ในทุกวันนี้ คำว่า ‘ควอนตัม’ แทบจะแทรกซึมอยู่รอบตัวเราอย่างแยกไม่ออก ไม่ว่าจะเป็นการเรียนในห้องเรียน กระแสบนโซเชียลมีเดีย สื่อบันเทิง หรือแม้แต่ในระดับนโยบายยุทธศาสตร์ชาติ กลศาสตร์ควอนตัมจึงเป็นกลไกสำคัญที่ขับเคลื่อนความเป็นไปของเทคโนโลยีของโลก ในปี 2026 นี้ ถือเป็นหมุดหมายที่พิเศษที่สุด เพราะเรากำลังร่วมฉลองครบรอบ 100 ปีของกลศาสตร์ควอนตัม นับตั้งแต่การวางรากฐานโดยแวร์เนอร์ ไฮเซนแบร์กในปี 1925

การเดินทางตลอดหนึ่งศตวรรษที่ผ่านมาเป็นเพียงจุดเริ่มต้น เพราะตอนนี้โลกกำลังเปลี่ยนผ่านจากยุคดิจิทัลเข้าสู่ยุคควอนตัมอย่างเต็มตัว เราจะรับมือกับความเปลี่ยนแปลงที่กำลังจะเกิดขึ้นนี้อย่างไร จึงกลายเป็นคำถามสำคัญ เพื่อให้เห็นภาพรวมของสิ่งที่รอเราอยู่ในอนาคต เราได้รวบรวมประเด็นสำคัญที่ครอบคลุมทุกมิติ ทั้งในแง่เทคโนโลยี ความปลอดภัย และทิศทางของโลก มาตอบข้อสงสัยให้ชัดเจนในบทความนี้

แวร์เนอร์ ไฮเซนแบร์ก นักฟิสิกส์ทฤษฎีชาวเยอรมัน เจ้าของรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี ค.ศ. 1932 ภาพจาก German Federal Archives

1) เมื่อ 100 ปีที่แล้ว ไฮเซนแบร์กค้นพบอะไร ?

ก่อนปี 1925 โลกฟิสิกส์ยังใช้แบบจำลองอะตอมของโบร์ (Niels Bohr) ที่มองว่าอิเล็กตรอนวิ่งเป็นวงกลมเหมือนดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์ แต่ไฮเซนแบร์กไม่เชื่อว่านั่นคือภาพที่ถูกต้อง เพราะเราไม่เคยเห็นวงโคจรนั้นจริง ๆ และสิ่งที่เราได้คือความถี่และความเข้มแสงที่อะตอมคายออกมาเท่านั้น

ไฮเซนแบร์กได้สร้างระบบคณิตศาสตร์ขึ้นมาใหม่เพื่ออธิบายเฉพาะสิ่งที่วัดได้จริง และพบว่าปริมาณทางฟิสิกส์ เช่น ตำแหน่งและโมเมนตัม ไม่ใช่ตัวเลขแบบปกติ แต่ทำงานเหมือนกับตารางตัวเลขที่เราเรียกว่าเมทริกซ์ ด้วยคุณสมบัติทางคณิตศาสตร์ที่แตกต่างกันระหว่างตัวเลขกับเมทริกซ์ นำไปสู่การค้นพบ หลักความไม่แน่นอนของไฮเซนแบร์ก (Heisenberg’s Uncertainty Principle) อันโด่งดัง

หลักความไม่แน่นอนได้บอกกับเราว่า ธรรมชาติมีขีดจำกัดของการรับรู้ เราไม่สามารถรู้ตำแหน่งและโมเมนตัมของอนุภาคให้แม่นยำที่สุดพร้อมกันได้ ยิ่งเราพยายามมองหาอนุภาคให้ชัดเจนมากแค่ไหน โมเมนตัมและความเร็วของอนุภาคที่วัดได้ก็จะยิ่งผิดพลาดมากยิ่งขึ้น ซึ่งไม่ใช่ว่าเครื่องมือวัดของเราไม่ดีพอ แต่เป็นเพราะธรรมชาติเป็นแบบนี้

นอกจากตำแหน่งกับโมเมนตัมแล้ว ยังมีคู่พลังงานกับเวลา คู่ของโมเมนตัมเชิงมุมในแต่ละแนว ฯลฯ ที่ไม่สามารถทำการวัดค่าได้อย่างแม่นยำพร้อมกัน จึงเป็นเหตุผลว่า ทำไมอนุภาคที่มีอายุขัยสั้นมาก ๆ ถึงมีความไม่แน่นอนของมวลสูงมาก หรือทำไมเราถึงสามารถยืมพลังงานจากสุญญากาศมาสร้างอนุภาคเสมือนได้ในระยะเวลาสั้น ๆ สิ่งเหล่านี้เรานี้เป็นผลที่ได้จากคณิตศาสตร์ที่ไฮเซนแบร์กค้นพบนั่นเอง

