จาก‘ฟิสิกส์ควอนตัม’สู่‘จักรวาลคู่ขนาน’

Niel Bohr นักฟิสิกส์ควอนตัมกล่าวไว้ว่า

“คนที่บอกตัวเองว่าเข้าใจควอนตัม แสดงว่า ยังไม่เข้าใจควอนตัม”

ถ้าผู้อ่านอ่านควอนตัมฉบับที่แล้ว ยังไม่เข้าใจควอนตัม นั่นแสดงว่า ผู้เขียนได้มาถูกทางแล้ว วันนี้จึงขอมาเขียนเรื่องควอนตัมอีกวัน

กลศาสตร์ฟิสิกส์ เชื่อว่าพื้นฐานของธรรมชาติ คือ 'ความจริง' คือความแน่นอน (Deterministic) แปลว่า ถ้าเราทราบข้อมูลทุกอย่างของระบบที่เวลาหนึ่งๆ เราจะสามารถทราบการวิวัฒนาการของระบบนั้นได้ตลอดไป

เช่น ถ้าเราโยนก้อนหินขึ้นฟ้า แล้วเราทราบข้อมูลทุกอย่างที่เกี่ยวข้อง เช่น ความเร็วตั้งต้น มวลของก้อนหิน แรงลม แรงต้านอากาศ แรงโน้มถ่วง ฯลฯ เราจะบอกได้แน่นอนว่า ที่เวลาหนึ่งๆ ในอนาคต หินก้อนจะอยู่ที่ใด และจะมีความเร็วเท่าใด

ส่วนฟิสิกส์ควอนตัมนั้น บอกว่า พื้นฐานของธรรมชาติคือ 'ความไม่แน่นอน' (Probabilistic) ความจริงที่เราเห็นเป็นแค่ 'ค่าเฉลี่ย' ของภาพลวงตา เช่น ถ้าเรามองเห็นวัตถุหนึ่งวางอยู่นิ่ง ๆ หากเราหลับตา มันจะมีความเป็นไปได้ที่ไม่เป็นศูนย์ที่วัตถุนั้นจะขยับไปทางซ้ายเล็กน้อย หรือขวาเล็กน้อย โดยที่ไม่แรงอะไรมากระทำ ซึ่งเหตุการณ์ลักษณะนี้ไม่สามารถสังเกตุได้ในชีวิตประจำวัน เนื่องจากการเคลื่อนที่นั้นจะมีขนาดน้อยมาก ๆ แต่สามารถวัดได้จริงในห้องปฏิบัติการ

ฟิสิกส์ควอนตัมจึงเป็นเรื่องแปลก อย่างน้อยก็แปลกสำหรับเรา มันไม่ใช่กฎที่เราคุ้นเคย เนื่องจากกฎของโลกควอนตัมควบคุมวิธีการทำงานของโลกในระดับอะตอมและอนุภาคย่อย โครงสร้างพื้นฐานของสสารสามารถอยู่ในหลายตำแหน่งหรือในสถานะที่แตกต่างกันในเวลาเดียวกัน

ความสามารถพิเศษของอนุภาคควอนตัมนี้เรียกว่า 'การซ้อนทับควอนตัม' (Quantum superposition) ซึ่งได้รับการทดสอบและยืนยันว่าเป็นจริงด้วยการทดลองแบบ 2 ช่อง (Double-slit Experiment) นับครั้งไม่ถ้วนกับวัตถุที่มีขนาดใหญ่กว่าอิเล็กตรอนและโฟตอน เช่น โปรตอนและนิวตรอน อะตอม และโมเลกุลขนาดเล็ก-คาร์บอน 60 โดยนักฟิสิกส์ประสบความสำเร็จในการแสดงให้เห็นว่าอนุภาคแต่ละตัวสามารถอยู่ในสองที่ในคราวเดียวกัน ซึ่งนำมาสู่การตีความของความเป็นไปได้ของ “โลกคู่ขนาน” หรือ จักรวาลคู่ขนาน

แมวของชโรดิงเจอร์ กับการตีความการซ้อนทับควอนตัม

หนึ่งในความลับที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของฟิสิกส์ควอนตัม ที่เรายังไม่เข้าใจอย่างถ่องแท้ของ โดยเฉพาะ พฤติกรรม 'การซ้อนทับควอนตัม' (Quantum superposition) คือความเป็นไปได้ที่ระบบจะมีสถานะที่แตกต่างกันสองสถานะในเวลาเดียวกัน พูดอีกอย่างก็คือ อะตอมของสารกัมมันตภาพรังสีมีโอกาส 50/50 ที่จะอยู่ในสถานะทั้งสลายตัวและยังไม่สลายตัวไปพร้อมๆ กัน

