องของ วัตถุที่บางเวลาแล้วจึงเขียนเวกเตอร์ในแนวเส้นสัมผัสที่แสดงให้เห็นทิศทาง และขนาดของความเร็ว เรื่องนี้ทั้งง่ายและน่าเชื่อตาม แต่เราไม่อาจทำซ้ำได้สำหรับควอนตัมมูลฐานของสสารของเรา นั่นก็คืออิเล็กตรอนหรือสำหรับควอนตัมของพลังงาน นั่นก็คือ โฟตอน เราไม่อาจนึกภาพการเดินทางของโฟตอนหรืออิเล็กตรอนในลักษณะที่เรานึกภาพการ เคลื่อนที่ในกลศาสตร์ยุคเก่าได้ ตัวอย่างเกี่ยวกับรูเข็มทั้งสองรูแสดงให้เห็นสิ่งนี้อย่างชัดเจน อิเล็กตรอนและโฟตอนดูเหมือนผ่านทะลุรูทั้งสอง จึงเป็นไปไม่ได้ที่จะอธิบายปรากฏการณ์นี้โดยนึกภาพทางเดินของอิเล็กตรอนหรือ โฟตอนในลักษณะที่มีแบบแผนเด่นชัดแบบเก่า
แน่ละ เราจะต้องสมมติการมีอยู่ของกิริยามูลฐานเช่นการผ่านทะลุรูต่างๆ ของอิเล็กตรอนหรือโฟตอน ไม่มีข้อสงสัยเลยว่าควอนตัมมูลฐานของสสารและพลังงานมีอยู่จริง แต่เราไม่อาจกำหนดกฎมูลฐานได้อย่างแน่นอนโดยการระบุตำแหน่งและความเร็วที่ขณะเวลาใดๆ ด้วยวิธีง่ายๆ ของกลศาสตร์ยุคเก่า
ดังนั้นเราลองพยายามทำอะไรบางอย่างที่ต่างออกไป เราลองทำกระบวรการมูลฐานอย่างเดียวกันซ้ำหลายๆ ครั้ง อิเล็กตรอนตัวแล้วตัวเล่าถูกส่งไปในทิศทางของรูเข็ม ในที่นี้เราใช้คำว่า “อิเล็กตรอน” เพื่อความชัดเจนแน่นอน; การให้เหตุผลของเราใช้ได้สำหรับโฟตอนด้วย
เราทำการทดลองอย่างเดียวกันซ้ำหลายครั้งหลายหนในลักษณะเดียวกันอย่างไม่มีผิดเพี้ยน ; อิเล็กตรอนทั้งหมดมีความเร็วเหมือนกันและเคลื่อนที่ไปในทิศทางของรูเข็มทั้งสอง แทบจะไม่จำเป็นต้องพูดถึงว่านี่เป็นการทดลองเชิงอุดมคติซึ่งไม่อาจปฏิบัติตามได้ในความเป็นจริงแต่น่าจะนึกภาพได้ เราไม่อาจยิงโฟตอนหรืออิเล็กตรอนเดี่ยวที่ขณะเวลาที่กำหนดให้ได้เหมือนยิงลูกกระสุนออกจากปืน
ผลของการทดลองที่ทำซ้ำจะต้องเป็นวงมืดและวงสว่างสำหรับหนึ่งรู และเป็นแถบมืดและแถบสว่างสำหรับสองรูอีกครั้ง แต่มีความแตกต่างที่สำคัญที่สุดอยู่อย่างหนึ่ง ในกรณีของอิเล็กตรอนเดี่ยวหนึ่งตัวผลลัพธ์เชิงการทดลองเป็นเรื่องที่ไม่อาจเข้าใจได้ จะเข้าใจได้ง่ายขึ้นเมื่อการทดลองถูกกระทำซ้ำหลายๆ ครั้ง ตอนนี้เราอาจพูดได้ว่า : แถบสว่างที่ปรากฏขึ้นที่ๆ อิเล็กตรอนจำนวนมากตกลงไป แถบต่างๆ เริ่มมืดลงในจุกที่อิเล็กตรอนจำนวนน้อยกว่าตกลงไป จุดที่มืดสนิทหมายความว่าไม่มีอิเล็กตรอนแม้แต่ตัวเดียว แน่ละ เราไม่ได้รับอนุญาตให้สมมติว่าอิเล็กตรอนทั้งหมดผ่านทะลุหนึ่งในสองรู ถ้านี่เป็นเช่นนั้นมันไม่อาจทำให้เกิดความแตกต่างได้เลยแม้แต่น้อยว่าครอบคลุมอีกรูหนึ่งหรือไม่ แต่เรารู้แล้วว่าการครอบคลุมรูที่สอง ทำให้เกิดความแตกต่างได้ เนื่องจากอนุภาคหนึ่งแบ่งไม่ได้ เราไม่อาจนึกภาพว่ามันผ่านทะลุทั้งสองรูได้ ข้อเท็จจริงที่ว่าการทดลองถูกทำซ้ำหลายครั้งบ่งชี้ว่ามีทางออกอีกทางหนึ่ง อิเล็กตรอนจำนวนหนึ่งอาจจะผ่านทะลุรูที่หนึ่งและตัวอื่นๆ ผ่านทะลุรูที่สอง เราไม่รู้ว่าทำไมอิเล็กตรอนแต่ละตัวเลือกรูโดยเฉพาะ แต่ผลลัพธ์สุทธิของการทดลองที่ทำซ้ำจะต้องคือว่ารูเข็มทั้งสองมีส่วนเกี่ยวข้องในการส่งผ่านอิเล็กตรอนจากแหล่งกำเนิดไปยังฉาก ถ้าเราพูดเพียงว่าเกิดอะไรขึ้นกับอิเล็กตรอนจำนวนมากเมื่อการทดลองถูกทำซ้ำโดยไม่ใส่ใจเกี่ยวกับพฤติกรรมของอนุภาคแต่ละตัว ความแตกต่างระหว่างภาพที่เป็นวงและภาพที่เป็นแถบเริ่มเป็นเรื่องที่เข้าใจได้ โดยการอภิปรายเกี่ยวกับการทดลองหลายการทดลองที่เรียงลำดับทำให้เกิดความคิดใหม่ ความคิดเกี่ยวกับผู้คนจำนวนมาก โดยแต่ละคนประพฤติตัวในลักษณะที่คาดเดาไม่ได้ เราไม่อาจทำนายเส้นทางเดินของอิเล็กตรอนเดี่ยวหนึ่งตัวได้ แต่เราอาจทำนายได้ว่าในผลลัพธ์สุทธิ แถบสว่างและแถบมืดจะปรากฏขึ้นบนฉาก
