ภายในโปรตอน, 'สิ่งที่ซับซ้อนที่สุดเท่าที่จะจินตนาการได้'
(quantamagazine.org)- โปรตอนในนิวเคลียสของอะตอมเป็นวัตถุเชิงกลควอนตัมที่เผยโครงสร้างภายในแตกต่างกันอย่างสิ้นเชิงตามการตั้งค่าการทดลอง จึงต้องเชื่อมผลการทดลองการกระเจิงจากหลายยุคเข้าด้วยกันเพื่อเข้าใกล้ภาพรวมทั้งหมด
- การทดลอง การกระเจิงไม่ยืดหยุ่นเชิงลึก ของ SLAC ในปี 1967 ให้หลักฐานแรกว่าอิเล็กตรอนชนกับควาร์ก ซึ่งเป็นชิ้นส่วนลักษณะเหมือนจุดภายในโปรตอน และหลังจากนั้นก็มีการทดลองอีกหลายร้อยครั้งที่สำรวจโครงสร้างภายในอย่างละเอียดขึ้นเรื่อย ๆ
- แบบจำลองสามควาร์ก อธิบายประจุ +1 ของโปรตอนได้ แต่ยังอธิบายสปินและมวลได้ไม่เพียงพอ จึงต้องใช้ภาพที่ซับซ้อนกว่าซึ่งมีควาร์ก กลูออน และแอนติควาร์กพันเกี่ยวกัน
- HERA ใช้การชนที่แรงกว่า SLAC ราว 1,000 เท่า และสังเกตทะเลของควาร์กและแอนติควาร์กโมเมนตัมต่ำที่มีโมเมนตัมเพียง 0.005% ของโปรตอน ซึ่งช่วยสนับสนุนคำพยากรณ์ของ QCD
- ผลการวิเคราะห์สแนปช็อตของโปรตอนกว่า 5,000 รายการด้วยการเรียนรู้ของเครื่องในช่วง 50 ปีล่าสุดชี้ว่า charm ควาร์ก ซึ่งหนักกว่าโปรตอนเอง อาจมีอยู่ภายในอย่างต่อเนื่องมากกว่าที่คิด และอาจส่งผลต่อการตีความข้อมูลจาก LHC และนิวตริโนของรังสีคอสมิก
โปรตอนเผยหลายใบหน้าตามการทดลอง
- โปรตอนเป็น อนุภาคประจุบวก ที่อยู่ใจกลางอะตอม แต่คำอธิบายแบบ “ลูกบอลไร้ลักษณะ” ตามคลาสสิก หรือการเป็นเพียงกลุ่มสามควาร์กอย่างง่าย ก็ยังไม่เพียงพอ
- โปรตอนซึ่งเป็นวัตถุเชิงกลควอนตัม ดำรงอยู่ราวกับ หมอกแห่งความน่าจะเป็น จนกว่าการทดลองจะบังคับให้มันแสดงรูปแบบที่เป็นรูปธรรม และรูปลักษณ์ที่สังเกตได้จะแตกต่างกันมากตามเงื่อนไขการทดลอง
- Mike Williams จาก MIT กล่าวว่าโปรตอนคือ “สิ่งที่ซับซ้อนที่สุดเท่าที่จะจินตนาการได้” และ Richard Milner ประเมินว่านักฟิสิกส์เพิ่งเริ่มเข้าใจระบบนี้อย่างครบถ้วนในตอนนี้เอง
- การวิเคราะห์ข้อมูลขนาดใหญ่ ที่เผยแพร่ในเดือนสิงหาคม 2022 พบร่องรอยของ charm ควาร์กภายในโปรตอน ซึ่งมีมวลมากกว่าตัวโปรตอนเอง
SLAC เปิดเบาะแสแรกของภายในโปรตอน
- ในปี 1967 Stanford Linear Accelerator Center หรือ SLAC ได้ทำการกระเจิงไม่ยืดหยุ่นเชิงลึก โดยยิงอิเล็กตรอนด้วยพลังงานสูงเพื่อทำให้โปรตอนแตกออก
- แทนที่อิเล็กตรอนจะสะท้อนกลับเหมือนลูกบิลเลียด มันกลับกระเจิงราวกับชนกับ ควาร์ก ซึ่งเป็นชิ้นส่วนคล้ายจุดภายในโปรตอน
- ผลลัพธ์นี้กลายเป็นหลักฐานแรกว่าควาร์กมีอยู่จริง และการค้นพบที่เกี่ยวข้องก็นำไปสู่รางวัลโนเบลฟิสิกส์ในปี 1990
