ทำไมต้องฟิสิกส์ทฤษฏี (Why theoretical physics ?)

ประเด็นที่ค่อนข้างมีปัญหาคือคนทั่วไปที่ไม่ได้เป็นนักวิทยาศาสตร์ไม่เข้าใจว่านักวิทยาศาสตร์ทำอะไร ส่งผลต่อชีวิตความเป็นอยู่ของพวกเขาอย่างไร การสื่อสารตรงนี้ขาดหายไปอย่างเห็นได้ชัด โดยเฉพาะประเทศไทย สำหรับผมการเข้าถึงและความเข้าใจวิทยาศาสตร์พื้นฐานเป็นปัจจัยหนึ่งที่สำคัญในการพัฒนาสังคมของประเทศ

จริงๆแล้ววิทยาศาสตร์สาขาชีววิทยาและเคมีนั้นอาจดูไม่ห่างไกลจากชีวิตความเป็นอยู่ของผู้คนในสังคมเท่าไรนัก แต่หากถามถึงฟิสิกส์แล้วคนทั่วไปก็จะเริ่มส่ายหัวเพราะยาก(คนสอนทำให้ยาก!!หรือเปล่า) ยิ่งหากถามต่อไปถึงฟิสิกส์ทฤษฏีแล้วนอกจากจะไม่ส่ายหัวแล้วอาจจะนิ่งไปเลยก็ได้เพราะไม่รู้จริงๆว่ามันคืออะไร จริงๆแล้วสำหรับผม ฟิสิกส์ทฤษฏีนั้นสำคัญมากๆเพราะถือได้ว่ารากเหง้าของเทคโนโลยีทุกอย่างที่เรามีใช้กันในปัจจุบันนี้ เราอาจพูดได้ว่า เทคโนโลยีเกิดขึ้นมาจากการเข้าใจธรรมชาติพื้นฐานแล้วนำมาประยุกต์ใช้ แล้วศาสตร์ที่มีไว้เพื่อเข้าใจธรรมชาติพื้นฐานนั้นก็คือฟิสิกส์ทฤษฏีนั้นเอง

หากย้อนเวลากลับไปตามประวัติศาสตร์ บุคคลแรกๆที่น่าจะเรียกได้ว่าเป็นนักฟิสิกส์ทฤษฏีก็น่าจะหนีไม่พ้น นิวตัน

นิวตัน

นิวตันนั้นใช้คณิตศาสตร์ในการอธิบายธรรมชาติ หรือ อาจจะพูดได้ว่า คณิตศาสตร์เป็นภาษาที่เราสื่อสารกับธรรมชาติก็คงไม่ผิด นิวตันสร้างกฏการเคลื่อนที่ของวัตถุและกฏแรงโน้มถ่วง จากสองกฏนี้เราสามารถอธิบายการเคลื่อนที่ของวัตถุทั้งหลายทั้งที่อยู่บนโลกเราหรือออกไปนอกโลกเราได้ แน่นอนว่ากฏของนิวตันใช้ในการอธิบายธรรมชาติรอบตัวเราได้เป็นอย่างดี แต่หากถามประโยชน์ในเชิงประจักษ์คนทั่วไปอาจจะนึกไม่ออก ตัวอย่างหนึ่งที่เห็นได้ชัดเจนมากๆคือการนำกฏของนิวตันไปประยุกต์ในการส่งจรวดออกไปสำรวจอวกาศดังรูปด่านล่าง

การประยุกต์ใช้กฏการเคลื่อนที่ของนิวตันในการส่งจรวดออกไปสำรวจอวกาศ โดยอาศัยแนวคิดที่ว่าทุกแรงกริยาจะมีปฏิกิริยาเสมอในทิศทางตรงข้ามกันขนาดเท่ากันกระทำกับวัตถุคนล่ะก้อน จากรูปเจ้าแรง Thrust นั้นเป็นแรงปฏิกริยาของแรงที่เชื้อเพลิงปล่อยที่ห่างจรวด เมื่อแรงนี้มีค่ามากกว่านำ้หนัก (Weight) เมื่อไร จรวดก็จะยกตัวขึ้น

