ฟิสิกส์ เรื่องทฤษฎีควอนตัม

ค.ศ. 1900 ปรากฏการณ์ธรรมชาติแทบทุกอย่างสามารถอธิบายได้ด้วยกลศาสตร์ของนิวตันและทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าของแม็กซ์เวลล์ (หรือทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า) แต่ยังมีบางปรากฏการณ์ที่ทฤษฎีทั้งสองไม่สามารถอธิบายได้ ปรากฏการณ์นั้นคือการแผ่รังสีของวัตถุด า ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กตริก ปรากฏการณ์ควอนตัมและสเปกตรัมของอะตอม ดังนั้นจึงเป็นสาเหตุของการก าเนิดทฤษฎีใหม่ที่เรียกว่า ทฤษฎีควอนตัม (quantum theory) ซึ่งเสนอโดย แม็กซ์ แพลงค์ เพื่อใช้อธิบายกรณีการแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากวัตถุดำ

ในปี ค.ศ.1900 แม็กซ์ แพลงค์ (Max Planck) นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน ได้ตีพิมพ์ทฤษฎีที่อธิบายถึงการปล่อยสเปกตรัมออกจากวัตถุดา ซึ่ง 18 ปีต่อมา เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ ทฤษฎีควอนตัม(quantum theory) กล่าวว่าพลังงานไม่ได้คงอยู่แบบต่อเนื่องกันแต่อยู่เป็นกลุ่มพลังงานที่เรียกว่าควอนตัม(quantum)

เลขควอนตัม
เลขควอนตัม (quantum numbers) จากการแก้สมการของชเรอดิงเงอร์เพื่อหาพลังงานและบริเวณที่จะพบอิเล็กตรอนในสามมิติ มีเลขเลขควอนตัม 3 ชนิดคือ เลขควอนตัมหลัก เลขควอนตัมโมเมนตัมเชิงมุมและเลขควอนตัมแม่เหล็ก เลขควอนตัมแต่ละชนิดมีความสัมพันธ์กันอย่างต่อเนื่อง เลขควอนตัมเหล่านี้ใช้บอกระดับพลังงาน ขนาด รูปร่าง และทิศทางของออร์บิทอลเชิงอะตอม และอิเล็กตรอนที่อยู่ในออร์บิทัลนั้น เลขควอนตัมชนิดที่สี่คือ เลขควอนตัมสปิน ใช้ระบุพฤติกรรมของอิเล็กตรอนหนึ่งๆ ในอะตอม

1) เลขควอนตัมหลัก (principal quantum, n) เลขที่แสดงระดับพลังงานหลักหรือแสดงถึงระยะห่างจากนิวเคลียสและระดับพลังงานของอิเล็กตรอน (หรือเรียกว่า shell) โดย n มีค่า 1, 2, 3,… โดยถ้าn = 1 จะอยู่ใกล้นิวเคลียสมากที่สุดและมีค่าพลังงานต่าที่สุดซึ่งก็สอดคล้องกับทฤษฎีของโบร์ n ยิ่งมีค่ามาก อิเล็กตรอนยิ่งมีระดับพลังงานอยู่ห่างจากนิวเคลียสมากออร์บิทัลนั้นก็มีขนาดใหญ่ขึ้นด้วย นอกจากนี้ค่า nเป็น 1, 2, 3, ….แทนระดับพลังงงาน 1, 2, 3, … และแทนด้วยตัวอักษร K, L, M … ตามลาดับ และเรียกพลังงานหลักหรือเชลล์ (main level หรือ main shell)
2) เลขควอนตัมโมเมนตัมเชิงมุม (angular momentum quantum, l) เลขควอนตัมโมเมนตัมเชิงมุม บอกถึงโมเมนตัมเชิงมุมสาหรับการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียส กล่าวคือ ถ้า l มีค่าสูงแสดงว่า อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ด้วยโมเมนตัมเชิงมุมสูง และมีพลังงานสูงด้วย อีกนัยหนึ่งคือเลขควอนตัมโมเมนตัมเชิงมุม บอกรูปร่างของออร์บิทัลที่อิเล็กตรอนนั้นครอบครองอยู่ ค่า l ขึ้นกับเลขควอนตัมหลัก n ดังนี้l เป็นจานวนเต็มมีค่าตั้งแต่ 0, 1, 2, …… ถึง (n-1) กล่าวคือ
ถ้า n = 1 l จะมีค่าได้ 1 ค่า คือ 0
ถ้า n = 2 l จะมีค่าได้ 2 ค่า คือ 0 และ 1
ถ้า n = 3 l จะมีค่าได้ 3 ค่า คือ 0, 1 และ 2
ถ้า n = n l จะมีค่าได้ 0, 1, 2, 3,…… (n-1)