- หลังจากนั้นนักฟิสิกส์ได้ปรับทั้งความแรงของการยิงอิเล็กตรอนและชนิดของอนุภาคที่เก็บหลังการกระเจิง เพื่ออนุมานแง่มุมต่าง ๆ ของภายในโปรตอน
ยิ่งพลังงานสูง ก็ยิ่งเห็นโครงสร้างที่เล็กลง
- อิเล็กตรอนพลังงานสูงกว่าสามารถมองเข้าไปในโปรตอนด้วยความละเอียดสูงกว่า
- หากวัด พลังงานและวิถี ของอิเล็กตรอนที่กระเจิงออกมา ก็จะบอกได้ว่าอิเล็กตรอนไปชนควาร์กที่ถือครองโมเมนตัมส่วนใหญ่ของโปรตอน หรือชนควาร์กที่มีเพียงส่วนน้อยของโมเมนตัม
- ด้วยการชนซ้ำ ๆ นักวิจัยสามารถตรวจสอบได้ว่าโมเมนตัมของโปรตอนถูกรวมอยู่ในควาร์กไม่กี่ตัว หรือกระจายไปยังองค์ประกอบจำนวนมาก
- ในการชนระดับ SLAC มักได้ผลเหมือนอิเล็กตรอนไปชนควาร์กที่มีโมเมนตัมประมาณหนึ่งในสามของโปรตอนทั้งหมด ซึ่งสอดคล้องกับแบบจำลองสามควาร์กที่ Murray Gell-Mann และ George Zweig เสนอไว้ในปี 1964
พลังอธิบายและข้อจำกัดของแบบจำลองสามควาร์ก
- แบบจำลองควาร์ก ของ Gell-Mann และ Zweig อธิบายโปรตอนว่าประกอบด้วย up ควาร์กสองตัวและ down ควาร์กหนึ่งตัว
- up ควาร์กแต่ละตัวมีประจุ +2/3
- down ควาร์กมีประจุ −1/3
- รวมกันแล้วได้ประจุ +1 ของโปรตอน
- แต่แบบจำลองนี้ล้มเหลวในการอธิบาย สปิน ของโปรตอน
- โปรตอนมีสปิน 1/2
- up ควาร์กและ down ควาร์กเองก็มีสปิน 1/2 เช่นกัน
- ในระยะแรกมีการมองว่า หากนำสปินของ down ควาร์กไปหักจากสปินของ up ควาร์กสองตัว ก็จะได้สปิน 1/2 ของโปรตอน
- แต่ในปี 1988 European Muon Collaboration รายงาน ว่าผลรวมของสปินจากควาร์กมีค่าน้อยกว่า 1/2 มาก
- ข้อจำกัดยังปรากฏในด้านมวลด้วย
- มวลของ up ควาร์กสองตัวและ down ควาร์กหนึ่งตัวรวมกันมีเพียงประมาณ 1% ของมวลโปรตอนทั้งหมด
- โปรตอนจึงมีองค์ประกอบมากกว่าสามควาร์กอย่างง่ายมาก
HERA เผยทะเลของควาร์กและแอนติควาร์ก
- Hadron-Electron Ring Accelerator หรือ HERA ที่เมืองฮัมบูร์ก ประเทศเยอรมนี ดำเนินงานตั้งแต่ปี 1992 ถึง 2007 และทำให้อิเล็กตรอนชนโปรตอนได้แรงกว่า SLAC ราว 1,000 เท่า
- ในการทดลองของ HERA นักวิจัยสามารถคัดเลือกและวิเคราะห์แม้แต่อิเล็กตรอนที่สะท้อนจากควาร์กโมเมนตัมต่ำมาก ซึ่งมีเพียง 0.005% ของโมเมนตัมโปรตอนทั้งหมด
- ผลที่ได้คือการสังเกตโครงสร้างที่เต็มไปด้วยควาร์กโมเมนตัมต่ำและคู่ปฏิสสารของมันคือ แอนติควาร์ก ที่หมุนวนอยู่
- สิ่งนี้ช่วยสนับสนุน ควอนตัมโครโมไดนามิกส์ (QCD) ซึ่งพัฒนาขึ้นในทศวรรษ 1970
- QCD เป็นทฤษฎีควอนตัมที่อธิบายแรงเข้มระหว่างควาร์ก
