จุดประสงค์ของการตีความกลศาสตร์ควอนตัมคืออะไร?

ในบทความนี้ เราจะมาพิจารณาถึงพื้นฐานของกลศาสตร์ควอนตัม ประเด็นหลักของการตีความโคเปนเฮเกนและการตีความแบบหลายโลก และมุมมองของการตีความทั้งสองนี้ต่อ “การสังเกต” จากนั้นเราจะมาไตร่ตรองถึงจุดประสงค์ของกลศาสตร์ควอนตัม

นานมาแล้วในประวัติศาสตร์ของฟิสิกส์ แม็กซ์ พลังค์ ได้ตีพิมพ์บทความและผลการทดลองจากงานวิจัยเกี่ยวกับการแผ่รังสีของวัตถุดำ โดยระบุว่า “พลังงานทั้งหมดประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กมากที่มีค่าไม่ต่อเนื่อง” สิ่งนี้สั่นคลอนรากฐานของความคิดที่แพร่หลายในหมู่นักฟิสิกส์ในขณะนั้น ซึ่งเชื่อว่าปรากฏการณ์ทั้งหมดในโลกมหภาคสามารถอธิบายได้ด้วยกลศาสตร์ของนิวตัน นับจากนั้นเป็นต้นมา เมื่ออุปกรณ์การวัดพัฒนาขึ้นและนักฟิสิกส์มีความสามารถในการมองเข้าไปในโลกจุลภาค พวกเขาก็ได้ตีพิมพ์ผลการทดลองต่างๆ ที่เปิดเผยข้อจำกัดของกลศาสตร์ของนิวตัน ผลลัพธ์เหล่านี้ซึ่งไม่สามารถอธิบายได้ด้วยทฤษฎีที่มีอยู่ นำไปสู่การตระหนักถึงความจำเป็นสำหรับกรอบกลศาสตร์ใหม่ และด้วยเหตุนี้ “กลศาสตร์ควอนตัม” จึงถือกำเนิดขึ้น กลศาสตร์ควอนตัมได้สร้างความมั่นคงให้กับตำแหน่งของตนอย่างรวดเร็วโดยการให้คำตอบที่ประสบความสำเร็จสำหรับปรากฏการณ์ทางธรรมชาติที่ไม่สามารถแก้ไขได้ด้วยฟิสิกส์ที่มีอยู่ เช่น คำอธิบายของไอน์สไตน์เกี่ยวกับปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกและแบบจำลองสเปกตรัมของอะตอมไฮโดรเจนของบอร์ นอกจากนี้ ด้วยความพยายามของนักฟิสิกส์จำนวนนับไม่ถ้วนและการพัฒนาต่างๆ เช่น ทฤษฎีการแปลงที่เสนอโดยพอล ดิแรกและปาสกาล จอร์แดน ทำให้ฟิสิกส์ได้รับการยอมรับว่าเป็นสาขาการศึกษาที่แตกต่างออกไป
อย่างไรก็ตาม นี่เป็นเพียงการบ่งบอกถึงความสมบูรณ์ของ “รูปแบบ” ทางคณิตศาสตร์ ซึ่งเป็นเครื่องมือที่ใช้ในการอธิบายเนื้อหาของกลศาสตร์ควอนตัม และไม่ได้หมายความว่าได้มีการพิสูจน์แล้วจากมุมมองของการตีความทางฟิสิกส์ แม้กระทั่งในปัจจุบัน หลายทศวรรษต่อมา ความขัดแย้งทางความคิดเห็นยังคงมีอยู่ระหว่างนักฟิสิกส์ที่มีชื่อเสียงเกี่ยวกับการ “ตีความ” ปรากฏการณ์ทางกลศาสตร์ควอนตัม ตั้งแต่ “การตีความโคเปนเฮเกน” ซึ่งมักถูกเรียกว่าการตีความกระแสหลัก ไปจนถึง “การตีความหลายโลก” ซึ่งเกิดขึ้นเพื่อตอบสนองต่อข้อจำกัดของการตีความก่อนหน้านี้ และการตีความอื่นๆ อีกมากมาย