แวร์เนอร์ ไฮเซนแบร์ก นักฟิสิกส์อัจริยะผู้บุกเบิกพัฒนากลศาสตร์ควอนตัม

แวร์เนอร์ ไฮเซนแบร์ก (Werner Heisenberg) เป็นนักฟิสิกส์ทฤษฎีคนสำคัญหนึ่งในผู้บุกเบิกวิชากลศาสตร์ควอนตัม ผลงานการคิดค้นด้านทฤษฎีควอนตัมหลายอย่างได้สร้างรากฐานและมีส่วนให้วิชากลศาสตร์ควอนตัมก้าวหน้าอย่างมาก โดยเฉพาะหลักความไม่แน่นอนของไฮเซนแบร์กและกลศาสตร์เมทริกซ์ซึ่งทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์สำหรับ “การสร้างกลศาสตร์ควอนตัม” นอกจากนี้เขายังได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางว่าเป็นหนึ่งในบุคคลที่มีอิทธิพลมากที่สุดในฟิสิกส์นิวเคลียร์ ฟิสิกส์อนุภาค และทฤษฎีสนามควอนตัม ไฮเซนแบร์กได้รับการยกย่องเป็นนักฟิสิกส์ทีสำคัญที่สุดอีกคนหนึ่งของโลกในช่วงศตวรรษที่ 20

 
เด็กเก่งสายวิทย์แต่รักการเล่นดนตรี

werner-heisenberg-02

แวร์เนอร์ ไฮเซนแบร์ก เป็นชาวเยอรมัน เกิดเมื่อปี 1901 ที่เมือง Würzburg ในแคว้นบาวาเรีย ประเทศเยอรมัน ครอบครัวของไฮเซนแบร์กอยู่ในแวดวงนักวิชาการ พ่อเป็นครูสอนภาษาระดับมัธยมที่โดดเด่นคนหนึ่ง ส่วนแม่เป็นลูกสาวของอาจารย์ใหญ่โรงเรียนมัธยมแห่งหนึ่งที่มิวนิค ไฮเซนแบร์กเข้าเรียนชั้นประถมที่โรงเรียนในเมืองบ้านเกิดได้ 3 ปีครอบครัวจึงย้ายไปอยู่ที่มิวนิคเนื่องจากพ่อได้รับการแต่งตั้งเป็นอาจารย์สอนภาษากรีกที่มหาวิทยาลัยมิวนิค ไฮเซนแบร์กเข้าเรียนระดับมัธยมในโรงเรียนที่คุณตาของเขาเป็นอาจารย์ใหญ่นั่นเอง เขาสนใจในวิชาวิทยาศาสตร์และเป็นนักเรียนที่เก่งมาก เขาสามารถสอนแคลคูลัสให้เพื่อนรุ่นพี่ที่เรียนมหาวิทยาลัยในขณะที่ตัวเองยังเป็นเด็กมัธยม รวมทั้งพยายามตีพิมพ์บทความทางวิทยาศาสตร์ตั้งแต่ยังเรียนชั้นมัธยม

แม้จะเป็นเด็กเก่งสายวิทย์แต่ไฮเซนแบร์กมีความสนใจในวรรณคดีคลาสสิกและปรัชญารวมทั้งเป็นคนที่ชอบเล่นดนตรีมาก เขาเล่นเปียโนตั้งแต่เด็กเล่นเพลงคลาสสิกของนักดนตรีระดับบรมครูได้ตั้งแต่อายุ 13 ปีและพัฒนาจนกลายเป็นนักเปียโนฝีมือดีเล่นกับวงออร์เคสตราได้ ดนตรีจึงเป็นส่วนหนึ่งของชีวิตเขามาโดยตลอด ปี 1914 เกิดสงครามโลกครั้งที่ 1 การเรียนหนังสือที่โรงเรียนต้องหยุดชะงักไปแต่ไฮเซนแบร์กยังสามารถศึกษาเรียนรู้ในสาขาวิชาต่างๆด้วยตัวเองโดยเฉพาะวิชาคณิตศาสตร์ที่เขาสนใจในทฤษฎีจำนวนเป็นพิเศษถึงขนาดพยายามหาข้อพิสูจน์ของทฤษฎีบทสุดท้ายของแฟร์มาต์เลยทีเดียว นอกจากนี้เขายังใช้ช่วงเวลาว่างนี้เป็นอาสาสมัครทำงานในฟาร์มและหลังสงครามโลกสิ้นสุดในปี 1918 เขายังเข้าร่วมกับกองทัพในการปราบปรามกองกำลังโซเวียตบาวาเรียอีกด้วย