ในตอนนี้เราลองทิ้งฟิสิกส์ควอนตัมไว้
เราได้เห็นในฟิสิกส์ยุคเก่าแล้วว่าถ้าเรารู้ตำแหน่งและความเร็วของจุดวัตถุที่ขณะเวลาๆ หนึ่ง และแรงที่กระทำต่อมัน เราสามารถทำนายทางเดินในอนาคตของมันได้ เราได้เห็นด้วยว่าทรรศนะเชิงกลถูกประยุกต์ไปใช้กับทฤษฎีจลน์ของสสารอย่างไร แต่ในทฤษฎีนี้ความคิดใหม่ความคิดหนึ่งได้ถือกำเนิดขึ้นจากการชี้แจงเหตุผลของเรา มันจะเป็นประโยชน์ในการเข้าใจการให้เหตุผลต่างๆ ในภายหลัง เพื่อจะเข้าใจความคิดนี้อย่างละเอียด
มีภาชนะที่บรรจุแก๊สใบหนึ่ง ในความพยายามที่จะตามรอยการเคลื่อนที่ของทุกๆ อนุภาค เราจะต้องเริ่มต้นด้วยการหาภาวะแรกเริ่ม หรืออีกนัยหนึ่งคือตำแหน่งและความเร็วแรกเริ่มของอนุภาคทั้งหมด ถึงแม้สิ่งนี้จะเป็นไปได้ มันจะใช้เวลามากกว่าชั่วชีวิตมนุษย์ที่จะเขียนผลลัพธ์เป็นลายลักษณ์อักษร เนื่องจากจะต้องพิจารณาอนุภาคจำนวนมากมาย ดังนั้นถ้าเราพยายามที่จะใช้วิธีการที่รู้จักกันดีของกลศาสตร์ยุคเก่าในการคำนวณหาตำแหน่งสุดท้ายของอนุภาค จะเอาชนะเรื่องยุ่งยากต่างๆ ไม่ได้ โดยหลักการเป็นไปได้ที่จะใช้วิธีการที่ประยุกต์ใช้กับการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ แต่ในทางปฏิบัติสิ่งนี้ไร้ประโยชน์และจะต้องมี วิธีการทางสถิติ เข้ามาแทนวิธีการนี้จะเลกใช้ความรู้ที่ถูกต้องใดๆ เกี่ยวกับสภาวะแรกเริ่ม เรารู้เกี่ยวกับระบบที่เวลากำหนดให้ใดๆ น้อยกว่า และจึงสามารถพูดอะไรเกี่ยวกับอดีตหรืออนาคตของมันได้น้อยกว่าเราเริ่มไม่สนใจชะตากรรมของอนุภาค แก๊สแต่ละอนุภาค ปัญหาของเรามีธรรมชาติไม่เหมือนกัน ยกตัวอย่างเช่น เราไม่ถามว่า “ในขณะนี้อัตราเร็วของทุกๆ อนุภาคเป็นเท่าไร?” แต่เราอาจจะถามว่า “มีกี่อนุภาคที่มีอัตราเร็วอยู่ระหว่าง 1,000 และ 1,100 ฟุตต่อวินาที?” เราไม่สนใจแต่ละอนุภาคเลยสิ่งที่เราพยายามหาก็คือค่าเฉลี่ยที่เป็นตัวแทนของกลุ่มก้อนทั้งหมด เป็นที่แน่ชัดแล้วว่าอาจมีข้อดีบางอย่างอยู่ในวิธีการของการชี้แจงเหตุผลเชิงสถิติได้ เมื่อระบบประกอบด้วยอนุภาคเดี่ยวจำนวนมากเท่านั้น
โดยการใช้วิธีการเชิงสถิติ เราไม่อาจทนายพฤติกรรมของอนุภาคเดี่ยวๆ หนึ่งในอนุภาคจำนวนมากได้ เราทำนายได้เพียงความเป็นไปได้หรือความน่าจะเป็น ว่ามันจะประพฤติตัวด้วยวิธีการโดยเฉพาะอย่างใดอย่างหนึ่งเท่านั้น ถ้ากฎเชิงสถิติของเราบอกเราว่าหนึ่งในสามของอนุภาคมีอัตราเร็วอยู่ระหว่าง 1,000 และ 1,100 ฟุตต่อวินาที มันหมายความว่าโดยการทำสังเกตของเราซ้ำกับอนุภาคจำนวนมาก เราจะได้ค่าเฉลี่ยนี้จริงๆ หรือพูดอีกอย่างหนึ่งก็คือความน่าจะเป็นของการพบอนุภาคๆ หนึ่งที่อยู่ภายในขอบเขตนี้เท่ากับหนึ่งในสาม
ในทำนองเดียวกันการรู้อัตราการเกิดของชุมชนขนาดใหญ่ไม่ได้หมายความว่าจะรู้ว่าครอบครัวโดยเฉพาะใดๆ โชคดีที่ได้ลูกหรือไม่ มันหมายความว่าความรู้เกี่ยวกับผลลัพธ์เชิงสถิติซึ่งบุคคลที่มีส่วนร่วมไม่ได้เข้าไปมีบทบาทเลย
