จาก 2 ตอนที่ผ่านมา เราได้เจอกับความจริงที่ปั่นป่วนสมองสุดๆ นั้นคือ แสงที่น่าจะเป็น “คลื่น” ก็สามารถทำตัวเป็น “อนุภาค” ได้
ในขณะที่นักฟิสิกส์ทั่วโลกกำลังมึนงง… มีชายหนุ่มคนหนึ่งชื่อ หลุยส์ เดอ บรอยล์ ได้เดินเข้ามาพร้อมคำถามว่า:
“เดี๋ยวนะ… ถ้า ‘คลื่น’ (อย่างแสง) สามารถทำตัวเป็น ‘อนุภาค’ ได้… แล้วทำไม ‘อนุภาค’ (อย่างอิเล็กตรอน) จะทำตัวเป็น ‘คลื่น’ บ้างไม่ได้ล่ะ?”
ฟังดูเหมือนมุกตลกใช่ไหมครับ? อิเล็กตรอนเนี่ยนะจะเป็นคลื่น? มันเป็นเม็ดกลมๆ แข็งๆ ชัดๆ! แต่หารู้ไม่ว่า… แนวคิดที่ดูบ้าบอนี้แหละ คือ “อัศวินขี่ม้าขาว” ที่จะมากู้วิกฤตการณ์ที่ใหญ่ที่สุดของฟิสิกส์อะตอมในยุคนั้น!
วิกฤตที่ว่าคืออะไร? และเดอ บรอยล์ มาช่วยไว้อย่างไร? ไปดู Simulation แรกกันเลยครับ!
☠️ วิกฤตการณ์อะตอม : เมื่อฟิสิกส์บอกว่าเราควรจะตายไปตั้งนานแล้ว!
ย้อนกลับไปก่อนยุคควอนตัม แบบจำลองอะตอมที่ฮิตที่สุดคือของ รัทเทอร์ฟอร์ด ภาพที่ทุกคนคุ้นเคยคือ มีนิวเคลียสอยู่ตรงกลาง และมีอิเล็กตรอนวิ่งวนรอบๆ เหมือนดาวเคราะห์โคจรรอบดวงอาทิตย์
ฟังดูสมเหตุสมผลดีใช่ไหมครับ? แต่ปัญหามันอยู่ที่ดันมีกฎฟิสิกส์ข้อนึงเกี่ยวกับแม่เหล็กไฟฟ้าที่บอกว่า “ประจุไฟฟ้าที่เคลื่อนที่เป็นวงกลม (มีความเร่ง) จะต้องสูญเสียพลังงานออกมาในรูปคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเสมอ”… ยิ่งเสียพลังงาน อิเล็กตรอนก็จะยิ่งหมดแรง และวงโคจรจะแคบลงเรื่อยๆ
ตูม!!! เห็นไหมครับ? อิเล็กตรอนจะหมุนติ้วและพุ่งชนนิวเคลียสภายในเวลาไม่ถึงเสี้ยววินาที! แปลว่าถ้าทฤษฎีนี้ถูก สสารทุกอย่างในจักรวาล (รวมถึงตัวคุณที่นั่งอ่านบทความนี้อยู่) จะต้องยุบตัวหายไปทันที
ทุกคนพร้อมไหมครับ เรามานับถอยหลังกัน สาม… สอง… หนึ่ง….
ทุกคนยังอยู่กันไหมครับ 😅 คิดว่าอย่างนั้นนะ… แสดงว่าต้องมีอะไรบางอย่างที่ฟิสิกส์ยุคเก่า “ผิดพลาด” อย่างมหันต์!
🛠️ ทางแก้ขัดตาทัพ : กฎเหล็กของ "โบร์"
ในสถานการณ์มืดแปดด้านที่อิเล็กตรอนควรจะตกใส่นิวเคลียส นีลส์ โบร์ ได้เสนอทางออกแบบกำปั้นทุบดินว่า “ก็ตั้งกฎห้ามมันตกสิ!”
เป็นกฎเหล็กว่า:
ห้ามตก!: อิเล็กตรอนมี “วงโคจรพิเศษ” เป็นชั้นๆ ที่สามารถวิ่งได้โดย ไม่เสียพลังงาน (ดื้อๆ งี้เลย!)
