A No-Nonsense Introduction to Quantum Theory

ตอนที่เขียนเสร็จแล้ว
ตอนที่ 1: ทฤษฎีความน่าจะเป็นคลาสสิคัล

ผมอยากเขียนเบสิกของทฤษฎีควอนตัมมานานแล้วเพราะทฤษฎีนี้บอกเราว่าความจริงในธรรมชาตินั้นแปลกยิ่งกว่านิยายวิทยาศาสตร์แต่ก็สามารถนำมาใช้ได้จริงก่อให้เกิดเทคโนโลยีที่มีผลโดยตรงต่อชีวิตประจำวันมากมายอย่างเช่นเครื่องคอมพิวเตอร์ที่คุณใช้อยู่ ผมซื้อหนังสือควอนตัมจักรวาลใหม่ให้พ่อแม่(ไม่แน่ใจว่าเงินใครกันแน่)และหาโอกาสเล่าเรื่องที่ผมสนใจและทำงานอยุ่ให้ท่านฟังอยู่บ่อยๆ ผมเคยเขียนเกี่ยวกับ quantum foundationsทฤษฎีบทของ Bell จาก nonlocal game และ เนื้อหาควอนตัม ป.ตรี (เพราะตอนนั้นกำลังเตรียมสอบ prelim อยู่) ถ้าถามผมก็คิดว่าเขียนไม่ได้เรื่องเท่าไรเพราะความเข้าใจตอนนั้นมีไม่มาก แต่โพสท์เนื้อหาควอนตัม ป.ตรีกลับกลายเป็นโพสท์ที่มีคนเข้ามาชมบ่อยที่สุด ก็เลยคิดว่ามีคนสนใจเสิร์ชหาเรื่องแนวนี้ในภาษาไทยอยู่พอสมควร

ความเข้าใจผิดในทฤษฎีควอนตัม

“I think I can safely say that nobody understands quantum mechanics.”

Richard Feynman

ทว่าสิ่งที่กระตุ้นให้เริ่มลงมือเขียนจริงๆก็เพราะยิ่งทฤษฎีแปลกประหลาดมากก็ทำให้คนเข้าใจมันผิดๆมากไปด้วย บางทีก็คิดว่ามันแปลกมากเกินกว่าความเป็นจริง — อะไรก็เกิดขึ้นได้ขอแค่ให้มีคำว่าควอนตัม, บางทีก็คิดว่ามันแปลกน้อยเกินกว่าความเป็นจริง — ว่าควอนตัมก็ไม่ต่างอะไรจากทฤษฎีความน่าจะเป็นธรรมดา มีงานวิจัยแล้วด้วยว่านักเรียนมักจะคิดแบบนี้ถ้าครูผู้สอนไม่ได้พูดถึงความหมายของทฤษฎีควอนตัมเลย, หรือบางทีคิดว่าทฤษฎีควอนตัมผิดไปเลย ซึ่งเป็นไปได้ยากเพราะจะต้องผิดแบบที่ไม่ขัดกับความเป็นจริงที่ว่าอุปกรณ์เทคโนโลยีมากมายในปัจจุบันเป็นไปได้เพราะควอนตัม ที่สำคัญยิ่งกว่าคือคุณสามารถดูเหตุผลของคนที่บอกว่าทฤษฎีนู่นนี่ผิดได้ และสิ่งที่มักจะเกิดขึ้นก็คือเขาคิดว่าทฤษฎีผิดเพราะเขาเข้าใจมันผิดเสียเอง

ต่อไปนี้คือตัวอย่างข่าวเกี่ยวกับควอนตัมในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา

– ข่าวใหญ่เมื่อปี 2011 เมื่อมี preprint ชื่อว่า “The quantum state cannot be interpreted statistically” (ที่ภายหลังได้ถูกเปลี่ยนชื่อและให้คำอธิบายเพิ่มเติมเพราะทำให้คนสับสน) แต่ฟิสิกส์ปีหนึ่งบอกว่าฟังก์ชันคลื่น”ยกกำลังสอง”ได้ความน่าจะเป็นไม่ใช่หรือ?

Screen Shot 2556-09-08 at 2.52.36 PM

– การทดลองใช้”การวัดแบบอ่อนๆ” เพื่อวัดสิ่งที่ข่าวเคลมว่านักฟิสิกส์เคยคิดว่าวัดไม่ได้ เช่น วิถีโคจรของโฟตอน (2011), ฟังก์ชันคลื่น (2011), หรือหักล้างหลักความไม่แน่นอนของ Heisenberg (2012)

Screen Shot 2556-09-08 at 2.07.36 PM– เมื่อปลายเดือนสิงหาคม เวบไซต์ Phys.org ลงข่าวนักฟิสิกส์ตีพิมพ์คำตอบของปัญหาการวัด (quantum measurement problem) ที่ค้างคามาเป็นเวลากว่า 80 ปีด้วยคอนเซปต์ของ entanglement และ nonlocality ในวารสาร Physics Review A

Screen Shot 2556-09-08 at 2.05.45 PM

แต่ในเวบไซต์เดียวกันเพียงเมื่อเดือนก่อนหน้าก็ลงข่าว

Screen Shot 2556-09-08 at 3.00.08 PM

– ปีนี้ Google และ NASA ซื้อเครื่องควอนตัมคอมพิวเตอร์ของ D-wave ที่มีงานวิจัยรองรับว่าเร็วกว่าคอมพิวเตอร์ธรรมดาถึง 3600 เท่า ในราคาสูงระดับสิบล้านเหรียญสหรัฐ

Screen Shot 2556-09-08 at 2.07.19 PM

แต่!

