EP3/9 |“เข้าใจ”ควอนตัมกันอย่างไร ? | ปลดกลอนเปิดประตูสู่โลกอนาคต
หากว่ากลศาสตร์ควอนตัมมิได้ทำให้ตะลึงอย่างสุดซึ้ง นั่นแสดงถึง "ความไม่เข้าใจ"
นีลส์ บอร์ (Niels Bohr)
จากสิ่งมีชีวิตสลับกลับมาหาสิ่งประดิษฐ์แล้วเดินทางไปสู่โลกใหม่ล่าสุดของเทคโนโลยีควอนตัมผ่านไปกับอุปกรณ์ตัวอย่างด้านสารสนเทศหรือไอทีต่อไปนี้ ซึ่งก่อนที่จะย่างเท้าก้าวเข้าสู่ยุคใหม่ดังกล่าวควรมาหยุดยืนอยู่ที่หน้าประตูบานสุดท้ายของโลกไอทีปัจจุบันกัน โดยเปรียบเทียบว่าหน่วยประมวลผลกลางของคอมพิวเตอร์หรือซีพียู (CPU) อันเป็นสมองของเครื่องคำนวณที่ใช้งานกันทั่วไปคือ ด่านชายแดนที่เชื่อมต่อไปสู่โลกอื่น ซึ่งก็พร้อมให้ปลดกลอนประตูลงเพื่อเปิดออกไปพบกับอีกโลกไอทีใหม่ข้างหน้ากันแล้ว
การสร้างซีพียูจากวงจรรวมไอซี (IC) ที่ประกอบด้วยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ตัวเล็ก ๆ ร่วมทำงานกันอยู่ในทุกเครื่องคอมพิวเตอร์หรือโทรศัพท์เคลื่อนที่นี้คือเรื่องราวที่นำมาคั่นแบ่งเขตการเรียนรู้ของสองโลกไอทีในบทนี้ โดยเริ่มจากมุมทั่วไปของเทคโนโลยีที่ใช้สร้างวงจรไฟฟ้าด้านในไอซีดังกล่าว มีหลักการอยู่ว่าสามารถพัฒนาให้ขนาดของมันเล็กลงได้เรื่อย ๆ หรืออีกนัยหนึ่งคือ จะสามารถบรรจุจำนวนวงจรเข้าไปได้มากขึ้น มากขึ้น และมากมายขึ้นเรื่อยในพื้นที่ไอซีขนาดจำกัดเท่าเดิม ความก้าวหน้าโลกวิทยาการด้านนี้มาถึงระดับที่เพิ่มขึ้นได้เป็นสองเท่าของทุก 18 เดือนที่เคลื่อนผ่านไปแล้ว ซึ่งจะเป็นไปตามกฎของมัวร์ (Moore’s law) ผู้ก่อตั้งอินเทล (Intel) บริษัทยักษ์ใหญ่ของโลกอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เคยคาดคำนวณเอาไว้ อินเทลเองมีพัฒนาการมาถึงจุดที่สามารถสร้างอุปกรณ์เหล่านั้นเล็กลงถึง 14 นาโนเมตร (นาโน - หนึ่งในพันล้านส่วนของเมตร) ได้แล้ว แม้จะเล็กลงอีกสู่ระดับ 7 นาโนเมตรยังพอจะสร้างได้แต่ต้องใช้ทรัพยากรที่มากมายขึ้นตามไปด้วย การจะทำไอซีที่เล็กและแน่นระดับนั้นออกมาขายอาจไม่คุ้มกับต้นทุนเสียแล้ว
บริษัทไอบีเอ็ม (IBM) ยักษ์ใหญ่ไอทีสีฟ้าก็แจ้งว่าเล็กจิ๋ว 7 นาโนเมตรสร้างได้เช่นกันแต่จะคุ้มในการทำมาเป็นสินค้าได้ไหมนั้น คืออีกเรื่องการลงทุนที่บริษัทต้องตัดสินใจกันต่อไป
ขณะเดียวกันมีคำถามที่มาพร้อมกันด้วยว่า วงจรในไอซีนั้นจะเล็กลงไปกว่านี้ได้อีกแค่ไหนกันหนอ เมื่อถึงรอบ 18 เดือนข้างหน้าต่อ ๆ มาจะสามารถอัดแน่นเพิ่มสองเท่าไปได้นานอีกเพียงใด ไม่มีขอบเขตสิ้นสุดกันหรือ ?