โดยการสังเกตป้ายทะเบียนของรถจำนวนมาก ในไม่ช้าเราจะพบว่าหนึ่งในสามของตัวเลขมันหารด้วยสามลงตัว แต่เราไม่อาจทำนายได้ว่ารถซึ่งจะผ่านไปที่ขณะเวลาต่อไปจะมีคุณสมบัตินี้หรือไม่ กฎเชิงสถิติจะประยุกต์ใช้ได้กับกลุ่มก้อนขนาดใหญ่ๆ เท่านั้น แต่ใช้ไม่ได้กับสมาชิกแต่ละตัวของมัน
ตอนนี้เรากลับไปพูดปัญหาเชิงควอนตัมของเราได้
กฎของฟิสิกส์ควอนตัมมีลักษณะเฉพาะเชิงสถิติ นี่ก็หมายความว่ามันไม่ได้เกี่ยวข้องกับระบบเดี่ยวระบบหนึ่ง แต่เกี่ยวกับกลุ่มก้อนของระบบที่เหมือนกันทุกประการ ; เราไม่อาจตรวจสอบมันได้โดยการวัดระบบเดี่ยวระบบหนึ่ง แต่โดยการวัดที่ถูกทำซ้ำเป็นชุดๆ เท่านั้น
การสลายตัวเชิงกัมมันตภาพรังสีเป็นหนึ่งในหลายๆ เหตุการณ์ซึ่งฟิสิกส์ควอนตัมพยายามที่จะกำหนดกฎที่ควบคุมการเปลี่ยนสภาพที่เกิดขึ้นเองจากธาตุๆ หนึ่งไปเป็นอีกธาตุหนึ่ง ยกตัวอย่างเช่น เรารู้ว่าครึ่งหนึ่งของเรเดียมหนึ่งกรัมจะสลายตัวในเวลา 1,600 ปี และจะยังเหลืออยู่ครึ่งหนึ่ง เราอาจทำนายได้โดยประมาณว่ามีกี่อะตอมที่จะสลายตัวในช่วงครึ่งชั่วโมงต่อมา แต่เราไม่อาจพูดได้แม้แต่ในคำอธิบายเชิงทฤษฎีของเราว่า ทำไมอะตอมโดยเฉพาะเหล่านี้เท่านั้นที่ถูกกล่าวโทษ ตามความรู้ของเราในปัจจุบัน เราไม่มีความสามารถที่จะระบุอะตอมแต่ละตัวที่ถูกตัดสินลงโทษให้สลายตัว ชะตากรรมของอะตอมไม่ได้ขึ้นอยู่กับอายุของมัน ไม่มีร่องรอยของกฎที่ควบคุมพฤติกรรมเป็นอะตอมๆ ของมันเลยแม้แต่น้อย จะกำหนดได้เพียงกฎเชิงสถิติ ซึ่งเป็นกฎที่ควบคุมกลุ่มก้อนใหญ่ของอะตอมเหล่านั้น
ยกตัวอย่างอีกตัวอย่างหนึ่ง แก๊สที่ลุกสว่างของธาตุบางธาตุที่ถูกวางไว้ตรงหน้าสเปกโตรสโคปแสดงให้เห็นเส้นต่างๆ ของความยาว – คลื่น ที่ชัดเจนแน่นอน การปรากฏของชุดที่ไม่ต่อเนื่องของความยาว – คลื่นที่ชัดเจนแน่นอนเป็นลักษณะเฉพาะตัวของปรากฏการณ์เชิงอะตอมที่เผยให้เห็นการมีอยู่จริงของควอนตัมมูลฐาน แต่ยังมีอีกแง่หนึ่งของปัญหานี้ เส้นสเปกตรัมบางเส้นชัดเจนมาก เส้นอื่นๆ จางกว่า เส้นที่ชัดเจนหมายความว่ามีการปล่อยโฟตอนที่เป็นของความยาว – คลื่นโดยเฉพาะนี้ออกมาเป็นจำนวนมาก เมื่อเทียบกับเส้นอื่นๆ แต่เส้นที่จางหมายความว่ามีการปล่อยโฟตอนที่เป็นของความยาว – คลื่นนี้ออกมาจำนวนน้อยเมื่อเทียบกับเส้นอื่นๆ
ทฤษฎีให้คำกล่าวเกี่ยวกับธรรมชาติเชิงสถิติเท่านั้นแก่เราอีกครั้ง ทุกๆ เส้นสอดคล้องกับการเปลี่ยนแปลงจากระดับพลังงานที่สูงกว่าไปสู้ระดับพลังงานที่ต่ำกว่า ทฤษฎีบอกเราเพียงเกี่ยวกับความน่าจะเป็นของการเปลี่ยนแปลงที่เป็นไปได้เหล่านี้แต่ละการเปลี่ยนแปลงเท่านั้น แต่ไม่ได้บอกอะไรเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงจริงๆ ของอะตอมเดี่ยวอะตอมหนึ่งเลย ทฤษฎีใช้ได้ผลดีเยี่ยมเพราะว่าปรากฏการณ์เหล่านี้ทั้งหมดเกี่ยวข้องกับกลุ่มก้อนใหญ่ๆ และไม่ใช่อะตอมเดี่ยวแต่ละตัว
ดูเหมือนว่าฟิสิกส์ควอนตัมแบบใหม่ค่อนข้างเหมือนทฤษฎีจลน์ของสาสาร เนื่องจากทั้งสองมีธรรมชาติเชิงสถิติและทั้งสองเกี่ยวข้องกับกลุ่มก้อนขนาดใหญ่ แต่นี่มันไม่ใช่เช่นนั้น! ในการเปรียบเทียบนี้การเข้าใจไม่เพียงเกี่ยวกับความคล้ายคลึงกันเท่านั้น แต่เกี่ยวกับความแตกต่างกันด้วยเป็นเรื่องสำคัญที่สุด ความคล้ายคลึงกันระหว่างทฤษฎีจลน์ของสสารและฟิสิกส์ควอนตัมอยู่ที่ลักษณะเฉพาะเชิงสถิติของมันเป็นหลัก แต่อะไรคือความแตกต่าง