- ควาร์กถูกยึดเข้าด้วยกันโดยกลูออนซึ่งทำหน้าที่ถ่ายทอดแรง
- ควาร์กและกลูออนมี color charge อยู่สามชนิด แทนด้วย red, green และ blue
- อนุภาคอย่างโปรตอนเกิดจากการรวมสีจนเป็นกลาง หรือ white
QCD กับการชนแรงสูงและข้อจำกัดของการคำนวณ
- ตาม QCD กลูออนสามารถได้รับพลังงานเพิ่มขึ้นชั่วขณะและแตกตัวเป็น คู่ควาร์ก-แอนติควาร์ก ได้
- คู่ดังกล่าวจะมีโมเมนตัมเล็กมากก่อนจะสลายหายไปอีกครั้ง และ HERA ก็ตรวจจับ “ทะเล” ของกลูออน ควาร์ก และแอนติควาร์กชั่วคราวเหล่านี้ได้
- ยิ่ง HERA มองเห็นควาร์กที่โมเมนตัมต่ำลงเท่าไร ก็ยิ่งพบควาร์กประเภทนี้มากขึ้นเท่านั้น ซึ่งบ่งชี้ว่าในการชนพลังงานสูงกว่านี้ โปรตอนอาจดูคล้าย เมฆกลูออน มากขึ้นเรื่อย ๆ
- Milner ประเมินว่าข้อมูลจาก HERA เป็นหลักฐานการทดลองโดยตรงว่า QCD อธิบายธรรมชาติได้จริง
- อย่างไรก็ตาม QCD คำนวณได้ง่ายเฉพาะเมื่อแรงเข้มค่อนข้างอ่อน
- แรงเข้มจะอ่อนลงเมื่อควาร์กอยู่ใกล้กันมาก
- เงื่อนไขนี้ใช้ได้กับคู่ควาร์ก-แอนติควาร์กอายุสั้น
- ในทางกลับกัน ควาร์กอายุยืนสามตัวที่เห็นจากการชนที่นุ่มนวลแบบ SLAC อยู่ห่างกันพอสมควร ทำให้คำนวณได้ยากมาก
- Frank Wilczek, David Gross และ David Politzer อธิบายคุณสมบัตินี้ของ QCD ได้ในปี 1973 และได้รับรางวัลโนเบล 31 ปีต่อมา
ภาพใหม่ของโปรตอนที่ charm ควาร์กเพิ่มเข้ามา
- ทีมวิจัยที่นำโดย Juan Rojo วิเคราะห์สแนปช็อตของโปรตอน มากกว่า 5,000 รายการ ที่เก็บสะสมมาตลอด 50 ปีที่ผ่านมา
- การวิเคราะห์นี้ใช้การเรียนรู้ของเครื่องเพื่ออนุมานการเคลื่อนไหวของควาร์กและกลูออนภายในโปรตอน โดยหลีกเลี่ยงการยึดกับข้อสมมุติทางทฤษฎีมากเกินไป
- ในการชนที่ค่อนข้างอ่อน โมเมนตัมส่วนใหญ่ยังคงถูกรวมอยู่ในสามควาร์กที่คุ้นเคย คือ up ควาร์กสองตัวและ down ควาร์กหนึ่งตัว
- แต่มีโมเมนตัมปริมาณเล็กน้อยที่ดูเหมือนมาจาก charm ควาร์ก และ charm antiquark
- charm ควาร์กและ charm antiquark ต่างก็เป็นอนุภาคพื้นฐานที่มีมวลมากกว่าโปรตอนทั้งหมดมากกว่าหนึ่งในสาม
- หากมีกำลังงานเพียงพอ กลูออนสามารถแตกเป็นควาร์กชนิดใดก็ได้จากทั้งหมดหกชนิด ดังนั้น charm ที่มีอายุสั้นจึงมักปรากฏในภาพของ “ทะเลควาร์ก”
- ผลลัพธ์ของทีม Rojo บ่งชี้ว่า charm อาจมีการปรากฏตัวอย่างต่อเนื่องมากกว่านั้น
- ในการชนแบบนุ่มนวล อิเล็กตรอนมักพบกับควาร์กเบาสามตัว
- แต่บางครั้งก็อาจพบสถานะ โมเลกุลห้าควาร์ก ที่พบได้ยาก เช่น มี up, down, charm ควาร์กอยู่ฝั่งหนึ่ง และมี up ควาร์กกับ charm antiquark อยู่อีกฝั่งหนึ่ง
