อย่าด่วนตีความแบบควอนตัมถ้าไม่จำเป็น

irrelevantคำอธิบายควอนตัมให้คนทั่วไป (popularization) บนอินเตอร์เน็ตนั้นมีเต็มไปหมด จากนักฟิสิกส์จริงๆก็มี (แต่อาจจะถูกกรองผ่านผู้สร้าง content) แต่เท่าที่ผมเจอมาส่วนใหญ่ก็ยังไม่ดี ไม่ดียังไง?

เพื่ออธิบายจุดนี้ ผมขอแบ่งทฤษฎีควอนตัมเป็นสามส่วน: ตัวอย่างปรากฎการณ์ในทฤษฎี, ตัวทฤษฎี (คณิตศาสตร์), และการตีความสิ่งที่ทฤษฎีบอกเรา

ความเข้าใจควอนตัมที่ดีที่สุดมาจากการเรียนรู้ตัวทฤษฎีก่อน นี่เป็นสิ่งที่คนเรียนฟิสิกส์ใช้เวลาเป็นปีๆกับมัน ซึ่งคนทั่วไปที่ไม่มีความจำเป็นต้องใช้มันไม่สามารถให้เวลากับมันขนาดนั้นได้ Carl Sagan เชื่อว่าไม่มี popularization ที่ดีก็เพราะเหตุนี้ แต่ในปัจจุบันผมเชื่อว่าแก่นของมันสามารถอธิบายได้ไม่ยากเกินไป (ไม่ต้องใช้แคลคูลัส) นี่เป็นสิ่งที่ผมพยายามทำในทฤษฎีควอนตัมใน 10 นาที เริ่มด้วยแก่นของทฤษฎีแล้วค่อยไปยังตัวอย่าง

Popularization ส่วนใหญ่มีแต่ตัวอย่างและการตีความ ซึ่งไม่ใช่สิ่งที่ไม่ดี สิ่งที่ไม่ดีคือการตีความมักจะ “เหลือเชื่อ” (extraordinary) ในขณะที่ตัวอย่างที่ยกมาไม่จำเป็นต้องถูกตีความแบบนั้น ดังที่ Sagan เคย popularize เอาไว้ “Extraordinary claim requires extraordinary evidence.” การตีความที่เหลือเชื่อต้องการหลักฐานที่เหลือเชื่อ ถึงจุดนี้ Popularizer ก็จะไม่ลืมที่จะบอกว่าทฤษฎีควอนตัมมีหลักฐานที่เหลือเชื่อรองรับ แต่หลักฐานรองรับทฤษฎีควอนตัมไม่ได้รองรับการตีความของทฤษฎีควอนตัม

เราอาจจะบอกว่ามันเป็นความเลินเล่อของ popularizer ก็ได้ แต่ผมคิดว่าเป็นไปได้ที่ popularizer ไม่คิดว่าความผิดพลาดที่กล่าวมาเป็นความผิดพลาด ทฤษฎีควอนตัมมีปรากฎการณ์ที่ไม่สามารถใช้สามัญสำนึกในการเข้าใจได้ซึ่งนำไปสู่การตีความที่เหลือเชื่อ ถ้าคิดว่าทฤษฎีเดียวตีความได้แบบเดียวก็ต้องใช้การตีความอย่างเหลือเชื่อกับทุกตัวอย่าง ถึงแม้ว่าตัวอย่างที่ยกมาโดดๆจะไม่จำเป็นต้องถูกตีความแบบนั้น

ทฤษฎีเดียวอาจจะตีความได้แบบเดียว แต่ปรากฎการณ์หนึ่งๆตีความได้หลายแบบ การเปรียบเทียบทฤษฎีควอนตัมและทฤษฎีความน่าจะเป็นเป็นเครื่องมืออย่างดีที่จะตรวจจับกับดักทางความคิดแบบนี้ มาดูตัวอย่างกัน

ซูเปอร์โพสิชันและเอนแทงเกิลเมนต์

นี่เป็นวิดีโอที่ผมอยากจะชอบเพราะแมวน่ารักแต่ก็ชอบไม่ลง

ตัวอย่าง แมวในกล่องมีโอกาส 50% ที่จะมีชีวิตอยู่และ 50% ที่จะตาย

การตีความที่เหลือเชื่อ  แมวไม่ได้ทั้งเป็นหรือตาก่อนที่เราจะเปิดกล่องดู (อนุภาคอยู่ในหลายๆที่ในเวลาเดียวกัน)

การตีความตามสามัญสำนึก แมวเป็นหรือตายตั้งแต่ก่อนเราเปิดกล่องดูแล้ว (การตีความที่เหลือเชื่อขัดกันเองกับตอนต้นของวิดีโอที่บอกไว้ว่าพฤติกรรมของสิ่งของในสเกลของชีวิตประจำวันเป็นไปตามกลศาสตร์ดั้งเดิม แล้วทำไมถึงใช้ทฤษฎีควอนตัมกับแมวกับระเบิดในกล่องล่ะ?)