ปี 1920 ไฮเซนแบร์กเข้าเรียนต่อทางด้านฟิสิกส์และคณิตศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยมิวนิคและมหาวิทยาลัยเกิททิงเงิน เขาได้เรียนกับอาจารย์ที่เป็นนักฟิสิกส์ชั้นแนวหน้าชาวเยอรมันหลายคน เช่น Arnold Sommerfeld, Wilhelm Wien และ Max Born เป็นต้น ระหว่างการเรียนเขามีโอกาสได้เข้าร่วมฟังการบรรยายของนักฟิสิกส์ชื่อก้องโลกอย่าง Niels Bohr เจ้าของทฤษฎีอะตอมอันลือลั่นซึ่งเขาสนใจเป็นพิเศษด้วย ไฮเซนแบร์กเรียนจบปริญญาเอกสาขาฟิสิกส์ภายใต้การดูแลของ Arnold Sommerfeld ในปี 1923 หลังเรียนจบเขาได้เป็นอาจารย์สอนที่มหาวิทยาลัยเกิททิงเงิน ต่อมาไม่นานเขาก็ได้รับทุนไปทำวิจัยกับ Niels Bohr ที่ประเทศเดนมาร์ก และนั่นคือจุดเริ่มต้นของการเดินทางเขาสู่การศึกษาค้นคว้าอันนำมาซึ่งความสำเร็จสูงสุดในชีวิตของเขา

 
บนเส้นทางไปสู่กลศาสตร์ควอนตัม

werner-heisenberg-03

ปี 1924 ไฮเซนแบร์กไปทำวิจัยที่มหาวิทยาลัยโคเปนเฮเกนที่ซึ่งเขาได้พบกับ Albert Einstein สุดยอดนักฟิสิกส์ของโลกเป็นครั้งแรก ในช่วงเวลานั้นมีปัญหาพื้นฐานในวิชาฟิสิกส์อะตอมเนื่องจากทฤษฎีโครงสร้างอะตอมของ Niels Bohr และที่พัฒนาต่อโดย Arnold Sommerfeld ยังไม่สามารถใช้อธิบายคุณสมบัติของอะตอมและโมเลกุลที่ซับซ้อนได้ ไฮเซนแบร์กจึงมุ่งศึกษาวิจัยผ่านความคิดที่สร้างสรรค์และทันสมัยที่สุดเกี่ยวกับทฤษฎีอะตอมเพื่อแก้ปัญหาในประเด็นนี้อย่างกระตือรือร้น และในปี 1925 มีช่วงหนึ่งที่เขาเป็นไข้ละอองฟางอย่างรุนแรงจึงไปพักฟื้นที่เกาะ Helgoland ช่วงเวลาที่อยู่บนเกาะนั่นเองที่เขาได้ค้นพบแนวคิดใหม่ของกลศาสตร์ควอนตัมอันซับซ้อน หลังจากนั้นไม่นานผลงานสำคัญชิ้นแรก “Quantum Theoretical Re-Interpretation of Kinematic And Mechanical Relations” ก็ได้รับการตีพิมพ์ออกมา

บทความชิ้นนี้ถือเป็นจุดเริ่มต้นของกลศาสตร์ควอนตัมใหม่ที่อนุญาตให้ใช้เฉพาะปริมาณที่สังเกตได้เท่านั้นในคำอธิบายเชิงทฤษฎีของอะตอมอันเป็นพื้นฐานและความก้าวหน้าครั้งสำคัญในวิชากลศาสตร์ควอนตัม และยังทำให้ไฮเซนแบร์กมีชื่อเสียงและเป็นที่ยอมรับในทันที จากนั้นเขากลับไปทำงานที่มหาวิทยาลัยเกิททิงเงินและได้ใช้เวลาราว 6 เดือนทำการพัฒนากลศาสตร์เมทริกซ์ (Matrix mechanics) ร่วมกับ Max Born และ Pascual Jordan เป็นผลสำเร็จ พวกเขาพบว่าตำแหน่งและโมเมนตัมของอนุภาคสามารถเขียนอยู่ในรูปเมทริกซ์ไม่จำกัดได้ กลศาสตร์เมทริกซ์จึงเป็นสูตรของกลศาสตร์ควอนตัมสูตรแรกที่เป็นอิสระและสอดคล้องกันอย่างมีเหตุผลซึ่งช่วยยกระดับกลศาสตร์ควอนตัมให้ก้าวหน้าอีกก้าวใหญ่ กลศาสตร์เมทริกซ์ยังได้รับการพิสูจน์ภายหลังว่าสมมูลกับสมการของชเรอดิงเงอร์ (Schrödinger equation) ซึ่งเป็นสมการที่สำคัญยิ่งในกลศาสตร์ควอนตัมที่ค้นพบโดย Erwin Schrödinger ในปี 1926

