Blogging and Quantum Foundations

   ใกล้จะได้ฤกษ์เปิดเทอมแล้ว เมื่อเช้าเพิ่งได้วีซ่ามาทำให้อย่างน้อยก็วางใจได้ว่าเข้าประเทศอังกฤษได้ ตอนนี้เรื่องที่ต้องทำก็คือสมัครอะไรต่างๆออนไลน์แล้วก็อัพโหลดรูปถ่ายอะไรแบบนั้น ส่วนการลงวิชาจริงๆจะเป็นในสัปดาห์ที่ไปอยู่ที่นู่นแล้วก็ไว้ค่อยคิดตอนนั้น

    ช่วงสองสามวันนี้นอกจากเล่นเกม ps1 แล้วยังนั่งคิดเกี่ยวกับบล็อก What is a Thing? ที่พยายามเขียนให้คนทั่วไปได้อ่าน ซึ่งไล่ให้เรากลับมาอ่าน “จุดประสงค์ของบล็อก” และชื่อบล็อกที่ชื่อว่า “ไดอารี่” และทำให้เราเปลี่ยนใจว่าที่เขียนไปนั้นไม่ใช่ทั้งไดอารี่แล้วก็ไม่มีประโยชน์ด้วยเพราะมันเป็นการเชื่อมโยงอย่างเลื่อนลอยของไอเดียต่างๆและการพยายามเป็น tutorial ซึ่งมีรูปแบบเป็น การเดินทางที่มีแต่เป้าหมายแต่ไม่มีการเดินทาง จึงขอลบซีรี่ส์ดังกล่าวและขออภัยคนที่อ่านที่ทำให้เสียเวลาอ่าน ณ ที่นี้ สายของความนึกคิดที่ยังไม่ได้บ่มก็ไม่ควรจะเสแสร้งว่ามันเป็นอะไรที่ประติดประต่อกันจนคนอื่นจะเข้าใจได้ นอกจากนี้ในมุมมองของผู้อ่าน ความสับสนซึ่งทำนำไปสู่ความสงสัยและคำถามในใจมีคุณค่ามากกว่าการมาอ่านว่า “สรุปแล้วเรื่องนี้สอนให้รู้ว่า…” โดยไม่ให้เหตุผลที่กระจ่างชัดซึ่งจะทำได้เมื่อสะสมความรู้และภูมิปัญญามามากระดับหนึ่งแล้ว(ซึ่งเราไม่ได้เป็นแบบนั้น) เขียนอะไรสบายๆแบบโพสท์นี้โดยไม่กังวลถึงผู้อ่านมากนักจะดีกว่า

    อีกเรื่องหนึ่งก็คือรูปภาพในบล็อก การใส่รูปในโพสท์เพียงเพื่อตกแต่งนั้นดีหรือเปล่า? ถ้าบล็อกมีเนื้อก็ไม่ต้องใส่น้ำกระมัง ก็จะพยายามสังเกตดูความเหมาะสมให้มากขึ้น

    คำเตือนก่อนที่จะอ่านต่อไป: โพสท์นี้ยาวมาก ว่าแต่มันไม่มีวิธีแสดงเฉพาะ excerpt ในหน้าหลักเหรอ? แต่ว่าถ้ามองในมุมมองของคนอ่าน คนอ่านคงจะเข้ามาจากลิงค์เฉพาะแต่ละโพสท์อยู่แล้วคงไม่มีปัญหา จริงๆแล้วสถานการณ์ในอุดมคติคืออยากให้ผู้อ่านเลือกอ่านเรื่องจากหมวดหมู่ทางด้านขวาเอาเพราะเราอยากจะให้เนื้อหาในโพสท์เก่าๆเปลี่ยนแปลงเพิ่มเติมได้(dynamic entry!)คือถ้าเป็นโพสท์แบบที่ให้ข้อมูลที่ไม่ใช่ข่าวสาร(ซึ่งเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอด)ไม่อยากให้มันเก่าล้าหลังเพียงเพราะว่ามันถูกทับถมด้วยโพสท์ใหม่ซึ่งอาจทำให้คนเข้ามาอ่านไม่ได้ประโยชน์เท่าที่ควร และถ้าเลือกหมวดหมู่จะทำให้เจอแต่ excerpt ด้วยซึ่งสะดวกและสบายตากว่า

 

