รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ 2025: กลศาสตร์ควอนตัมจากไมโครถึงแมโคร

ครบรอบ 100 ปีพอดีหลังจากการค้นพบกลศาสตร์ควอนตัม รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 2025 มอบให้แก่นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกัน 3 คนที่พิสูจน์ให้เห็นว่าปรากฏการณ์ควอนตัมแปลกๆ สามารถเกิดขึ้นได้ในวงกว้าง ซึ่งเปิดศักราชใหม่ของเทคโนโลยีควอนตัม

นักวิทยาศาสตร์ จอห์น คลาร์ก, มิเชล เอช. เดโวเรต์ และจอห์น เอ็ม. มาร์ตินิส ได้รับการประกาศชื่อเป็นผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปีนี้โดยราชบัณฑิตยสถานวิทยาศาสตร์แห่งสวีเดน ในงานแถลงข่าวที่กรุงสตอกโฮล์ม ประเทศสวีเดน เมื่อวันที่ 7 ตุลาคม - ภาพ: รอยเตอร์ส

ในปีพ.ศ. 2468 นักฟิสิกส์ ไฮเซนเบิร์ก ชเรอดิงเงอร์ และดิแรก ได้ค้นพบกลศาสตร์ควอนตัม ซึ่งเป็นการค้นพบที่น่าทึ่งที่ส่งผลกระทบต่อการเปลี่ยนแปลง โลก

100 ปีต่อมา รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2025 ได้ถูกมอบให้กับนักฟิสิกส์ชาวอเมริกันสามคน ผู้ซึ่งนำปรากฏการณ์ควอนตัมทunneling ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ควอนตัมขนาดเล็กที่แปลกประหลาด มาสู่โลกขนาดมหภาค ก่อให้เกิดการประยุกต์ใช้ที่ก้าวล้ำมากมาย

เป็นเรื่องน่ายินดีอย่างยิ่งที่เราสามารถเฉลิมฉลองความล้ำหน้าของกลศาสตร์ควอนตัมที่มีมานานหลายศตวรรษ และยังคงสร้างความประหลาดใจใหม่ๆ อย่างต่อเนื่อง นอกจากนี้ มันยังมีประโยชน์อย่างมาก เพราะกลศาสตร์ควอนตัมเป็นรากฐานของ เทคโนโลยีดิจิทัล ทั้งหมด

โอเล่ เอริกส์สัน (ประธานคณะกรรมการรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ กล่าวสุนทรพจน์)

การค้นพบครั้งสำคัญเกี่ยวกับปรากฏการณ์การทะลุผ่านอุโมงค์

นักฟิสิกส์ชาวอเมริกันสามคน ได้แก่ จอห์น คลาร์ก, มิเชล เอช. เดโวเร็ต และจอห์น เอ็ม. มาร์ตินิส ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2025 จาก "การค้นพบปรากฏการณ์การทะลุผ่านควอนตัมในระดับมหภาคและการควอนตัมของพลังงานในวงจรไฟฟ้า" ตามประกาศของคณะกรรมการโนเบล

รางวัลในปีนี้มอบให้แก่ผลงานการทดลองชุดหนึ่งที่พวกเขาดำเนินการในปี 1984 และ 1985 เกี่ยวกับวงจรตัวนำยิ่งยวด ซึ่งแสดงให้เห็นว่า "การทะลุผ่าน" (tunneling) ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่อนุภาคเคลื่อนที่ผ่านสิ่งกีดขวางที่เคยคิดว่าเป็นไปได้เฉพาะในกลศาสตร์ควอนตัมเท่านั้น สามารถเกิดขึ้นได้ในระดับที่ใหญ่กว่าที่เคยเชื่อกันมาก่อน

ศาสตราจารย์จอห์น คลาร์ก ผู้ได้รับปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ในปี 1968 ดำรงตำแหน่งศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ ตั้งแต่ปี 1969 ปัจจุบันท่านเป็นศาสตราจารย์กิตติคุณในบัณฑิตวิทยาลัยของมหาวิทยาลัยแห่งนี้

Michel H. Devoret เกิดที่ปารีสและได้รับปริญญาเอกที่นั่น ปัจจุบันดำรงตำแหน่งศาสตราจารย์กิตติคุณด้านฟิสิกส์ประยุกต์ที่สถาบันควอนตัมแห่งมหาวิทยาลัยเยล

