แสดงบทความที่มีป้ายกำกับ quantum mechanics แสดงบทความทั้งหมด
แสดงบทความที่มีป้ายกำกับ quantum mechanics แสดงบทความทั้งหมด

21 กรกฎาคม 2554

Quantum Biology - ชีววิทยาควอนตัม (ตอนที่ 3)



กลศาสตร์ควอนตัม เป็นศาสตร์ประหลาดที่เริ่มพัฒนาขึ้นเมื่อร้อยปีที่แล้ว เนื้อหาบางส่วนที่แปลกพิกลถึงกับทำให้นักวิทยาศาสตร์เอกอย่างไอน์สไตน์แทบจะไม่เชื่อ ถึงกับพูดออกมาว่า "พระเจ้าท่านไม่ทอดลูกเต๋า" ... น่าเสียดาย หากไอน์สไตน์ได้ศึกษาพระไตรปิฎกในพุทธศาสนาสักนิด เขาอาจจะไขความลับความประหลาดของทฤษฎีควอนตัมได้ เพราะหลักธรรมคำสอนของพระพุทธองค์ในเรื่องของการเกิด-ดับ ของสิ่งต่างๆ รวมไปถึงความว่างเปล่าไม่มีตัวตนของสรรพสิ่ง เป็นเรื่องปกติในศาสนาพุทธและทฤษฎีควอนตัม แต่เป็นเรื่องที่หลักปรัชญาในศาสนาอื่นๆ คาดไม่ถึง ...

เมื่อไม่นานมานี้เอง นักวิทยาศาสตร์เริ่มค้นพบหลักฐานใหม่ๆ ที่ว่า สิ่งมีชีวิตทั้งหลายได้หยิบยืมศาสตร์แห่งควอนตัมไปใช้ประโยชน์ ซึ่งเป็นเรื่องที่นักวิทยาศาสตร์รุ่นเก่าๆ ที่ค้นพบกลศาสตร์ควอนตัมแทบจะไม่คาดคิดมาก่อน ดูเหมือนธรรมชาติจะหยั่งรู้ความสามารถพิเศษของกลศาสตร์ควอนตัม และนำไปประยุกต์ใช้นานแล้ว ไม่ว่าจะเป็นการสังเคราะห์แสงของพืช (ซึ่งมีประสิทธิภาพสูงมากเสียจนยังไม่มีเทคโนโลยีไหนของมนุษย์มาเทียบเคียงได้เลย) การมองเห็นของสัตว์ การเปลี่ยนพลังงานเคมีให้เป็นพลังงานกลเพื่อใช้ในการเคลื่อนไหว ระบบนำทางด้วยแม่เหล็ก ทั้งนี้ยังไม่นับรวมปรากฏการณ์อื่นๆ ที่อาจจะใช้หลักการควอนตัม เช่น การประมวลผลในสมอง และอาจจะไปถึงเรื่องของจิตเสียด้วยซ้ำ

เรื่องหนึ่งที่นักวิทยาศาสตร์ให้ความสนใจค่อนข้างมาก คือระบบนำทางโดยอาศัยสนามแม่เหล็ก ซึ่งทำให้สัตว์หลายๆ ชนิด เช่น ผึ้ง จระเข้ วัว กวาง กุ้งล็อปสเตอร์ นกหลายๆชนิด หรือแม้กระทั่งมนุษย์เอง สามารถรู้ทิศทาง ตำแหน่ง และความสูง โดยอาศัยประสาทสัมผัสทางด้านสนามแม่เหล็ก

หลักฐานหลายๆ ชิ้นบ่งชี้ว่าในดวงตาของสัตว์เหล่านี้ เช่น นก จะมีเซลล์รับแสงซึ่งประกอบด้วยโปรตีนที่มีชื่อว่า คริปโตโครม (Cryptochrome) ซึ่งเมื่อมันได้รับแสง จะทำให้อิเล็กตรอนคู่หนึ่งถูกกระตุ้นไปอยู่ในสภาวะเร้า (Excited State) เนื่องจากอิเล็กตรอนที่เข้าคู่กันอยู่นี้ อยู่ในสภาวะที่เป็น "เนื้อคู่" กัน (Quantum Entanglement) กล่าวคือ หากมันแยกจากกันไป ไม่ว่าอยู่ห่างไกลกันเพียงใดก็ตาม หากอิเล็กตรอนตัวใดตัวหนึ่งถูกกระทบให้เปลี่ยนสถานะการหมุน (Spin) อิเล็กตรอนอีกตัวที่เป็นคู่กันจะสามารถรับรู้ได้ แล้วจะเปลี่ยนการหมุนตามโดยทันที