เปรียบเทียบการสลับที่การคูณของตัวเลขและเมทริกซ์ ตัวเลขสามารถสลับที่การคูณได้เสมอ แต่เมทริกซ์ไม่จำเป็นต้องสลับที่การคูณได้ สมบัติของเมทริกซ์นี้ส่งผลต่อลำดับของการวัดในกลศาสตร์ควอนตัม

2) ควอนตัมอยู่ใกล้ตัวเรามากแค่ไหน

เทคโนโลยีในชีวิตประจำวันหลายอย่างอาศัยหลักการของฟิสิกส์ควอนตัมโดยที่เราอาจไม่รู้ตัว อุปกรณ์อย่างโทรศัพท์มือถือ คอมพิวเตอร์ และแท็บเล็ต ทำงานด้วยชิปอิเล็กทรอนิกส์ที่ประกอบด้วยทรานซิสเตอร์จำนวนมหาศาล ซึ่งการทำงานของทรานซิสเตอร์นั้นขึ้นอยู่กับพฤติกรรมของอิเล็กตรอนในสารกึ่งตัวนำ หลักการเหล่านี้อธิบายได้ด้วยฟิสิกส์ควอนตัม เช่น ระดับพลังงานที่มีค่าเป็นช่วง ๆ การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในอะตอม ฯลฯ

นอกจากนี้ อุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องกับแสง เช่น หลอด LED หน้าจอมือถือ และเลเซอร์ ก็ล้วนทำงานตามหลักการควอนตัม เมื่ออิเล็กตรอนเปลี่ยนระดับพลังงานภายในอะตอม จะเกิดการปล่อยพลังงานออกมาในรูปของแสงหรือโฟตอน หลักการนี้ทำให้เกิดเทคโนโลยี LED และเลเซอร์ ซึ่งเอาไปใช้ในหลายด้าน เช่น เครื่องสแกนบาร์โค้ด อินเทอร์เน็ตใยแก้วนำแสง เครื่องอ่านแผ่นดิสก์ และอุปกรณ์ทางการแพทย์ เทคโนโลยีเหล่านี้ช่วยให้การสื่อสาร การบันทึกข้อมูล และการรักษาพยาบาลมีประสิทธิภาพมากขึ้น

อีกตัวอย่างหนึ่งคือแผงโซลาร์เซลล์และระบบ GPS แผงโซลาร์เซลล์อาศัยปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก ซึ่งเป็นหลักควอนตัมที่อธิบายว่าแสงสามารถทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกจากอะตอมและเกิดกระแสไฟฟ้าได้ ส่วนระบบ GPS ใช้นาฬิกาอะตอมที่ทำงานจากการเปลี่ยนระดับพลังงานของอะตอมตามหลักควอนตัม ทำให้สามารถคำนวณตำแหน่งได้อย่างแม่นยำ เทคโนโลยีเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าฟิสิกส์ควอนตัมมีบทบาทสำคัญในสิ่งที่เราใช้ในชีวิตประจำวันแทบทุกด้าน ไม่ได้เป็นเพียงทฤษฎีซับซ้อนที่จับต้องไม่ได้

ทรานซิสเตอร์ ส่วนประกอบสำคัญของเทคโนโลยีปัจจุบัน ซึ่งทำงานได้ด้วยความรู้ฟิสิกส์ควอนตัม

3) คอมพิวเตอร์ควอนตัมคืออะไร ต่างจากคอมพิวเตอร์เราอย่างไร

คอมพิวเตอร์แบบฉบับ (Classical Computer) ประมวลผลข้อมูลผ่านหน่วยพื้นฐานที่เรียกว่าบิต ซึ่งเปรียบเสมือนสวิตช์ไฟที่มีเพียงสองสถานะคือ เปิด (1) หรือปิด (0) อย่างใดอย่างหนึ่งเท่านั้น การประมวลผลจึงถือเป็นลักษณะของการเรียงต่อกันของคำสั่งที่ชัดเจนและเป็นลำดับขั้น ซึ่งมีข้อจำกัดมหาศาลเมื่อต้องเผชิญกับโจทย์ที่มีตัวแปรพันกันยุ่งเหยิงเกินกว่าที่ระบบเลขฐานสองจะรับไหว