Screen Shot 2556-09-08 at 1.49.24 PM

เราจะรู้ได้อย่างไรว่าข่าวไหนถูกต้องแม่นยำ วิเคราะห์รอบด้าน ข่าวไหนพาดหัวเกินความเป็นจริง? ข่าวมีไว้เพื่อให้อัพเดท ให้ทันสมัย แต่การติดตามข่าวก็เปรียบเสมือนติดตามเกมกีฬา หากเราแต่รู้สกอร์ล่าสุดแต่ไม่รู้กฎของเกมก็ไร้ความหมาย โชคดีที่กฎของควอนตัมไม่ซับซ้อนเปลี่ยนแปลงไปตามเวลาเหมือนสังคมมนุษย์ เพียงแค่เราเรียนรู้พื้นฐานที่มีอยู่แทบไม่มีการเปลี่ยนแปลงมากว่าครึ่งศตวรรษก็เพียงพอที่จะทำให้เข้าใจความก้าวหน้าในปัจจุบันได้ แน่นอนว่าแค่นี้ไม่พอที่จะตอบปัญหาทุกข้อได้ เพราะยังมีเรื่องราวมากมายที่แม้แต่นักฟิสิกส์เองก็ไม่รู้! แต่ถึงแม้จะให้คำตอบไม่ได้ พื้นฐานก็จำเป็นในการถามคำถามที่ถูกทาง เป็นจุดเริ่มต้นของการเรียนรู้ขั้นต่อไป

A No-Nonsense Introduction

หลังจากคิดไปคิดมาสักพักผมตัดสินใจว่าชื่อนี้ดูจะเหมาะกับสิ่งที่ผมคิดไว้ที่สุด ชื่อนี้ไม่ได้จะสื่อว่า introduction อื่นๆนั้นไร้สาระ. A No-Nonsense Introduction to General Relativity ความยาว 23 หน้า ไม่ได้บอกว่าตำรา Spacetime and Geometry: Introduction to General Relativity ของผู้เขียนคนเดียวกันนั้นไร้สาระ. ในที่นี้ no-nonsense introduction หมายถึง introduction ที่ไปถึงหัวใจของวิชานั้นอย่างรวดเร็วที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ซึ่งจำต้องข้ามรายละเอียดซับซ้อนต่างๆที่ต้องฝึกให้ชำนาญถ้าจะต้องทำงานฟิสิกส์จริงๆ แต่สิ่งที่แลกได้มาคือภาพรวมของการทำงานของทฤษฎีควอนตัมในรวดเดียว

แนวทางการอธิบายทฤษฎีควอนตัมแบ่งได้กว้างๆสองทางคือบอกว่ามันเป็นทฤษฎีคลื่นที่ไม่รู้ทำไมให้แต่ความน่าจะเป็นของเหตุการณ์ต่างๆ หรือบอกว่ามันเป็นทฤษฎีความน่าจะเป็นที่ไม่รู้ทำไมมีการแทรกสอดแบบคลื่นได้ แต่ละวิธีก็มีปริศนาของมันเอง ผมขอเลือกที่จะนำเสนอในแนวของความน่าจะเป็น หนึ่ง เพราะแนวคลื่นต้องใช้คณิตศาสตร์ที่ยากกว่า สองความเข้าใจผิดพื้นฐานจำนวนส่วนหนึ่งในทฤษฎีควอนตัมมาจากความเข้าใจผิดในความน่าจะเป็นธรรมดาๆนี่เอง เราจึงควรจะได้เห็นทฤษฎีความน่าจะเป็นแบบธรรมดาก่อน และสาม ความรู้เรื่องคลื่นไม่ได้ทำให้เข้าใจความแปลกจริงๆของควอนตัมสักเท่าไร ในทางกลับกันถ้าไม่พูดเรื่องคลื่นไม่ต้องรู้ฟิสิกส์ก็อ่านได้

ครั้งหน้า (อย่างเร็วที่สุดเดือนหน้า): เราจะเริ่มกันที่ทฤษฎีความน่าจะเป็น และจะเห็นว่าในควอนตัมก็มีหลายๆอย่างที่คล้ายกับทฤษฎีความน่าจะเป็นแบบธรรมดา!

Advertisements

About Ninnat Dangniam

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

One Response to A No-Nonsense Introduction to Quantum Theory

  1. Pingback: How to Learn Basic Quantum Theory | 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