ดังนั้นเมื่ออิเล็กตรอนถูกเร้าให้แยกจากกันด้วยแสง อิเล็กตรอนตัวหนึ่งจะออกไปห่างจากโมเลกุลมากขึ้น ทำให้มันสามารถรับรู้ถึงสนามแม่เหล็กได้ และเมื่อนกบินเปลี่ยนทิศทางไป อิเล็กตรอนนี้จะรับรู้การเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็ก ซึ่งจะมีผลทำให้คู่ของมันที่ยังติดอยู่ในโมเลกุลโปรตีนคริปโตโครมนั้น รับรู้สนามแม่เหล็กด้วยเช่นกัน การเปลี่ยนสปินของอิเล็กตรอนที่ยังติดอยู่ในโมเลกุล จะทำให้การเกิดปฏิกริยาเคมีเปลี่ยนแปลงไป เช่น อาจมีอัตราการเกิดปฏิกริยาไม่เหมือนเดิม ซึ่งก็มีผลต่อการสร้างภาพในลูกตาของสัตว์ ซึ่งสัตว์ก็จะมองเห็นเป็นภาพที่เปลี่ยนแปลงไป เช่น อาจมีจุดขึ้นในภาพที่บอกว่าตรงไหนเป็นทิศเหนือ หรืออาจมองเห็นเป็นเส้นคล้ายเข็มทิศก็ได้ ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ก็ยังไม่แน่ใจในรายละเอียดตรงนี้ คงต้องรอการศึกษาวิจัยต่อไปครับ

ในกรณีของมนุษย์เรา นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าก็น่าจะมีสัมผัสด้านสนามแม่เหล็กในดวงตาเช่นกัน เพราะในดวงตาของมนุษย์ก็มีโปรตีนชนิดนี้เช่นกัน แต่พวกเราอาจจะลืมวิธีใช้เข็มทิศแม่เหล็กในดวงตาของเราไปนานแล้ว ......

05 กรกฎาคม 2554

Quantum Biology - ชีววิทยาควอนตัม (ตอนที่ 2)


ถึงแม้ผมจะทำงานวิจัยค่อนไปทางแนววิศวกรรม ไม่ว่าจะเป็นโครงการไร่องุ่นอัจฉริยะ (Smart Vineyard) โครงการเทคโนโลยีระบบตรวจวัดสุขภาพอัจฉริยะ (Smart Healthcare) จมูกอิเล็กทรอนิกส์ (Electronic Nose) วิศวกรรมอารมณ์ (Affective Engineering) แต่โดยพื้นฐานการศึกษาของผมเองนั้น จริงๆ แล้วผมจบมาทางด้านกลศาสตร์ควอนตัม (Quantum Mechanics) ครับ

กลศาสตร์ควอนตัมเป็นทฤษฎีประหลาดที่ขัดกับสามัญสำนึกในหลายๆ ด้าน อย่างเช่น แสงเป็นได้ทั้งคลื่นและอนุภาคในเวลาเดียวกัน วัตถุสามารถที่จะหายตัวข้ามสิ่งกีดขวางไปโผล่ฝั่งตรงข้ามได้ หรือแม้แต่ การที่อนุภาคหนึ่งจะสามารถมีที่อยู่พร้อมๆ กันได้หลายๆ ที่ในเวลาเดียวกัน และที่น่าประหลาดที่สุดก็คือ เราไม่สามารถใช้กระบวนการทางวิทยาศาสตร์เพื่อทำการวัด หรือหาความจริงในระบบควอนตัมได้ เพราะการเข้าไปสังเกตหรือทำการวัด จะทำให้ระบบถูกกระทบกระเทือน และเกิดการเปลี่ยนแปลงไป จนทำให้เราไม่อาจรู้ว่า แท้ที่จริงแล้ว ระบบเป็นอย่างไร เหมือนกับว่า มันไม่ยอมให้เรารู้ ถ้าเราอยากรู้มันจะแกล้งเรา (ทั้งนี้ เพราะนักวิทยาศาสตร์ชาติตะวันตกไม่ทราบว่า ยังมีอีกวิธีการหนึ่งในการเข้าหาความจริง โดยที่ไม่ต้องไปกระทบกระเทือนระบบ วิธีการนี้เรียกว่า "กระบวนการตรัสรู้" ซึ่งเป็นกระบวนการหยั่งรู้ความจริงโดยพระสัมมาสัมพุทธเจ้า ทุกๆ พระองค์)