ในทางตรงกันข้าม คอมพิวเตอร์ควอนตัมได้ก้าวข้ามขีดจำกัดนั้นด้วยหน่วยประมวลผลที่เรียกว่าคิวบิต ซึ่งอาศัยคุณสมบัติพิเศษทางฟิสิกส์ที่เรียกว่าการซ้อนทับ (Superposition) ทำให้มีโอกาสที่จะเป็นทั้งสองสถานะทั้ง 0 และ 1 ได้ ส่งผลให้สามารถเก็บข้อมูลและประมวลผลได้พร้อมกันในปริมาณมาก

การคำนวณของคอมพิวเตอร์ทั่วไปคือการเปลี่ยนเลข 0 เป็น 1 หรือ 1 เป็น 0 เหมือนการกดสวิตช์ปิดเปิด แต่สำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัม เรามองสถานะของข้อมูลเป็นเหมือนลูกศรที่ชี้ไปยังจุดต่าง ๆ บนลูกบอลที่เรียกว่าทรงกลมบลอช (Bloch Sphere) และเมื่อเรามีคิวบิตหลายตัวที่ซ้อนทับกันและพัวพันกัน การหมุนลูกศรจะหมุนโครงสร้างความเป็นไปได้ทั้งหมดไปพร้อมกัน ซึ่งหมายความว่า แทนที่คำนวณทีละสถานะเหมือนคอมพิวเตอร์ทั่วไป เราสามารถจัดการกับชุดข้อมูลมหาศาลที่ซ้อนทับกันอยู่ได้ในการหมุนเพียงครั้งเดียว เป็นที่มาของคำว่า Quantum Parallelsim

ความท้าทายที่สุดก็คือ เมื่อคิวบิตอยู่ในสถานะซ้อนทับ ก็จะมีทั้งคำตอบที่ถูกและผิดปนกันอยู่เต็มไปหมด ถ้าเราสุ่มวัดค่าออกมาเฉย ๆ เราอาจจะได้คำตอบที่ผิดก็ได้ นักฟิสิกส์จึงใช้เทคนิคการแทรกสอดเชิงควอนตัม โดยเราจะออกแบบอัลกอริทึมให้คลื่นความน่าจะเป็นของคำตอบที่ถูกต้องเสริมกันจนมีแอมพลิจูดสูงที่สุด ในขณะเดียวกัน ก็ทำให้คลื่นของคำตอบที่ผิดหักล้างกันเองจนหายไป และในตอนสุดท้าย โอกาสที่เราจะหยิบเจอคำตอบที่ถูกต้องจึงมีสูงเกือบ 100%

โจทย์บางอย่าง เช่น การแยกตัวประกอบของตัวเลขค่ามาก ๆ ถ้าใช้คอมพิวเตอร์ทั่วไปแล้วละก็ จะต้องไล่ตรวจสอบตัวเลขทีละชุด ซึ่งถ้าจำนวนหลักเพิ่มขึ้น เวลาที่ใช้ก็จะเพิ่มขึ้นเป็นทวีคูณจนถึงระดับล้านปี แต่คอมพิวเตอร์ควอนตัมใช้การมองหารูปแบบของตัวเลขผ่านการแทรกสอดของคลื่นในครั้งเดียว ทำให้สามารถข้ามขั้นตอนการไล่ตรวจสอบแบบเดิม ๆ ไปได้ ทำให้ลดเวลาลงได้มหาศาล

คอมพิวเตอร์ควอนตัมจึงเก่งกว่าเพราะใช้หลักการแทรกสอดมายุบรวมขั้นตอนการทำงานมหาศาลให้เหลือเพียงไม่กี่ขั้นตอน ไม่ใช่เพราะว่าคำนวณเก่งกว่าคอมพิวเตอร์แบบฉบับแต่อย่างใด

ทรงกลมบลอช ทิศทางที่ลูกศรชี้ไปจะแสดงถึงสถานะการซ้อนทับกันของคิวบิต สังเกตว่า ลูกศรที่ชี้ไปยังทิศใด ๆ ที่ไม่ใช่ตามแกน Z จะมีการซ้อนทับกันระหว่างสัญญาณ 0 และ 1 เสมอ ภาพจาก วิกิพีเดีย

หากคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ทรงพลังและมีเสถียรภาพสูงได้รับการพัฒนาจนสำเร็จ ความมั่นคงปลอดภัยของข้อมูลทั่วโลกจะเข้าสู่สภาวะวิกฤตทันที เนื่องจากระบบการเข้ารหัสลับแบบกุญแจสาธารณะ (Public Key Cryptography) ที่เราใช้งานกันอยู่ในปัจจุบัน เช่น RSA หรือ ECC ซึ่งทำหน้าที่ปกป้องธุรกรรมทางการเงิน ข้อมูลความมั่นคงของรัฐ และความเป็นส่วนตัวบนอินเทอร์เน็ต ล้วนตั้งอยู่บนพื้นฐานของความยากในการแก้ปัญหาทางคณิตศาสตร์บางประการที่คอมพิวเตอร์แบบฉบับต้องใช้เวลานับล้านปีในการประมวลผล แต่ทว่าด้วยอัลกอริทึมของชอร์ คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถหาคำตอบของโจทย์เหล่านี้ได้ในระยะเวลาเพียงไม่กี่นาทีเท่านั้น

อย่างไรก็ตาม ในขณะที่ภัยคุกคามกำลังก่อตัวขึ้น โลกก็ได้เตรียมการรับมือด้วยสองแนวทางหลัก แนวทางแรกคือการพัฒนาการเข้ารหัสยุคหลังควอนตัม (Post-Quantum Cryptography) ซึ่งเป็นการออกแบบอัลกอริทึมทางคณิตศาสตร์รูปแบบใหม่ที่ซับซ้อนเกินกว่าที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมจะใช้ทางลัดในการคำนวณได้ และอีกแนวทางหนึ่งคือการใช้ฟิสิกส์สู้กับฟิสิกส์ นั่นก็คือการกระจายกุญแจควอนตัม (Quantum Key Distribution) ซึ่งอาศัยกฎพื้นฐานทางฟิสิกส์ที่ว่า ‘สถานะของระบบจะเปลี่ยนแปลงเมื่อถูกตรวจวัด’ ทำให้หากมีการดักฟังข้อมูลเกิดขึ้นในระหว่างทาง ทั้งผู้ส่งและผู้รับจะทราบได้ทันที ดังนั้น ในอนาคตอันใกล้ เราอาจต้องเผชิญกับการอัปเกรดโครงสร้างพื้นฐานทางดิจิทัลครั้งใหญ่ที่สุด เพื่อเปลี่ยนผ่านไปสู่ยุคที่ความปลอดภัยฝากไว้กับกฎของธรรมชาติ

5) อินเทอร์เน็ตควอนตัมจะทำให้เราเข้า YouTube เร็วขึ้นหรือไม่

อินเทอร์เน็ตที่เราใช้กันอยู่ในปัจจุบัน ส่งข้อมูลผ่านสัญญาณแสงในสายไฟเบอร์ออปติกในรูปของบิต ซึ่งมุ่งเน้นที่ความเร็วในการส่งปริมาณข้อมูลมหาศาล แต่อินเทอร์เน็ตควอนตัมส่งข้อมูลผ่านสถานะของคิวบิต โดยใช้ปรากฏการณ์การพัวพันทางควอนตัม วัตถุประสงค์หลักคือการสร้างช่องทางการสื่อสารที่ดักฟังไม่ได้ เพราะตามกฎของฟิสิกส์ การพยายามแอบตรวจวัดสถานะควอนตัมจะทำให้ข้อมูลนั้นเปลี่ยนแปลงไปทันที ทำให้เรารู้ตัวได้ทันทีว่ามีการบุกรุก

ประโยชน์ที่แท้จริงของอินเทอร์เน็ตควอนตัมคือการเชื่อมต่อคอมพิวเตอร์ควอนตัมหลาย ๆ เครื่องเข้าด้วยกันเพื่อสร้างโครงข่ายที่ทรงพลังมหาศาล ลองนึกภาพว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมเครื่องเดียวก็เก่งอยู่แล้ว แล้วถ้าเราเชื่อมเข้าด้วยกันผ่านอินเทอร์เน็ตควอนตัม เราจะสามารถส่งสถานะควอนตัมไปประมวลผลร่วมกันได้โดยไม่ต้องเปลี่ยนกลับมาเป็นข้อมูลดิจิทัลแบบเดิม ซึ่งจะช่วยแก้โจทย์ที่ซับซ้อนระดับโลกได้เร็วขึ้นอย่างทวีคูณ โดยเราจะใช้กระบวนการที่เรียกว่าการเทเลพอร์ตเชิงควอนตัม (Quantum Teleportation) ซึ่งเป็นการส่งสถานะของอนุภาคจากจุดหนึ่ง แม้ว่าอนุภาคจะไม่ได้เคลื่อนที่ผ่านพื้นที่ว่างจริง ๆ ก็ตาม