ค่าตั้งต้นที่จำเป็นต่อการตีความ LHC และการสังเกตรังสีคอสมิก
- องค์ประกอบภายในระดับจุลภาคของโปรตอนอาจส่งผลต่อการตีความการค้นหาอนุภาคพื้นฐานใหม่ใน Large Hadron Collider
- ใน LHC มีการชนโปรตอนความเร็วสูงเข้าหากันแล้วสังเกตว่าเกิดอะไรขึ้น ดังนั้นจึงจำเป็นต้องรู้ว่าในโปรตอนมีอะไรอยู่ก่อนชน
- หาก charm ควาร์กขนาดใหญ่ปรากฏขึ้นเป็นครั้งคราว การคำนวณความน่าจะเป็นในการสร้างอนุภาคที่แปลกใหม่ยิ่งกว่าเดิมอาจ คลาดเคลื่อนได้
- เมื่อโปรตอนจากรังสีคอสมิกชนกับโปรตอนในชั้นบรรยากาศโลก หาก charm ควาร์กปรากฏขึ้นในจังหวะที่เหมาะสม ก็อาจสร้างนิวตริโนพลังงานสูงเพิ่มเติมได้
- นักวิจัยคำนวณไว้ในปี 2021 ว่าปรากฏการณ์นี้อาจทำให้มี นิวตริโนพลังงานสูงยิ่งกว่าเดิม หลั่งไหลมาถึงโลก
- สิ่งนี้อาจทำให้ผู้สังเกตการณ์ที่กำลังค้นหานิวตริโนพลังงานสูงจากอวกาศสับสนได้
การทดลองถัดไปมุ่งสู่โครงสร้าง 3D และแผนที่สปิน
- ทีมวิจัยร่วมของ Rojo วางแผนสำรวจโปรตอนต่อไปด้วยการค้นหา ความไม่สมดุล ระหว่าง charm ควาร์กกับ charm antiquark
- องค์ประกอบที่หนักกว่านี้ เช่น top ควาร์ก ก็อาจปรากฏได้เช่นกัน แต่จะพบได้น้อยกว่ามากและตรวจจับได้ยากกว่าเดิม
- นักฟิสิกส์ที่ Brookhaven National Laboratory ตั้งเป้าจะเปิดใช้งาน Electron-Ion Collider ในทศวรรษ 2030 เพื่อให้ได้สแนปช็อตโปรตอนความละเอียดสูงหลังยุค HERA
- EIC อาจทำให้การสร้างภาพ 3D ของโปรตอนเป็นจริงได้เป็นครั้งแรก
- นอกจากนี้ยังมีแผนใช้ลำอิเล็กตรอนที่หมุนโพลาไรซ์เพื่อสร้าง แผนที่สปิน ของควาร์กและกลูออนภายใน
- ซึ่งสอดคล้องกับสิ่งที่ SLAC และ HERA เคยทำในการทำแผนที่โมเมนตัม
- สิ่งนี้อาจช่วยตีวงแคบลงว่าต้นกำเนิดของสปินโปรตอนมาจากไหน และช่วยตอบคำถามพื้นฐานเกี่ยวกับอนุภาคที่เป็นองค์ประกอบส่วนใหญ่ของโลกในชีวิตประจำวัน
1 ความคิดเห็น
ความคิดเห็นบน Hacker News
หลังอ่านบทความจบ ผมก็เกิดความคิดที่ดูโง่ ๆ ขึ้นมาเล็กน้อย อิเล็กตรอนเป็นอนุภาคมูลฐาน จึง “เรียบง่าย” เมื่อเทียบกับโปรตอน แต่อิเล็กตรอนมีประจุ -e และโปรตอนมีประจุ +e ทำให้ประจุเสริมกันอย่างพอดีเป๊ะ
ถ้าโปรตอนเป็นสิ่งที่ซับซ้อนขนาดนั้น ก็สงสัยว่ามีกฎอะไรที่ทำให้มันมีประจุตรงข้ามกับอิเล็กตรอนอย่างพอดี ทำไมจึงเป็น +e พอดี ไม่ใช่ +1.8e, +3e หรือ 0.1666e และยังสงสัยด้วยว่าคำถามนี้ตั้งขึ้นได้จริงหรือไม่
โพซิตรอนเป็นปฏิอนุภาคของอิเล็กตรอน จึงเข้าใจได้ว่ามี +e แต่โปรตอนทั้งที่เป็นการพัวพันซับซ้อนของอนุภาคมูลฐานหลายตัว กลับได้ +e พอดี นี่แปลกมาก