ถ้าเราต้องการที่จะรู้ว่ามีผู้ชายกี่คน และผู้หญิงกี่คนที่มีอายุมากกว่ายี่สิบที่อาศัยอยู่ในเมืองใหญ่ เราจะต้องให้ชาวเมืองทุกคนกรอกแบบฟอร์มในหัวข้อ : “เพศชาย” “เพศหญิง” “อายุ” ถ้าทุกคำตอบถูกต้องละก็ เราจะได้ผลลัพธ์ที่มีธรรมชาติเชิงสถิติโดยการนับและแยกมันออกจากกัน ชื่อแต่ละชื่อและที่อยู่แต่ละที่ที่อยู่ในแบบฟอร์มไม่มีความสำคัญเลย เราได้ทัศนะเชิงสถิติของเรา โดยใช้ความรู้เกี่ยวกับกรณีแต่ละกรณีในทำนองเดียวกันในทฤษฎีจลน์ของสสาร เรามีกฎเชิงสถิติที่ควบคุมกลุ่มก้อนที่ได้มาบนรากฐานของกฎแต่ละกฎ
แต่ในฟิสิกส์ควอนตัมสถานการณ์ต่างกันทั้งหมด ในกรณีนี้ให้กฎเชิงสถิติในทันที กฎแต่ละกฎถูกทิ้งไป
ในตัวอย่างเกี่ยวกับโฟตอนหรืออิเล็กตรอนและรูเข็มสองรู เราได้เห็นแล้วว่าเราไม่อาจอธิบายการเคลื่อนที่ที่เป็นไปได้ของอนุภาคมูลฐาน ไปกับอวกาศและเวลาอย่างที่เราทำในฟิสิกส์ยุคเก่า ฟิสิกส์ควอนตัมทิ้งกฎแต่ละกฎเกี่ยวกับอนุภาคมูลฐานไปเลย และระบุกฎเชิงสถิติที่ควบคุมกลุ่มก้อนโดยตรง บนรากฐานของฟิสิกส์ควอนตัมเป็นไปไม่ได้ที่จะอธิบายตำแหน่งและความเร็ว ของอนุภาคมูลฐานหรือทำนายทางเดินในอนาคตของมันเหมือนในฟิสิกส์ยุคเก่า ฟิสิกส์ควอนตัมเกี่ยวข้องกับกลุ่มก้อนเท่านั้น และกฎของมันใช้สำหรับอนุภาคจำนวนมากและไม่ใช้สำหรับอนุภาคแต่ละตัว
เป็นความจำเป็นแน่นอนและไม่ใช่การคาดเดาหรือความต้องการความแปลกใหม่ซึ่ง บังคับเราให้เปลี่ยนทัศนะเชิงยุคเก่าแบบเก่าเรื่องยุ่งยากเกี่ยวกับการประ ยุกต์ใช้ทัศนะแบบเก่าถูกกำหนดสำหรับกรณีหนึ่งเท่านั้น คือการของปรากฏการณ์การเลี้ยวเบน แต่เราอาจอ้างกรณีอื่นๆ จำนวนมากที่น่าเชื่อตามเท่าๆ กันได้ ความพยายามของเราที่จะเข้าใจความเป็นจริง บังคับให้เราเปลี่ยนทัศนะอย่างไม่มีที่สิ้นสุด แต่มีเหลือสำหรับอนาคตอยู่เสมอที่จะตัดสินว่า เราได้เลือกทางออกที่เป็นไปได้เท่านั้นหรือไม่ และเราจะพบวิธีการแก้ปัญหาเกี่ยวกับเรื่องยุ่งยากต่างๆ ของเราที่ดีกว่าได้หรือไม่
เราต้องเลิกการอธิบายกรณีแต่ละกรณีเหมือนเป็นเหตุการณ์ที่มีตัวตนจริงในอวกาศและเวลา และเราจะต้องนำกฎที่มีธรรมชาติเชิงสถิติมาใช้ สิ่งเหล่านี้เป็นลักษณะเฉพาะตัวที่สำคัญที่สุดของฟิสิกส์ควอนตัมสมัยใหม่
ก่อนหน้านี้เมื่อมีการนำความเป็นจริงเชิงฟิสิกส์ใหม่ๆ มาใช้ อย่างเช่น สนามแม่เหล็กไฟฟ้าและสนามแรงโน้มถ่วง เราพยายามที่จะแสดงลักษณะสำคัญที่เป็นลักษณะเฉพาะตัวของสมการผ่านความคิดซึ่งถูกกำหนดในเชิงคณิตศาสตร์แล้วในรูปแบบที่ทั่วไป ตอนนี้เราจะทำอย่างเดียวกันกับฟิสิกส์ควอนตัมโดยอ้างอิงถึงงานของโบร์ เดอบรอยล์ ชเรอดิงเงอร์ ไฮเซนเบิร์ก ดิแรก และบอร์น อย้างสั้นๆ มากเท่านั้น
เราลองพิจารณากรณีของอิเล็กตรอนหนึ่งตัว อิเล็กตรอนอาจจะอยู่ภายในอิทธิพลของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าจากที่อื่นที่ไม่เจาะจง หรือเป็นอิสระจากอิทธิพลภายนอกทั้งมวล ตัวอย่างเช่น มันอาจจะเคลื่อนที่อยู่ในสนามของนิวเคลียสของอะตอม หรือมันอาจจะเลี้ยวเบนบนผลึก ฟิสิกส์ควอนตัมสอนเราว่าจะกำหนดสมการเชิงคณิตศาสตร์สำหรับปัญหาเหล่านี้ไม่ว่าปัญหาไหนอย่างไร