 
หลักความไม่แน่นอนของไฮเซนแบร์ก

werner-heisenberg-04

ปี 1926 ไฮเซนแบร์กได้รับตำแหน่งเป็นอาจารย์และเป็นผู้ช่วยของ Niels Bohr ที่มหาวิทยาลัยโคเปนเฮเกน เขายังคงทำวิจัยในเรื่องกลศาสตร์ควอนตัมต่อไปโดยเฉพาะในส่วนที่เกี่ยวข้องกับพื้นฐานทางคณิตศาสตร์ และในปี 1927 เขาได้ค้นพบหลักการที่สำคัญอย่างยิ่งในวิชากลศาสตร์ควอนตัมที่ต่อมามักเรียกกันติดปากว่าหลักความไม่แน่นอนของไฮเซนแบร์ก (Heisenberg’s uncertainty principle) แนวคิดเรื่องนี้แตกต่างหรือขัดแย้งโดยสิ้นเชิงกับหลักดีเทอร์มินิสติก (Deterministic Principle) ที่เชื่อกันในหมู่นักวิชาการมานานหลายร้อยปีว่าเหตุอย่างหนึ่งย่อมนำไปสู่ผลอย่างหนึ่งที่เฉพาะเจาะจง รวมทั้งได้เปลี่ยนแนวคิดของกลศาสตร์ควอนตัมไปโดยสิ้นเชิงเช่นกัน

หลักความไม่แน่นอนของไฮเซนแบร์กระบุว่ามีขีดจำกัดตามธรรมชาติที่ทำให้ไม่สามารถวัดหรือทำนายค่าของปริมาณทางกายภาพของอนุภาคบางคู่ได้อย่างแม่นยำเหมือนกันในเวลาเดียวกัน คู่ปริมาณทางกายภาพที่เด่นชัดที่สุดในกรณีนี้ได้แก่ตำแหน่งของอนุภาคและโมเมนตัมของอนุภาค หากเราสามารถกำหนดตำแหน่งของอนุภาคได้แม่นยำมากเท่าไหร่ค่าโมเมนตัมของมันก็จะยิ่งทำนายได้แม่นยำน้อยลงมากเท่านั้น ในทางกลับกันหากเราสามารถรู้ค่าโมเมนตัมของอนุภาคอย่างแม่นยำมากเราจะไม่สามารถรู้ตำแหน่งของอนุภาคอย่างแม่นยำได้อีก หรืออีกนัยหนึ่งเราไม่สามารถรู้ตำแหน่งและโมเมนตัมของอนุภาคอย่างแม่นยำเหมือนกันในเวลาเดียวกัน หลักความไม่แน่นอนของไฮเซนแบร์กได้กลายเป็นพื้นฐานสำคัญของกลศาสตร์ควอนตัม ต่อมานักวิทยาศาสตร์ยังพบว่ามีคู่ตัวแปรอื่นๆอีกที่ไม่สามารถรู้ค่าอย่างแม่นยำได้พร้อมกัน เช่น พลังงานกับช่วงเวลา เป็นต้น