หากเชื่อเรื่องการกักควาร์ก ซึ่งได้รับการสนับสนุนอย่างแข็งแรงมากทั้งทางการคำนวณ ทฤษฎี และการทดลอง การที่ประจุของโปรตอนเป็น +1 พอดีก็จะตามมาอย่างเป็นธรรมชาติ
ไม่อย่างใดก็อย่างหนึ่ง คือมีเอกภพอยู่อนันต์และเราอยู่ในเอกภพที่เหมาะพอดี หรือมีเอกภพเพียงหนึ่งเดียวและบังเอิญว่ามันพอดี ซึ่งไม่ว่าจะทางไหนก็ถือว่าโชคดีมากทีเดียว
https://youtu.be/YmOVoIpaPrc
สิ่งเหล่านี้จับกลุ่มกันจนกว่าจะเสถียรพอ และเมื่อมีรูปแบบที่เสถียรอยู่จริงและมีจำนวนมากพอ ท้ายที่สุดก็จะเกิดรูปแบบเสถียรขึ้นจำนวนมาก ไม่ใช่การปรับสมดุลแบบเวทมนตร์ แต่ใกล้เคียงกับกระบวนการตกลงสู่สถานะเสถียรมากกว่า และทุกวันนี้ก็ยังมีสสารที่ไม่เสถียรอยู่มากมาย
มันเกี่ยวข้องกับสมมาตร C ในฐานะสมมาตรไม่ต่อเนื่อง และมีแง่มุมที่เชื่อมโยงกับความไม่แปรเปลี่ยนแบบลอเรนซ์ด้วย
แต่ในความหมายหนึ่ง มันก็ “ต้องเป็นแบบนั้น” เพราะถ้าไม่มีสมดุลของประจุ อะตอมอย่างที่เรารู้จักจะไม่มีอยู่ และเคมีที่สร้างโลกมหภาคที่เราอาศัยอยู่ก็จะไม่มีอยู่ด้วย
ผมไม่สงสัยเลยว่านักฟิสิกส์ควอนตัมรู้ว่าตัวเองกำลังพูดอะไร แต่เมื่อเห็นประโยคอย่าง “หน้าตามันเปลี่ยนไปตามวิธีที่ใช้ตรวจวัด”, “เราไม่อาจแม้แต่จะจินตนาการได้ว่ามันซับซ้อนแค่ไหน”, “มีร่องรอยของชาร์มควาร์กที่หนักกว่าตัวโปรตอนเอง” ก็รู้สึกเหมือนข้ออ้างของนักเรียนที่คำนวณผิดแล้วพยายามแก้ตัวกับครู
บางทีถ้าเรามองเข้าไปยังสิ่งที่อยู่นอกกาลอวกาศได้ อาจมีโครงสร้างยิ่งยวดที่ซ่อนอยู่ซึ่งเข้าถึงได้ แต่ก่อนถึงตอนนั้น สิ่งที่เรามีอยู่ในปัจจุบันนอกจากการคาดเดาก็คือการลดทอนลงสู่กาลอวกาศเท่านั้น
(https://en.m.wikipedia.org/wiki/Amplituhedron)
ขณะเดียวกันแต่ละคนก็สมมติว่ามุมมองของตัวเองถูกต้องและทุกคนเห็นด้วย แทนที่จะมีฉันทามติกลับมีนิกายต่าง ๆ แตกแขนงต่อไปเรื่อย ๆ แต่ก็แทนที่ฝ่ายข้างมากไม่ได้ มีออร์ทอดอกซ์อย่างการตีความแบบโคเปนเฮเกน และมีท่าทีขับไล่คนที่ล้ำเส้นอย่าง Everett ซึ่งดูใกล้ศาสนามากกว่าวิทยาศาสตร์
อีกอาการหนึ่งคือการให้คนพูดและทำสิ่งที่เห็นได้ชัดว่าไม่สมเหตุสมผล เพื่อพิสูจน์ความอุทิศตน ในศาสนาคริสต์ก็มีตรีเอกภาพ ส่วนในกลศาสตร์ควอนตัม ความเป็นทวิภาวะคลื่น-อนุภาคทำหน้าที่เช่นนั้น อนุภาคจุดที่มีความยาวคลื่นเป็นกิโลเมตรเป็นเรื่องไม่สมเหตุสมผล แต่เรากลับถูกบอกให้เชื่อว่าคลื่นวิทยุประกอบด้วยโฟตอน
เมื่อหลักฐานยังไม่พอที่จะทำให้ทุกคนเข้าแถวเดียวกันได้ การที่เหตุผลดีที่สุดของแต่ละเผ่ากลายเป็น “หัวหน้าเผ่าของเราพูดไว้อย่างนั้น” คือภาพที่เผยให้เห็นความคิดแบบเวทมนตร์และความเป็นศาสนาของมนุษย์