ที่ผู้คนรู้สึกว่ากลศาสตร์ควอนตัมประหลาด ขัดกับสามัญสำนึก ก็เพราะว่าส่วนใหญ่แล้ว กลศาสตร์ควอนตัมจะทำงานอย่างชัดเจนในระดับที่เล็กมากๆ หรือที่เราเรียกว่าระดับจุลภาค ทำให้เราไม่ค่อยรู้สึกว่ามันได้ถูกใช้งานเท่าไร แต่จริงๆแล้วอย่างนี้คิดผิดครับ เพราะว่า เทคโนโลยีแห่งความสุขสบายทุกวันนี้ล้วนมาจากหลักการของกลศาสตร์ควอนตัมครับ ไม่ว่าจะเป็น เตาไมโครเวฟ GPS การสื่อสารไร้สาย จอภาพแบบ OLED เครื่องใช้อิเล็กทรอนิกส์ทุกชนิด โดยที่เราไม่รู้ตัว ทั้งนี้เพราะโดยมากหลักการของกลศาสตร์ควอนตัม มักจะยุ่งอยู่กับอะตอมและโมเลกุล ทำให้เรารู้สึกว่ามันเป็นเรื่องที่สัมผัสไม่ได้

ที่ผ่านมา เราคิดว่าเราเป็นผู้ค้นพบหลักการของกลศาสตร์ควอนตัม และนำมาใช้งานเป็นเทคโนโลยีด้านต่างๆ แต่ไม่นานมานี้ นักวิทยาศาสตร์เริ่มพบหลักฐานใหม่ๆ ว่าธรรมชาติได้นำหลักการอันเป็นความลับของกลศาสตร์ควอนตัม มาใช้งานในหลายๆ ด้าน ด้วย ไม่ว่าจะเป็นเรื่องของการสังเคราะห์แสง โรงงานผลิตพลังงานในร่างกายของสิ่งมีชีวิต ระบบนำทางของนกพิราบ ไปจนกระทั่งความคิดในสมอง ผมจะทยอยนำมาเล่าให้ฟังนะครับ .... แถมในขณะนี้ได้มีความพยายามในการเชื่อมโยงกลศาสตร์ควอนตัมกับมิติลี้ลับที่ยังอธิบายไม่ได้ด้วยวิทยาศาสตร์ .... คอยติดตามเรื่องราวเหล่านี้ในบทความซีรีย์นี้ครับ ....

18 มิถุนายน 2554

Quantum Biology - ชีววิทยาควอนตัม (ตอนที่ 1)


ท่านผู้อ่านหลายๆ ท่านอาจจะพอได้ยินหรืออาจจะรู้จักศาสตร์ที่มีชื่อว่า กลศาสตร์ควอนตัม หรือ ฟิสิกส์ควอนตัม ซึ่งเป็นศาสตร์ที่ใช้อธิบายปรากฏการณ์หรือสิ่งของเล็กๆ อย่างอะตอมหรืออิเล็กตรอน ซึ่งศาสตร์นี้ในที่สุดก็นำมาอธิบายความเป็นอยู่ของโมเลกุลในรูปแบบที่เรียกว่า เคมีควอนตัม ปัจจุบันฟิสิกส์ควอนตัมมีอายุร้อยกว่าปีแล้ว ส่วนเคมีควอนตัมก็เกิดขึ้นมาแล้วกว่า 70 ปี แต่ศาสตร์ที่ผมกำลังจะพูดถึงในวันนี้ ซึ่งก็คือชีววิทยาควอนตัมนั้น เป็นศาสตร์ใหม่ที่เพิ่งเกิดขึ้นมาไม่กี่ปีนี้เองครับ โดยศาสตร์นี่แหล่ะครับ อีกหน่อยจะนำไปสู่การอธิบายปรากฏการณ์แปลกประหลาดต่างๆ ที่ยังเป็นความลับหลายๆ อย่าง รวมไปถึงในอนาคต มันอาจจะสามารถอธิบายปรากฏการณ์เหนือธรรมชาติ เช่น ฤทธิ์เดชต่างๆ หรือที่พุทธศาสนาเราเรียกว่า อภิญญา ก็ได้ครับ