ดังนั้น อินเทอร์เน็ตควอนตัมจึงเป็นโครงสร้างพื้นฐานรูปแบบใหม่ที่เน้นความปลอดภัยระดับสูงสุดและการประมวลผลร่วมกันในระดับอะตอม ไม่ใช่ท่อส่งข้อมูลที่กว้างขึ้นเพื่อความบันเทิงแต่อย่างใด

6) สงครามเพื่อการเป็นเจ้าเทคโนโลยีควอนตัม

การแข่งขันเพื่อชิงความเป็นเจ้าเทคโนโลยีควอนตัมระหว่างมหาอำนาจอย่างสหรัฐอเมริกา จีน และสหภาพยุโรป ในปี 2026 นี้ เปรียบเสมือนการไล่ล่าอำนาจในระเบียบโลกใหม่ที่มีเดิมพันสูงในทุกมิติ โดยเฉพาะด้านความมั่นคงแห่งชาติ เนื่องจากคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มีศักยภาพสูงเปรียบได้กับกุญแจวิเศษ ที่สามารถถอดรหัสลับทางการทหารและระบบการเงินทั่วโลกได้ในชั่วพริบตา มหาอำนาจเหล่านี้จึงยอมทุ่มงบประมาณมหาศาลเพื่อสร้างความได้เปรียบในการโจมตีทางไซเบอร์ควบคู่ไปกับการสร้างระบบสื่อสารควอนตัมที่ดักฟังไม่ได้ เพื่อรักษาความลับสูงสุดของตนไว้ในวันที่กำแพงดิจิทัลแบบเดิมพังทลายลง

นอกจากมิติความมั่นคงแล้ว สมรภูมินี้ยังเป็นเรื่องของความมั่งคั่งทางเศรษฐกิจในศตวรรษหน้า ผู้ที่เป็นเจ้าของเทคโนโลยีควอนตัมก่อนย่อมกุมความลับในการออกแบบวัสดุศาสตร์และยารักษาโรคที่มีความซับซ้อนเกินกว่าจินตนาการปัจจุบันจะไปถึง ซึ่งจะนำไปสู่การผูกขาดนวัตกรรมที่เปลี่ยนโลก เช่น แบตเตอรี่ความจุสูงพิเศษ หรือตัวนำยิ่งยวดที่ทำงานในอุณหภูมิห้อง สำหรับจีนและยุโรป การทุ่มงบประมาณครั้งนี้ยังเป็นการประกาศเอกราชทางเทคโนโลยี เพื่อลดการพึ่งพาโครงสร้างพื้นฐานจากผู้อื่น ขณะที่สหรัฐฯ พยายามรักษาความเป็นผู้นำเพื่อกำหนดมาตรฐานโลกและควบคุมห่วงโซ่อุปทานของเทคโนโลยีขั้นสูงนี้ไว้ในมือนั่นเอง

7) ประเทศไทยอยู่ตรงไหนบนแผนที่โลกควอนตัม ? เรากำลังทำอะไรอยู่ ?

ปัจจุบัน ประเทศไทยดำเนินการภายใต้แผนยุทธศาสตร์เทคโนโลยีควอนตัม (Thailand Quantum Technology Roadmap) โดยให้ความสำคัญกับเรื่องความมั่นคงของข้อมูลเป็นอันดับแรก โดยมีการทดสอบระบบการกระจายกุญแจควอนตัมในโครงข่ายไฟเบอร์ออปติก เพื่อเตรียมความพร้อมให้หน่วยงานรัฐและสถาบันการเงินสามารถรับมือกับภัยคุกคามจากการถอดรหัสลับในอนาคต ซึ่งตอนนี้เราเริ่มเห็นการเชื่อมต่อระหว่างศูนย์ข้อมูลสำคัญ ๆ ในไทยที่ใช้ระบบป้องกันแบบควอนตัมบ้างแล้ว เช่น

โครงข่าย Thailand Quantum Information Network—TQIN เป็นความร่วมมือระดับประเทศที่นำโดยบริษัท โทรคมนาคมแห่งชาติ จำกัด (มหาชน), สถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ และมหาวิทยาลัยชั้นนำ ที่มีการวางระบบทดสอบการกระจายกุญแจเชิงควอนตัมในสายไฟเบอร์ออปติกจริง