แนวทางที่แตกต่างกันเหล่านี้ยังคงเสริมซึ่งกันและกันโดยการแก้ไขช่องว่างที่ไม่มีการตีความใดเพียงอย่างเดียวสามารถอธิบายได้อย่างครบถ้วน ในการประชุมกลศาสตร์ควอนตัมที่จัดขึ้นในออสเตรียในอดีต มีการสำรวจความคิดเห็นในหมู่นักฟิสิกส์ที่มีชื่อเสียงระดับโลก 33 คน โดยถามว่าพวกเขาสนับสนุนการตีความใด การตีความโคเปนเฮเกนได้รับ 42% การตีความเชิงทฤษฎีสารสนเทศ 24% และการตีความหลายโลก 18% เนื่องจากไม่มีการตีความใดได้รับคะแนนเกิน 50% ในการสำรวจนี้ จึงเห็นได้ชัดว่าการตีความแต่ละแบบมีข้อจำกัดของตนเอง ในบทความนี้ ผมจะแนะนำ "การตีความโคเปนเฮเกน" และ "การตีความหลายโลก" โดยสังเขป ซึ่งเป็นส่วนสำคัญของสาขานี้และมีมุมมองที่ขัดแย้งกันเกี่ยวกับการ "สังเกต" และจะกล่าวถึงข้อจำกัดของทั้งสองการตีความ การตีความ "เชิงทฤษฎีสารสนเทศ" จะถูกยกเว้นจากการอภิปรายนี้ เนื่องจากมองกลศาสตร์ควอนตัมจากมุมมองที่แตกต่างจากสองการตีความแรก
กรอบแนวคิดพื้นฐานของการตีความโคเปนเฮเกน ซึ่งเสนอโดยบอร์และไฮเซนเบิร์ก มีดังนี้: “ตราบใดที่ผู้สังเกตการณ์ไม่ได้ใช้อุปกรณ์วัด อิเล็กตรอนภายในอะตอมจะเคลื่อนที่ตามกฎของเหตุและผล อย่างไรก็ตาม เมื่อพยายามอธิบายอิเล็กตรอนในตำแหน่งและเวลาคงที่ภายในกาลอวกาศ ปฏิสัมพันธ์แบบไม่ต่อเนื่องจะเข้ามาแทรกแซง ทำให้มันเบี่ยงเบนจากเหตุและผล และผู้สังเกตการณ์ไม่มีทางเลือกอื่นนอกจากต้องพึ่งพาความน่าจะเป็นควอนตัม” กลศาสตร์นิวตันกล่าวว่าอนุภาคที่สังเกตได้ในโลกมหภาคมีค่าตำแหน่งและโมเมนตัมที่เฉพาะเจาะจงและกำหนดไว้อย่างดีเมื่อพวกมันเคลื่อนที่ ซึ่งหมายความว่าในโลกมหภาคที่ผู้สังเกตการณ์—นั่นคือมนุษย์—อาศัยอยู่ ตำแหน่งและโมเมนตัมจะคงที่ อย่างไรก็ตาม ในโลกจุลภาค อิเล็กตรอนที่กำลังเคลื่อนที่อยู่ในสถานะที่ปริมาณทางกายภาพเหล่านี้ไม่สามารถกำหนดได้อย่างแน่ชัดเป็นค่าเดียว แต่สถานะต่างๆ ที่แตกต่างกันจะอยู่ร่วมกันในเวลาเดียวกัน ตัวอย่างเช่น ถ้ามีสถานะที่เป็นไปได้สามสถานะ—1, 2 และ 3—ที่อิเล็กตรอนสามารถครอบครองได้ อิเล็กตรอนจะอยู่ในทั้งสามสถานะพร้อมกันก่อนที่จะถูกสังเกต ในทางคณิตศาสตร์ สามารถแสดงได้ว่าเป็นผลรวมของฟังก์ชันคลื่นที่สอดคล้องกับสถานะ 1, 2 และ 3 เมื่อผู้สังเกตในโลกมหภาคสังเกตอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนจะลดลงเหลือสถานะเดียวจากหลายสถานะที่เป็นไปได้ ซึ่งกำหนดโดยความน่าจะเป็นที่เกี่ยวข้องกับสถานะนั้น กล่าวอีกนัยหนึ่ง การกระทำของการ “สังเกต” เปลี่ยนสถานะของอิเล็กตรอน ตัวอย่างเช่น ในขณะที่อิเล็กตรอนถูกกำหนดว่าอยู่ในสถานะ 1 ความเป็นไปได้ที่มันจะอยู่ในสถานะ 2 และ 3 พร้อมกันก็จะหายไป นี่คือสิ่งที่การตีความโคเปนเฮเกนเรียกว่า “การยุบตัวของฟังก์ชันคลื่น” ดังนั้น การกระทำของการ “สังเกต” จึงมีความสำคัญอย่างยิ่งในการตีความโคเปนเฮเกน