ความน่าสนใจไม่ได้มีแค่การส่งจรวดออกไปนอกโลกเท่านั้น แต่มันอยู่ที่ว่าจะเดินทางไปยังจุดหมายปลายทางอย่างไร คำตอบคือเราคงไม่บินตรงๆไปยังจุดหมายได้เพราะเหตุผลทางเชื้อเพลิงและการเคลื่อนที่ของดาวอื่นๆที่มีผลเพราะหากจรวดเคลื่อนที่เข้าใกล้ดาวขนาดใหญ่แรงโน้มถ่วงจะเข้ามีผลต่อทิศทางการเคลื่อนที่ของจรวด นักฟิสิกส์เก่งมากในตรงนี้เพราะผลิกวิกฤตให้เป็นโอกาศโดยการอาศัยเจ้าแรงโน้มถ่วงของดาวต่างๆมาช่วยในการส่งจรวดไปยังเป่าหมายได้อย่างแม่นยำ เทคนิคนี้เป็นที่รู้จักกันดีในชื่อว่า gravitational slingshot

ตัวอย่างง่ายๆของปรากฏการณ์ gravitational slingshot สำหรับผู้สังเกตุที่เห็นว่าดาวเคลื่อนที่ไปทางซ้ายด้วยความเร็ว U ส่วนจวรดเคลื่อนที่ไปทางขวาด้วยความเร็ว v ในมุมมองของดาวจรวดจะพุ่งออกมาด้วยความเร็ว U+v แต่ในมุมมองของผู้สังเกตุนั้นจะเห็นว่าความเร็วของจวรดเป็น U+(U+v)=2U+v

จากรูปด้านบน เมื่อจรวดเคลื่อนที่เข้าใกล้ดาวขนาดใหญ่ ความเร็วของจรวดจะเพิ่มขึ้นพร้อมทั้งทิศทางที่เปลี่ยนไปของจรวดด้วย การที่ความเร็วของจรวดเพิ่มขึ้นหมายถึงพลังงานที่เพิ่มขึ้น แต่จากกฏทรงพลังงาน พลังงานบางส่วนเพิ่มขึ้นให้กับจรวด ต้องมีพลังงานบางส่วนลดลง ที่ลดลงนั้นคือพลังงานของดาวนั้น (แต่ส่งผลต่อดาวน้อยมากกกกกกกกกกกกกกกก)

ตัวอย่างวีดีโอด้านบน เป็นการจำลองการเคลื่อนที่ของยาน Rosetta โดยอาศัยหลักการ Gravitational slingshot จากวีดีโอจะเห็นได้ว่ายาน Rosetta นั้นอาศัย Gravitational slingshot หลายที่เลยที่เดี่ยวเพื่อไปยังจุดหมายปลายทาง

แน่นอนการเข้าใจธรรมชาติพื้นฐานของนิวตันนั้นส่งผลทำให้เราสามารถออกไปสำรวจอวกาศได้อย่างที่เราไม่เคยคิดมาก่อน แล้วการสำรวจอวกาศนั้นสำคัญเป็นอย่างมากเพราะเราคงไม่สามารถอาศัยอยู่บนโลกใบนี้ได้ตลอดไป เมื่อดวงอาทิตย์ดับลงเราต้องอบพยพไปยังดาวดวงใหม่ที่มีสภาวะแวดล้อมที่เป็นมิตรต่อมนุษย์อย่างเรา ดังนั้นการหาโลกดวงใหม่และจะเดินทางไปให้ถึงนั้นสำคัญมากๆกับลูกหลานของเราในอนาคต

หากพูดในเชิงวิศวกรรมการก่อสร้างแล้วนั้นก็มีพื้นฐานมาจากกฏของนิวตัน

เช่นการออกแบบสะพานนั้น เราต้องคำนึงถึงโครงสร้าง ข้อต่อต่างๆเพื่อการรับแรง การคำนวณเหล่านี้ก็หนีไม่พ้นหลักการพื้นฐานที่พัฒนามาจากกฏของนิวตัน