Quantum Foundations

   ตั้งแต่แรกเริ่มที่คิดว่าจะเขียนอะไรในซีรี่ส์ต่อแล้วเราก็รู้ว่ามันคงจะสอนอะไรเราเกี่ยวกับ QM บ้าง ตกลงมันสอนให้แยก foundation กับ interpretation ของ QM ออกจากกัน บล็อกที่มีประโยชน์อย่างไม่น่าเชื่อว่ามันจะมีอะไรแบบนี้ให้อ่านได้สำหรับเราก็คือบล็อกของ Matthew Leifer (ซึ่งน่าเสียดายที่เขาแทบไม่ได้เขียนอะไรเลยตั้งแต่ต้นปี ’08) ซึ่ง foundation นั้นเรามองเห็นว่ามันเป็นแบบข้อสองและสามใน What is the point of Quantum Foundations? (QF) ซึ่งเราจะขอมาเรียงใหม่เป็นข้อหนึ่งข้อสองว่า

1. QF ไม่ขัดแย้งกับ QM ในขอบเขตที่เรากำลังประยุกต์ใช้ได้แต่เสนอแนะวิธีการขยายขอบเขตที่ว่า ทิศทางที่เป็นที่นิยมมากที่สุด1ก็แน่นอนว่าเป็น quantum gravity เราจะประยุกต์ QM กับแรงโน้มถ่วงได้อย่างไร?2 ปัญหาของเราก็คือ ยิ่งกว่าที่บอกในโพสท์นี้ว่าแม้กระทั่งการคอนเฟิร์ม standard model ยังออกจะห่างไกลจากฟิสิกส์ของชีวิตประจำวัน เรายังไม่สามารถหาวิธีทดสอบทฤษฎี QG ที่แตกต่างกันอย่าง string theory, loop QG หรืออื่นๆได้ QF ในทิศทางนี้เราจึงนึกถึงปรากฎการณ์อย่างเช่น tunneling time และ nonequilibrium QM ที่ de Broglie-Bohm formulation3 ของ QM พยายามทำมากกว่า 

2. QF ไม่ขัดแย้งกับ QM เลย แต่เป็นการมองในมุมมองใหม่เพื่อเสนอแนะปัญหาและการทดลองใหม่ๆที่มองเห็นได้ชัดจากมุมมองใหม่ดังกล่าว สำหรับตัวอย่างบางส่วนให้อ่านบล็อกเขาดู ซึ่ง QI (quantum information) เป็นสาขาสำคัญที่นำเสนอ QF ในแง่นี้

     สิ่งที่เราอยากเห็น(ที่จริงก็อยากทำด้วย)คือหนังสือ QF ที่เป็นกลางต่อ interpretations Robert Spekkens4 กำลังเขียนอยู่แต่ยังไม่มีกำหนดคลอด  สำหรับหนังสือประเภทนี้สำหรับคนทั่วไปที่ดี ข้อมูลทันสมัยคือ Einstein, Bohr and the Quantum Dilemma  ซึ่งน่ารำคาญเพราะไม่ยอมใช้คณิตศาสตร์แต่อย่างไรก็ตามสามารถอ่านเพื่อเตรียมบริบทสำหรับการอ่านเปเปอร์ที่สำคัญอื่นๆในประวัติศาสตร์ได้ เช่น Against Measurement ของ John Bell ซึ่งเรามักจะเคยได้ยินจาก secondary source ว่า Bell ไม่อยากเห็นคำพวกนี้ในทฤษฎี: “system, apparatus, environment, microscopic, macroscopic, reversible, irreversible, observable, information, measurement” เราก็เคยสงสัยว่าคำพวกนี้มันก็จำเป็นไม่ใช่หรือ แต่ถ้าอ่านเปเปอร์จริงๆจะรู้ว่าการใช้คำพวกนี้ในตำราโดย Landau หรือ Gottfried ที่ Bell วิพากษ์วิจารณ์นั้นกำกวมมาก