คำตอบคือ “มีแน่นอน” ... และเมื่ออุปกรณ์ด้านในเล็กลงไปจนเข้าถึงเขตอาณาจักรระดับอนุภาคเดี่ยวแล้วหลักการจากพื้นฐานเดิมที่มีจะไม่สามารถนำข้ามแดนตามไปใช้อธิบายหรือพัฒนางานต่อในโลกใหม่ระดับนั้นได้อีก ดังนั้น เจ้าอุปกรณ์ที่เรียกว่าเล็กที่สุดของระบบไอทีปัจจุบัน จึงนำมาเปรียบได้ดั่งป้อมปราการที่จะเปิดไปสู่โลกไอทีควอนตัมใหม่ต่อไปที่เล็กสุด ๆ มองไม่เห็น ปราศจากกลิ่น ไม่ได้ยินเสียง แตะสัมผัสแล้วหาได้รู้สึกไม่ ... พรหมแดนของสองยุคไอทีที่แตกต่างกันจึงถูกคั่นด้วยประตูเทคโนโลยีวงจรอิเล็กทรอนิกส์บานสุดท้ายนี้นั่นเอง
อนึ่ง ก่อนที่จะเปิดประตูวงจรรวมไอซีก้าวข้ามไปโลกยุคใหม่ราวกับละครเรื่องทวิภพ กลับมาจบด้วยคำถามสุดท้ายที่มาสะกิดเตือนหน้าด่านกันก่อนว่า
“เอ๊ะ ! ... แล้วเจ้าไอซีแบบที่คุ้นเคยอยู่ในเครื่องคอมพิวเตอร์ โทรศัพท์ หรือเครื่องใช้ไฟฟ้าที่บ้านแล้วนี้ เคยมีคำถามกันไหมว่าอิเล็กตรอนวิ่งอย่างไร มันอยู่ตรงไหน ทำให้เกิดการคำนวณประมวลผลได้อย่างไร เคยอยากรู้อยากเข้าใจกันบ้างไหม ?”
นักศึกษาหรือผู้สงสัยอยากทราบคำตอบอาจได้ลองหาแหล่งข้อมูลเรียนรู้หรือถามผู้รู้เอาเองได้ แต่มั่นใจว่าโดยส่วนใหญ่คงไม่อยากทราบเพราะว่าไม่น่าสนใจแล้ว เครื่องมือเหล่านั้นมีให้ใช้งานและคุ้นเคยได้เองมากอยู่แล้ว ทั้งคอมพิวเตอร์หรือโทรศัพท์ ตลอดจนเครื่องใช้ไฟฟ้าที่ควบคุมอัตโนมัติทั้งหลาย เคยใช้งานอินเทอร์เน็ตแล้วเล่นเกมก็ได้ หาโปเกม่อนดี ไม่เกิดความสงสัยให้อยากรู้นัก เมื่อไม่ปักใจฉงนจึงไม่มีคำถามว่าอิเล็กตรอนคืออะไรแล้วก็วิ่งเข้าไปในไอซีเล็กขนาดนั้นได้อย่างไร จึงปล่อยผ่านเลยไปในที่สุด
คำถามนี้ประสงค์จะเปรียบว่าแม้กระทั่งอุปกรณ์ไอทีที่มีความก้าวหน้าจนมาเป็นนายด่านสู่โลกอนาคตแล้ว ถึงวันนี้แทบจะไม่พบเห็นคำถามทำนองว่าน่าสงสัยหรือไม่เข้าใจเนื่องจากว่าคุ้นเคยกันดีอยู่ เกือบทุกคนคงเคยได้ใช้งาน ตื่นขึ้นมาหรือเกิดมาหลายบ้านอาจมีพร้อมให้ใช้ทันที เด็กตัวเล็กตัวน้อยพูดยังไม่คล่องกลับพบเห็นว่าเลื่อนหน้าจอเองได้ ใช้โทรศัพท์หรือแท็บเล็ตว่องไวกว่าคนชรา เช่นกัน เมื่อมนุษย์คุ้นชินจึงเกิดความเข้าใจทางอ้อม เพราะสิ่งเหล่านั้นได้ตอบสนองประสาทสัมผัสทางใดหรือหลายทางพร้อมกันจนชินเสียแล้ว จึงไม่มีคำถามหรือใคร่อยากรู้จักอิเล็กตรอนนั้นอีก