ตัวอย่าง ถ้าแมวในกล่องหนึ่งมีชีวิต แมวอีกกล่องก็จะตาย ไม่ว่ากล่องสองกล่องจะอยู่ห่างกันแค่ไหน

การตีความที่เหลือเชื่อ  เป็นปรากฎการทางควอนตัมเรียกว่าเอนแทงเกิลเมนต์

การตีความตามสามัญสำนึก ถ้าระเบิดลูกนึงทำงาน ระเบิดลูกนึงด้าน แต่ไม่รู้ว่าลูกไหนทำงานลูกไหนด้าน แมวในกล่องหนึ่งก็จะรอด แมวอีกกล่องก็จะตาย ไม่ว่ากล่องสองกล่องจะอยู่ห่างกันแค่ไหน

อนุภาคเป็นคลื่น

ตัวอย่าง ความน่าจะเป็นที่จะพบอนุภาคที่ตำแหน่งต่างๆคำนวณจากฟังก์ชันที่เดินทางเหมือนคลื่น

การตีความที่เหลือเชื่อ  เพื่อที่จะหลีกเลี่ยงการตีความว่าอนุภาค “อยู่ในสองที่ในเวลาเดียวกัน” เหมือนในวิดีโอแมว (ซึ่งนายกแคนาดา Justin Trudeau ไม่ตกหลุมพรางนี้!) วิดีโอนี้บอกว่ามีคลื่นที่กำหนดความน่าจะเป็นที่จะพบอนุภาคได้ที่ตำแหน่งใดตำแหน่งหนึ่งโดยการไกด์อนุภาคไปตามที่ต่างๆ

การตีความตามสามัญสำนึก อนุภาคคืออนุภาค ความน่าจะเป็นคือความน่าจะเป็น การที่เราไม่รู้ว่าอนุภาคอยู่ที่ไหน รู้แค่ความน่าจะเป็น ไม่ได้หมายความว่าอนุภาคเป็นความน่าจะเป็นหรือความน่าจะเป็นเป็นสิ่งทางกายภาพที่ไกด์อนุภาคไปตามที่ต่างๆ

ความไม่แน่นอนของ Heisenberg

ตัวอย่าง การบาลานซ์ดินสอบนหัวดินสอ [1]

การตีความที่เหลือเชื่อ ความไม่แน่นอนของ Heisenberg จำกัดว่าเราจะบาลานซ์ได้นานเท่าไรก่อนที่ดินสอจะล้ม (แถมยังใช้ความไม่แน่นอนระหว่างมุม-โมเมนตัมเชิงมุม \Delta \theta \Delta L \ge \frac{\hbar}{2} ที่ผิดอีก เพราะ \Delta L = 0 ในทุกๆ eigenstate ของโมเมนตัมเชิงมุม)

การตีความตามสามัญสำนึก การบาลานซ์ดินสอบนหัวดินสอเป็นสมดุลที่ไม่เสถียร การรบกวนเพียงนิดเดียวเช่นจากโมเลกุลอากาศในอุณหภูมิมากกว่า 0 K ก็อาจทำให้มันล้มได้


นี่ไม่ใช่ปัญหาของคนฟัง popularizer อย่างเดียวแต่เป็นปัญหาของนักวิจัยด้วย การที่ D-Wave อธิบายการทำงานของคอมพิวเตอร์ตัวเองด้วยทฤษฎีควอนตัมไม่ได้แปลว่ามันเป็นควอนตัมคอมพิวเตอร์ (ไม่สามารถอธิบายด้วยทฤษฎีดั้งเดิมได้) การที่พฤติกรรมบางอย่างของหยดของเหลวอธิบายได้ด้วยการตีความของทฤษฎีควอนตัมที่คลื่นไกด์อนุภาคไม่ได้แปลว่ามันสนับสนุนการตีความนั้น (เพราะหยดของเหลวไม่ใช่โมเดลของทฤษฎีควอนตัม ตรงข้ามกับที่ Ross Anderson ผู้ที่เคยพิสูจน์ (มั่วๆ) มาแล้วว่าเอนแทงเกิลเมนต์ของหลายอนุภาคเป็นไปไม่ได้ พยายามจะพิสูจน์)

อย่าด่วนตีความแบบควอนตัมถ้าไม่จำเป็น

[1] Don Easton, “The quantum mechanical tipping pencil — a caution for physics teachers” European Journal of Physics 28 1097–1104 (2007)