ในเวลาต่อมาก็มีนักฟิสิกส์ทฤษฏีอีกท่านที่ยิ่งใหญ่มากๆไม่แพ้นิวตันเลย นั้นคือ แมกซ์เวลล์

แมกซ์เวลล์

ก่อนยุคของแมกซ์เวลล์ เราเข้าใจว่า ไฟฟ้าและแม่เหล็กนั้นไม่มีอะไรที่เกี่ยวข้องกัน แต่หากในเวลาต่อมาแมกซ์เวลล์(จากผลจากการทดลองของฟาราเดย์)นั้นทำการรวมทั้งสองเข้าด้วยกันได้เรียกว่า ทฤษฏีแม่เหล็กไฟฟ้า

หลังจากนั้นก็คนนำทฤษฏีของแมกซ์เวลล์มาประยุกต์สร้างเครื่องส่งสัญญาณแบบไร้สายหรือเจ้าเครื่องส่งคลื่นวิทยุนั้นเองซึ่งถือว่าเป็นการปฎิวัติการสื่อสารของมนุษยชาติเลยก็ว่าได้

ต่อมาก็พัฒนามาเป็นสัญญาณโทรทัศ โทรศัพย์มือถือที่เราใช้กัน หรือ อินเตอร์เน็ตแบบไร้สายในปัญจุบัน ทั้งหมดมีรากฐานมาจากการทำความเข้าใจธรรมชาติพื้นฐานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของแมกซ์เวลล์ ดังประโยคที่ว่า โลกเรานั้นแคบลงไปถนัดตาเพราะการมาถึงของการสื่อสารแบบไร้สาย

หากผู้ถึงนักฟิสิกส์ทฤษฏีคงไม่มีใครไม่รู้จัก ไอน์สไตน์ อย่างแน่นอน ทฤษฏีอันโด่งดังของไอน์สไตน์ ได้แก่ ทฤษฏีสัมพัธภาพพิเศษและทั้วไป นั้นเองซึ่งเป็นการต่อยอดทฤษฏีของนิวตันและทฤษฏีของแมกซ์เวลล์

ไอน์สไตน์

หากจะว่ากันตรงๆแล้วนั้นทฤษฏีของไอน์ไตส์นั้นอยากต่อการทำความเข้าใจเป็นอย่างมากเพราะต้องอาศัยการมโนและสมการคณิตศาสตร์ที่ยุ่งยาก แต่อย่างไรก็ดีทฤษฏีของไอน์สไตน์ถือว่าสุดยอดในการทำนายธรรมชาติรอบตัวเรา ได้ผ่านการทดสอบมาแล้วนับครั้งไม่ถ่วนถึงปัจจุบันทฤษฏีก็ยังยืนหยัดอยู่ได้ โดยเฉพาะการค้นพบล่าสุดเกี่ยวกับคลื่นความโน้มถ่วง (ต่างจากทฤษฏีของนิวตันที่มีข้อจำกัดจึงเป็นที่มาของทฤษฏีไอน์สไตน์)

เทคโนโลยีที่ต้องอาศัยทฤษฏีของไอน์สไตน์ที่พวกเราใช้ๆกันอย่างแพร่หลายคือ GPS navigation เพื่อใช้ในการนำทาง

หากดาวเทียมอยู่สูงประมาณ 20300 กิโลเมตรจากพื้นโลกและเคลื่อนที่ด้วยความเร็วประมาณ 6000 กิโลเมตรต่อชั่วโมง ผลของการยืดออกของเวลาตามทฤษฏีของไอน์สไตน์ประมาณ 7000 นาโนวินาที

เนื่องจากต้องมีการส่งสัญญาณระหว่างรถที่อยู่บนพื้นและดาวเทียมที่รอยอยู่รอบโลก ผลของการเคลื่อนที่ระหว่างรถสัมพัธท์ระหว่างรถยนต์และดาวเทียม อีกทั้งผลของแรงโน้มถ่วงที่ต่างกันระหว่างรถและดาวเทียมส่งผลต่อการยืดออกของเวลา หรือว่ากันง่ายเวลาผ่านไปด้วยอัตราไม่เท่ากันระหว่างรถยนต์และดาวเทียม หากเราไม่ทำการแก้ไขผลของการเลื่อนของเวลา เจ้า GPS ก็จะไม่สามารถทำงานได้อย่างถูกต้องแม่นยำ