จนกระทั่งเมื่อผ่านประตูสุดท้ายระบบไอทีที่อยู่กันมานานไปสู่ยุคอนาคตที่ยังใหม่มากทำงานกันในระดับอนุภาคมูลฐานแต่ยังไม่มีสินค้าออกมาให้ใช้สร้างความคุ้นเคยได้โดยทั่วไป คำถามเดิมยอดนิยมควอนตัมคืออะไรอาจได้หวนกลับมาอีกบ่อยครา ดังนั้น ถึงเวลาแล้ว ... ขอเชิญหนุ่มสาวออเจ้าร่วมก้าวข้ามธรณีประตูเทคโนโลยีนี้ไปแดนหน้า เร่งไปสร้างความคุ้นเคยที่รออยู่เบื้องหน้าพร้อมกัน ณ บัดนี้
ซีพียูใหม่สายพันธุ์ควอนตัม
พลันที่ข้ามแดนมายังยุคใหม่ มันสมองหรือหน่วยประมวลผลกลางของคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่กำลังมีโอกาสได้พบเห็นจะมีความแตกต่างโดยสิ้นเชิงจากจากโลกดิจิทัลที่เดินจากมาอันนิยมเรียกกันว่ายุคสองตรรก (logic) คือ “เปิด - ปิด” “มี - ไม่มี” หรือที่พบเห็นเป็นโฆษณาโดยทั่วไปกับตัวเลขสัญลักษณ์ “1”“0” อันแสดงถึงหน่วยของข่าวสารที่เล็กที่สุดยุคดิจิทัล ( เรียก “1” “0” ของยุคดิจิทัลนั้นกันว่า “บิต” แต่เมื่อมาถึงโลกใหม่ยุคไอทีควอนตัมจะเรียกชื่อใหม่ว่าเป็น “คิวบิต” (quantum bit)) ส่วนโลกใหม่จะไม่ได้อยู่บนหลักการตรรกเดิมนี้แล้ว หากไปปรากฏอยู่บนฐานนิยามใหม่ที่มีศักยภาพอภิมหาอลังการ มหาศาล มโหฬาร งานการเร็วทวีคูณมากมายเท่า !
ว่าที่หน่วยประมวลผลหรือสมองเชิงควอนตัมนั้นต่างจากซีพียูที่เป็นวงจรอิเล็กทรอนิกส์แบบเดิม นักวิทยาศาสตร์เล่นกันอยู่หลายรูปแบบที่สร้างขึ้นได้แล้ว อาทิ ทำจากเทคนิคอะตอมเดี่ยว การสั่นพ้องทางนิวเคลียร์ (NMR) ควอนตัมดอท (quantum dot) ไอออนที่ถูกกัก (trapped ion) หรือโดยใช้โฟตอนแสง (photon) เพื่อเป็นส่วนประกอบของไอทียุคใหม่ทั้งงานการคำนวณและระบบการสื่อสารปลอดภัย โดยแต่ละประเภทมีข้อดีข้อด้อยเหมาะกับสภาพที่ต่างกันไป สำหรับโฟตอนหรืออนุภาคแสงจะไปกับการประยุกต์ด้านการสื่อสารเพิ่มอีกหนึ่งด้วย เพราะแสงมีคุณสมบัติเคลื่อนที่ได้ระยะทางไกลด้วยความเร็วสูง ส่วนประเภทอื่น ๆ ทำงานอยู่ในสถานที่ขนาดจำกัดจึงคงใช้งานกับไอทีด้านการคำนวณเป็นหลัก
แล้วหน่วยประมวลผลแบบควอนตัมใหม่เหล่านี้ ชาวบ้านทั่วไปจะเข้าถึงได้อย่างไร ทั้งยังไม่มีที่บ้าน ยังไม่มีให้ใช้งานที่ทำงาน ไม่เห็นที่ตลาดนัด ไอทีมอลล์ก็ไม่พบ เกมออนไลน์ก็ยังไม่โปรโมท จะไปทำความเข้าใจได้จากไหน จะดันประสาทสัมผัสทั้งห้าไปค้นหารูป รส กลิ่น เสียง ผิวสัมผัส ได้อย่างไร ไอทีควอนตัมยังอยู่ในช่วงเริ่มต้นบนเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ของห้องปฏิบัติการวิจัยขนาดใหญ่ ผู้คนทั่วไปจึงยังไม่สามารถเข้าถึงเพื่อไปสร้างความคุ้นเคยได้ด้วยตนเอง ... ต้องทำอย่างไรต่อล่ะคราวนี้ ?