ค่า l ต่างๆ มักระบุเป็นตัวอักษร s, p, d … แทน ดังนี้
เมื่อ l = 0 ตรงกับระดับย่อย s เรียกว่า s (sharp)
l = 1 ตรงกับระดับย่อย p เรียกว่า p (principle)
l = 2 ตรงกับระดับย่อย d เรียกว่า d (diffuse)
l = 3 ตรงกับระดับย่อย f เรียกว่า f (fundamental)

นั่นคือ ถ้า l = 0 เรียกว่า s-ออร์บิทัล ถ้า l = 1 เรียกว่า p-ออร์บิทัล เป็นต้น
ลาดับตัวอักษร s, p, d และ f มีความเป็นมาคือ นักฟิสิกส์ที่ศึกษาสเปกตรัมเปล่งแสงของอะตอมพยายามหาความสัมพันธ์ระหว่างเส้นสเปกตรัมที่พบกับระดับพลังงานที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลง สังเกตพบว่า สเปกตรัมบางเส้นมีลักษณะคมชัด (sharp) บางเส้นมีลักษณะพร่า (diffuse) บางเส้นมีลักษณะเป็นเส้นเข้ม และนับเป็นเส้นหลัก (principal) ตัวอักษรนาหน้าชื่อสเปกตรัมในภาษาอังกฤษจึงถูกนามาใช้แทนระดับพลังงานหรือออร์บิทัล อย่างไรก็ตามหลังจากตัวอักษร d และต่อด้วยอักษร f แล้ว สามารถระบุออร์บิทัลตามลาดับตัวอักษร กลุ่มออร์บิทัลที่มีเลขควอนตัมหลัก n เท่ากัน เรียกว่า วงหรือชั้น (shell) ออร์บิทัลที่มีค่า n และ l ชุดเดียวกันมักเรียกว่าชั้นย่อยหรือระดับพลังงานย่อย (subshell)

ทฤษฎีสนามควอนตัม (Quantum Theory Field )
ในทางฟิสิกส์คำว่าสนาม (Field) หมายถึง พื้นที่ว่างซึ่งลักษณะทางกายภาพบางอย่างส่งผลกับวัตถุ ตัวอย่างเช่น สนามแรงโน้มถ่วงและสนามแม่เหล็ก ทฤษฏีสนาม (Field theory) จึงเป็นการอธิบายเกี่ยวกับคุณสมบัติของสนามเหล่านี้ รวมถึงคุณสมบัติของวัตถุที่มีปฏิกิริยาต่อสนามที่มันอยู่

โดยคิดผลของสัมพัทธภาพที่มีต่ออนุภาคที่มีความเร็วสูงหรือพลังงานสูง ภายในทฤษฎีนี้จะมีการปรับแนวความคิดหลายประการ อาทิเช่น เมื่อเวลาเปลี่ยนไปอนุภาคจะถูกทำลายและถูกสร้างขึ้นมาใหม่ ดังนั้นอนุภาคจะเป็นตัวใหม่ไม่ใช่ตัวเดิมแต่จะมีคุณสมบัติเหมือนเดิม มีการทำนายการมีอยู่ของปฏิอนุภาค หรือ ปฏิสสาร (Anti-matter) ซึ่งถูกสร้างและทำลายไปพร้อมกับอนุภาคหรือสสารเป็นคู่ๆ เช่นอิเล็กตรอนจะถูกสร้างและทำลายไปพร้อมกับคู่ปฏิอนุภาคของอิเล็กตรอนที่เรียกว่า โพซิตรอน (positrons)

ทฤษฎีนี้จะไม่บรรยายโอกาสที่จะเจออนุภาคด้วยฟังก์ชันคลื่นแต่จะแสดงโอกาสที่อนุภาคจะถูกสร้างขึ้น ณ ตำแหน่งใด ๆ แทนซึ่งโอกาสนี้แสดงได้จากสนามของการสร้างและทำลายอนุภาค จึงเรียกว่า ทฤษฎีสนามควอนตัม

ความสำเร็จของทฤษฎีนี้อยู่ที่ความสำเร็จในกาบรรยายการสร้างและทำลายอนุภาคมีประจุภายใต้สนามควอนตัมที่เรียกว่าสนามแม่เหล็กไฟฟ้า และคำนวณพลวัติของแรงแม่เหล็กไฟฟ้าได้อย่างแม่นยำกว่าทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าของแมกซ์เวลล์ เรียกว่า พลศาสตร์แม่เหล็กไฟฟ้าเชิงควอนตัม (Quantum Electrodynamics –QED)