เวลาอ่านบทความแบบนี้ ผมรู้สึกเหมือนเอาค้อนทุบแอปเปิล แล้วค่อย ๆ ทุบแรงขึ้นเรื่อย ๆ จากนั้นก็สรุปว่าแอปเปิลแบนและเละ ถ้าทุบแรงกว่านั้น อาจบอกว่าแอปเปิลบางเหมือนกระดาษและร้อนก็ได้
ผมสงสัยว่าเรารู้ได้อย่างไรว่าอนุภาคบางส่วนที่เกิดจาก การทดลองชนกัน แบบนี้ ไม่ได้เป็นสิ่งที่อยู่ในเป้าหมายที่ถูกชน แต่ก็ไม่ใช่สิ่งที่กระเด็นออกมาจากพื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาล
นักวิจัยคงพิจารณาเรื่องนี้แล้วแน่นอน และน่าจะมีคำอธิบายที่ดีด้วย แต่ผมจะเข้าใจได้หรือไม่นั้นเป็นอีกเรื่อง
อีกเรื่องที่ประหลาดคืออนุภาคเสมือนที่โผล่ออกมาได้แม้ไม่มีพลังงาน ในแง่ที่มันเป็นการปรากฏของสนามควอนตัมเดียวกับอนุภาคพลังงานจริง เช่น สนามชาร์มควาร์ก จึงคล้ายกัน แต่ต่างกันตรงที่มันไม่พาพลังงานไปด้วย จึงอยู่ได้นานไม่ได้
โลกนี้ประหลาดมาก แต่คณิตศาสตร์ใช้ได้ โปรตอนใกล้เคียงกับก้อนพลังงานเดือดพล่าน ที่สนามควอนตัมของอัปควาร์กและดาวน์ควาร์กถูกแรงนิวเคลียร์อย่างเข้มเชิงสีที่ซับซ้อน “ยึด” กันไว้ให้อยู่ในที่เดียวกัน ข้างในมีพลังงานมากเกินไปที่อยากหนีออกมาแต่หนีไม่ได้ จึงมีบางสิ่งเกิดขึ้นและหายไปอยู่ตลอด
เริ่มเหนื่อยกับถ้อยคำทำนองว่า “โปรตอนเป็นวัตถุเชิงกลศาสตร์ควอนตัมที่ดำรงอยู่เป็นหมอกแห่งความน่าจะเป็น จนกว่าการทดลองจะทำให้มันมีรูปแบบเฉพาะ”
ผมยอมรับ 100% ว่า กลศาสตร์ควอนตัม เป็นเครื่องมือที่มีประโยชน์สำหรับสร้างแบบจำลองความเข้าใจปัจจุบันที่อิงจากการสังเกตซึ่งละเอียดขึ้นเรื่อย ๆ แต่โดยพื้นฐานแล้ว ผมเชื่อได้ยากว่าโปรตอนคือซุปพลังงานที่แปรสภาพไปมา ซึ่งยังไม่ก่อตัวจนกว่าจะมีใครมาคิดถึงมัน
เว้นเสียแต่ว่าความเป็นจริงคือซิมูเลชันที่คำนวณแบบประมาณ ๆ และทุ่มทรัพยากรคำนวณราคาแพงเฉพาะส่วนที่ถูกสังเกต และผมก็เบื่อสมมติฐานซิมูเลชันแล้วเหมือนกัน
ในความเป็นจริง ผมสงสัยว่าอาจเป็นเพราะเราสังเกตได้ไม่ดีพอ หรือเราไม่ได้อยู่ในมิติมากพอที่จะเข้าใจสิ่งที่เราสังเกต ทำให้หน้าตัดที่เราตรึงไว้ได้ดูเหมือนเป็นส่วนหนึ่งของระบบความน่าจะเป็น ถึงอย่างนั้น ผมก็ยังเดิมพันอยู่ว่าทั้งหมดนี้อาจเป็นเกมแห่งชีวิตขนาดยักษ์
ถ้านึกถึงการทดลองเชิงสถิติในโลกจริงอย่างเข็มของ Buffon ก็แปลว่าต้องมีบางสิ่งที่ “เป็นสถิติ” อย่างมากฝังอยู่ในความเป็นจริงเอง กลศาสตร์ควอนตัมผลักเรื่องนี้ไปไกลมาก จึงอาจดูซับซ้อนได้