นอกจากฟิสิกส์จะทำความเข้าใจธรรมชาติรอบตัวเราแล้ว นักฟิสิกส์ยังพยายามทำความเข้าใจธรรมชาติพื้นฐานที่ประกอบขึ้นมาเป็นทุกสรรพสิ่ง หรือว่าง่ายๆก็คือ การทำความเข้าใจกลไกของธรรมชาติในระดับอะตอมนั้นเอง ต่อมาเป็นที่รู้จักกันดีในชื่อ ควอนตัมฟิสิกส์

ภาพการ์ตูนของอะตอม

เราอาจกล่าวได้ว่าในตอนเริ่มต้นทำการศึกษาพฤติกรรมธรรมชาติในระดับอะตอมนั้นทำไปเพื่อตอบสนองความอยากรู้ของนักฟิสิกส์ล่วนๆ แต่หากว่าผลพ่วงของความอยากรู้นั้น ทำให้เกิดประโยชน์มากมายมหาศาล เทคโนโลยีเกือบทุกอย่างที่เรามีในปัจจุบันอยู่บนพื้นฐานความเข้าธรรมชาติพื้นฐานนี้

ตัวอย่างแรกที่อยู่ใกล้ตัวเรามากที่สุดก็คือ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ที่มีอยู่หลากหลายรูปแบบที่เราใช้กันในปัจจุบัน อันที่เป็นที่นิยมคงหนีไม่พ้น iPhone ipad computer

กลไกการทำงานของเจ้าอุปกรณ์พวกนี้อยู่บนพื้นฐานของเจ้าส่วนประกอบชิ้นเล็กเรียกว่า ทรานซิสเตอร์แบบโซลิดสเตท ที่ทำหน้าที่ขยายสัญญาณไฟฟ้า ควบคุมการเปิดปิดสัญญาณไฟฟ้า คงค่าแรงดันไฟฟ้า เป็นต้น ซึ่งหลักการทำงานพื้นฐานนั้นต้องอาศัยทฤษฎีควอมตัมอธิบาย

ตัวอย่างต่อไปอีกอันที่เราพบเจอกันบ่อยนั้นคือ เลเซอร์ ซึ่งในปัจจุบันได้รับการพัฒนาให้มีหลากหลายรูปแบบเหมาะกับวัตถุประสงค์ของงานที่จะนำไปใช้ เช่น เลเซอร์พอยเตอร์ เลเซอร์สำหรับการสื่อสารโทรคมนาคม เลเซอร์สำหรับการแพทย์ เป็นต้น

ซึ่งการจะได้มาซึ่งความเข้มของแสงเลเซอร์อีกทั้งสีต่างๆนั้นเราจำเป็นเข้าใจคุณสมบัติทางควอนตัมของอะตอมที่ประกอบกันเป็นตัวให้กำเนิดจะมีการปลดปล่อยพลังงานในรูปของแสงได้สองแบบ คือ แบบธรรมชาติ และ แบบกระตุ้น ถ้าเราทำการสร้างอุปกรณ์ที่ทำ

ภาพแสดงกลไลระดับอะตอมในการเกิดแสงเลเซอร์

ให้กระบวนการดังกล่าวเกิดซ้ำไปซ้ำมา เราจะได้แสงออกมาที่มีความเข้มสูงหรือเจ้าเลเซอร์นั้นเอง

การเดินทางระหว่างที่หนึ่งไปอีกที่หนึ่งโดยรถไฟถือเป็นทางเลือกหนึ่งจากหลายๆทาง ข้อเสียของมันคือใช้เวลานาน เรารู้รถไฟนั้นต้องวิ่งอยู่บนรางซึ่งล้อนั้นจะสัมผัสกับรางตลอดเวลาทำให้เกิดแรงเสียดทาน ในปัจจุบันนี้ได้มีการสร้างรถไฟแบบใหม่ที่ไม่จำเป็นต้องสัมผัสรางขณะวิ่งจึงทำให้ทำความเร็วได้สูง เช่น รถไฟ Maglev

