Systems of the World

There’s no English translation since this’s a translation from a book.

ต่อไปนี้เป็นบทแปลและสรุปจาก Wilczek’s Fantastic Realities บท What Matters for Matter เขียนในปี 2003 ซึ่งน่าจะมีประโยชน์สำหรับคนที่ต้องการเห็นภาพรวมว่า โมเดลที่เราใช้อธิบายจักรวาลอยู่ในตอนนี้คืออะไรและเรากำลังใช้โมเดลไหนที่ง่ายที่สุดในขอบเขตของระบบที่ตนศึกษา(เช่น พลังงานไม่สูงมากนักสำหรับนักเคมีทั่วไป) มีคอมเมนต์เพิ่มเติมสำหรับคนที่ไม่คุ้นเคยกับเรื่องแบบนี้นักเช่นนักชีวะทั่วไป

ภาพของโลกในระดับโมเลกุล

[หรือ electronic level เพราะว่าในโลกของชีวิตประจำวันในระดับที่เรารับรู้ได้นั้นแรงแม่เหล็กไฟฟ้ามีความแรงที่สุด ที่เรารู้สึกว่าแรงโน้มถ่วงเป็นแรงส่วนใหญ่เพราะว่าเราอยู่กับโลกที่มีมวลมากเทียบกับเรา จริงๆแล้วแรงแม่เหล็กไฟฟ้าแรงกว่าแรงโน้มถ่วงใน order of magnitude 10 ยกกำลัง 43 คิดดูว่าแม่เหล็กเล็กๆสามารถยกเข็มหมุดต้านแรงโน้มถ่วงของโลกทั้งใบได้ ในขณะที่วัตถุส่วนใหญ่เช่นร่างกายของเราเองเมื่อมองโดยรวมแล้วมีประจุ “ลบ” และ”บวก” พอดีกันเป๊ะๆเราจึงไม่รู้สึกถึงแรงอันมหาศาลนี้]

โลกใบแรก QM

นักแสดงของโมเดลแรกนี้มีแค่อิเล็กตรอนภายใต้กฏเกณฑ์ของกลศาสตร์ควอนตัม โมเดลของเรามีประจุไฟฟ้าที่มีประจุเป็นจำนวนเต็มคูณกับค่าคงที่ e และมีตำแหน่งชัดเจนใน space  แค่อาศัยคำอธิบายของ”กล่องดำ”นี้เราก็สามารถอธิบายนิวเคลียสได้ โลกนี้เป็นแค่การประมาณของโลกที่ฟิสิกส์ปัจจุบันนำเสนอ ในโลกนี้นิวเคลียสหนักเป็นอนันต์เท่าของอิเล็กตรอนแทนที่จะเป็นแค่หลักพันเท่า และขีดจำกัดความเร็วก็เป็นอนันต์ อย่างไรก็ตามโมเดลนี้เป็นโมเดลที่ประหยัดมากเพราะใช้ parameter เพียงแค่ ประจุ e, ค่าคงที่ ,และมวลอิเล็กตรอน  ซึ่งเราสามารถแทนค่าพวกนี้ด้วยหน่วยที่เหมาะสมได้ทำให้เราไม่มี free parameter เลย

แต่โลกนี้ก็ไม่ได้น่าเบื่อเพราะว่ามันสามารถกำเนิดโครงสร้างที่หลากหลายและซับซ้อนได้ เราพอจะบอกได้ว่าโมเลกุลแบบไหนที่เราสามารถมีได้ด้วยการคำนวณจุดต่ำสุดของพลังงานซึ่งเป็นฟังก์ชันของประจุ source (ละเอียดกว่านั้นจริงๆแล้วเราต้องให้กฎของสมมาตรเพื่อกำหนด quantum statistic ของอิเล็กตรอนด้วย)

โลกใบที่สอง QED (Quantum Electrodynamics)

เมื่อเราคำนึงถึงขีดจำกัดความเร็ว(“ความเร็วแสง”) ด้วยแล้วก็จะได้ภาพของโลกที่ใกล้เคียงความจริงมากกว่าเดิม เปลี่ยนจากสมการSchrödinger มาเป็นสมการดิแรกและกฎของคูลอมบ์มาเป็นสมการแม็กซ์เวลแทนและแนะนำเราคอนเซปต์ใหม่ photon และ virtual photon แต่โลกจะดูสมบูรณ์แบบน้อยลงเพราะเราต้องยอมรับค่าคงที่ fine structure constant   แต่นั่นทำให้เราสามารถทำนายพลวัฒน์ของสปิน, Lamb shift, radiation และอื่นๆได้

โลกใบที่สาม “ทุกอย่างของเคมีและส่วนใหญ่ของฟิสิกส์”

ถึงกระนั้นโมเดลของเราก็ยังไม่รวมปรากฎการณ์เช่น ปฏิกริยาเคมี การแพร่ และ หลายๆอย่างเกี่ยวกับการถ่ายเทความร้อนเช่น vibrational spectra และ rotational spectra เพราะโมเลกุลของเราขยับไม่ได้! เราจึงต้องใช้ parameter อีกมากมายเท่าที่จำเป็นในการคำนวณเช่น เช่น มวลของนิวเคลียสต่างๆและไอโซโทป, สปิน, magnetic moment ฯลฯ แต่ด้วยโมเดลนี้เองเราก็ได้ทฤษฎีที่ดิแรกบอกว่าครอบคลุม “ทุกอย่างของเคมีและส่วนใหญ่ของฟิสิกส์”