     ทำไมจึงควรรู้เรื่อง QF? สำหรับเราแล้วคลาสเรียน QM ปกตินั้นเต็มไปด้วยคอนเซปต์ที่แตกแยกไม่เป็นอันหนึ่งอันเดียวกันและหลายคอนเซปต์ที่ติดปากกันแพร่หลายก็มาจากความเป็นไปในประวัติศาสตร์เสียมากกว่าซึ่งสามารถตามไปดูได้ตั้งแต่การประชุม Solvay ครั้งที่ 5 ในปี 1927 ที่ไอเดียแบ่งแยกกันเป็นกลุ่มๆอย่างกลุ่ม “realist” และฝั่งตรงข้าม ในขณะที่ก็พูดได้แน่นอนว่าจริงๆแล้วทุกคนมีมุมมองที่แตกต่างและเป็นตัวเสริมเติมเต็มซึ่งกันและกันอยู่ ในความคิดของเรา Bohr ให้กำเนิดคอนเซปต์ที่กำกวมอย่าง complementarity หรือ Heisenberg กับ uncertainty relation โดยอาศัยการพิจารณาจากความรู้ที่มีในสมัยนั้นอย่างฉลาดและเต็มความสามารถแล้วเพียงแต่ว่าในปัจจุบันเรามีเทคโนโลยีและการทดลองที่ช่วยไขความกระจ่างให้กับเรื่องพวกนี้ได้อย่างที่นักฟิสิกส์ในยุคกำเนิดควอนตัมคาดไม่ถึงเพราะฉะนั้นเราว่าน่าจะเป็นประโยชน์ต่อความเข้าใจใน QM ของทุกคนมากกว่าถ้ารู้ QF และสามารถบอกคร่าวๆได้ว่าภาพของ QM ในหัวที่ตนยึดถืออยู่นั้นสามารถจัดกลุ่มได้อยู่ในกลุ่มใดและมีคำถามใดที่จะต้องตอบให้ได้บ้าง และย้อนกลับไปยังสองข้อด้านบนว่าเราจะทำอะไรให้ทฤษฎีฟิสิกส์เกิดความก้าวหน้าได้บ้าง

 

ปัญหา

1. ในทิศทางไหนที่ความเข้าใจ QM ในแบบ instrumentalist ไม่เพียงพอ (เช่นการนิยาม state จากผลที่เป็นไปได้ของ test และ relative frequency5 ของแต่ละผลแบบ Peres) และเราสามารถจะขยายขอบเขตการประยุกต์ใช้ของ QM ได้

    โพสท์นี้ได้พูดสิ่งที่น่าสนใจคอนเซปต์ของ entropy ทำให้เราไม่ต้องมานั่งพิจารณาระบบเป็นเครื่องจักรความร้อนทุกทีๆและทำให้สามารถประยุกต์อุณหพลศาสตร์ในสถานการณ์ต่างๆได้กว้างขวางกว่าเดิมและยังนำไปสู่กลศาสตร์สถิติ(statistical mechanics)ในที่สุด

    Decoherence ของ Zurek ดู”เหมือน”ว่าจะเป็นเครื่องมือการคำนวณที่ไปได้ไกลที่สุดในทิศทางนี้ในปัจจุบัน ไอเดียคร่าวๆของ decoherence ก็คือไม่สน projection postulate และคงเฉพาะ unitary evolution ไว้ แต่ตระหนักว่า pure state ของ”ระบบ”ที่อยู่ภายใต้การควบคุมจะ coupling กับ pure state ของ”สิ่งแวดล้อม”ทำให้ได้ entangled pure state ซึ่งเมื่อใช้ Born’s rule ยกกำลังสองจะได้เทอมแทรกสอด (interference term) มา แต่หากเราสนใจเฉพาะระบบของเรา การตัดเอา coupling กับสิ่งแวดล้อมออกจะทำให้ไม่เห็นการแทรกสอด สรุปก็คือ superposition มีตลอดและมีอยู่ทุกที่แต่ถูกกวาดออกไปเมื่อขอบเขตของระบบที่เราสังเกตได้มีจำกัด ผลสุดท้ายก็คือ”สมบัติ”ของ “สิ่ง” (thing) ในโลกของกลศาสตร์คลาสสิคมาจากการคัดเลือกโดยสิ่งแวดล้อมแนวเดียวกับ natural selection ของ Darwin ทำให้ Zurek ตั้งชื่อว่า quantum darwinism สำหรับรีวิวของ decoherence ดูเปเปอร์นี้และหน้าเวบนี้ หรือบทความของ Zurek เอง แต่เราไม่แน่ใจว่าการแยก”ระบบ”และ”สิ่งแวดล้อม”ออกจากกันจะทำให้มีปัญหาหรือเปล่า

    ในทางตรงกันข้าม ถ้าไม่ยึดถือว่า QM ครอบคลุมทุกปรากฎการณ์ทางกายภาพในชีวิตประจำวันล่ะ? รู้สึกว่าหนึ่งในคนที่มีข้อสงสัยนี้คือ Anthony Leggett ซึ่งต้องการจะพิสูจน์ให้เห็นจริงว่า QM เพียงพอที่อธิบายฟิสิกส์ในสเกลที่ใหญ่ขึ้นเรื่อยๆได้จริงๆ