การที่เจ้ารถไฟนั้นไม่สัมผัสกับรางอาศัยหลักการผลักกันระหว่างแม่เหล็กที่เกิดจากตัวนำยิ่งยวดและแท่งแม่เหล็กที่ราง แท่งแม่เหล็กที่รางนั้นสามารถควบคุมขั้วได้โดยอาศัยการจ่ายพลังงานไฟฟ้าภายนอกและอาศัยหลักการดูดและผลักกันระหว่างแม่เหล็กทำให้รถสามารถเคลื่อนที่ข้างหน้าได้ พฤติกรรมของเจ้าตัวนำยิ่งยวดนี้เป็นที่ปวดหัวกับนักฟิสิกส์เป็นเวลานานจนกระทั้งมีทฤษฏีควอนตัม

การที่เราต้องการดูความผิดปกติของอวัยวะภายในร่างกายเราโดยไม่ต้องผ่าตัดนั้นถือว่าปฎิวัติวงการแพทย์ในปัจจุบันเลยที่เดียว ความสำเร็จดังกล่าวมาจากเจ้าเครื่องที่มีชื่อว่า MRI: Magnetic Resonance Imaging โดยร่างกายของเราประกอบไปด้วยอนุภาคขนาดเล็กจำนวนมากมายที่มีคุณสมบัติการตอบสนองต่อสนามแม่เหล็กผ่าน โมเมนต์แม่เหล็ก

ซึ่งในสภาวะปกติเจ้าอะตอมเหล่านี้เรียงตัวกันไม่เป็นระเบียบตามทิศของสนามแม่เหล็กโลก หน้าของ MRI คือป้อนสนามแม่เหล็กที่มีความเข้มสูงซึ่งผลิตจากตัวนำยิ่งยวดให้กับร่างกาย อะตอมในร่างกายจะโดยบังคับให้ว่างตัวตามสนามแม่เหล็ก จากนั้นจ่ายพลังงานในรูปของคลื่นวิทยุเข้าไป อะตอมจะดูดซับพลังงานเอาไว้แล้วเบนออกจากแนวของสนามแม่เหล็ก เมื่อเราหยุดจายพลังงานอะตอมจะเบนกลับมากวางตัวตามเดินของทิศสนามแม่เหล็กพร้อมกับปล่อยพลังงานออก

ภาพถ่ายของสมองโดย MRI

โดยพลังงานตรงส่วนนี้ในแต่ละอวัยวะจะไม่เท่ากันและทำให้เราสามารถสร้างภาพขึ้นมาได้

คอมพิวเตอร์เป็นสิ่งที่ทุกคนรู้จักกันและใช้กันอย่างแพร่หลาย ในแต่ละปีนั้นบริษัทผู้ผลิตก็จะนำเสนอคอมผิวเตอร์รุ่นใหม่ที่มีสมัตฐนะการประมวลผลที่เร็วขึ้น หลักการประมวลผลและการเก็บข้อมูลของคอมพิวเตอร์ในปัจจุบันนั้นผ่านทาง บิต 0 และ 1 ดังนั้นการที่จะทำให้คอมพิวเตอร์ประมวลผลได้เร็วก็ต้องเพิ่มจำนวนชิปโดยการย่อให้มีขนาดเล็กลงแต่การทำเช่นนี้ทำให้คอมพิวเตอร์นั้นใช้ไฟเปลืองมากและถึงขีดจำกัดในอนาคตอันใกล้นี้เพราะเมื่อชิปว่างกันใกล้ในระดับหนึ่งผลทางควอมตัมฟิสิกส์จะเข้ามามีบทบาท กล่าวคืออิเล็กตรอนจะสามารถกระโดดข้ามระหว่างชิปได้ผ่านอากาศ (quantun tunnelling)ซึ่งมายังการเกิดลัดวงจร