หากคำแนะนำคือ ให้ไปเรียนรู้ตามแบบแผนซึ่งต้องไปว่ากันด้วยคณิตศาสตร์ และฟิสิกส์ทฤษฎี ผู้ไม่มีพื้นฐานความรู้สายวิทย์มาก่อนส่ายศีรษะแน่นอน แม้เป็นผู้ที่มีพื้นฐานมาบ้างก็ใช่ว่าจะเข้าใจได้โดยง่าย เมื่อไม่มีโอกาสไปคุ้นเคยจึงยากเกินเข้าใจ เกิดคำถามตามมาจนสายคอลเซ็นเตอร์ไหม้เป็นปกติว่าควอนตัมคืออะไรในที่สุด ดังนั้น คำตอบท้ายสุดคือเมื่อไปคุ้นเคยทางตรงยังไม่ได้ก็ต้องหาทางเรียบ ๆ เคียง ๆ หรือทางอ้อมอื่นทดแทน โดยสร้างความคุ้นเคยเสมือนเอาจากภาพ ข้อมูล การบอกเล่าประสบการณ์ของผู้เคยได้มีโอกาสเข้าใกล้ แล้วสะสมบรรยากาศไปพลางก่อน เป็นการเข้าถึงดั่งเช่นเทคนิคการเรียนรู้ของผู้มีประสาทสัมผัสในร่างกายน้อยกว่าปกติแบบเด็กพิการทางตาหรือหู รวมทั้งเรียนรู้แนวที่เคยเกิดขึ้นได้แล้วกับความเข้าใจต่อเรื่องของโลมา วาฬ และค้างคาวจากบทก่อนหน้า แบบนั้น ...
กระตุ้นด้วยเรื่องน่าตื่นตะลึงของวิทยาศาสตร์
ปรากฏการณ์ทางควอนตัมหลังประตูแห่งอนาคต มีสิ่งที่น่าประทับใจหรือแม้จะน่าพิศวงก็ตามทีเพราะสัมผัสมนุษย์เข้าไม่ถึง นำมาแจ้งให้อ่านผ่านเข้าทางตาเพื่อกระตุ้นความอยากเข้าใจทางอ้อมในลำดับต่อไปกันไว้สักหน่อยก่อน ด้วยสี่กรณีสำคัญยิ่ง นั่นคือ
๑) การทับซ้อนทางสถานะหรือตำแหน่ง (superposition) เช่น อนุภาคเดี่ยวแต่เสมือนว่าไปปรากฏอยู่มากกว่าหนึ่งแห่งของการตรวจวัดพร้อมกัน แบบนี้ไม่มีในโลกปกติระดับที่มนุษย์ใช้ประสาทสัมผัสทั้งห้ารับรู้ ... มีอนุภาคเพียงหนึ่งน่าทึ่งไหมกับการไปอยู่ได้มากสถานที่ตรวจวัดทำนอง “สองสถานะ” ในเวลาเดียวกัน !