ทฤษฎีควอนตัมเป็นทฤษฎีประหลาดที่ค้านกับสามัญสำนึก หรือ common sense ของเรา เช่น การที่มันบอกว่าแสงเป็นได้ทั้งคลื่นและอนุภาคในเวลาเดียวกัน ถ้าเราต้องการตรวจวัดมันแบบคลื่น มันก็จะให้ผลว่ามันเป็นคลื่น ในขณะเดียวกัน ถ้าเราเปลี่ยนวิธีการตรวจวัดในลักษณะว่ามันคืออนุภาค มันก็จะแสดงตัวตนว่ามันเป็นอนุภาค แม้แต่ของใหญ่ๆ ขึ้นมาอย่างโมเลกุล มันก็สามารถแสดงสถานะความเป็นคลื่นได้เช่นกัน เราสามารถแก้สมการคลื่น (Wave Function) ด้วยเทคโนโลยีที่เรียกว่าเคมีคอมพิวเตอร์ (Computational Chemistry) ของโมเลกุลต่างๆ ซึ่งสามารถทำนายได้ว่าโมเลกุลนั้นจะมีสมบัติอย่างไร นำไฟฟ้าหรือไม่ หรือแม้แต่โมเลกุลชนิดนั้นสามารถเป็นยาฆ่าไวรัสได้หรือไม่ ศาสตร์ทางด้านเคมีควอนตัมจึงนับเป็นความมหัศจรรย์มาก ที่สามารถมองโมเลกุลต่างๆ เป็นคลื่นได้

ที่นี้ เราลองมาพิจารณาดูร่างกายของเราสิครับ ร่างกายคนเราประกอบขึ้นมาจากเซลล์ เซลล์จำนวนมากมารวมกันเป็นอวัยวะ ที่ประกอบขึ้นเป็นร่างกายของเรา ภายในเซลล์นี้เองก็ประกอบด้วยองค์ประกอบต่างๆ ที่สร้างขึ้นมาจากโมเลกุลทั้งนั้น ทั้งเยื่อหุ้มเซลล์ที่เป็นชั้นของโมเลกุลไขมันบางๆ 2 ชั้น ดีเอ็นเอที่เป็นสายโซ่พันกันแบบขั้นบันไดเวียน (Double Helix) ในเมื่อเคมีควอนตัมบอกว่าโมเลกุลคือคลื่น ดังนั้นร่างกายของเราก็คือคลื่นดีๆ นี่เองครับ ถ้าเรามีคอมพิวเตอร์ที่มีศักยภาพในการคำนวณสูงมากๆ มากพอที่จะป้อนสมการคลื่นที่อธิบายอนุภาคทุกๆ ตัวที่ประกอบเป็นร่างกายของเราได้ เราก็จะสามารถแก้สมการและทำนายคุณสมบัติของร่างกายของเราได้

ความประหลาดของทฤษฎีควอนตัมยังมีอีกหลายอย่าง แต่อันที่ผมชอบมากคือเรื่องของ Entanglement ภาษาไทยยังไม่มีบัญญัติครับ แต่ก็มีบางท่านเรียกว่าความพัวพันทางควอนตัม ผมจะลองใช้คำว่าเนื้อคู่นะครับ เพราะปรากฏการณ์นี้เกิดจากของที่เป็นคู่กัน เช่น หากเรามีโฟตอนที่มีจุดกำเนิดที่เดียวกัน แล้วเราแยกมันส่งออกไป 2 ด้านที่อยู่ตรงข้ามกัน แม้จะส่งไปไกลเพียงใดก็ตาม เมื่อเราทำอะไรกับโฟตอนตัวใดตัวหนึ่ง เช่นเปลี่ยนค่าสปินของมัน เจ้าโฟตอนที่เป็นคู่ของมันก็จะรู้สึกได้ทันที และจะปฏิบัติตัวไปในทิศทางตรงข้ามกับคู่ของมัน เสมือนมันรับรู้กันและกันได้ และการรับรู้กันและกันนี้เกิดขึ้นเร็วมาก เร็วจนวัดไม่ได้ ที่แน่ๆ คือเร็วกว่าแสง ซึ่งทำให้เรื่อง Entanglement กลายเป็นเรื่องที่ค้านกับทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ แต่เรื่อง Entanglement นี้มีจริง และมีผลการทดลองออกมามากมายแล้วครับ แถมยังมีการเชื่อกันว่าปรากฏการณ์นี้อาจอยู่เบื้องหลังการทำงานของสมองอีกต่างหาก

ผมจะทยอยนำความก้าวหน้าในเรื่องชีวควอนตัมมาเล่าให้ฟังในตอนต่อๆไปนะครับ .....