โครงการสยามควอนตัมสแควร์ (Siam Quantum Square) ที่มีการเปิดตัวในเดือนมกราคมที่ผ่านมา นำโดยจุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัยและนักวิจัยผู้เชี่ยวชาญด้านควอนตัมระดับแนวหน้า โดยเป็นศูนย์กลางที่เชื่อมต่อภาคธุรกิจเข้ากับห้องปฏิบัติการฟิสิกส์ เพื่อทดลองใช้ซอฟต์แวร์ควอนตัมในการคำนวณความเสี่ยงทางการเงิน หรือการบริหารจัดการโลจิสติกส์ในเขตกรุงเทพฯ

เป้าหมายสำคัญของการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมในไทยคือการปั้นวิศวกรและนักฟิสิกส์รุ่นเยาว์ให้มีทักษะในการสร้างเทคโนโลยีระดับอะตอม ตั้งแต่การออกแบบชิปควอนตัม ไปจนถึงการเขียนโปรแกรมควบคุมที่ซับซ้อน ซึ่งทักษะเหล่านี้สามารถนำไปต่อยอดในอุตสาหกรรมขั้นสูงอื่น ๆ เช่น เซมิคอนดักเตอร์ การแพทย์แม่นยำ และการบินอวกาศ

แผนที่นำทางการพัฒนาเทคโนโลยีควอนตัมของประเทศไทย พ.ศ. 2563 - 2572 เผยแพร่ในเว็บไซต์ของสำนักงานสภานโยบายการอุดมศึกษา วิทยาศาสตร์ วิจัยและนวัตกรรมแห่งชาติ (สอวช.)

8) ในอนาคต เราจะได้สัมผัสเทคโนโลยีควอนตัมในรูปแบบไหนบ้าง

ในทศวรรษหน้า เทคโนโลยีควอนตัมจะทำหน้าที่เป็นผู้ช่วยอยู่เบื้องหลังที่ยกระดับคุณภาพชีวิตของเราในทุกมิติ โดยที่เราไม่จำเป็นต้องถือไว้ในมือเหมือนสมาร์ตโฟน โดยเราจะเริ่มสัมผัสผลลัพธ์ของเทคโนโลยีนี้ได้ผ่านการรักษาทางการแพทย์ที่แม่นยำและรวดเร็วขึ้นอย่างที่ไม่เคยเป็นมาก่อน จากการที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถจำลองโครงสร้างโมเลกุลยาที่ซับซ้อนเพื่อหาทางรักษาโรคเฉพาะตัวบุคคลได้อย่างตรงจุด ขณะเดียวกัน เราจะได้เห็นการปฏิวัติด้านพลังงานสะอาดจากวัสดุศาสตร์ชนิดใหม่ ที่ช่วยให้แบตเตอรี่เก็บประจุได้มหาศาลและชาร์จไฟได้รวดเร็วในระดับนาที ซึ่งจะเปลี่ยนโฉมการเดินทางและภาคอุตสาหกรรมไปอย่างสิ้นเชิง

นอกจากเรื่องสุขภาพและพลังงานแล้ว ความเป็นอยู่ภายในเมืองใหญ่ก็จะราบรื่นขึ้นด้วยระบบนำทางอัจฉริยะจากเซนเซอร์ควอนตัมที่ทำงานได้แม่นยำแม้ในจุดที่ไร้สัญญาณ GPS พร้อมกับการจัดการจราจรและโลจิสติกส์ผ่านการคำนวณที่เหมาะสมที่สุดในเสี้ยววินาที การปฏิวัติควอนตัมในรอบนี้จึงเป็นเรื่องของการก้าวข้ามขีดจำกัดเดิมของฟิสิกส์แบบฉบับ เพื่อสร้างโลกที่มีประสิทธิภาพสูงขึ้นและมีความยั่งยืนมากขึ้นในระยะยาว

9) ปัญหาทางทฤษฎีที่นักฟิสิกส์ยังแก้ไม่ได้

ในแง่ของความเข้าใจเชิงปรัชญาและทฤษฎี เรายังคงยืนอยู่เพียงชายหาดที่มองออกไปสู่มหาสมุทรแห่งความลึกลับที่กว้างใหญ่ ปริศนาเรื่องการยุบตัวของฟังก์ชันคลื่น ความขัดแย้งกับแรงโน้มถ่วงที่ยังหาข้อยุติไม่ได้ หรือแม้แต่เนื้อแท้ของเวลาที่อาจเป็นเพียงภาพลวงตา

9.1) ปัญหาแห่งการวัด

ในโลกควอนตัม อนุภาคจะดำรงอยู่ในรูปแบบของฟังก์ชันคลื่น ซึ่งไม่ได้มีตำแหน่งหรือสถานะที่ชัดเจน และเป็นการซ้อนทับกันของความเป็นไปได้นับไม่ถ้วนตามสมการของชโรดิงเจอร์ ทว่าความประหลาดจะเกิดขึ้นเมื่อเราพยายามเข้าไปทำการวัดหรือสังเกตการณ์ระบบนั้น เพราะฟังก์ชันคลื่นที่เคยแผ่ขยายอยู่จะเกิดการยุบตัวลงเหลือเพียงสถานะเดียวที่ชัดเจนในทันที ปริศนาที่นักฟิสิกส์ยังหาคำตอบไม่ได้ตลอด 100 ปีที่ผ่านมาคือ อะไรคือกลไกที่แท้จริงที่ทำให้การวัดเปลี่ยนความน่าจะเป็น ให้กลายเป็นความจริงและต้องใช้สิ่งใดเป็นตัววัดถึงจะนับว่าเป็นการสังเกตการณ์ที่สมบูรณ์

ความลึกลับนี้ส่งผลให้เกิดการตีความที่หลากหลายและน่าทึ่ง บ้างก็เชื่อตามการตีความสายโคเปนเฮเกน ว่าการวัดคือจุดสิ้นสุดของความเป็นไปได้ทางควอนตัม ในขณะที่บางกลุ่มเสนอแนวคิดพหุจักรวาลว่าฟังก์ชันคลื่นไม่ได้ยุบตัวหายไปไหน แต่จักรวาลต่างหากที่แตกแขนงออกไปตามทุกความเป็นไปได้ที่เกิดขึ้น ปัญหาแห่งการวัดจึงเป็นคำถามเชิงปรัชญาและทฤษฎีฟิสิกส์ระดับลึก ไม่ใช่แค่เรื่องของเทคนิคการทดลอง ตัวตนของผู้สังเกตมีผลต่อการสร้างความจริงของจักรวาลอย่างไร และขอบเขตระหว่างโลกควอนตัมกับโลกกายภาพที่เราสัมผัสอยู่นั้นถูกขีดเส้นไว้ที่ตรงไหนกันแน่

9.2) ความขัดแย้งกับแรงโน้มถ่วง

ความขัดแย้งระหว่างกลศาสตร์ควอนตัมและทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปถือเป็นอุปสรรคที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในการสร้างทฤษฎีฟิสิกส์ที่เป็นหนึ่งเดียว (Theory of Everything) เนื่องจากทฤษฎีทั้งสองตั้งอยู่บนพื้นฐานทางคณิตศาสตร์และนิยามของกาลอวกาศที่ต่างกันโดยสิ้นเชิง ในทางสัมพัทธภาพทั่วไป แรงโน้มถ่วงถูกนิยามว่าเป็นสมบัติทางเรขาคณิตของกาลอวกาศที่มีความต่อเนื่องและราบเรียบ ซึ่งความโค้งงอจะแปรผันตามการกระจายตัวของมวลและพลังงานตามสมการสนามของไอน์สไตน์ ทว่าในทางกลศาสตร์ควอนตัม ธรรมชาติในระดับพื้นฐานกลับมีความเป็นก้อนไม่ต่อเนื่องและอยู่ภายใต้หลักความไม่แน่นอน ซึ่งทำให้เกิดความผันผวนทางควอนตัมตลอดเวลา

เมื่อเราพยายามทำให้แรงโน้มถ่วงเป็นควอนตัมหรือ Quantization เพื่อให้ได้มาซึ่งอนุภาคสื่อแรงที่เรียกว่ากราวิตอน (Graviton) เราจะพบกับปัญหาที่คณิตศาสตร์ไม่สามารถให้คำตอบที่มีค่าเป็นตัวเลขจำกัดได้ เนื่องจากในระดับความยาวพลังค์ ความผันผวนของกาลอวกาศจะทวีความรุนแรงจนเกิดภาวะที่เรียกว่าโฟมควอนตัม ซึ่งทำให้โครงสร้างเรขาคณิตแบบต่อเนื่องของไอน์สไตน์พังทลายลง ส่งผลให้สมการเกิดค่าอนันต์ที่ไม่สามารถขจัดออกได้ด้วยกระบวนการ Renormalization เหมือนอย่างในแรงแม่เหล็กไฟฟ้าหรือแรงนิวเคลียร์ ความล้มเหลวในการรวมแรงนี้จึงสะท้อนให้เห็นว่าความเข้าใจของเราเกี่ยวกับกฎพื้นฐานของจักรวาลยังไม่สมบูรณ์ และจำเป็นต้องมีการสร้างกรอบแนวคิดใหม่ เช่น ทฤษฎีสตริง (String Theory) หรือทฤษฎีแรงโน้มถ่วงเชิงควอนตัมแบบลูป (Loop Quantum Gravity) เพื่อเชื่อมโยงพฤติกรรมของแรงโน้มถ่วงเข้ากับธรรมชาติเชิงควอนตัมให้ได้ในที่สุด