 

 2. ถ้าไม่ยึดถือ state vector ว่ามีความหมายในทุกสถานการณ์เช่นมองว่าเป็นแค่ “ความรู้” จะเจอปัญหาอะไรบ้าง

    ตรงนี้น่าจะตัดปัญหาเรื่อง collapse หรือแม้กระทั่งการตีความหมายของความน่าจะเป็นแบบ relative frequency ไปได้ไม่มากก็น้อย ค่อนข้างแน่นอนว่าความน่าจะเป็นในการทำนายที่พื้นฐานที่สุดนั้นเป็นความน่าจะเป็นแบบ objective “ความรู้”ในที่นี้จึงไม่ได้หมายความว่าเราขาดความรู้ของกลไกที่ซ่อนเร้นอยู่แบบในความสัมพันธ์ของอุญหพลศาสตร์กับกลศาสตร์สถิติ

    เท่าที่ได้ยินและสนใจมีสองแนวทางคือคิดว่า QM เป็นทฤษฎีความน่าจะเป็น หรือพยายามหาความเหมือนของ QM กับการอนุมาน (inference) แบบ Bayesian โดย Christopher Fuchs โดยการอนุมาน (inference) แบบ Bayesian ก็มาจากทฤษฎีบทของ Bayes ที่ต้องเรียนกันในคลาสสถิติเกี่ยวกับความน่าจะเป็นแบบมีเงื่อนไขก็คือสามารถอัพเดทความน่าจะเป็นที่คาดเดาไว้เมื่อมีข้อมูลใหม่เข้ามาได้ ที่เราจะหาเวลาอ่านคือเปเปอร์นี้ ซึ่งมีแม้กระทั่งคำว่า qualia ซึ่งเป็นต้นตอของการที่เราแปะรูปค้างคาวในโพสท์ What is a Thing? ความแตกต่างของวีถีทางแรกกับทางที่สองตามที่เราเข้าใจ(ซึ่งอาจผิด)ก็คืออันแรกเป็นแบบ epistemic เต็มที่คือบอกว่า QM เป็นการให้เหตุผลในแบบที่กว้างกว่าทฤษฎีความน่าจะเป็นเดิม ส่วนอันที่สองนั้นยังมี ontology อยู่ซึ่งน่าจะไปกันได้กับคำถามหนึ่งที่เคยโผล่มาในหัวเราว่าถ้าจริงๆแล้วมันไม่มีอะไรให้สังเกตแล้วสมบัติของสิ่งที่สังเกตมาจากไหน? ก็คือยังมีชั้นของ”ความจริง”ซึ่งเราไม่รู้ว่าหน้าตาเป็นยังไงและเราให้เหตุผลกับมันได้ผ่านการอนุมานโดยตรรกะของมนุษย์เท่านั้น

 

เส้นทางเดิน

    ในช่วงปิดเทอมนี้เราก็ได้ประสบการณ์การแยกแยะขึ้นมาอีกอย่างคือการเรียนรู้โดยการสำรวจ(survey)กับการลงมือทำ เรื่องราวด้านบนนี้เป็นเรื่องราวจากการสำรวจเฉยๆสังเกตได้จากจำนวนลิงค์ไปยังที่ต่างๆ แต่ก่อนเราคิดว่าวิธีการเรียนรู้ของเราเองมีสองทางคือเรียนอะไรที่จำเป็นต่ออาชีพและเรียนอะไรที่ไม่จำเป็นต่ออาชีพ ซึ่งจริงๆการเรียนรู้มีประโยชน์หมด (ซึ่งฟังดูเป็นคำพูดธรรมดามากๆแต่บางเวลามันก็เกิดความรู้สึกว่าอยากทำตัวให้เป็นประโยชน์ต่อสถาบันและสาขาอาชีพ คำพูดของ Zeilinger จึงเป็นเครื่องเตือนใจได้ดี) หากแต่ว่าเวลาเราสำรวจเรามักจะไม่ critical ต่อข้อมูลมากนัก ในเทอมของการแบ่งเวลาจึงควรจะให้เวลากับการสำรวจเป็นส่วนน้อยและการลงมือทำเป็นส่วนมาก เราจึงขอจบเรื่อง QF ด้านบนลงเพียงเท่านี้