ควอนตัมเป็นพฤติกรรมของสสารหรือพลังงานที่อยู่ในระดับอะตอม หรือต่ำกว่า ที่ เล็กๆ และ เย็นๆ เมื่อมาโต้ตอบกับสิ่งใหญ่ในชีวิตประจำวันอย่าง แมว ผลลัพธ์ดูเป็นเรื่องแปลกไปจากกรอบความคิดอย่างเราๆ Erwin Schrödinger (เออร์วิน ชโรดิงเจอร์) นักฟิสิกส์ชาวออสเตรียผู้บุกเบิกกลศาสตร์ควอนตัมและได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ ได้ทดลองการตีความทางความคิด 'การซ้อนทับควอนตัม' (Quantum superposition) ที่เรียกว่า 'การทดลองแมวของชโรดิงเจอร์' (Schrodinger’s Cat Experiment) เป็นการทดลองทางความคิดที่เกี่ยวข้องกับคุณสมบัติของระบบควอนตัมขนาดเล็ก (สารกัมมันตภาพรังสี) กับวัตถุขนาดใหญ่ในชีวิตประจำวัน (แมว) กล่าวคือ นำแมวมาขังอยู่ในกล่องปิดที่มีสารกัมมันตภาพรังสี มีตัวนับ Geiger ที่วัดว่าอะตอมของสารกัมมันตภาพรังสีสลายตัวและปล่อยรังสีหรือไม่ หากตรวจพบรังสี ขวดแก้วที่เต็มไปด้วยไฮโดรเจนไซยาไนด์ที่เป็นพิษในห้องจะถูกค้อนที่ติดอยู่กับเครื่องทุบจนแตก และทำให้แมวตายเพราะกล่องเต็มไปด้วยก๊าซพิษ! หากไม่มีสารกัมมันตภาพรังสีสลายตัว จะไม่มีการแผ่รังสีใดๆ และแมวก็จะมีชีวิตอยู่

ทั้งนี้ ชโรดิงเจอร์ กล่าวว่า หากคุณวางแมวและสิ่งที่สามารถฆ่าแมว (อะตอมของสารกัมมันตภาพรังสี) ลงในกล่องและปิดผนึก คุณจะไม่รู้ว่าแมวตายหรือมีชีวิตอยู่หรือไม่ จนกว่าคุณจะเปิดกล่องออก นั่นคือการวัดสถานะของระบบ บอกเป็นนัยว่าแมวอาจมีชีวิตอยู่และตายไปในเวลาเดียวกัน เนื่องจากในระหว่างที่แมวอยู่ภายในกล่องที่ปิดผนึก แมวก็มี “การซ้อนทับควอนตัม” ของสองสถานะเช่นเดียวกับอะตอม แมวก็จะทั้งตายและมีชีวิตอยู่พร้อมๆ กันจนกว่ากล่องจะถูกเปิดออกและวัดสถานะของแมว แมวจะเปลี่ยนไปมีสถานะอย่างใดอย่างหนึ่งโดยฉับพลันในชั่วขณะที่ผู้สังเกตการณ์เปิดกล่องออกดูเท่านั้น นั่นคือการซ้อนทับนี้จะยุบลงในสถานะเดียวเมื่อมีการสังเกตระบบ

ชโรดิงเจอร์สร้างการทดลองในจินตนาการของเขากับแมว เพื่อแสดงให้เห็นว่าการตีความของทฤษฎีควอนตัมอย่างง่ายๆ อาจนำไปสู่ผลลัพธ์ที่ไร้สาระซึ่งไม่ตรงกับโลกแห่งความเป็นจริง เขาเขียนว่า “ไร้สาระอย่างยิ่ง” ที่การซ้อนทับควอนตัมและจะยุบลงเป็นสถานะเดียวเพียงเพราะเราเข้ามาดูมัน และการซ้อนทับควอนตัมจะไม่เกิดขึ้นกับสิ่งมีชีวิตขนาดใหญ่อย่างแมว เพราะเป็นไปไม่ได้ที่สิ่งมีชีวิตจะมีชีวิตอยู่และตายไปในเวลาเดียวกัน นี่แสดงให้เห็นถึงความไม่สมเหตุสมผลของกลศาสตร์ควอนตัมสิ่งที่มีขนาดใหญ่อย่างแมว ควอนตัมจึงเป็นเรื่องเป็นสาระอย่างยิ่งกับสิ่งที่เล็กๆ และเย็นๆ

แมวของชโรดิงเจอร์ กับการตีความ “จักรวาลคู่ขนาน”