นักฟิสิกส์ชื่อดังอย่างไอน์สไตน์ได้หักล้างการตีความโคเปนเฮเกน โดยอ้างถึงการทดลองทางความคิดต่างๆ เป็นหลักฐาน หนึ่งในนั้นคือ “แมวของชโรดิงเกอร์” ภายในกล่องปิดผนึกมีแมวและอุปกรณ์ที่สามารถปล่อยพิษได้ขึ้นอยู่กับสถานะของอนุภาคที่กำหนดโดยกลศาสตร์ควอนตัม ไม่ว่าแมวในกล่องจะยังมีชีวิตอยู่หรือตายหลังจากช่วงเวลาหนึ่ง—ซึ่งก็เป็นสถานะอย่างหนึ่ง—จะถูกกำหนดก็ต่อเมื่อเปิดฝาและสังเกตแมวเท่านั้น การทดลองทางความคิดนี้แสดงให้เห็นว่าการนำการกระทำของการ “สังเกต” ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งในโลกจุลภาค ไปใช้ในโลกมหภาค นำไปสู่ข้อสรุปที่แปลกประหลาด ดังนั้นจึงกระตุ้นให้เกิดการไตร่ตรองอย่างลึกซึ้งเกี่ยวกับความหมายของการสังเกตในกลศาสตร์ควอนตัม นี่คือจุดเริ่มต้นของ “การตีความหลายโลก”
เอเวอเร็ตต์ที่ 3 อดีตนักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน ได้โต้แย้งข้ออ้างของการตีความโคเปนเฮเกน โดยกล่าวว่าการกระจายความน่าจะเป็นของอนุภาคไม่ได้หายไปจากการสังเกต แต่โลกที่เป็นไปได้หลายโลกนั้นมีอยู่ตั้งแต่แรกเริ่มแล้ว กล่าวอีกนัยหนึ่ง ตำแหน่งของอนุภาคไม่ได้ถูกกำหนดด้วยค่าเดียวผ่านการสังเกต แต่โลกคู่ขนานหลายโลกมีอยู่แล้ว และเราเพียงแค่สังเกตโลกใดโลกหนึ่งเท่านั้น สถานะที่เราไม่ได้สังเกตโดยตรงนั้นกำลังเกิดขึ้นในโลกที่เป็นไปได้อื่นๆ ตัวอย่างเช่น หากการสังเกตของเราได้ผลลัพธ์เป็นสถานะที่ 2 สถานะอื่นๆ ก็ไม่ได้หายไปในขณะนั้น พวกมันกำลังเกิดขึ้นในโลกอื่นๆ และเราเพียงแค่ไม่สามารถสังเกตพวกมันได้
อย่างไรก็ตาม ทฤษฎีการตีความแบบหลายโลกนั้นมีปัญหาอย่างชัดเจน หากเหตุการณ์ที่อาจเกิดขึ้นได้นั้นเกิดขึ้นในทุกโลกที่เป็นไปได้ ความน่าจะเป็นที่เกี่ยวข้องกับแต่ละสถานะจะมีนัยสำคัญอย่างไร เอเวอเร็ตต์พยายามแก้ไขปัญหานี้โดยการคูณแต่ละสถานะด้วยค่าน้ำหนัก แต่ความหมายของการที่โลกหนึ่งมีความสำคัญมากกว่าอีกโลกหนึ่งยังคงเป็นหัวข้อถกเถียงกันอยู่