    แต่มันก็มีหนังสือเกี่ยวกับ QF ที่เปิดโอกาสให้นักเรียนปริญญาตรีที่จบคลาส QM และ advanced calculusได้ลงมือทำได้เช่น Lectures on Quantum Theory โดย Isham และ Linear Operators for Quantum Mechanics  

    นอกจากนี้เรายังมีเรื่องเล็กๆเรื่องหนึ่งใน QF ซึ่งน่าสนใจและทำให้เรานั่งพยายามทำความเข้าใจอยู่วันสองวันกับมันและถ้ามีโอกาสคงจะได้นำเสนอในบล็อกนี้ก่อนที่จะไปอังกฤษก็คือทฤษฎีบท Bell-Kochen-Specker ซึ่งทำให้เข้าใจ GHZ paradox และความหมายของทฤษฎีบทของ Bell ที่สำคัญมากในปรัชญาเชิงทดลอง (experimental philosophy) มากยิ่งขึ้นซึ่งส่งข้อความว่า “ในโลกนี้เราต้องเลือกเอาอย่างใดอย่างหนึ่งในสองอย่างต่อไปนี้:การสังเกตเพื่อให้ได้ข้อมูลของสมบัติต่างๆของสิ่งเป็นเพียงการเปิดเผยสมบัติที่สิ่งนั้นมีอยู่แล้วไม่ว่าเราจะไปสังเกตมันหรือไม่ก็ตาม(realism) กับ การกระทำใดๆก็ตาม ณ ตำแหน่งใดตำแหน่งหนึ่งไม่สามารถส่งผลต่อสิ่งที่อยู่ห่างไกลออกไปได้ในทันทีทันใด(locality)6” แน่นอนว่าถ้าเขียนจริงๆจะออกเป็นทางเทคนิคเหมือนโพสท์ GHZ paradox

 

 

 

 

 

1. แต่ปัญหาที่เจอได้ก่อนเพื่อนคือความพยายามที่จะประยุกต์ QM กับทั้งจักรวาลในจักรวาลวิทยา ซึ่งจะมีปัญหาในเรื่องความหมายของความน่าจะเป็นและ state vector เปเปอร์เก่าที่มักถูกอ้างอิงถึงคือ Hartle’s “Quantum Mechanics of Individual Systems” (1968) 

2. เพราะแรงในธรรมชาติมีสี่แรง แรงโน้มถ่วงซึ่งเรามีความเข้าใจส่วนหนึ่งตั้งแต่สมัยนิวตัน, แรงแม่เหล็กไฟฟ้า, แรงนิวเคลียร์อีกสองประเภทซึ่งมีระยะทางที่สั้นมาก (ขนาดของนิวเคลียร์อยู่ในหน่วย femtometre 10^-15 m) เรามีทฤษฎีควอนตัมของแรงสามประเภทหลังแล้วแต่ยังไม่สามารถเขียนทฤษฎีควอนตัมของแรงโน้ม (QG) ถ่วงที่น่าพึงพอใจได้

3. เราคิดว่ามันเป็น formulation ไม่ใช่ interpretation อย่างเดียว ดูเช่น “Nine Formulations of Quantum Mechanics” ของ Styer et al.

4. สัมมนาที่ Spekkens เป็นคนพูดน่าสนใจดี

5. relative frequency ก็คือการตีความหมายของความน่าจะเป็นแบบนักวิทยาศาสตร์ในทางปฏิบัติทั่วไปก็คือทดลองซ้ำๆจนกว่าจะเก็บผลการทดลองจำนวน”มากเข้าใกล้อนันต์ครั้ง”และให้ความหมายของความน่าจะเป็นได้

6. realism และ locality ในความหมายนี้เป็นความหมายที่ใช้กันทั่วไปในบริบทนี้ของนักฟิสิกส์ซึ่งไม่ได้หมายความว่าจะเป็นความหมายที่แม่นยำอย่างที่นักปรัชญาใช้ หนังสือของ Isham การตีความหนึ่งๆจะถือว่าเป็น realist ได้อย่างน้อยต้องมีเงื่อนไขของ realism ที่ให้ไว้ในที่นี้ ส่วน locality ก็เช่นกันสามารถตีความได้มากกว่าหนึ่งแบบ

Advertisements

About Ninnat Dangniam

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

2 Responses to Blogging and Quantum Foundations

  1. rkcosmos says:

    เอออออ ยาวจริงๆด้วย

  2. Pingback: A No-Nonsense Introduction to Quantum Theory ตอนที่ 0 | 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