ในช่วงปี ค.ศ. 1920 ทฤษฎีนี้เริ่มต้นพัฒนาขึ้นจาก สมการของดิแรก (Dirac Equation) ซึ่งเป็นสมการที่บรรยายอนุภาคแบบสัมพัทธภาพ เขาพบว่าสมการของเขาทำนายการมีอยู่ของสปินและปฏิอนุภาคหรือคลื่นอย่างใดอย่างหนึ่งก็ได้ ทำให้ความรู้สึกขัดแย้งที่มีมาแต่เดิมที่เข้าใจว่าควอนตัมจะต้องพิจารณาทั้งความเป็นคลื่นและอนุภาคไปพร้อม ๆ กันนั้นหายไป คลื่นและอนุภาคเป็นคุณสมบัติที่แตกต่างกันมาก หากควอนตัมมีคุณสมบัตินี้ทั้งสองประการพร้อมกันจะทำให้เราสับสนได้ง่าย ดังนั้นสมการดิแรกจึงได้รับการยอมรับอย่างสูง ทั้งในด้านการแก้ปัญหาความขัดแย้งที่มีมาแต่เดิม และความสวยงามของสมการคณิตศาสตร์ที่เขาใช้ด้วยเช่นกัน

สมการของดิแรก (Dirac Equation)

นีลส์ โบร์ เองก็ได้เปลี่ยนความคิดหลังจากนั้นว่าเราอาจจะพิจารณาความเป็นคลื่นหรือความเป็นอนุภาคของควอนตัมอย่างไรนั้นขึ้นอยู่กับวิธการสังเกตของเรา หากเราสังเกตคุณสมบัติคลื่นของควอนตัมก็จะเห็นความเป็นคลื่นของมันและไม่สามารถมองเห็นความเป็นอนุภาค หากเราสังเกตความเป็นอนุภาคก็จะเห็นความเป็นอนุภาคของมันและไม่สามารถเห็นความเป็นคลื่น ดังนั้นการจะเข้าใจระบบควอนตัมให้สมบูรณ์นั้นจะต้องพิจารณาทั้งความเป็นคลื่นหรืออนุภาคโดยเลือกเอาตามสถานการณ์ที่ต้องการสังเกต หลักการนี้เรียกว่า การเติมเต็ม (Complementarity) ซึ่งแสดงให้เห็นว่าการพิจารณาความเป็นคลื่นและความเป็นอนุภาคจะทำให้เข้าใจระบบได้มากกว่าการพิจารณาความเป็นคลื่นหรืออนุภาคแต่เพียงอย่างเดียว

นีลส์ โบร์

หลังจากที่ดูเหมือนว่าทุกอย่างจะเป็นไปได้อย่างราบรื่น ในช่วง ค.ศ. 1930-1940 ทฤษฏีสนามควอนตัมกลับประสบกับช่วงเวลายากลำบากเนื่องจากความยุ่งยากซับซ้อนทางการคำนวณ แต่ในที่สุดสถานการณ์เลวร้ายก็ผ่านไปเมื่อนักฟิสิกส์จำนวนหนึ่งรวมทั้ง ริชาร์ด ไฟน์แมน ได้สร้างทฤษฏีพลศาสตร์ไฟฟ้าควอนตัมขึ้นเมื่อปี ค.ศ. 1949 ทฤษฏีนี้ถูกใช้เพื่อรวมแรงแม่เหล็กไฟฟ้า เข้ากับแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อนซึ่งเป็นหนึ่งในแรงพื้นฐานทั้งสี่ในธรรมชาติ การพัฒนาในครั้งนี้เป็นที่รู้จักกันในชื่อ ทฤษฏีอิเล็กทรอวีก (electroweak theory)

นอกจากนั้นรงคพลศาสตร์ควอนตัมหรือควอนตัมโครโมไดนามิก (Quantum chromodynamics) ซึ่งแตกแขนงออกจากทฤษฏีสนามควอนตัมได้ถูกพัฒนาขึ้นเพื่ออธิบายแรงนิวเคลียร์อย่างเข้มอีกด้วย ในปัจจุบันยังเหลือแรงพื้นฐานธรรมชาติอีกแรงที่เดียวเท่านั้นที่ยังไม่สามารถรวมแรงกับแรงทางควอนตัมได้ ซึ้งก็คือแรงโน้มถ่วม

ขอบคุณแหล่งข้อมูล http://thenoonfail.blogspot.com/2016/06/quantum-theory-field.html