รูปบน: ปรากฏการณ์ Entanglement นี้อาจจะเกิดขึ้นกับจิตใจมนุษย์ก็ได้ เหมือนพรหมลิขิตให้คนที่เป็นเนื้อคู่กันต้องเดินทางมาพบกัน ไม่ว่าจะอยู่แสนไกลเพียงใดก็ตาม

06 สิงหาคม 2551

นาโน โนเบล (ตอนที่ 10)

การสถาปนาทฤษฎีโมเลกุลาร์ออร์บิทัลของมูลลิเกนที่ทำให้ท่านได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีเมื่อปี ค.ศ. 1966 นั้น ได้ทำให้เราสามารถคำนวณสมบัติของสสารได้ เพียงแค่รู้สูตรโมเลกุลของมันเท่านั้น ทั้งนี้มูลลิเกนได้แสดงให้เห็นว่าระเบียบวิธีที่เขาพัฒนาขึ้นมานั้นสามารถทำนายสมบัติบางอย่าง เช่น โครงสร้างของโมเลกุล ที่ใกล้เคียงหรือเทียบเท่ากับที่วัดได้จริงจากการทดลอง ในเวลาต่อมาวงการเคมีจึงได้ก่อกำเนิดศาสตร์ใหม่ที่มีชื่อว่า “เคมีเชิงคำนวณ” (Computational Chemistry) ซึ่งว่าด้วยเรื่องการออกแบบโมเลกุล และทำนายสมบัติของโมเลกุลล่วงหน้า ทำให้สามารถค้นพบสมบัติใหม่ๆ และโมเลกุลใหม่ๆ ก่อนที่จะมีการสังเคราะห์ได้ด้วยซ้ำ ในเวลาต่อมาศาสตร์นี้ก็ได้แตกแขนงออกไปเป็น วัสดุศาสตร์เชิงคำนวณ (Computational Materials Science) การออกแบบยาด้วยคอมพิวเตอร์ (Computer Aided Drug Design) ชีววิทยาเชิงคำนวณ (Computational Biology) และนาโนเทคโนโลยีเชิงคำนวณ (Computational Nanotechnology) ในปัจจุบัน

ในโลกแห่งการใช้งานจริง โมเลกุลและวัสดุในอุตสาหกรรมจะมีขนาดใหญ่กว่านั้นมาก จำนวนอะตอมที่เกี่ยวข้องในการออกแบบเริ่มจากหลักสิบไปจนถึงหลักล้าน ตลอดระยะเวลา 30 ปีแห่งการพัฒนาเครื่องมือในการออกแบบโมเลกุล เราค่อนข้างโชคดีที่คอมพิวเตอร์อิเล็กทรอนิกส์มีพัฒนาการไปอย่างก้าวกระโดดตามกฎของมัวร์ตลอดเวลา (คอมพิวเตอร์เร็วขึ้น 2 เท่าทุกๆ 18 เดือน) ทำให้ปัจจุบันเรามีคอมพิวเตอร์ที่มีความเร็ว 1 ล้านเท่าเมื่อเทียบกับสมัยของมูลลิเกน อีกทั้งระเบียบวิธีและอัลกอริทึมที่ใช้คำนวณก็มีความสลับซับซ้อนขึ้นมาก ตลอดช่วงระยะเวลาของการพัฒนาเครื่องมือทางการคำนวณนั้น ศาสตราจารย์โพเพิล (John A. Pople) แห่งมหาวิทยาลัยนอร์ธเวสเทิน ได้บุกเบิกระเบียบวิธีเชิงคำนวณทางเคมีควอนตัมที่มีประสิทธิภาพสูง จนทำให้สามารถคำนวณและออกแบบโมเลกุลขนาดใหญ่ได้ ทำให้เคมีเชิงคำนวณและการออกแบบด้วยคอมพิวเตอร์ได้บุกเข้าไปครอบครองพื้นที่ในแล็บเปียกของนักเคมีสังเคราะห์ พร้อมๆกันัน้น ศาสตราจารย์วอลเตอร์ โคห์น (Walter Kohn) แห่งมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานตาบาบาร่าได้พัฒนาทฤษฎีเดนซิตี้ฟังชันนัล ที่มีความเร็วสูงและแม่นยำ จนนำมาสู่การปฏิวัติวงการออกแบบวัสดุ ระเบียบวิธีของท่านได้กลายมาเป็นเครื่องมือมาตรฐานในการออกแบบโมเลกุล ในสาขาต่างๆ ตั้งแต่ เคมี ฟิสิกส์ ชีววิทยา ไปจนถึง เภสัชศาสตร์ และ การแพทย์