ดร. จอห์น เอ็ม. มาร์ตินิส สำเร็จการศึกษาระดับปริญญาเอก จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ หลังจากสอนที่มหาวิทยาลัยแล้ว ล่าสุดเขาได้ทำงานร่วมกับทีมปัญญาประดิษฐ์ควอนตัมของ Google

ในช่วงกลางทศวรรษ 1980 นายเดโวเร็ตได้เข้าร่วมกลุ่มวิจัยของนายคลาร์กในฐานะนักวิจัยหลังปริญญาเอก พร้อมกับมาร์ตินิส นักศึกษาปริญญาเอกของเขา โดยทั้งสองได้ร่วมกันรับมือกับความท้าทายในการสาธิตปรากฏการณ์ควอนตัมทunneling ในระดับมหภาค

ในการทดลอง นักวิทยาศาสตร์ทั้งสามคนได้สร้างวงจรไฟฟ้าจากตัวนำยิ่งยวดที่สามารถนำกระแสไฟฟ้าได้โดยไม่ต้องมีความต้านทาน ด้วยการปรับแต่งและวัดคุณสมบัติของวงจร พวกเขาสามารถควบคุมปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นได้ อนุภาคที่มีประจุเคลื่อนที่ผ่านตัวนำยิ่งยวดก่อตัวเป็นระบบที่ทำหน้าที่เสมือนเป็นอนุภาคเดี่ยวที่เติมเต็มวงจรทั้งหมด

ในขั้นต้น อนุภาคเหล่านี้อยู่ในสภาวะที่กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้โดยไม่มีแรงดันไฟฟ้า ราวกับถูกกีดขวางด้วยกำแพงที่ไม่อาจข้ามผ่านได้

ในการทดลอง ระบบได้แสดงคุณสมบัติควอนตัมโดยการหลุดพ้นจากสถานะนี้ผ่านปรากฏการณ์ควอนตัมทunneling นักวิทยาศาสตร์ทั้งสามคนยังพิสูจน์ได้ว่าระบบนี้เป็นควอนตัม ซึ่งหมายความว่ามันดูดซับหรือปล่อยพลังงานในปริมาณที่เฉพาะเจาะจงเท่านั้น

ภาพประกอบแสดงปรากฏการณ์การทะลุผ่านในกลศาสตร์ควอนตัม: โยนลูกบอลใส่กำแพง ลูกบอลจะกระดอนกลับ แต่ถ้าโยนอนุภาคขนาดเล็กมาก อนุภาคนั้นจะทะลุผ่านกำแพงไปได้ ปรากฏการณ์นี้มักจะลดลงเมื่อมีอนุภาคจำนวนมาก ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมเราจึงไม่เคยเห็นใครเดินทะลุกำแพงในชีวิตประจำวัน - ภาพ: โยฮัน ยาร์เนสตัด/สถาบันวิทยาศาสตร์แห่งสวีเดน

ปูทางสู่เทคโนโลยีควอนตัม

การทดลองนี้มีนัยสำคัญอย่างยิ่งต่อความเข้าใจของเราเกี่ยวกับกลศาสตร์ควอนตัม ก่อนหน้านี้ ผลกระทบทางกลศาสตร์ควอนตัมในระดับมหภาคเกี่ยวข้องกับอนุภาคขนาดเล็กจำนวนมากที่รวมกันเพื่อสร้างปรากฏการณ์ต่างๆ เช่น เลเซอร์ ตัวนำยิ่งยวด และของไหลยิ่งยวด อย่างไรก็ตาม การทดลองของนักฟิสิกส์ทั้งสามคนที่ได้รับรางวัลโนเบลในปีนี้ได้สร้างผลกระทบโดยตรงในระดับมหภาค

สถานะควอนตัมระดับมหภาคประเภทนี้เปิดโอกาสใหม่สำหรับการทดลองที่ใช้ประโยชน์จากปรากฏการณ์ที่ควบคุมโลกระดับจุลภาค อาจมองได้ว่าเป็นอะตอมเทียมขนาดใหญ่ที่ใช้ในการจำลองและช่วยในการศึกษาของระบบควอนตัมอื่นๆ