เรายอมรับแล้วถึงความคล้ายคลึงกันระหว่างเชือกที่แกว่งไปมา แผ่นหนังของกลอง เครื่องดนตรีประเภทเครื่องเป่า หรืออุปกรณ์เกี่ยวกับเสียงอื่นๆ ในแง่หนึ่ง และอะตอมที่แผ่รังสีในอีกแง่หนึ่ง มีความคล้ายคลึงกันบางอย่างด้วยระหว่างสมการเชิงคณิตศาสตร์ที่ควบคุมปัญหาเกี่ยวกับเสียง และสมการเชิงคณิตศาสตร์ที่ควบคุมปัญหาเกี่ยวกับฟิสิกส์ควอนตัม แต่การตีความเชิงฟิสิกส์ของปริมาณต่างๆ ที่ถูกกำหนดในสองกรณีนี้ต่างกันโดยสิ้นเชิงอีกครั้ง ปริมาณเชิงฟิสิกส์ที่อธิบายเชือกที่แกว่งไปมาและอะตอมที่แผ่รังสีมีความหมายต่างกันโดยสิ้นเชิง แม้ว่าสมการต่างๆ จะมีความคล้ายคลึงกันอย่างเป็นทางการบางอย่าง ในกรณีของเชือกเราถามเกี่ยวกับการเบี่ยงเบนของจุดที่ไม่เจาะจงไปจากตำแหน่งปกติของมันที่ขณะเวลาที่ไม่เจาะจง ถ้ารู้รูปแบบของเชือกที่แกว่งไปมาที่เวลาที่กำหนดให้ เราก็จะรู้ทุกสิ่งทุกอย่างที่เราต้องการ เราจึงอาจคำนวณการเบี่ยงเบนไปจากสภาพปกติที่ขณะเวลาอื่นๆ ได้จากสมการเชิงคณิตศาสตร์สำหรับเชือกที่แกว่งไปมา ข้อเท็จจริงที่ว่างการเบี่ยงเบนที่ชัดเจนแน่นอนจำนวนหนึ่งไปจากตำแหน่งปกติสอดคล้องกับทุกๆ จุดของเชือก ถูกแสดงออกมาอย่างแม่นยำมากขึ้น ดังต่อไปนี้ : ที่ขณะเวลาใดๆ การเบี่ยงเบนไปจากค่าปกติเป็น ฟังก์ชั่น ของพิกัดของเชือก จุดทั้งหมดของเชือกประกอบกันเป็นคอรตินิวอัมหนึ่ง – มิติ และการเบี่ยงเบนเป็นฟังก์ชั่นที่ถูกกำหนดในคอนตินิวอัมหนึ่ง - มิตินี้คำนวณได้จากสมการของเชือกที่แกว่งไปมา
คล้ายกันกับในกรณีของอิเล็กตรอนที่ฟังก์ชันๆ หนึ่งถูกกำหนดสำหรับจุดใดๆ ในอวกาศและสำหรับขณะเวลาใดๆ เราจะเรียกฟังก์ชันนี้ว่า คลื่นเชิงความน่าจะเป็น ในการเปรียบเทียบของเรา คลื่นเชิงความน่าจะเป็นสอดคล้องกับการเบี่ยงเบนไปจากตำแหน่งปกติในปัญหา เกี่ยวกับเสียง คลื่นเชิงความน่าจะเป็นที่เวลาที่กำหนดให้เป็นฟังค์ชันของคอนตินิวอัมสาม – มิติ ส่วนในกรณีของเชือก การเบี่ยงเบนที่ขณะเวลาที่กำหนดให้เป็นฟังค์ชันของคอนตินิวอัมหนึ่ง – มิติ คลื่นเชิงความน่าจะเป็นเป็นแค็ตตาล็อกของความรู้ของเราเกี่ยวกับระบบควอนตัม ที่กำลังพิจารณาและทำให้เราสามารถตอบคำถามเชิงสถิติที่มีเหตุผลทั้งหมด เกี่ยวกับระบบนี้ได้ มันไม่ได้บอกเราถึงตำแหน่งและความเร็วของอิเล็กตรอนที่ขณะเวลาใดๆ เพราะคำถามเช่นนั้นไม่มีความหมายในฟิสิกส์ควอนตัม แต่มันจะบอกเราถึงความน่าจะเป็นของการพบอิเล็กตรอนที่จุดโดยเฉพาะจุดหนึ่ง หรือที่ซึ่งเรามีความเป็นไปได้ของการพบอิเล็กตรอนมากที่สุด ผลลัพธ์ไม่ได้อ้างอิงถึงการวัดหนึ่งครั้ง แต่อ้างถึงอิงการวัดที่ถูกทำซ้ำจำนวนมาก สมการของฟิสิกส์ควอนตัมที่กำหนดคลื่นเชิงความน่าจะเป็นได้ในลักษณะเดียวกับ สมการของแมกซ์เวลล์กำหนดสนามแม่เหล็กไฟฟ้าและสนามโน้มถ่วงมาก ; มันจะระบุเพียงวิธีการเชิงคณิตศาสตร์ของการตอบคำถามเกี่ยวกับธรรมชาติเชิง สถิติเท่านั้น
