top of page
QICTechFACTcheckLoGoWhite-2021.jpg

ควอนตัมกับสิ่ง“มีชีวิต”vs“ไม่มีชีวิต” |Quantum Biology (5) |โฟตอนแฝด 'อิน-จัน' |ชีววิทยาเชิงควอนตัม

[ ควอนตัมเผยอีกหนึ่งความลับของธรรมชาติ ] --- ความรู้เรื่องแหล่งพลังงานจากพืช สาหร่าย หรือแบคทีเรียบางชนิดอันได้มาจากการสังเคราะห์แสงมีเรียนสอนกันมาตั้งแต่ชั้นประถม กระนั้น หลักการพื้นฐานระดับเล็กสุดลึกสุดที่ธรรมชาติสร้างสรรค์ไว้นั้นเป็นอย่างไร ? เหตุใดแสงอาทิตย์ที่ส่องลงมาแบบเอาแน่เอานอนไม่ได้แต่การสังเคราะห์ยังคงสามารถสร้างพลังงานออกมาได้อย่างมีประสิทธิภาพ กระทั่ง ล่าสุด (14 June 2023) กลุ่มนักวิทยาศาสตร์สหรัฐฯ เปิดอีกขั้นตอนการทดลองเลียนแบบการแปลงแสงสว่างให้เป็นพลังงาน ก้าวไปข้างหน้าได้อีกครั้งสำคัญแล้ว ซึ่งคำว่า “ควอนตัม” มีร่วมอยู่ในกระบวนการนั้นด้วยแน่นอน เพราะบทบาททางเคมีภายในที่เข้ากันอย่างลงตัวพบว่าเริ่มงานที่ระดับอนุภาคเล็กสุดของแสงหรือ “โฟตอนเดี่ยว (single photon)” !
“เคล็ดลับที่ธรรมชาติสร้างสรรค์ไว้อย่างชาญฉลาด จึงถูกประกาศขึ้นอีกหนึ่งงาน”

๐ การค้นพบนี้มีผลกระทบอย่างไร ?

หลังจากนักวิจัยกลุ่มนี้เสาะหาแนวทางการทดลองจนได้มาพบกับสิ่งที่น่าทึ่งแล้วประกาศว่าการสังเคราะห์แสงนั้นเริ่มงานกันที่ระดับอนุภาค คำชมเชยจึงกระหึ่มทั่วโลกทันที


“ด้วยความรู้สึกมันก็เป็นไปได้นะที่การสังเคราะห์แสงต้องการเพียงแค่ระดับโฟตอนเดี่ยว แต่สามารถตรวจวัดยืนยันผลการทดลองออกมาได้ด้วยด้วยนี่สิ ... พลิกโฉมหน้าวงการวิทย์กันเลยเชียว !”


ผลทดลองบรรลือโลกดังว่าได้พ่วงข้อมูลละเอียดยิบเก็บลงตารางเอ็กซ์เซล (Excel) ให้ศึกษากันด้วย เสียงแซ่ซ้องสรรเสริญและการอ้างอิงจึงตามมายกใหญ่ ๆ


งานวิจัยที่โด่งดังชิ้นนี้เกิดจากรวมกลุ่มของนักวิทย์สาขาฟิสิกส์ “ทัศนศาสตร์เชิงควอนตัม” (quantum optics) กับชีววิทยาหรือสองสาขาที่ยากนักจะมาทำงานร่วมกัน และพ่วงด้วยสาขาใกล้เคียงอื่น ๆ เช่น เคมี จนสำเร็จผลได้ความรู้ใหม่ออกมาอวดชาวโลก โดยรายงานไว้ในวารสารเนเจอร์ (Nature) กลางเดือนมิถุนายน พ.ศ. ๒๕๖๖ ด้วยผลปรากฏการณ์สังเคราะห์แสงในห้องทดลองที่เกิดขึ้นกับแบคทีเรียชนิดหนึ่ง (purple bacterium Rhodobacter sphaeroides) ซึ่งการแกะรอยธรรมชาติด้านชีวเคมีงานนี้มีเครื่องมือกำเนิดปรากฏการณ์ควอนตัมจากสาขาฟิสิกส์ใช้เป็นหลักอยู่ในห้องทดลองด้วย อุปกรณ์ทดลอง วิธีการตรวจวัด และผลลัพธ์จากงานนี้จะส่งผลกระทบต่อเนื่องไปสู่วิถีการทำความเข้าใจและการค้นพบด้านอื่น ๆ ตามมาได้อีกมาก ทั้งโจทย์ปัญหาทางชีววิทยาที่ซับซ้อน (complex biological) รวมไปถึงระบบทางเคมีและฟิสิกส์ และเรื่องแหล่งผลิตและกักเก็บพลังงานหมุนเวียน (renewable fuels) ในอนาคต เป็นปรากฏการณ์ที่น่าตื่นเต้นย่ิงนัก



๐ จุดเริ่มต้นคือความสงสัย จากความรู้วิทยาศาสตร์ทั่วไปตั้งแต่ระดับประถมมีอยู่ว่า โมเลกุล “คลอโรฟิลล์ (Chlorophyll)” ในพืชหรือสิ่งที่พิจารณาเรื่องการสังเคราะห์แสงนั้น เมื่อแสงอาทิตย์ที่ส่องลงมาอันประกอบไปด้วย 'โฟตอน' หรืออนุภาคแสงในระดับหน่วยย่อย ๆ ไปกระตุ้นให้อิเล็กตรอนในคลอโรฟิลล์เปลี่ยนระดับพลังงานได้แล้วจะก่อร่างสร้าง “น้ำตาล” และปลดปล่อยก๊าซออกซิเจนออกมา แต่ทั้งนี้ โฟตอนจากแสงมหาศาลที่ส่องมาทุกวันจากดวงสุริยาหาได้สม่ำเสมอ รอดผ่านเมฆหมอกหรือชั้นบรรยากาศลงมาถึงใบไม้แต่ก็นำไปใช้ได้แค่ส่วนน้อย แต่ละวินาทีจึงมีประมาณเพียงหลักพันเท่านั้นที่เข้าเทียบถึงท่าโมเลกุลของคลอโรฟิลล์ นักวิทยาศาสตร์จึงฉงนกับความสามารถในการควบคุมประสิทธิภาพว่า ไฉนการสังเคราะห์แสงยังคงสร้างพลังงานออกมาได้เป็นอย่างดี ?

“เป็นเคล็ดลับที่ธรรมชาติสร้างสรรค์ไว้อย่างชาญฉลาดยิ่ง”

นักชีวเคมี 'Graham Fleming' จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ (University of California, Berkeley) หนึ่งในสิบสมาชิกของทีมวิจัยกล่าวประโยคเด็ดนี้ (nature invented a very clever trick) หลังจากการตีพิมพ์ผลงาน

๐ ควอนตัมกับสิ่งมีชีวิตเทียบเคียงด้วยโปรตีนสกัด สกัดโปรตีน (อีกแล้ว) ! -- เริ่มทำความเข้าใจพื้นฐานด้านแรกกับชีวเคมีกันก่อนว่า กระบวนการในห้องทดลองทางวิทยาศาสตร์เพื่อหยั่งรู้ธรรมชาติในระดับเซลล์ลงลึกไปแม้จะเล่นกับสิ่งมีชีวิตพืชหรือสัตว์ จำเป็นต้องเทียบเคียงจากสิ่งที่สร้างเลียนแบบหรือแยกส่วนออกมาใช้ศึกษา งานนี้นักวิจัยสกัดโปรตีนที่เข้าใจในโครงสร้างจนทะลุปรุโปร่งแล้วของแบคทีเรียสีม่วงชนิดหนึ่งเรียกว่าสารประกอบเชิงซ้อน 'LH2' (light-harvesting 2 complex) ซึ่งมีความสามารถดูซับแสงความยาวคลื่นจำเพาะ แล้วนำไปใช้กับการทดลองที่กำลังจะมีเครื่องมือสร้างปรากฏการณ์ควอนตัมเข้ามาเกี่ยวข้องด้วย

(อนึ่ง จำต้องละข้อโต้แย้งหนึ่งของทั้งเหล่าผู้ชม กองเชียร์ นักวิจารณ์ รวมทั้งกรรมการสารพันสาขาไว้ก่อนกับกรณีที่ว่า การทดลองทางวิทย์แบบใช้ตัวแทน "ไม่มีชีวิต" นี้ ห่างไกลจากความเป็นจริงทางธรรมชาติของ "สิ่งมีชีวิต" -- Q-Thai Forum's - Quantum - Thought : ควอนตัมกับความคิด)

ดูก่อนท่านทั้งหลาย มนุษย์มิอาจทราบได้ว่าธรรมชาติจะบันดาลให้เกิดอะไรขึ้นในระดับที่ประสาทสัมผัสทั้งห้าเข้าไม่ถึงทางตรง ครั้นจะศึกษาลงไปในระดับอนุภาคที่ "มองไม่เห็น ชิมไม่รู้รส ดมไม่มีกลิ่น สดับไม่ได้ยิน" จึงต้องระดมศึกษาหาเทคนิคการตรวจวัดในห้องทดลองกัน และนั่นก็ทำให้ถึงเวลาของสาขาฟิสิกส์ร่วมสมัยอันเกิดขึ้นมาพักใหญ่แล้ว เนื่องจากสนามทดสอบในระดับนี้นั้นการตรวจวัดแบบพื้น ๆ จะไปรบกวนหรือทำลายกลไกของธรรมชาติ สถานะที่แท้จะผิดเพี้ยนจนมิอาจทราบข้อมูลความจริงได้ ดังนั้น “ทัศนศาสตร์เชิงควอนตัม” เพื่อการเข้าถึงหยั่งรู้ลึกระดับอนุภาคโดยไม่ทำลายจึงถูกนำมาใช้กับงานนี้



หลักการสำคัญที่จะนำมาใช้ทดลองการสังเคราะห์แสงต่อจากนี้นั้น รู้จักกันมาหลายทศวรรษก่อนหน้าตั้งแต่การสร้างวิทยาการรหัสลับเชิงควอนตัม และเคยนำไปทดสอบใช้กันทั้งบนพื้นโลก ข้ามหลังคา ข้ามแม่น้ำ ข้ามเขาและเกาะ จนถูกยกขึ้นไปทดลองกับดาวเทียมควอนตัม 'ม่อจื้อ' (Micius) ของประเทศจีนตั้งแต่ปี ค.ศ.2016 กระทั่งถึงปี ค.ศ.2022 หนึ่งในบรรดาผู้บุกเบิกการทดลองดังกล่าวได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ด้วยแล้ว (Anton Zeilinger) เทคนิคที่ว่านี้คือการสร้าง "คู่โฟตอนพัวพัน" (entangled photon pairs) อันมีพัฒนาการกลายมาเป็นเครื่องมือวัดและทดสอบสำคัญสู่การค้นพบทางวิทยาศาสตร์ด้านอื่น ๆ ต่อมาอีกมาก

เคยมีการนำภาพถ่ายการสะสมแสงของคู่โฟตอนจางสุด ๆ ที่สร้างได้จริงจากเทคนิคเพื่อเข้าถึงธรรมชาตินี้ออกแสดง มีทั้งภาพถ่ายขาวดำและภาพสี โดยคุณสมบัติที่เหมือนกันเป๊ะของคู่โฟตอนราวกับเป็นปรากฏการณ์คู่แฝด ซึ่งแม้จะอยู่ห่างไกลกันหากโฟตอนแฝดฝาหนึ่งด้านใดเกิดเปลี่ยนแปลงไปจากสิ่งแวดล้อม อีกหนึ่งโฟตอนที่อยู่ต่างสถานที่จะมีคุณสมบัติเปลี่ยนตามกันได้เองโดยธรรมชาติ นักวิจัยจึงเล็งเห็นประโยชน์นำปรากฏการณ์นี้ไปประยุกต์ใช้กับไอทีหรือการสื่อสารรหัสลับเฉพาะกิจมาเนิ่นนานแล้ว ด้วยหลักที่ว่าหากข้อมูลกุญแจรหัสลับแทนค่าไว้ด้วยโฟตอนแฝดด้านหนึ่งถูกรบกวนจากผู้ไม่ประสงค์ดี โฟตอนพัวพันอีกด้านจะแสดงผลเป็นข้อมูลที่ผิดเพี้ยนไปนั้นให้ทราบได้เองด้วยราวกับเป็นเซ็นเซอร์ตรวจจับเหตุผิดปกติ แนวทางคล้ายคลึงกันนั้นเมื่อมองกลับมายัง "โปรตีนสกัด (LH2)" ที่รอรับการประยุกต์ทดลองการสังเคราะห์แสงระดับลึกสุดอยู่ ... นักวิจัยจึง "ปิ๊ง" !


ดังนี้แล้ว "เคล็ดลับการสังเคราะห์แสงที่ธรรมชาติสร้างสรรค์ไว้อย่างชาญฉลาดยิ่ง" จึงถูกเผยด้วย

"เคล็ดลับความพัวพันควอนตัมแสงที่นักวิจัยสร้างสรรค์ไว้อย่างชาญฉลาดยิ่ง" ในที่สุด



๐ ข้อมูลเทคนิค ๐ เครื่องมือวิทยาศาสตร์ ๐ การทดลองพื้นฐาน ๐

คู่โฟตอนพัวพันปฐมบทสู่การหยั่งรู้ธรรมชาตินั้น มนุษย์สร้างใช้งานได้จริงมานานและมีภาพถ่ายผลความพัวพันให้ดูแล้ว หนึ่งในผู้บุกเบิกก็ได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ 2022 แล้ว และเมืองไทยเองก็เคยสร้างใช้งานขั้นต้นด้วยเช่นกัน ... เครื่องมือใช้ค้นหาคำตอบระดับอนุภาคที่ว่านี้ นำมาจำลองการสังเคราะห์แสงสร้างปรากฎการณ์เป็นงานวิจัยแห่งปีนี้ได้อย่างไรเล่าหนอ ?


มาเริ่มต้นกันที่ ผลึก (BBO) ชื่อเต็มว่า “เบตา แบเรียม บอเรต” หรือบีบีโอ สร้างควอนตัมพัวพัน (entangled photon pairs) อันเป็นคำตอบหลักส่วนแรก เมื่อนำมาประกอบโครงร่างสร้างเป็นชุดแปลงพลังงานจากแสงเลเซอร์ ด้วยหลักการ "แปลงผันพลังงานลง" (spontaneous parametric down-conversion) ผลึกนี้จะปลดปล่อยแสงคู่โฟตอนพัวพันอันมีประโยชน์ยิ่งดังกล่าวออกมา บนภาพถ่ายสีจากการสะสมแสงบนแผ่นฟิล์มของปกหนังสืออันโด่งดังนั้น "ความพัวพันเชิงควอนตัม" แสดงอยู่ ณ ตำแหน่งที่แสง (สีเขียว) สองวงตัดกันเป็นจุดสว่างใหญ่ (อธิบายเพิ่มเติม -- เข้าใจควอนตัมกันอย่างไร ? (วีดีโอ))



และเมื่อประกอบร่างจนได้เครื่องมือสำคัญพร้อมใช้งานแล้ว การประยุกต์จะทำโดยส่องลำแสงแยกคู่โฟตอนที่มีคุณสมบัติพัวพันกัน (สมมติ ด้วยชื่อ โฟตอน 'แฝดอิน-จัน') โดยให้ด้านหนึ่งส่องเข้าไปยังเป้าหมายที่ต้องการศึกษา (โฟตอน 'อิน' แฝดผู้พี่พุ่งเข้าสนามทดสอบ) เพื่อนำสารข้อมูลธรรมชาติออกมาให้นักวิจัยทราบ ส่วนอีกด้านหนึ่ง (โฟตอน 'จัน' แฝดผู้น้อง แจ้งยืนยันผลการกำเนิดอยู่ในหน่วยควบคุม) ใช้เพื่อยืนยันว่าได้เกิดคู่โฟตอนพัวพันขึ้นจริง ณ เวลาทดสอบนั้น (two-photon coincidence) ด้วยการตรวจวัดผลโฟตอนแฝดที่สอดคล้อง (Herald photon) ... ดังนี้แล้ว คำตอบสุดท้ายสู่การค้นพบเคล็ดลับธรรมชาติจึงเฉลยตามมาได้


หมายเหตุ

อัตราการผลิตคู่โฟตอนควอนตัมพัวพันที่จะได้ออกมานั้น เป็นค่าประมาณการกำเนิดตามหลักการจากความสามารถของเครื่องมือวิทยาศาสตร์ที่ใช้สร้าง อาทิ ดาวเทียมจีน 'ม่อจื้อ (Micious)' ผลิตได้ 5.9 ล้านคู่ต่อวินาทีกับระยะทดลองลงถึงพื้นโลก 1,200 กิโลเมตร (ค.ศ.2017 [1][2]) ขณะที่ทีมวิจัยของประเทศเยอรมนีรายงานว่าสร้างได้สามแสนคู่ต่อวินาที (ค.ศ.2018 [3]) ส่วนในเมืองไทยเคยเริ่มต้นสร้างอยู่ในงานวิจัยด้านการสื่อสารรหัสลับควอนตัม โดยผลิตคู่โฟตอนพัวพันเพียงระดับน้อยกว่าร้อยคู่ต่อวินาทีตามอัตภาพกับระยะสาธิตในอาคารได้สูงสุด 22 เมตร (ค.ศ.2011 [4]) ... ต่อ ๆ มา พัฒนาการของวงการวิจัยแนวนี้ทั่วโลกสามารถสร้างโฟตอนพัวพันพร้อมกันได้มากกว่าสองหรือเพียงแค่หนึ่งคู่แฝดไปมากแล้ว สถิติของปี ค.ศ.2022 สูงสุดอยู่ที่ 14 โฟตอนพัวพัน [5]


No Fraud"ควอนตัมไทยไฉนเป็นตัว" (ควอนตัมนั่งเทียนไทย)

๐ ภารกิจไล่ล่าหาหลักฐานจากหมื่นล้านอนุภาคแสง !

พื้นฐานเบื้องต้นจากภาพการจัดวางอุปกรณ์ของงานวิจัยชิ้นสำคัญนี้ เมื่อผลึก BBO กำเนิดเปล่งคู่แฝดโฟตอนพัวพันออกมาแล้ว จัดทิศการเคลื่อนที่ของคู่โฟตอนพัวพันด้านหนึ่ง ('อิน' แฝดผู้พี่) ส่งเข้าไปยังโมเลกุล LH2 ที่ประสงค์รู้ว่าเกิดอะไรขึ้นในระดับเล็กสุด ๆ นั้นพร้อมตรวจวัดผล (D2 D3) ขณะเวลาเดียวกันระบบจะอ่านผลโฟตอน ('จัน' แฝดน้อง) จากอีกด้านที่เหลือ (herald gate - D1) เพื่อเป็นเทียบเคียงการเกิดคู่พัวพันจริง ณ การตรวจวัดครั้งใด ๆ


ส่วนการยืนยันผลว่าได้เกิดปรากฏการณ์สังเคราะห์แสงขึ้นแล้วอยู่บนสมมติฐานที่ว่า ๑) แสงความยาวคลื่นประมาณ 808 นาโนเมตรช่วงอินฟราเรดของโฟตอนแฝด 'อิน' หากเทียบท่าชนเข้ากับโมเลกุล LH2 ที่ต้องการศึกษากระทั่งทำให้เกิดการเปลี่ยนระดับพลังงานเสมือนการสังเคราะห์แสงของธรรมชาติสำเร็จแล้วนั้น หลักฐานจะออกมากับแสงที่ปลดปล่อยความยาวคลื่นย่านใหม่ "ฟลูออเรสเซนต์" แต่หากพลาดเป้าหรือประสบเหตุอื่นใดจะไม่ปรากฏหลักฐานนี้ขึ้น และ ๒) แฝดผู้น้องต้องยืนยันการกำเนิดคู่โฟตอนพัวพัน (herald) ณ ขณะเวลาตรวจวัดดังกล่าวด้วย หากไม่ปรากฏหรือมีเพียงอย่างใดอย่างหนึ่ง (แฝดไม่ครบฝา) ผลคือไม่สมบูรณ์

เมื่อหลักการพร้อม เครื่องมือพร้อม การทดลองจึงเริ่มต้น ทว่า หลักฐานเพื่อใช้ยืนยันด้วยแสงความยาวคลื่นฟลูออเรสเซนต์ด้านแฝดผู้พี่นั้นอยู่ในระดับอนุภาคโฟตอนเดี่ยวที่เล็กสุด จางที่สุด และเคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสงหรือเดินทางรอบโลกได้เกือบแปดรอบต่อวินาที แถมมีทิศทางกระจัดกระจายจึงเป็นงานที่ท้าทายยิ่งยวด


ผลทดลองที่ได้ส่วนใหญ่จึง “ไม่พบอะไรเลย !”

“ความพยายามอยู่ที่ไหน ความพยายามยังคงอยู่ที่นั่น” งานนี้ กลุ่มนักวิจัยทำการทดลองไปเกินกว่าหนึ่งหมื่นเจ็ดพันล้านโฟตอนจากการตรวจจับแฝด 'จัน' ผู้น้อง (17 Billion herald photons) แต่ตรวจวัดแฝดผู้พี่ด้วยหลักฐานย่านฟลูออเรสเซนต์ได้เพียงแค่ล้านกว่า ว่างเปล่าหรือวืดไปร่วมหมื่นกว่าเท่าตัว เทียบเคียงอัตราส่วนโดยประมาณคือ โฟตอนแฝดผู้น้องฟ้องสัญญาณ (herald) ว่ามีกำเนิดคู่โฟตอนพัวพันขึ้นจริงไปถึงหนึ่งหมื่นครั้ง สามารถตรวจวัดโฟตอนที่ผ่านโมเลกุล LH2 ได้ความยาวคลื่นใหม่ออกมายืนยันพื้นฐานการสังเคราะห์แสงได้เพียงแค่หนึ่งครั้งเท่านั้น !


ในที่สุด ผลสำเร็จที่ได้รับการตีพิมพ์เผยแพร่พร้อมภาพข้อมูลที่สัมพันธ์กันจำนวนมหาศาลนั้น ประกาศต่อวงการวิทย์โลกว่างานวิจัยเลียนแบบธรรมชาตินี้พบว่า กระบวนการแปลงแสงให้เป็นพลังงาน "เริ่มกันที่ระดับโฟตอนเดี่ยว"


ขณะที่วารสาร Scientific American นำเสนอบทขยายความต่อผลงานวิจัยชิ้นแห่งปีนี้ เอ่ยประโยคสรรเสริญที่ไม่เกินจริงเลยว่า "gives scientists their sharpest look ever at a process that’s vital to life on Earth"

เป็นมุมมองใหม่ที่คมกริบต่อกระบวนการทางวิทยาศาสตร์ที่สำคัญของสิ่งมีชีวิตบนโลก !

๐ แล้วอย่างไรต่อ ?

ก่อนหน้านี้มีแนวคิดยังไม่ตกตะกอนมามากแล้ว อาทิ หากมนุษย์เข้าใจธรรมชาติก