โลกใบที่สี่ QCD (Quantum Chromodynamics) 1

เกิดจาก QED และ QCD ในแบบกะทัดรัด โลกใบนี้สร้างนิวเคลียสเพียงแค่จากอนุภาคไร้มวล: color gluons และ up, down quarks เหมือนกับโลกใบแรก โมเดลนี้มี parameter ที่สามารถแลกเป็นหน่วยได้คือ ,c, และมวล  ซึ่งพวกเราเชื่อว่าโมเดลนี้สามารถคำนวณ 10-20% ของสมบัติทางนิวเคลียร์ได้

 โลกใบที่ห้า QCD 2

คือโลกใบที่สี่ที่เพิ่มมวล  และ  เข้าไปทำให้โมเดลถูกต้องตามความเป็นจริงมากขึ้นแลกกับความประหยัด ทฤษฎีนี้อธิบาย”โลก”ตามความหมายทางฟิสิกส์ซึ่งเป็นโลกในชีวิตประจำวันของเรา– terrestrial matter ให้คำอธิบายของสสาร”ปกติ”ในสภาพ”ปกติ”ได้อย่างดี

จริงๆแล้วความน่าเชื่อถือของ QCD ไม่ได้มาจากการคำนวณสมบัตินิวเคลียร์อย่างที่หลายๆคนคงจะเดาและดูน่าจะเป็นแบบนั้น เพราะไม่มีใครรู้ว่าในทางปฏิบัติจะคำนวณอย่างไร สนามทดสอบของทฤษฎีนี้คือการทดลองที่ใช้พลังงานสูงมากพอที่จะทำให้ quarks, gluons และ coupling ของมันโผล่มาให้เห็นอย่างชัดเจน นอกจากนั้นผลการคำนวณอย่างคร่าวๆของโครงสร้างของโปรตอนและ hadron spectrum เป็นที่น่าพอใจ ความสำเร็จที่ผ่านมาเป็นปัจจัยสำคัญมากเพราะทฤษฎีนี้เป็นทฤษฎีที่ไม่สามารถปรับเปลี่ยนอะไรตามใจได้เลยถ้าเรายอมรับผลของกลศาสตร์ควอนตัมและสัมพัทธภาพพิเศษ

วิธีปรับปรุงโลกใบที่ห้าอย่างตรงไปตรงมาก็คือการก้าวเข้าสู่ standard model ซึ่งทำให้เราทำนายปรากฎการณ์ในรังสีคอสมิกและเครื่องเร่งอนุภาคได้ แต่ทำให้ต้องมี parameter เพิ่มมาประมาณ 20 parameters ส่วนใหญ่เป็นมวลและ weak mixing angle ของอนุภาคที่ไม่เสถียร สถานการณ์นี้ดูคล้ายกับตอนที่เราขยับออกมาจากโลกใบแรกแต่ในปัจจุบันเรายังไม่มี “Beyond the Standard Model” ที่แน่ชัดและความสวยงามและความถูกต้องแม่นยำมักจะกลายเป็นเรื่องขัดแย้งกัน

ความขัดแย้งยังเกิดระหว่างความสมบูรณ์และประโยชน์ในการนำไปใช้อีกด้วย มีคนเคยกล่าวไว้ว่าเราสามารถบอกความก้าวหน้าของฟิสิกส์ได้ด้วยโจทย์ที่แก้ไม่ได้ กลศาสตร์นิวตันสามารถแก้ปัญหาของวัตถุสองวัตถุได้ แต่เมื่อขยายไปเป็นสามวัตถุก็แก้ไม่ได้แล้ว ในสัมพัทธภาพทั่วไปปัญหาของสองวัตถุก็แก้ไม่ได้ ใน quantum gravity vacuum (ความว่างที่”ไม่มีอะไรเลย”) ก็แก้ไม่ได้แล้ว

Advertisements

About Ninnat Dangniam

นักเรียน, นักเขียน, นักวาด
This entry was posted in Quantum. Bookmark the permalink.

2 Responses to Systems of the World

  1. Max says:

    โลกใบที่สาม “ทุกอย่างของเคมีและส่วนใหญ่ของฟิสิกส์” – ซึ่งพาต่อเนื่องไปถึงคำถามว่า “แล้วชีวะไปไหน” พอดีเพิ่งอ่านเรื่องจะเอา QM ไปช่วยอธิบายเรื่องประสิทธิภาพที่สูงของระบบชีวภาพได้อย่างไรด้วย ทำให้นึกถึงขึ้นมา ดูท่าความฝันของนักฟิสิกส์ที่จะครองโลก(=อธิบายได้ทุกอย่างถึงยันชีวะ)ดูท่าจะเป็นไปไม่ได้ล่ะมั้ง

  2. Pingback: My Blogging Statement and Quantum Mechanics « A Diary

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s