อย่างไรก็ตาม นักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ ส่วนใหญ่เต็มใจที่จะยอมรับฟิสิกส์ควอนตัม เพราะเห็นด้วยกับผลการทดลอง อันที่จริงมันเป็นทฤษฎีที่ประสบความสำเร็จอย่างโดดเด่นและอยู่ภายใต้วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีสมัยใหม่เกือบทั้งหมด สิ่งที่นักวิทยาศาสตร์คิดเกี่ยวกับการทดลองแมวของชโรดิงเจอร์ นั่นคือการคาดการณ์ที่แปลกประหลาดของกลศาสตร์ควอนตัมและความเป็นไปได้ของจักรวาลคู่ขนาน: ถ้าอะตอมอยู่ในตำแหน่งซ้อนทับ แมวก็สามารถดำรงอยู่ในการทับซ้อนระหว่างความเป็นและความตาย แต่ไม่ได้อยู่ในจักรวาล/มิติเดียวกัน มีจักรวาลคู่ขนานหรือโลกสองแห่ง เมื่อกล่องถูกเปิดออกในจักรวาลหนึ่งพบว่าแมวยังมีชีวิตอยู่ และในอีกจักรวาลหนึ่งแมวได้ตายไปแล้ว มันอาจจะขัดกับสามัญสำนึกที่จะยอมรับว่าแมวตัวหนึ่งยังมีชีวิตอยู่และทั้งตายไปแล้วได้พร้อมกัน

ในปี ค.ศ. 1957 ฮิวจ์ เอเวอเร็ตต์ นักฟิสิกส์ชาวอเมริกา ได้เสนอแนวคิดเรื่องโลกคู่ขนาน (Many-Worlds Interpretation) ซึ่งกล่าวไว้ว่าเจ้า “ภาพลวงตา” หรือฟังก์ชั่นคลื่นนั่นแหละคือความจริง เมื่อเราก้าวเท้าออกจากบ้าน ฟังก์ชั่นคลื่นตัวนี้จะอธิบายความน่าจะเป็นที่เราจะก้าวเท้าซ้ายออกจากบ้าน และก้าวเท้าขวาออกจากบ้าน ความเป็นไปได้ดังกล่าวคือ “ความจริง” แนวคิดเรื่องโลกคู่ขนานนี้กล่าวต่อว่า ขณะที่เรากำลังก้าวเท้าออกจากบ้าน เราได้สร้างจักรวาลขึ้นมาสองจักรวาล จักรวาลหนึ่งเราก้าวเท้าซ้าย อีกจักรวาลหนึ่งเราก้าวเท้าขวา หากสุดท้ายแล้วเราก้าวเท้าซ้ายออกจากบ้าน แสดงว่าเราได้มาอยู่ในจักรวาลเท้าซ้ายแล้ว แต่ก็จะมีอีกจักรวาลหนึ่งที่มีตัวเราอีกคนที่ก้าวเท้าขวาออกจากบ้านในวันและเวลาเดียวกัน

หากทฤษฎีนี้เป็นจริง แสดงว่ามี “ผู้เขียน” อีกสำเนาหนึ่งในจักรวาลคู่ขนานที่สร้างขึ้นตามคุณสมบัติควอนตัม สำเนานี้จะมีลักษณะใบหน้าและร่างกายเหมือนกัน แต่อาจมีบุคลิกที่ต่างกัน เนื่องจากแต่ละคนได้รับผลลัพธ์ที่แยกจากกัน (คนหนึ่งอาจก้าวร้าวและอีกคนอาจเฉยเมย) หรืออาจมีการกระทำในทางตรงกันข้ามกัน ตัวอย่างเช่น สมมติว่าผู้เขียนเดินไปตามถนน ผู้เขียนเดินเลี้ยวซ้าย แต่ในอีกจักรวาลคู่ขนาน ผู้เขียนจะเดินเลี้ยวขวา แนวคิดนี้ฟังดูเหมือนบางอย่างจากภาพยนตร์นิยายวิทยาศาสตร์ แต่มีนักฟิสิกส์เพิ่มจำนวนมากขึ้น ยอมรับแนวคิดนี้

แม้ว่าการมีอยู่ของจักรวาลคู่ขนานจะเป็นไปได้ในทางทฤษฎี ยังไม่มีหลักฐานใดๆมายืนยันแนวคิดนี้ อย่างไรก็ตาม แนวคิดของชเรอดิงเจอร์เกี่ยวกับสถานะซ้อนทับของแมวนั้นก็เป็นความหวังอย่างหนึ่งของนักฟิสิกส์ว่าซักวันหนึ่งเราอาจจะเห็นคุณสมบัตินี้ของควอนตัมในระดับใหญ่ๆ ที่เรียกกันว่า จักรวาลคู่ขนาน