กระโดดได้: อิเล็กตรอนห้ามอยู่ “ระหว่างชั้น” ทำได้แค่ “กระโดด” จากชั้นหนึ่งไปอีกชั้นหนึ่งเท่านั้น (ถ้าได้พลังงานมาพอดี)
ถ้ายิงพลังงานพอดี -> อิเล็กตรอนจะ “กระโดด” จากชั้นในไปชั้นนอกทันที
ถ้าปล่อยทิ้งไว้สักพัก -> อิเล็กตรอนสามารถกระโดดกลับลงมาเอง แล้ว “คายโฟตอน” ออกมาเป็นแสงสีต่างๆ
โมเดลนี้อธิบายเรื่องสเปกตรัมแสงได้เป๊ะมาก! (เป็นหนึ่งในการทดลองเกี่ยวกับอะตอมที่นักฟิสิกส์สนใจกันในตอนนั้น) แต่มันยังมีจุดอ่อนใหญ่หลวงคือ… “ทำไม?” ทำไมต้องมีวงโคจรพิเศษ? ทำไมห้ามอยู่ระหว่างชั้น? โบร์ตอบไม่ได้ บอกแค่ว่า “ธรรมชาติมันเป็นแบบนี้แหละ”
💡 คำเฉลย : ทางแก้ของ เดอ บรอยล์
เดอ บรอยล์ เดินกลับเข้ามา แล้วบอกว่า “จำที่ผมบอกตอนต้นเรื่องได้ไหมครับ? ว่าอิเล็กตรอนเป็นคลื่น… ลองมองมุมนี้สิ แล้วทุกอย่างจะกระจ่าง”
ลืมภาพอิเล็กตรอนที่เป็น “เม็ดกลมๆ” วิ่งวนไปซะ แล้วมองว่าอิเล็กตรอนคือ “เส้นคลื่น” ที่วิ่งวนเป็นวงกลมรอบนิวเคลียส
Simulation ด้านล่างนี้เราเริ่มจากคลื่นเส้นตรงๆ แบบที่เราคุ้นเคยกันดี ทีนี้ลองมาดูกันว่าจะเกิดอะไรขึ้นถ้าเรา “ม้วน” มันให้พันเป็นวงรอบนิวเคลียส
เห็นความมหัศจรรย์ไหมครับ!
ถ้าความยาวเส้นรอบวง ยาวเท่ากับจำนวนลูกคลื่นพอดีเป๊ะ (เช่น 1 ลูก, 2 ลูก, 3 ลูก…) หัวของคลื่นจะวนมาบรรจบกับหางของมันได้อย่างสวยงาม เชื่อมกันเป็นวงแหวนที่เสถียร… นี่แหละครับคือที่มาของ “วงโคจรพิเศษ” ที่โบร์สงสัย!
ปล. ถ้าความยาวเส้นรอบวง “ขาดๆ เกินๆ” เช่น 1.5 ลูก หัวคลื่นจะไม่สามารถชนกับหางอย่าง “สวยงามพอดี” แบบนี้ได้ ทำให้คลื่นหักล้างกันเองจนพังทลาย นี่คือเหตุผลว่าทำไมอิเล็กตรอนถึงอยู่ “ระหว่างชั้น” ไม่ได้! (ในทางฟิสิกส์เราจะบอกว่ามันไม่เกิดคลื่นนิ่งที่เสถียร)
บทสรุป : ความจริงที่ซ่อนอยู่หลัง "หน้ากาก"
จากการเดินทางตลอด 3 ตอน เราได้เห็นเรื่องแปลกประหลาดและความสับสนระหว่าง “คลื่น” และ “อนุภาค” แล้วตกลงความจริงของสิ่งต่างๆ ในธรรมชาติมันคืออะไรกันแน่ล่ะ
ในความเป็นจริงแล้วเรื่องราวการทดลองต่างๆ ที่เราทำกันมาผ่าน simulation มันเป็นจุดกำเนิดของฟิสิกส์แขนงใหม่ที่เรียกว่า “ฟิสิกส์ควอนตัม“ ซึ่งในฟิสิกส์ควอนตัมสมัยใหม่ นักฟิสิกส์ค้นพบว่าคำว่า “คลื่น” หรือ “อนุภาค” เป็นเพียงแค่ “หน้ากาก” ที่ธรรมชาติสวมให้เราเห็นในบริบทที่ต่างกันเท่านั้น แต่โฉมหน้าที่แท้จริงที่ซ่อนอยู่ภายใต้หน้ากากนั้น คือสิ่งที่ลึกซึ้งยิ่งกว่า เรียกว่า “ฟังก์ชันคลื่น (Wave Function)”
และนี่แหละ คือโฉมหน้าที่แท้จริงของธรรมชาติตามหลักฟิสิกส์ปัจจุบันครับ …