เมื่ออนุภาคถูกผูกกับวัตถุระดับมหภาค มันจะคมชัดขึ้น และผลก็คือสามารถทำให้อนุภาคพื้นฐานอื่นที่มัน “วัด” คมชัดขึ้นได้ด้วย ในทางกลับกัน ถ้ามีปฏิสัมพันธ์กับส่วนที่พร่าเลือนกว่าของวัตถุระดับมหภาค เช่น ขอบของช่องสลิต อนุภาคก็อาจพร่าเลือนและมีลักษณะเป็นคลื่นมากขึ้น
ดังนั้นโปรตอนจึงเป็นซุปที่แปรสภาพไปมาจริง ๆ และไม่ได้เป็นอย่างอื่น ถ้าทุบมันแรงพอ มันจะถูกรบกวนให้เข้าสู่สถานะที่คมชัดขึ้นเล็กน้อยชั่วขณะและบอกอะไรบางอย่างแก่เรา แต่เพราะปฏิสัมพันธ์จุลภาคที่วุ่นวายภายใน มันก็กลับไปเป็นซุปแทบจะทันที
สสารดูคมชัดเฉพาะในระดับมหภาคเท่านั้น แต่ในระดับอนุภาคมันพร่าเลือนอยู่เสมอ เพียงแต่คณิตศาสตร์ที่อธิบายการแลกเปลี่ยนพลังงานและโมเมนตัมระหว่าง “คลื่น” พร่าเลือน ดูเหมือนลูกบอลเล็ก ๆ กระเด้งชนกัน จึงยากที่จะเลิกใช้แนวคิดลูกบอลเล็ก ๆ ผมมองว่านี่เป็นเรื่องบังเอิญที่เกิดจากแรงทุกชนิดมีสมมาตรทรงกลมอยู่บ้าง
ในที่นี้ “หมอกแห่งความน่าจะเป็น” หมายความว่า เพื่อสร้างคำทำนายของการทดลอง ต้องคำนวณการจัดวางที่เป็นไปได้ทั้งหมดของกลูออนและควาร์กภายในโปรตอนซ้ำ ๆ
ปริมาณการคำนวณนั้นเกินจริงมาก แต่ในเชิงแนวคิด ไม่ได้ดีกว่าหรือแย่กว่าการบอกว่าอนุภาคเป็นลูกบิลเลียดที่เคลื่อนที่ตามสมการของนิวตัน เพียงแต่เราคุ้นกับแบบหลังมากกว่า และถ้าได้ทำงานกับอะไรอย่าง lattice QCD ก็จะคุ้นเคยอย่างเต็มที่เช่นกันว่าแบบแรกคือกฎฟิสิกส์พื้นฐานที่ “จริง”
ภาพว่า “โปรตอนเป็นซุปพลังงานควอนตัมที่แปรสภาพไปมา ซึ่งยังไม่ก่อตัวจนกว่าจะมีใครมาคิดถึงมัน” เป็นคำอธิบายที่พบได้บ่อยในวิทยาศาสตร์ยอดนิยม แต่คงจริงตามตัวอักษรไม่ได้ กลศาสตร์ควอนตัมมีอยู่และทำงานได้ดีตั้งแต่ก่อนจะมีผู้สังเกตและผู้คิดเสียอีก
อาจารย์คนหนึ่งมักพูดว่า โปรตอนคือถังขยะ
ดังนั้นเครื่องชนฮาดรอนอย่าง LHC จึงต้องเดินเครื่องด้วยลูมิโนซิตีสูงมาก หรือก็คืออัตราการชนสูงมาก ต่อให้ชนโปรตอนสองตัว ส่วนที่มีปฏิสัมพันธ์กันจริง ๆ ส่วนใหญ่ก็มีพลังงานเพียงเศษเล็ก ๆ ของพลังงานทั้งหมด จึงมักไม่ได้ฟิสิกส์พลังงานสูงที่น่าสนใจซึ่งอยากใช้เป็นโพรบ
สำหรับประโยคที่ว่า “ที่จริงแล้วซับซ้อนแค่ไหนนั้นจินตนาการไม่ออกด้วยซ้ำ” อาจมีใครบางคนจินตนาการได้ก็ได้ ถ้าไม่อย่างนั้น ความซับซ้อนทั้งหมดนั้นคงสร้างบั๊กจำนวนมหาศาลและทำให้จักรวาลแครชไปแล้ว
คำถามจริง ๆ คือเรารันอยู่บน bare metal, virtual machine หรือ container กันแน่
ภาพพาดหัวดูเหมาะเอาไปใช้เป็นวอลเปเปอร์ ลิงก์ขนาดเต็มคือ https://d2r55xnwy6nx47.cloudfront.net/uploads/2022/10/PROTON...