 
ศาสตราจารย์หนุ่มกับรางวัลโนเบล

werner-heisenberg-05

ไฮเซนแบร์กใช้เวลาเพียงไม่กี่ปีในการสร้างผลงานสำคัญระดับสุดยอดหลายเรื่องอันเป็นผลให้กลศาสตร์ควอนตัมพัฒนาไปอย่างมาก เขาจึงกลายเป็นนักฟิสิกส์ชั้นแนวหน้าของเยอรมันทั้งที่มีอายุยังไม่มาก และด้วยผลงานที่โดดเด่นนี้เองเขาจึงได้รับการแต่งตั้งเป็นศาสตราจารย์ฟิสิกส์ทฤษฎีและเป็นหัวหน้าแผนกฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยไลพ์ซิช ประเทศเยอรมันด้วยวัยเพียง 26 ปีเท่านั้น ระหว่างที่เขาดำรงตำแหน่งที่ไสพ์ซิชนี้มีนักศึกษาปริญญาเอกและผู้ร่วมงานวิจัยที่มีคุณภาพสูงซึ่งศึกษาและทำงานร่วมกับเขาจำนวนมาก นอกจากการบรรยายทางฟิสิกส์ที่ได้รับความสนใจจากนักศึกษาจำนวนมากแล้ว ไฮเซนแบร์กยังคงมีผลงานวิจัยออกมาอย่างต่อเนื่อง ปี 1929 เขาและ Wolfgang Pauli ได้ตีพิมพ์บทความอันเป็นการวางรากฐานของทฤษฎีสนามควอนตัม และเขายังได้รับเชิญไปบรรยายที่ต่างประเทศหลายแห่ง รวมทั้งที่ประเทศจีน อินเดีย และสหรัฐอเมริกา

ความสำเร็จในผลงานด้านกลศาสตร์ควอนตัมของไฮเซนแบร์กเป็นที่ยอมรับและให้การยกย่องอย่างเต็มที่ในปี 1932 เมื่อเขาถูกเลือกให้เป็นผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปีนั้น สำหรับ “การสร้างกลศาสตร์ควอนตัม, การประยุกต์ใช้ซึ่งนำไปสู่การค้นพบอัญรูปของไฮโดรเจน” ขณะที่มีอายุเพียง 31 ปี ถือว่าเป็นผู้ชนะรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ที่มีอายุน้อยมาก (เป็นอันดับ 2 ในประวัติศาสตร์) ถึงจุดนี้ไฮเซนแบร์กได้ก้าวขึ้นมาเป็นนักฟิสิกส์ชั้นนำแถวหน้าของโลกไปแล้ว ไฮเซนแบร์กยังคงทำงานสอนหนังสือและทำวิจัยที่มหาวิทยาลัยไลพ์ซิชต่อไปจนกระทั่งถึงปี 1939 ได้เกิดสงครามโลกครั้งที่ 2 ขึ้นไฮเซนแบร์กในฐานะนักฟิสิกส์นิวเคลียร์อันดับต้นๆของเยอรมันจึงถูกเรียกตัวให้ไปร่วมทำวิจัยในโครงการพิเศษของกองทัพนาซี

 
ร่วมโครงการอาวุธนิวเคลียร์ของนาซี

werner-heisenberg-06

การค้นพบปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันโดยสองนักเคมีชาวเยอรมัน Otto Hahn และ Fritz Strassmann ในปี 1938 ทำให้การพัฒนาระเบิดปรมาณูเป็นไปได้ในทางทฤษฎี หลังจากนั้นไม่นานเยอรมันได้เริ่มโครงการพัฒนาอาวุธนิวเคลียร์ขึ้นในชื่อ Uranverein หรือ Uranium Club ในภาษาอังกฤษโดยได้ระดมนักวิทยาศาสตร์ชั้นแนวหน้าของเยอรมันมาร่วมในโครงการเป็นจำนวนมาก ไฮเซนแบร์ทำงานร่วมกับ Otto Hahn ในการพัฒนาเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์อันเป็นหัวใจของโครงการพัฒนาอาวุธนิวเคลียร์ ด้วยความหวั่นวิตกว่าเยอรมันจะสามารถสร้างระเบิดปรมาณูได้สำเร็จอันอาจนำไปสู่ความหายนะของโลกได้ ฝ่ายสัมพันธมิตรนำโดยสหรัฐอเมริกาจึงเริ่มทำโครงการแมนฮัตตันเพื่อพัฒนาระเบิดปรมาณูขึ้นในปี 1942 คู่สงครามโลกทั้งสองฝ่ายจึงแข่งขันกันพัฒนาระเบิดปรมาณูกันอย่างเอาเป็นเอาตาย