๒) ความพัวพัน (entanglement) คล้ายกับกรณีของคู่แฝดที่อยู่ต่างสถานที่ ความพัวพันกันของอนุภาคอยู่ต่างตำแหน่งกัน หากเปลี่ยนแฝดฝาใดข้างหนึ่งให้มีคุณสมบัติเป็นแบบใด อีกข้างหนึ่งจะเปลี่ยนตามด้วยตนเอง นักวิทยาศาสตร์สร้างปรากฏการณ์แสงที่พัวพันกันได้ไกลมากแล้วเริ่มตั้งแต่ในห้องทำงาน ข้ามหลังคา ข้ามฝั่งแม่น้ำ ขึ้นบอลลูน ตามด้วยข้ามเกาะห่างร้อยกิโลเมตรกว่า และขยับไปไกลจนถึงระหว่างโลกกับดาวเทียมวงโคจรต่ำได้แล้วจากการทดลองที่ผ่านมา
๓) ปรากฏการณ์ลอดอุโมงค์ (tunneling) ลึกลงในวัสดุอุปกรณ์ระดับเล็กกับสภาวะเหมือนการมีภูเขามาขวางหน้า อนุภาคไม่มีพลังงานมากพอที่จะเคลื่อนข้ามภูเขาได้แต่ปรากฏว่าสามารถลอดผ่านภูผาอุปสรรคนั้นไปเฉยเลย ทั้งที่ไม่มีรูอุโมงค์ให้มุดผ่าน จึงเป็นเหตุการณ์ประหลาดต่อระดับสัมผัสปกติของมนุษย์อย่างยิ่งยวด
๔) การส่งถ่าย (teleportation) เคยคิดกันมากว่าเป็นเพียงนิยายวิทยาศาสตร์ แต่ พ.ศ. 2561 นั้นครบรอบการค้นพบปรากฏการณ์นี้มาถึง 25 ปีแล้ว จึงไม่ใช่เรื่องใหม่แต่อย่างใด การส่งถ่ายอะตอมและโฟตอนจากสถานที่หนึ่งไปปรากฏ ณ ตำแหน่งใหม่ที่อื่นเกิดขึ้นจริงได้หลายแห่งทั้งในห้องทดลองทางวิทยาศาสตร์ ไปจนถึงดาวเทียม ควอนตัมดวงเดิม นักวิทย์ก็บันดาลให้เกิดปรากฏการณ์ส่งถ่ายที่น่าทึ่งนั้นได้ด้วยอีก
สรุป โลกในระดับอนุภาคมูลฐานนั้นประจักษ์กันมานานแล้วว่ามีปรากฏการณ์ที่น่าทึ่งน่าพิศวงแบบนี้อยู่ ประวัติกลศาสตร์ควอนตัมกำเนิดมาถึงระดับหนึ่งร้อยปีแล้วนับจากกรณีการแผ่รังสีของวัตถุดำ (black body) อันค้นพบโดย แมกซ์ พลังค์ (Max Planck) ส่วนการประยุกต์มาเป็นไอทีควอมตัมกลายเป็นคอมพิวเตอร์และการสื่อสารเชิงปลอดภัยเริ่มโดยหลักการมากันแล้วถึงสี่ทศวรรษ ทั้งหมดจึงมิใช่เรื่องใหม่ เพียงแต่เมืองไทยอาจเริ่มเดินข้ามประตูแห่งกาลเวลานี้ช้าเกินไป เรื่องดังว่าจึงยังน่าประหลาดใจยิ่งนักในสังคม จึงต้องมาเร่งเรียนรู้โดยทั่วกัน
ต่อจากนี้ ได้เวลาสร้างความคุ้นเคยทางอ้อมและเพื่อหาทางให้ผู้คนทั่วไปสามารถเข้าถึงปรากฏการณ์เชิงควอนตัมนั้นได้คล้ายกันด้วย โดยไม่จำเป็นต้องรอบรู้พื้นฐานวิทยาศาสตร์มากมาย ... เมื่อได้รอดผ่านประตูกาลเวลามากันแล้ว ไปกันต่อกับอีกหลายก้าวยาว ๆ ข้างหน้า
สำเนาจาก “เข้าใจ”ควอนตัมกันอย่างไร ?
ภาค ๑ - ความคุ้นเคย - ISBN : 978-616-572-644-3
สงวนลิขสิทธิ์ © พ.ศ. ๒๕๖๓ - copyright
(เพื่อการศึกษาสาธารณะเท่านั้น)
“เข้าใจ”ควอนตัมกันอย่างไร ? | (EP1-9)
๐ (คอลัมน์แนะนำ) ควอนตัมกับสิ่ง “มีชีวิต”vs“ไม่มีชีวิต” | Quantum Biology ๐
ชีววิทยาเชิงควอนตัม (Quantum Biology)
หมายถึงควอนตัมของ “ส่ิงมีชีวิต” แน่แท้หรือ ?