ชอบประโยคที่ว่า “โปรตอนเป็นวัตถุเชิงควอนตัมกลศาสตร์ที่ดำรงอยู่เป็นหมอกแห่งความน่าจะเป็น จนกว่าการทดลองจะทำให้มันมีรูปแบบที่เป็นรูปธรรม”
แรงโน้มถ่วง อาจเป็นผลที่เกิดจากมวลในรูปแบบที่ไม่แน่นอนได้ไหม? คล้ายสุญญากาศชนิดหนึ่งภายในปริภูมิ-เวลา?
แม้จะเป็นโปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอนชุดเดียวกัน ถ้าเปลี่ยนความเร็วหรือการจัดเรียง แรงโน้มถ่วงก็จะมากขึ้นได้ ประเด็นสำคัญไม่ใช่มวลแบบง่าย ๆ แต่คือ เทนเซอร์ความเค้น-พลังงาน
หากจะดูว่า “แรงโน้มถ่วงอาจเป็นผลของมวลในรูปแบบที่ไม่แน่นอนได้ไหม” นั้นไม่จริง ก็เปรียบเทียบดาวฤกษ์และหลุมดำกับควาร์กได้ พื้นที่ระหว่างควาร์กทำตัวเหมือนควาร์กที่ใหญ่กว่าหรือเล็กกว่าต่างกันไป ตามการจัดเรียงชั่วขณะของควาร์กจริง ๆ
ถ้านำแนวคิดเดียวกันไปใช้กับดาวฤกษ์ขนาดใหญ่มาก ดาวดวงนั้นก็ควรทำตัวบางครั้งเหมือนหลุมดำ บางครั้งเหมือนซูเปอร์โนวา บางครั้งเหมือนดาวฤกษ์ ตามตำแหน่งและสถานะ หรืออาจรวมถึงการเปลี่ยนแปลงโดยธรรมชาติของมันเอง โดยเฉพาะถ้ามันอยู่ไกลมากจนเห็นเหมือนจุดเดียว ก็อาจคาดหวังว่ามันจะทำตัวเหมือนหลุมดำ แต่ในความเป็นจริงไม่เป็นเช่นนั้น
ดาวฤกษ์ดูเหมือนดาวฤกษ์ไม่ว่าจะอยู่ไกลแค่ไหน ถ้าความจริงเป็นแบบนั้น กาแล็กซีใกล้ ๆ ก็ควรมีสสารมืดแทบไม่มี ส่วนกาแล็กซีไกล ๆ ควรมีสสารมืดมากและมีขนาดเล็กมาก แต่ในความเป็นจริง กาแล็กซีและสสารมืดโดยรวมคล้ายกันไม่ว่าจะอยู่ไกลแค่ไหน
อย่างไรก็ดี คำถามเองค่อนข้างไม่ชัดเจน นี่เป็นการฝืนใส่มันลงในกรอบที่ให้คำตอบน่าสนใจเพื่อความสนุก และไม่ได้คิดว่าตอบสิ่งที่เดิมทีอยากถามได้มากนัก
จักรวาลอาจซับซ้อนได้อย่างไร้ขีดจำกัดหรือไม่? พูดอีกอย่างคือเหมือน เต่าซ้อนเต่าไม่รู้จบ
แนวคิดเรื่องทวิภาวะและการจำลองซ้ำในฟิสิกส์น่าสนใจมาก ดูเหมือนทุกสิ่งมีสิ่งตรงข้าม และเมื่อสิ่งตรงข้ามเหล่านั้นมาพบกันก็จะก่อเป็นหน่วยที่ใหญ่ขึ้น และหน่วยนั้นเองก็มีสิ่งตรงข้ามอีกครั้ง
https://www.youtube.com/watch?v=ycvlJ9XMd94&ab_channel=cakta...
อาจมีบางสิ่งที่ตามนิยามแล้วไม่สามารถคลี่คลายต่อไปได้อีก และเราจะชนกับมันอยู่เสมอ ในฟิสิกส์จะมีอะไรแบบทฤษฎีบทความไม่สมบูรณ์ของ Gödel ไหม?
ความซับซ้อนของฟิสิกส์พื้นฐาน ถูกประเมินสูงเกินไปมาก มันเพียงแต่ไม่เป็นไปตามสัญชาตญาณเท่านั้น แม้แต่เซลล์ที่เรียบง่ายที่สุดก็ยังซับซ้อนกว่าโปรตอนอยู่หลายลำดับขั้น