จนถึงขณะนี้เราได้พิจารณาอิเล็กตรอนที่อยู่ในสนามภายนอกบางสนาม ถ้าไม่ใช่อิเล็กตรอนซึ่งเป็นประจุที่เล็กที่สุดที่เป็นไปได้ แต่เป็นประจุจำนวนไม่น้อยจำนวนหนึ่งที่มีอิเล็กตรอนอยู่จำนวนมากสุดคณานับ เราอาจไม่ใส่ใจทฤษฎีควอนตัมทั้งทฤษฎีได้และจัดการกับปัญหานี้ ตามฟิสิกส์ก่อนควอนตัมแบบเก่าของเรา เมื่อพูดถึงกระแสไฟฟ้าในสายไฟ ตัวนำที่ถูกอัดประจุ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เราอาจใช้ฟิสิกส์ง่ายๆ แบบเก่าของเราที่มีอยู่ในสมการของแมกซ์เวลล์ได้ แต่เราไม่อาจทำสิ่งนี้เมื่อพูดถึงปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก ความเข้มของเส้นสเปกตรัม กัมมันตภาพรังสี การเลี้ยวเบนของคลื่นเชิงอิเล็กตรอน และปรากฏการณ์อื่นๆ จำนวนมาก ซางเผยให้เห็นลักษณะเฉพาะเชิงควอนตัมของสสารและพลังงาน ดังนั้นจะพูดว่าเราจะต้องขึ้นไปสูงขึ้นอีกหนึ่งชั้นก็ได้ ในขณะที่ในฟิสิกส์ยุคเก่าเราพูดถึงตำแหน่งและความเร็วของอนุภาคๆ หนึ่ง ตอนนี้เราจะต้องพิจารณาคลื่นเชิงความน่าจะเป็นที่อยู่ในคอรตินิวอัมสาม – มิติที่สอดคล้องกับปัญหา –หนึ่งอนุภาคนี้
ฟิสิกส์ควอนตัมให้การกำหนดของมันเองสำหรับการจัดการกับปัญหาถ้าก่อนหน้านี้ เราได้รับการสอนว่าจะจัดการกับปัญหาที่คล้ายคลึงกันอย่างไร จากทรรศนะของฟิสิกส์ยุคเก่า
สำหรับอนุภาคมูลฐานตัวหนึ่งคืออิเล็กตรอนหรือโฟตอน เรามีคลื่นเชิงความน่าจะเป็นในคอนตินิวอัมสาม – มิติที่อธิบายลักษณะพฤติกรรมเชิงสถิติของระบบถ้าการทดลองถูกทำซ้ำบ่อยๆ แต่กรณีที่ไม่ใช่ของหนึ่งอนุภาค แต่เป็นสองอนุภาคที่มีปฏิกิริยาต่อกัน เช่น อิเล็กตรอนสองตัว อิเล็กตรอนและโฟตอน หรืออิเล็กตรอนและนิวเคลียสล่ะจะว่าอย่างไร? เราไม่อาจปฏิบัติต่อมันแยกออกจากกันและอธิบายปัญหาแต่ละปัญหาโดยผ่านคลื่นเชิงความน่าจะเป็นในสาม – มิติได้เพียงเพราะการมีปฏิกิริยาต่อกันทั้งสองฝ่ายเท่านั้น อันที่จริงมันไม่ยากมากที่จะคาดเดาว่าจะอธิบายระบบที่ประกอบตัวด้วยอนุภาคที่มีปฏิกิริยาต่อกันสองอนุภาคในฟิสิกส์ควอนตัมอย่างไร เราต้องลงไปหนึ่งชั้นเพื่อกลับไปสู้ฟิสิกส์ยุคเก่าชั่วครู่หนึ่ง ตำแหน่งของจุดวัตถุสองจุดในอวกาศที่ขณะเวลาใดๆ อธิบายลักษณะได้ด้วยจำนวนหกจำนวนโดยสามจำนวนสำหรับจุดแต่ละจุด ตำแหน่งที่เป็นไปได้ทั้งหมดของจุดวัตถุสองจุด เป็นคอนตินิวอัมหก – มิติและไม่ใช่คอนตินิวอัมสาม – มิติเหมือนในกรณีของหนึ่งจุด ตอนนี้ถ้าเราขึ้นไปหนึ่งชั้นอีกครั้ง ไปสู่ฟิสิกส์ควอนตัมเราจะมีคลื่นเชิงความน่าจะเป็นในคอนตินิวอัมหก – มิติ และไม่ใช่ในคอนตินิวอัม – มิติเหมือนในกรณีของหนึ่งอนุภาค ในทำนองเดียวกันสำหรับสาม สี่อนุภาคหรือมากว่า คลื่นเชิงความน่าจะเป็น จะเป็นฟังก์ชันในคอนตินิวอัมเก้า – มิติ สิบสอง – มิติและมากกว่า
นี่แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าคลื่นเชิงความน่าจะเป็นเป็นนามธรรมมากกว่าสนาม แม่เหล็กไฟฟ้าและสนามโน้มถ่วงที่มีอยู่จริงและแพร่ออกไปในอวกาศสาม – ติของเรา คอนตินิวอัมของหลายมิติเป็นฉากหลังสำหรับคลื่นเชิงความน่าจะเป็นต่างๆ และสำหรับหนึ่งอนุภาคเท่านั้นที่จำนวนมิติเท่ากับจำนวนมิติของอวกาศเชิง ฟิสิกส์ นัยสำคัญเชิงฟิสิกส์เพียงอย่างเดียวของคลื่นความน่าจะเป็นก็คือว่ามันทำให้ เราสามารถตอบคำถามเชิงสถิติที่มีเหตุผลในกรณีของอนุภาคจำนวนมากและในกรณีของ หนึ่งอนุภาค ยกตัวอย่างเช่น สำหรับอิเล็กตรอนหนึ่งตัวเราจึงอาจถามเกี่ยวกับความน่าจะเป็นของการพบ อิเล็กตรอนที่จุดโดยเฉพาะบางจุดได้ สำหรับสองอนุภาคคำถามอาจเป็น : ความน่าจะเป็นของการพบอนุภาคทั้งสองที่จุดที่ชัดเจนแน่นอสองจุดที่ขณะเวลา ที่กำหนดให้เป็นเท่าไร?
ก้าวแรกของเราที่ห่างออกไปจากฟิสิกส์ยุคเก่าก็คือการทิ้งการอธิบายกรณีแต่ละ กรณีที่เหมือนเป็นเหตุการณ์ที่มีตัวตนจริงในอวกาศและเวลาไปเลย เราถูกบังคับให้ใช้วิธีการเชิงสถิติที่ถูกกำหนดโดยคลื่นเชิงความน่าจะเป็น พอเลือกวิธีการนี้แล้วเราก็ถูกบังคับให้ต้องเปลี่ยนไปสู่ความคิดที่เป็น นามธรรมมากขึ้น จะต้องนำคลื่นเชิงความน่าจะเป็นในหลายมิติที่สอดคล้องกับปัญหาอนุภาค – จำนวนมากมาใช้
เพื่อความกระชับ เราลองเรียกทุกสิ่งทุกอย่างยกเว้นฟิสิกส์ควอนตัมว่าฟิสิกส์ยุคเก่า ฟิสิกส์ยุคเก่าและฟิสิกส์ควอนตัมแตกต่างกันโดยสิ้นเชิง ฟิสิกส์ยุคเก่ามุ่งที่จะอธิบายวัตถุที่มีอยู่จริงในอวกาศ และกำหนดกฎที่ควบคุมการเปลี่ยนแปลงของมันไปกับเวลา แต่ปรากฏการณ์ที่เผยให้เห็นธรรมชาติเชิงอนุภาคและเชิงคลื่นของสสารและรังสี ซึ่งดูเหมือนเป็นลักษณะเฉพาะเชิงสถิติของเหตุการณ์มูลฐานต่างๆ เช่น การสลายตัวเชิงกัมมันตภาพรังสี การเลี้ยวเบน การปล่อยเส้นสเปกตรัมออกมาและอื่นๆ อีกมาก บังคับให้เราเลิกล้มทัศนะนี้ ฟิสิกส์ควอนตัมไม่ได้มุ่งที่จะอธิบายวัตถุแต่ละวัตถุในอวกาศ และการเปลี่ยนแปลงของมันไปกับเวลา ในฟิสิกส์ควอนตัมไม่มีคำกล่าวอย่างเช่น “วัตถุนี้เป็นอย่างนั้นอย่างนี้ซึ่งมีคุณสมบัติแบบนั้นแบบนี้” เรามีคำกล่าวประเภทนี้แทน เช่น “มีความน่าจะเป็นนั้นๆ ว่าวัตถุแต่ละวัตถุเป็นอย่างนั้นอย่างนี้และมีคุณสมบัติแบบนั้นแบบนี้” ในฟิสิกส์ควอนตัมไม่มีที่สำหรับกฎที่ควบคุมการเปลี่ยนแปลงไปกับเวลาของวัตถุ แต่ละวัตถุ เรามีกฎที่ควบคุมการเปลี่ยนแปลงไปกับเวลาของความน่าจะเป็นแทน การเปลี่ยนแปลงขั้นพื้นฐานซึ่งทฤษฎีควอนตัมนำเข้าสู่ฟิสิกส์นี้เท่านั้นที่ ทำให้คำอธิบายเกี่ยวกับลักษณะเฉพาะเชิงสถิติที่ดูเหมือนว่าไม่ต่อเนื่องของ เหตุการณ์ในขอบเขตของปรากฏการณ์ ซึ่งควอนตัมมูลฐานของสสารและรังสีเผยให้เห็นการมีอยู่จริงของมันที่เหมาะสม เป็นไปได้
แต่อย่างไรก็ตามปัญหาใหม่ๆ ที่ยากมากขึ้นไปอีกถือกำเนิดขึ้นซึ่งยังไม่ได้รับการตัดสินใจอย่างแน่นอนอะไรเลย เราจะพูดถึงปัญหาที่ยังไม่ได้รับการแก้ไขเหล่านี้จำนวนหนึ่งเท่านั้น วิทยาศาสตร์ไม่ได้เป็นและจะไม่มีวันเป็นหนังสือที่จบลงแล้ว ความก้าวหน้าที่สำคัญทุกอย่างจำนำคำถามใหม่ๆ มาด้วย การพัฒนาทุกอย่างเผยให้เห็นเรื่องยุ่งยากใหม่ๆที่ลึกซึ้งมากขึ้นในระยะยาว
เรารู้แล้วว่าในกรณีง่ายๆ ของหนึ่งหรือหลายอนุภาคเราอาจเคลื่อนสูงขึ้น จากการอธิบายเชิงยุคเก่าไปสู่การอธิบายเชิงควอนตัมได้ จากการอธิบายที่ตรงไปตรงมาตามข้อเท็จจริงของเหตุการณ์ต่างๆ ในอวกาศและเวลาไปสู่คลื่นเชิงความน่าจะเป็น แต่เราจำแนวความคิดเชิงสนามที่สำคัญที่สุดในฟิสิกส์ยุคเก่าได้ เราจะอธิบายการมีปฏิกิริยาต่อกันระหว่างควอนตัมมูลฐานของสสารและสนามได้ อย่างไร? ถ้าจำเป็นต้องใช้คลื่นเชิงความน่าจะเป็นในสามสิบ - มิติสำหรับการอธิบายเชิงควอนตัมของอนุภาคสิบตัว ดังนั้นจะจำเป็นต้องใช้คลื่นเชิงความน่าจะเป็นที่มีมิติจำนวนไม่จำกัดสำหรับ การอธิบายเชิงควอนตัมของสนามๆ หนึ่ง การเปลี่ยนแปลงจากแนวความคิดเชิงสนามแบบยุคเก่า ไปสู่ปัญหาที่สอดคล้องกันของคลื่นเชิงความน่าจะเป็นในฟิสิกส์ควอนตัมเป็น ขั้นตอนที่ยากมาก ในกรณีการขึ้นไปหนึ่งชั้นไม่ใช่งานง่ายเลย และความพยายามทั้งหมดที่ทำไปจนถึงขณะนี้เพื่อแก้ปัญหา จะต้องถูกมองว่าไม่น่าพอใจ มีปัญหาพื้นฐานปัญหาหนึ่งด้วย ในการให้เหตุผลของเราทั้งหมดเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงจากฟิสิกส์ยุคเก่าไปสู่ ฟิสิกส์ควอนตัม เราใช้การอธิบายเชิงก่อนสัมพันธภาพแบบเก่าซึ่งอวกาศและเวลาได้รับการปฏิบัติ ต่างกัน แต่ว่าถ้าเราพยายามที่จะเริ่มจากการอธิบายเชิงยุคเก่าอย่างที่ทฤษฎีสัมพันธ ภาพเสนอและแล้วการขึ้นไปสู้ปัญหาเชิงควอนตัมของเราดูเหมือนจะยุ่งยากมากขึ้น มาก นี่เป็นอีกปัญหาหนึ่งที่ถูกจัดการโดยฟิสิกส์สมัยใหม่ แต่ยังไม่ได้วิธีการแก้ปัญหาที่สมบูรณ์และน่าพอใจ ยังมีเรื่องยุ่งยากอื่นๆ ในการสร้างฟิสิกส์ที่สอดคล้องกันสำหรับอนุภาคหนักๆ ที่ประกอบเป็นนิวเคลียส ทั้งๆ ที่มีข้อมูลเชิงการทดลองจำนวนมาก และความพยายามมากมายที่จะทำให้ปัญหาเชิงนิวเคลียร์กระจ่าง เรายังอยู่ในความมืดเกี่ยวกับคำถามที่เป็นพื้นฐานที่สุดบางอย่างในขอบข่าย นี้
ไม่มีข้อสงสัยเลยว่าฟิสิกส์ควอนตัมได้อธิบายข้อเท็จจริงที่เต็มไปด้วยความ หลากหลายมาก ซึ่งส่วนใหญ่แล้วบรรลุความสอดคล้องกันอย่างยอดเยี่ยมระหว่างทฤษฎีและการ สังเกต ฟิสิกส์ควอนตัมแบบใหม่นำเราออกไปจากทัศนะเชิงกลแบบเก่ามากขึ้นไปอีกและการ ถอยกลับสู่ตำแหน่งเดิม ดูเหมือนจะไม่น่าเป็นไปได้ยิ่งกว่าก่อน แต่ไม่มีข้อสงสัยเลยด้วยว่าฟิสิกส์ควอนตัมยังจะต้องอิงกับแนวความคิดสองแนว คือสสารและสนาม ตามความหมายนี้มันเป็นทฤษฎีที่เชื่อว่าทุกอย่างในโลกนี้ประกอบด้วยสองส่วน และไม่ได้ทำให้ปัญหาเก่าของเราเกี่ยวกับการเปลี่ยนทุกสิ่งทุกอย่างไปเป็นแนว ความคิดเชิงสนามเข้าใกล้ความเป็นจริงมากขึ้นแม้แต่ก้าวเดียว
การพัฒนาอื่นๆ จะไปตามเส้นทางที่ถูกเลือกในฟิสิกส์ควอนตัมหรือมันเป็นไปได้มากกว่าความคิดใหม่ๆ ที่เป็นการปฏิวัติจะถูกนำเข้ามาสู่ฟิสิกส์? เส้นทางของความก้าวหน้าจะเปลี่ยนทิศทางอย่างกะทันหันอีกครั้ง อย่างที่มันเคยเกิดขึ้นหลายครั้งเหลือเกินในอดีตหรือไม่?
ในช่วงไม่กี่ปีที่แล้ว เรื่องยุ่งยากทั้งหมดเกี่ยวกับฟิสิกส์ควอนตัมกระจุกอยู่ในประเด็นที่สำคัญที่สุดสองสามประเด็น ฟิสิกส์คอยวิธีการแก้ปัญหาของมันอย่างรอไม่ได้ แต่ไม่มีวิธีที่จะคาดการณ์ล่วงหน้าเลยว่าเมื่อไหร่ที่ไหนการอธิบายเรื่องยุ่งยากเหล่านี้ให้กระจ่างแจ้งจะเกิดขึ้น
0 ความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น