เมื่อพิจารณาการตีความทั้งสองแบบนี้—แต่ละแบบมีความสำคัญและข้อจำกัดของตัวเอง—ผมโน้มเอียงไปทางตีความแบบโคเปนเฮเกนมากกว่า หากเราย้อนกลับไปที่จุดเริ่มต้นของกลศาสตร์ควอนตัม เราจะเห็นว่ามันถูกสร้างขึ้นมาเพื่ออธิบายปรากฏการณ์ในโลกจุลภาค กล่าวอีกนัยหนึ่ง เนื่องจากมันถูกสร้างขึ้นมาเพื่อไขปริศนาของปรากฏการณ์ผ่านการสังเกตและข้อเท็จจริงที่เกิดขึ้น การกระทำของผู้สังเกตจึงมีความหมายสำคัญอย่างยิ่ง ในการสังเกตอนุภาคจริง ๆ เพื่อที่จะสังเกตสถานะของอนุภาคเดี่ยว เราต้องออกแรงกระทำต่อมันในระดับหนึ่ง ในทางฟิสิกส์ สิ่งนี้เรียกว่า “การรบกวน” กล่าวอีกนัยหนึ่ง การสังเกตสถานะของอนุภาคเกี่ยวข้องกับการเหนี่ยวนำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในอนุภาคแล้วสังเกตการตอบสนองของมัน แม้ว่าความเชื่อมโยงระหว่างการเหนี่ยวนำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในอนุภาคและการยุบตัวของฟังก์ชันคลื่นในทางคณิตศาสตร์จะค่อนข้างคลุมเครือ แต่ทั้งสองอย่างก็เห็นพ้องต้องกันตรงที่ทั้งสองอย่างเปลี่ยนแปลงสถานะเดิม ซึ่งหมายความว่าการกระทำของการสังเกตนั้นมีความสำคัญทางกายภาพ
กลศาสตร์ควอนตัมได้ก้าวออกจากกรอบความคิดแบบกำหนดตายตัวของกลศาสตร์นิวตันแบบคลาสสิก และนำเอาแนวทางเชิงความน่าจะเป็นมาใช้ มีกี่คนที่ยอมรับได้ง่ายๆ ว่าตำแหน่งของแอปเปิลที่อยู่ตรงหน้าพวกเขานั้นเปลี่ยนแปลงไปด้วยความน่าจะเป็นที่แตกต่างกันทุกครั้งที่พวกเขามองมัน? เป็นความจริงที่ว่าทั้งการตีความโคเปนเฮเกนและการตีความหลายโลกต่างก็มีความสำคัญและข้อจำกัดของตนเองเมื่อพูดถึงการช่วยให้ผู้คน—ซึ่งคุ้นเคยกับสถานะที่แน่นอนของวัตถุ—เข้าใจปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในโลกจุลภาค ฉันเป็นนักศึกษาวิศวกรรมที่กำลังศึกษาเกี่ยวกับการสร้างเทคโนโลยีใหม่ๆ โดยใช้ปรากฏการณ์ทางวิทยาศาสตร์และผลลัพธ์ที่ได้จากการสังเกต การพัฒนาของกลศาสตร์ควอนตัมได้มอบเครื่องมือให้เราในการตีความปรากฏการณ์ในโลกจุลภาค และสิ่งนี้ได้นำไปสู่เทคโนโลยีที่เป็นประโยชน์ต่อผู้คนโดยตรง อุปกรณ์ MRI (Magnetic Resonance Imaging) ซึ่งมีส่วนสำคัญต่อวงการแพทย์สมัยใหม่ ได้รับการพัฒนาโดยการประยุกต์ใช้ปรากฏการณ์ NMR (Nuclear Magnetic Resonance) จากกลศาสตร์ควอนตัม เทคโนโลยีนี้ไม่เพียงแต่ใช้ในสเปกโทรสโกปี—ซึ่งใช้ในการกำหนดโครงสร้างโมเลกุล—แต่ยังใช้ในการสำรวจน้ำมันอีกด้วย จากข้อเท็จจริงนี้ ผมเชื่อว่าการตีความที่เหมาะสมกว่าในการอธิบายปรากฏการณ์—ซึ่งผมถือว่าเป็นจุดประสงค์ของวิทยาศาสตร์—จะมีความสำคัญมากกว่า