ค้านทฤษฎี “แมวของชโรดิงเงอร์” ชี้ทำนายการเปลี่ยนสถานะควอนตัมล่วงหน้าได้

ทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัมที่โด่งดังมานานของแอร์วิน ชโรดิงเงอร์ (Erwin Schrödinger) นักฟิสิกส์ชาวออสเตรีย ถูกท้าทายด้วยผลการทดลองล่าสุดของนักวิทยาศาสตร์อเมริกัน ซึ่งชี้ว่าเราอาจจะทำนายถึงสถานะทางควอนตัมของอนุภาคได้ก่อนจะเริ่มสังเกตการณ์ รวมทั้งเข้าควบคุมการเปลี่ยนแปลงสถานะนั้นให้ย้อนกลับไปได้อีกด้วย อันเป็นสิ่งตรงกันข้ามกับหลักการที่ชโรดิงเงอร์เคยระบุไว้

การค้นพบดังกล่าวตีพิมพ์ในวารสาร Nature โดยทีมนักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยเยลของสหรัฐฯ แถลงว่าทฤษฎี "แมวของชโรดิงเงอร์" (Schrödinger's cat) ที่รู้จักกันอย่างกว้างขวางนั้น อาจไม่ถูกต้องตรงกับความเป็นจริงในระดับควอนตัมบางเรื่อง

เมื่อปี 1935 ชโรดิงเงอร์ได้กล่าวถึงการทดลองในจินตนาการ ซึ่งสมมติให้มีแมวถูกขังไว้ในกล่องปิดสนิทซึ่งมีสารกัมมันตรังสีและขวดบรรจุไอพิษอยู่ด้วย หากสารกัมมันตรังสีเกิดการสลายตัว กลไกในกล่องจะทุบขวดบรรจุไอพิษให้แตกออกซึ่งจะทำให้แมวตายในที่สุด

อย่างไรก็ตาม โอกาสที่สารกัมมันตรังสีจะสลายตัวมีอยู่ครึ่งต่อครึ่ง (50%) ทำให้ไม่อาจทราบได้แน่ว่า ขณะที่กล่องปิดอยู่และยังไม่ถูกเปิดออกดู แมวที่เป็นสัตว์ทดลองจะยังมีชีวิตอยู่หรือไม่ ซึ่งเท่ากับว่าแมวในกล่องมีสองสถานะคือทั้งเป็นและตายอยู่ในขณะเดียวกัน แต่แมวจะเปลี่ยนไปมีสถานะอย่างใดอย่างหนึ่งโดยฉับพลัน ในชั่วขณะที่ผู้สังเกตการณ์เปิดกล่องออกดูเท่านั้น

การทดลองสมมตินี้คือการเปรียบเปรยให้เข้าใจถึงหลักกลศาสตร์ควอนตัม ซึ่งอนุภาคในระดับที่เล็กกว่าอะตอมเช่นอิเล็กตรอนจะสามารถอยู่ในหลายสถานะ หรืออยู่ในระดับพลังงานที่แตกต่างกันได้ในคราวเดียวกัน (Superposition) แต่อนุภาคนั้นจะเปลี่ยนไปอยู่ในสถานะใดสถานะหนึ่งอย่างฉับพลันแบบก้าวกระโดด หรือที่เรียกว่าควอนตัมลีป (Quantum leap) ในชั่วขณะที่ผู้ทดลองเริ่มลงมือตรวจวัดสังเกตการณ์เท่านั้น

ทีมนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเยลได้ทำการทดลองเพื่อทดสอบทฤษฎีนี้ โดยยิงรังสีจากคลื่นไมโครเวฟไปยังคิวบิตนำไฟฟ้ายิ่งยวด ซึ่งเป็นอนุภาคที่ใช้ในควอนตัมคอมพิวเตอร์ เพื่อให้อนุภาคดังกล่าวเกิดการเปลี่ยนสถานะไปอยู่ในระดับพลังงานต่าง ๆ และใช้วิธีสังเกตการณ์ทางอ้อมผ่านคลื่นไมโครเวฟ เพื่อดูว่าจะสามารถตรวจจับสัญญาณที่บ่งชี้ล่วงหน้าว่า อนุภาคกำลังจะ "กระโดด" เปลี่ยนสถานะ หรือกำลังจะเกิดควอนตัมลีปขึ้นได้หรือไม่

ผลปรากฏว่าทีมผู้วิจัยสามารถตรวจจับสัญญาณดังกล่าวได้ ซึ่งหากตรวจพบว่ามีอนุภาคโปรตอนออกมา ก็แสดงว่าอนุภาคที่ทดลองกำลังเข้าสู่สถานะพื้น (Ground state) แต่หากโปรตอนหายไปอย่างกะทันหัน ก็แสดงว่าอนุภาคที่ทดลองกำลังเข้าสู่สถานะกระตุ้น (Excited state) ที่มีพลังงานสูงกว่า

ดร. ซลาตโก มีเนฟ ผู้นำทีมวิจัยบอกว่า "เราพบว่าปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นไม่ใช่การกระโดดข้ามสถานะอย่างฉับพลัน แต่เป็นการเลื่อนไหลเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่อง ซึ่งเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วในพริบตาจนทำให้รู้สึกเหมือนกับว่าเป็นการก้าวกระโดด"

"นอกจากนี้ เรายังสามารถควบคุมการให้พลังงานกับอนุภาคที่กำลังจะกระโดด จนทำให้มันถอยกลับไปอยู่ในสถานะพื้นตามเดิมได้ ซึ่งเท่ากับว่าเราช่วยชีวิตแมวของชโรดิงเงอร์ที่กำลังเปลี่ยนสถานะไปสู่ความตาย ให้คืนสู่สถานะปลอดภัยและมีชีวิตอยู่ได้"

"ข้อมูลที่เราค้นพบใหม่นี้ สามารถจะนำไปใช้พัฒนาควอนตัมคอมพิวเตอร์ โดยใช้ตรวจจับอนุภาคที่กำลังจะเกิดควอนตัมลีป ซึ่งเป็นที่มาของการประมวลผลผิดพลาด"

"ถึงกระนั้นก็ตาม วิธีทำนายแนวโน้มการเปลี่ยนสถานะของอนุภาคที่เราทำได้ ถือว่ายังไม่เป็นประโยชน์ในระยะยาว เพราะคล้ายกับการทำนายเหตุภูเขาไฟระเบิด ซึ่งเราอาจจับสัญญาณการสั่นสะเทือนที่ส่งมาล่วงหน้าได้ แต่บอกไม่ได้ว่ามันจะระเบิดขึ้นเมื่อไหร่กันแน่" ดร. มีเนฟกล่าว