สหรัฐอเมริกาสามารถสร้างระเบิดปรมาณูได้สำเร็จและนำไปปล่อยที่เมืองฮิโรชิมาและเมืองนางาซากิ ประเทศญี่ปุ่นในเดือนสิงหาคม ปี 1945 อันเป็นผลให้สัมพันธมิตรเป็นฝ่ายชนะสงคราม ส่วนการสร้างระเบิดปรมาณูของเยอรมันกลับไม่ประสบความสำเร็จทั้งที่เริ่มก่อนหลายปี ว่ากันว่าสาเหตุที่ทำให้ฝ่ายเยอรมันล้มเหลวมีส่วนเกี่ยวข้องกับไฮเซนแบร์กโดยตรง บ้างก็ว่าไฮเซนแบร์คำนวณปริมาณมวลวิกฤตของยูเรเนียมที่ต้องใช้สำหรับทำระเบิดปรมาณูผิด บ้างก็ว่าเขาตั้งใจให้โครงการล้มเหลวเพื่อมิให้นาซีได้ใช้ระเบิดปรมาณูไปสร้างหายนะให้กับโลก ข้อเท็จจริงในเรื่องนี้ยังคงเป็นปริศนาและเป็นที่ถกเถียงกันถึงปัจจุบัน ไฮเซนแบร์ถูกจับกุมโดยฝ่ายสัมพันธมิตรและถูกนำตัวไปคุมขังที่อังกฤษนาน 8 เดือนก่อนจะถูกปล่อยตัวกลับเยอรมันในช่วงต้นปี 1946

 
นักฟิสิกส์ผู้พัฒนากลศาสตร์ควอนตัม

werner-heisenberg-07

หลังสงครามโลกครั้งที่ 2 ไฮเซนแบร์กศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์รุ่นใหญ่ในวัย 45 ปีได้รับบทบาทใหม่ในการส่งเสริมงานวิจัยด้านฟิสิกส์ของเยอรมัน ปี 1946 เขาได้รับการแต่งตั้งเป็นผู้อำนวยการใหญ่ของสถาบันวิจัยด้านฟิสิกส์เก่าแก่ซึ่งย้ายมาอยู่ที่เมืองเกิททิงเงินและเปลี่ยนชื่อเป็น Max Planck Institute for Physics นอกจากนี้ยังได้ร่วมกับเพื่อนนักวิทยาศาสตร์ก่อตั้งสภาวิจัยและมูลนิธิเพื่อการวิจัยของเยอรมัน รวมทั้งได้ทำหน้าที่เป็นประธานบริหารด้วย ไฮเซนแบร์กดำรงตำแหน่งผู้อำนวยการใหญ่ของสถาบันวิจัย Max Planck อย่างยาวนานจนกระทั่งมีการย้ายสถาบันไปอยู่ที่มิวนิคในปี 1958 เขาก็ยังคงทำหน้าที่ผู้บริหารสูงสุดขององค์กรที่มีบทบาทอย่างสูงในการวิจัยด้านฟิสิกส์ของโลกแห่งนี้ไปจนเกษียณอายุในปี 1970 ส่วนในด้านงานวิจัยเขาก็ยังคงมีผลงานอย่างต่อเนื่องทั้งด้านกลศาสตร์ควอนตัม ฟิสิกส์นิวเคลียร์ และฟิสิกส์สาขาอื่น

ในด้านชีวิตส่วนตัวไฮเซนแบร์กมีความสุขอยู่กับเพลงคลาสสิกและการเล่นเปียโนที่เขามีฝีมือเข้าขั้นมืออาชีพ และความรักในเสียงเพลงและการเล่นดนตรีก็ได้นำพาให้เขาไปพบเจอกับคู่ชีวิต ไฮเซนแบร์กพบกับ Elisabeth Schumacher ลูกสาวของศาสตราจารย์ด้านเศรษฐศาสตร์ชื่อดังแห่งเบอร์ลินในงานแสดงดนตรีครั้งหนึ่งเมื่อปี 1937 ทั้งคู่แต่งงานกันในปีเดียวกันนั่นเองและอยู่ด้วยกันไปตลอดชีวิตมีลูกด้วยกันถึง 7 คน ไฮเซนแบร์กเสียชีวิตด้วยโรคมะเร็งไตในปี 1976 มีอายุ 74 ปี เขาเป็นหนึ่งในนักฟิสิกส์ที่ผลงานยอดเยี่ยมและประสบความสำเร็จมากที่สุดในประวัติศาสตร์ ไฮเซนแบร์กได้รับการยกย่องเป็นนักฟิสิกส์ทีสำคัญที่สุดอีกคนหนึ่งของโลกในช่วงศตวรรษที่ 20 หากมีสอบถามความเห็นว่านักฟิสิกส์ที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในประวัติศาสตร์เป็นใครก็มักจะมีชื่อของเขาอยู่ในลำดับต้นๆเสมอ

werner-heisenberg-08

 

ข้อมูลและภาพจาก wikipedia, notablebiographies, st-andrews.ac.uk

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *