รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ 2025: กลศาสตร์ควอนตัมจากไมโครถึงแมโคร

ครบรอบ 100 ปีพอดีหลังจากการค้นพบกลศาสตร์ควอนตัม รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 2025 มอบให้แก่นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกัน 3 คนที่พิสูจน์ให้เห็นว่าปรากฏการณ์ควอนตัมแปลกๆ สามารถเกิดขึ้นได้ในวงกว้าง ซึ่งเปิดศักราชใหม่ของเทคโนโลยีควอนตัม

นักวิทยาศาสตร์ จอห์น คลาร์ก มิเชล เอช. เดอโวเรต์ และจอห์น เอ็ม. มาร์ตินีส ได้รับการประกาศให้เป็นผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปีนี้โดยราชบัณฑิตยสถานวิทยาศาสตร์แห่งสวีเดน ในงานแถลงข่าวที่กรุงสตอกโฮล์ม ประเทศสวีเดน เมื่อวันที่ 7 ตุลาคม - ภาพ: REUTERS

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

100 ปีต่อมา รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2025 ได้มอบให้กับนักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน 3 คน ซึ่งนำปรากฏการณ์อุโมงค์ควอนตัม ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ควอนตัมในระดับจุลภาคที่แปลกประหลาด เข้าสู่โลกในระดับมหภาค และเปิดโอกาสให้มีการประยุกต์ใช้งานใหม่ๆ มากมาย

เป็นเรื่องน่ายินดีอย่างยิ่งที่ได้เฉลิมฉลองวิธีที่กลศาสตร์ควอนตัมที่มีอายุหลายศตวรรษได้นำความประหลาดใจใหม่ๆ มาให้อย่างต่อเนื่อง มันยังมีประโยชน์อย่างยิ่ง เพราะกลศาสตร์ควอนตัมเป็นรากฐานของ เทคโนโลยีดิจิทัล ทั้งหมด

โอลเล เอริกสัน (ประธานคณะกรรมการโนเบลสาขาฟิสิกส์ กล่าวสุนทรพจน์)

การค้นพบครั้งสำคัญเกี่ยวกับปรากฏการณ์อุโมงค์

นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน 3 คน ได้แก่ จอห์น คลาร์ก มิเชล เอช. เดอโวเรต์ และจอห์น เอ็ม. มาร์ตินิส ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2025 จาก "การค้นพบปรากฏการณ์อุโมงค์ควอนตัมในระดับมหภาคและการหาปริมาณพลังงานในวงจรไฟฟ้า" ตามประกาศของคณะกรรมการโนเบล

รางวัลในปีนี้จะมอบให้กับชุดการทดลองที่พวกเขาได้ดำเนินการในปี 1984 และ 1985 ในวงจรตัวนำยิ่งยวด ซึ่งแสดงให้เห็นว่า "การอุโมงค์" - ปรากฏการณ์ของอนุภาคที่ผ่านสิ่งกีดขวางซึ่งสามารถเกิดขึ้นได้ในกลศาสตร์ควอนตัมเท่านั้น - สามารถเกิดขึ้นได้ในระดับที่ใหญ่กว่าที่เคยเชื่อกันมาก

ศาสตราจารย์จอห์น คลาร์ก ผู้สำเร็จการศึกษาปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ในปี พ.ศ. 2511 ดำรงตำแหน่งศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2512 ปัจจุบันดำรงตำแหน่งศาสตราจารย์กิตติคุณในบัณฑิตวิทยาลัยของมหาวิทยาลัย

Michel H. Devoret เกิดที่ปารีสและได้รับปริญญาเอกที่นั่น เป็นศาสตราจารย์กิตติคุณด้านฟิสิกส์ประยุกต์ที่ Yale Quantum Institute แห่งมหาวิทยาลัยเยล

จอห์น เอ็ม. มาร์ตินิส สำเร็จการศึกษาระดับปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ หลังจากสอนที่มหาวิทยาลัยแล้ว ล่าสุดเขาทำงานกับกลุ่มควอนตัม AI ของ Google

ในช่วงกลางทศวรรษ 1980 คุณเดโวเร็ตได้เข้าร่วมกลุ่มวิจัยของคุณคลาร์กในฐานะนักวิจัยหลังปริญญาเอก พร้อมกับมาร์ตินีส นักศึกษาปริญญาเอกของเขา พวกเขาร่วมกันรับความท้าทายในการสาธิตปรากฏการณ์อุโมงค์ควอนตัมในระดับมหภาค

ในการทดลอง นักวิทยาศาสตร์ทั้งสามคนได้สร้างวงจรไฟฟ้าจากตัวนำยิ่งยวดที่สามารถนำกระแสไฟฟ้าได้โดยไม่มีความต้านทาน ด้วยการปรับแต่งและวัดคุณสมบัติของวงจร พวกเขาสามารถควบคุมปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นได้ อนุภาคที่มีประจุเคลื่อนที่ผ่านตัวนำยิ่งยวดก่อตัวเป็นระบบที่มีพฤติกรรมราวกับว่าเป็นอนุภาคเดี่ยวที่เติมเต็มวงจรไฟฟ้าทั้งหมด

ระบบอนุภาคนี้ในตอนแรกจะอยู่ในสถานะที่กระแสไฟฟ้าไหลโดยไม่มีแรงดันไฟฟ้า เหมือนกับถูกปิดกั้นด้วยสิ่งกีดขวางที่ไม่สามารถผ่านได้

ในการทดลอง ระบบได้แสดงคุณสมบัติเชิงควอนตัมโดยการหลุดพ้นสถานะนี้ผ่านปรากฏการณ์อุโมงค์ควอนตัม นักวิทยาศาสตร์ทั้งสามคนยังได้แสดงให้เห็นว่าระบบถูกควอนไทซ์ ซึ่งหมายความว่าระบบดูดซับหรือปล่อยพลังงานในปริมาณที่กำหนดเท่านั้น

ภาพประกอบปรากฏการณ์อุโมงค์กลศาสตร์ควอนตัม: โยนลูกบอลใส่กำแพง ลูกบอลจะเด้งกลับ แต่ถ้าโยนอนุภาคขนาดเล็กมาก ลูกบอลจะทะลุกำแพง ผลกระทบนี้มักจะลดลงเมื่ออนุภาคมีขนาดใหญ่ ซึ่งเป็นเหตุผลที่เราไม่เคยเห็นใครเดินผ่านกำแพงในชีวิตประจำวัน - ภาพ: JOHAN JARNESTAD/Swedish Academy of Sciences

ปูทางสู่เทคโนโลยีควอนตัม

การทดลองนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อความเข้าใจกลศาสตร์ควอนตัม ก่อนหน้านี้ ผลกระทบทางกลศาสตร์ควอนตัมในระดับมหภาคเกี่ยวข้องกับอนุภาคขนาดเล็กจำนวนมากที่รวมตัวกันก่อให้เกิดปรากฏการณ์ต่างๆ เช่น เลเซอร์ ตัวนำยิ่งยวด และของไหลยวดยิ่ง อย่างไรก็ตาม การทดลองของนักฟิสิกส์เจ้าของรางวัลโนเบลสามคนในปีนี้ได้ก่อให้เกิดผลกระทบระดับมหภาคโดยตรง

สถานะควอนตัมระดับมหภาคประเภทนี้เปิดโอกาสใหม่ๆ สำหรับการทดลองที่ใช้ประโยชน์จากปรากฏการณ์ที่ควบคุมโลกในระดับจุลภาค สถานะควอนตัมอาจถือได้ว่าเป็นอะตอมเทียมขนาดใหญ่ชนิดหนึ่ง ใช้เพื่อจำลองและช่วยในการศึกษาระบบควอนตัมอื่นๆ

การประยุกต์ใช้ที่สำคัญอย่างหนึ่งคือคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มาร์ตินีสได้นำไปใช้ในภายหลัง เขาใช้วิธีการควอนตัมพลังงานแบบเดียวกับที่เขาและผู้ได้รับรางวัลโนเบลร่วมสองคนได้สาธิต โดยใช้วงจรที่มีสถานะควอนตัมเป็นบิตควอนตัมหรือคิวบิต โดยสถานะพลังงานต่ำสุดคือ 0 และสถานะพลังงานสูงสุดคือ 1

วงจรตัวนำยิ่งยวดเป็นหนึ่งในเทคนิคที่กำลังถูกสำรวจเพื่อพัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัม มาร์ตินิสเป็นหัวหน้ากลุ่มวิจัยคอมพิวเตอร์ควอนตัมของ Google ตั้งแต่ปี 2014 ถึง 2020

นายคลาร์กกล่าวว่างานวิจัยของพวกเขาได้ช่วยปูทางไปสู่ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยี เช่น การกำเนิดของโทรศัพท์มือถือ คณะกรรมการรางวัลโนเบลยังยืนยันด้วยว่า "ปัจจุบันไม่มีเทคโนโลยีขั้นสูงใดที่ไม่ได้อิงกับกลศาสตร์ควอนตัม ซึ่งรวมถึงโทรศัพท์มือถือ กล้องถ่ายรูป... และสายเคเบิลใยแก้วนำแสง"

เมื่อฟิสิกส์และเคมีมาพบกันใน “อุโมงค์” ควอนตัม

รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2025 มอบให้แก่นักวิทยาศาสตร์สามคนจากการค้นพบทางกลศาสตร์ควอนตัมเมื่อ 40 ปีก่อน ผลรางวัลนี้ไม่น่าประหลาดใจนัก เพราะยูเนสโกได้เลือกปี 2025 เป็นปีวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีควอนตัมสากล

คณะกรรมการโนเบลกล่าวว่า "กลศาสตร์ควอนตัมเป็นพื้นฐานของเทคโนโลยีดิจิทัลทั้งหมด... การทดลองเหล่านี้ได้วางรากฐานสำหรับความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีใหม่ๆ ที่ใช้หลักการควอนตัม"

นักฟิสิกส์ทั้งสามคนนี้ค้นพบปรากฏการณ์อุโมงค์และคำนวณการกระโดดของพลังงานในวงจรไฟฟ้า ไม่นานปรากฏการณ์อุโมงค์ก็กลายเป็นแนวคิดหลักในการอธิบายปฏิกิริยาเคมีมากมาย

ลองจินตนาการได้ง่ายๆ ว่าเมื่อผ่านช่องเขาไห่เวิน สารตั้งต้นมักจะต้อง "ปีนช่องเขา" ด้วยพลังงานที่สูงมาก แต่บางครั้งสารตั้งต้นก็ "ผ่านอุโมงค์" เอาชนะอุปสรรคด้านพลังงานได้เร็วขึ้นเพื่อสร้างปฏิกิริยา

การขุดอุโมงค์ถูกสอนในระดับมหาวิทยาลัยในตำราจลนพลศาสตร์เคมี และถูกจำลองโดยใช้วิธีควอนตัมในการคำนวณค่าคงที่อัตราการเกิดปฏิกิริยา ฟิสิกส์และเคมีผสมผสานกันได้อย่างยอดเยี่ยมอีกครั้ง

Prof. Nguyen Minh Tho - ศาสตราจารย์กิตติมศักดิ์ มหาวิทยาลัย KU Leuven ประเทศเบลเยียม

กลับสู่หัวข้อ

ดร. เหงียน จุง ดาน

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