Moore’s law

แต่เมื่อไม่นานมานี้นักวิทยาศาสตร์ได้หาทางออกสำหรับเรื่องนี้โดยใช้หลักการของควอมตัมเข้ามาช่วย เป็นที่รู้ดีกันว่าอิเล็กตรอนนั้นจะมีคุณสมบัติอันหนึ่งติดตัวที่เรียกว่าสปินซึ่งจะตอบสนองกับสนามแม่เหล็ก เมื่อเราใส่สนามแม่เหล็ก มันจะทำการวางตัวตามสนามแม่เหล็กในสองลักษณะคือ ตามสนามแม่เหล็ก (up) และสวนทางกับสนามแม่เหล็ก (down) สิ่งที่พิเศษสำหรับเจ้าอิเล็กตรอนนี้คือมันสามารถอยู่ในสถานะ up และ down ได้พร้อมๆกัน เป็นที่รู้กันตามหลักการที่เรียกว่าหลักการซ้อนทับของสถานะควอนตัม ดังนั้นถ้าเราให้ up=1 และ down=0 จะเห็นได้ว่าอิเล็กตรอนหนึ่งตัวสามารถเก็บข้อมูลบิตได้พร้อมๆกันสองแบบ แนวคิดนี้เป็นความหวังของนักฟิสิกส์ในการสร้างกระบวนการคำนวณแบบคู่ขนานซึ่งจะทำให้คอมพิวเตอร์ประมวลได้รวดเร็วยิ่งขึ้น ในปัจจุบันควอนตัมคอมพิวเตอร์กำลังได้รับการพัฒนาอย่างต่อเนื่องและมีการแข่งขันกันระหว่างบริษัทคอมพิวเตอร์ยักษ์ใหญ่

จากที่กล่าวมาข้างต้น มีเทคโนโลยีมากมายที่ได้กล่าวไว้และไม่ได้กล่าวไว้เกิดจากมาจากการทำความเข้าใจธรรมชาติพื้นฐานผ่านสมการคณิตศาสตร์ นอกจากนี้แล้วยังมีหลักการที่หลายอย่างที่ฟังดูแล้วค่อนข้างแฟนตาซีแต่ไม่ผิดหลักการฟิสิกส์และมีความไปได้ที่จะทำให้สำเร็จในอนาคต เช่น การเดินทางไปในอวกาศอันห่างไกลโดยผ่านประตูมิติของกาลอวกาศ หรือ ที่เรียกว่า รูหนอน

ภาพแสดงการเดินทางในอนาคตจากที่หนึ่งในอวกาศไปยังที่ห่างไกลอีกที่หนึ่งผ่านรูหนอน

เมื่อถึงวันที่เราเข้าใจธรรมชาติของกาลอวกาศมากกว่านี้ถึงขั้นที่ควบคุมมันได้ การสร้างรูหนอนดังกล่าวก็คงมีความเป็นไปได้ ดังนั้นการเดินทางท่องไปในจักรวาลอันกว้างใหญ่คงไม่ต่างจากที่มีในหนังก็ว่างั้น

ปัญหาของการเห็นคุณค่าของฟิสิกส์ทฤษฏีนั้นคือ ประโยชน์ที่งอกเงยจากการค้นพบกลไกของธรรมชาติใหม่ๆนั้นส่วนใหญ่ไม่ได้ส่งผลกระทบต่อสังคมอย่างตรงไปตรงมาหรือเห็นผลการนำไปใช้ ณ ตอนนั้นๆได้เพราะเป็นพื้นฐาน คุณค่าของทฤษฏีนั้นอาจจะต้องรอเวลาพอสมควรเมื่อมีคนไปประยุคต์ใช้เพื่อสร้างเทคโนโลยี หากแต่พอถึงตอนนั้นก็ไม่มีใครกล่าวถึงที่มาที่ไปของเจ้าเทคโนโลยีดังกล่าว ส่วนตัวผมเชื่อว่าฟิสิกส์ทฤษฏีสร้างผลกระทบต่อสังคมอย่างมหาศาล(ปิดทองหลังพระ)ทั้งในแง่ของความเป็นอยู่และเทคโนโลยีใหม่ๆ อย่างที่ไม่มีศาสตร์ไหนทำได้เท่า

Show your support

Clapping shows how much you appreciated Sikarin Yoo-Kong’s story.