หนึ่งในแอปพลิเคชันที่สำคัญคือคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มาร์ตินิสพัฒนาขึ้นในภายหลัง เขาใช้หลักการควอนตัมของพลังงานอย่างแม่นยำ ซึ่งเขาและนักวิทยาศาสตร์รางวัลโนเบลอีกสองคนได้สาธิตไว้ โดยใช้วงจรที่มีสถานะควอนตัมเป็นบิตควอนตัมหรือคิวบิต โดยสถานะพลังงานต่ำสุดคือ 0 และระดับที่สูงกว่าคือ 1

วงจรตัวนำยิ่งยวดเป็นหนึ่งในเทคนิคที่กำลังได้รับการศึกษาเพื่อสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัม มาร์ตินิสเป็นหัวหน้ากลุ่มวิจัยคอมพิวเตอร์ควอนตัมของ Google ตั้งแต่ปี 2014 ถึง 2020

นายคลาร์กกล่าวว่างานวิจัยของพวกเขามีส่วนช่วยปูทางไปสู่ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยี เช่น การกำเนิดของโทรศัพท์มือถือ คณะกรรมการโนเบลยังยืนยันด้วยว่า "ไม่มีเทคโนโลยีขั้นสูงใดในปัจจุบันที่ไม่ขึ้นอยู่กับกลศาสตร์ควอนตัม รวมถึงโทรศัพท์มือถือ กล้องถ่ายรูป... และสายเคเบิลใยแก้วนำแสง"

เมื่อฟิสิกส์และเคมีมาบรรจบกันใน "อุโมงค์" ควอนตัม

รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2025 จะมอบให้กับนักวิทยาศาสตร์สามคนสำหรับการค้นพบทางกลศาสตร์ควอนตัมเมื่อ 40 ปีก่อน ผลลัพธ์นี้ไม่ใช่เรื่องที่คาดไม่ถึงนัก เนื่องจากยูเนสโกได้กำหนดให้ปี 2025 เป็นปีวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีควอนตัมสากล

คณะกรรมการรางวัลโนเบลกล่าวว่า "กลศาสตร์ควอนตัมเป็นรากฐานของเทคโนโลยีดิจิทัลทั้งหมด... การทดลองของพวกเขาได้วางรากฐานสำหรับความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีใหม่ๆ ที่อิงตามหลักการควอนตัม"

นักฟิสิกส์ทั้งสามคนนี้ค้นพบปรากฏการณ์การทะลุผ่านอุโมงค์และระบุการกระโดดของพลังงานในวงจรไฟฟ้า ปรากฏการณ์การทะลุผ่านอุโมงค์กลายเป็นแนวคิดหลักในการอธิบายปฏิกิริยาเคมีหลายอย่างในเวลาต่อมา

พูดอย่างง่ายๆ ก็คือ ลองนึกภาพว่าเรากำลังข้ามช่องเขาไห่เวิน โดยปกติแล้วสารตั้งต้นจะต้อง "ปีนผ่านช่องเขา" ด้วยพลังงานที่สูงมาก แต่บางครั้งสารตั้งต้นก็จะ "ผ่านอุโมงค์" เพื่อข้ามกำแพงพลังงานได้เร็วขึ้นเพื่อเริ่มปฏิกิริยา

ปรากฏการณ์การทะลุผ่านอุโมงค์ (Tunneling) ถูกสอนในระดับมหาวิทยาลัยในตำราจลนศาสตร์เคมี และมีการจำลองโดยใช้วิธีควอนตัมเมื่อคำนวณค่าคงที่อัตราการเกิดปฏิกิริยา ฟิสิกส์และเคมีผสานกันได้อย่างลงตัวอีกครั้ง

ศาสตราจารย์ เหงียน มินห์ โถ - ศาสตราจารย์กิตติมศักดิ์แห่งมหาวิทยาลัย KU Leuven ประเทศเบลเยียม

กลับเข้าสู่หัวข้อ

ดร. เหงียน ตรุง ดัน

ที่มา: https://tuoitre.vn/nobel-vat-ly-2025-co-hoc-luong-tu-tu-vi-mo-den-vi-mo-20251007222830181.htm