ความขัดแย้งนี้จะปรากฏชัดที่สุดเมื่อเราพิจารณาสถานการณ์ที่มีมวลมหาศาลแต่อยู่ในขนาดที่เล็กจิ๋วอย่างจุดภาวะเอกฐานในหลุมดำ หรือวินาทีแรกของการเกิดเอกภพ

9.3) เวลาคืออะไรกันแน่

ในสมการพื้นฐานของฟิสิกส์ควอนตัม เวลาเป็นเพียงตัวเลขที่ใช้กำหนดการเปลี่ยนแปลงของสถานะ แต่สถานะควอนตัมเองกลับมีความลึกลับที่เรียกว่าความเป็นอิสระจากเวลา ในบางระดับนั้น ปรากฏการณ์ที่น่าทึ่งที่สุดคือการใช้ความพัวพันทางควอนตัม มาอธิบายจุดกำเนิดของเวลา โดยมีทฤษฎีที่เสนอว่า เวลาเกิดขึ้นจากการที่อนุภาคภายในระบบเกิดความพัวพันกับนาฬิกาหรือสิ่งแวดล้อมภายนอก หากเรามองเอกภพจากมุมมองภายนอกที่ไม่มีความพัวพันใด ๆ เอกภพอาจจะมีลักษณะหยุดนิ่ง แต่สำหรับผู้สังเกตที่อยู่ภายในและมีความพัวพันกับส่วนที่เหลือของระบบ จะสัมผัสได้ถึงการเปลี่ยนแปลงที่เรานิยามว่าคือเวลา

นอกจากนี้ ในระดับพลังค์ (Planck scale) ซึ่งเป็นระดับที่เล็กที่สุดที่ฟิสิกส์จะอธิบายได้ นักทฤษฎีเชื่อว่ากาลอวกาศอาจมีลักษณะเป็นก้อนพลังงานที่ไม่ต่อเนื่อง ซึ่งหมายความว่า เวลาอาจมีหน่วยที่เล็กที่สุดที่ไม่สามารถแบ่งแยกได้อีก (Atomic time) ความท้าทายในอีก 100 ปีข้างหน้าคือการไขปริศนาว่าเหตุใดเวลาจึงมีลูกศร (Arrow of Time) ที่ชี้ไปข้างหน้าเพียงทิศทางเดียวในระดับมหาภาค ทั้งที่สมการควอนตัมในระดับจุลภาคนั้นสามารถย้อนกลับทางเวลาได้ (Time-reversal symmetry) การเข้าใจเนื้อแท้ของเวลาจึงอาจเป็นกุญแจสำคัญที่จะนำไปสู่การรวมแรงโน้มถ่วงและควอนตัมเข้าด้วยกัน และเปลี่ยนความเข้าใจของเราที่มีต่อการดำรงอยู่ของสรรพสิ่งไปอย่างสิ้นเชิง

การทดลองของสเติร์น-เกอแลค เป็นการทดลองแรก ๆ ที่ชี้ให้เห็นว่าลำดับของการวัดส่งผลต่อผลการวัด

การเดินทาง 100 ปีของฟิสิกส์ควอนตัมจากกระดาษทดเลขของไฮเซนแบร์ก สู่เทคโนโลยีที่กำลังจะเปลี่ยนอนาคตของเราในวันนี้ ได้สะท้อนให้เห็นว่ามนุษยชาติก้าวมาไกลเพียงใดในการพยายามไขความลับของธรรมชาติ ซึ่งสุดท้ายแล้ว คำตอบนั้นก็ได้เข้าใกล้ปัจจุบันเข้ามาในทุกที

อัปเดตข้อมูลแวดวงวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี รู้ทันโลกไอที และโซเชียลฯ ในรูปแบบ Audio จาก AI เสียงผู้ประกาศของไทยพีบีเอส ได้ที่ Thai PBS

ที่มาข้อมูล : nxpo, scientificamerican, ibm, news.uchicago, pqshield

“รอบรู้ ดูกระแส ก้าวทันโลก” ไปกับ Thai PBS Sci & Tech

สรุปประเด็นให้โดย Generative AI

เปิดโลกควอนตัม ครบ 100 ปี เราค้นพบอะไรมาบ้าง และอะไรรอเราอยู่ในอนาคต