วิทยาศาสตร์บนความน่าจะเป็น

หนึ่งในแนวคิดดั้งเดิมของฟิสิกส์ คือ การเชื่อว่า เอกภพดำเนินไปตามกฎเกณฑ์อย่างสมบูรณ์ (deterministic) จะต้องมีชุดกฎเกณฑ์ทางวิทยาศาสตร์ที่สามารถทำนายได้ทุกเหตุการณ์ในเอกภพ ยกตัวอย่างเช่น ถ้าเราทราบตำแหน่งและความเร็วที่แน่ชัดสภาพปัจจุบัน ก็จะสามารถทำนายเหตุการณ์ที่จะเกิดขึ้นต่อไปในอนาคตได้

แต่ถ้าหากคำตอบของวิทยาศาสตร์
ทำนายผลของการสังเกตการณ์ในรูปความน่าจะเป็นล่ะ
จะเกิดอะไรขึ้น

ปี ค.ศ. 1926 เวอร์เนอร์ ไฮเซนเบิร์ก (Werner Heisenberg) ได้ทำการทดลองฉายแสงไปยังอนุภาค คลื่นแสงจำนวนหนึ่งจะกระจายหรือเบี่ยงเบนออกไป (ซึ่งเป็นการบอกถึงตำแหน่งของอนุภาค) อย่างไรก็ตาม วิธีการนี้ จะบอกตำแหน่งได้ละเอียดที่สุดเพียงแค่ความยาวจากยอดคลื่นถึงยอดคลื่นถัดไปของแสง และถ้าหากต้องการให้มีความละเอียดมากขึ้น ก็จำเป็นต้องเพิ่มความถี่ (ความยาวยอดคลื่นสั้นลง) เท่ากับว่า ต้องใช้พลังงานที่สูงขึ้นไปด้วย

อย่างไรก็ตาม ก่อนหน้านั้น ในปี ค.ศ. 1900 แมกซ์ พลังค์ (Max Planck) ได้เสนอว่า พลังงานที่ถูกปลดปล่อยออกจากคลื่นต่าง ๆ ไม่ได้มีลักษณะต่อเนื่องไม่รู้จบ แต่จะมีขอบเขตและความสม่ำเสมอในระดับหนึ่ง พลังค์เรียกลักษณะพลังงานนี้ว่า ควอนตัม (quantum)

กลับไปที่การทดลองของไฮเซนเบิร์ก จะพบว่า เราไม่สามารถจำกัดความยาวคลื่นได้ตามที่ต้องการ เพราะการเพิ่มพลังงานจะต้องใช้อย่างน้อย 1 ควอนตัม และพลังงานที่เพิ่มขึ้นนี้ แม้จะทำให้สามารถวัดตำแหน่งของอนุภาคได้แม่นยำมากขึ้น แต่จะยิ่งส่งผลกระทบกับความเร็วของอนุภาคโดยไม่สามารถคาดคะเนได้ หรือกล่าวโดยสรุปคือ ยิ่งวัดตำแหน่งได้แม่นยำมากเท่าใด จะวัดความเร็วได้ถูกต้องน้อยลง และในทางกลับกัน ยิ่งวัดความเร็วได้แม่นยำมากเท่าใด ค่าความแม่นยำของตำแหน่งก็จะน้อยลงเช่นกัน

แนวคิดของไฮเซนเบิร์กนั้น ชี้ให้เห็นว่า เราไม่สามารถรู้ถึงสภาวะปัจจุบันของเอกภพได้อย่างแม่นยำ และดังนั้น เราจะสามารถทำนายปรากฏการณ์ในอนาคตได้อย่างถูกต้องแม่นยำได้อย่างไร

เพื่อเป็นการแก้ปัญหานี้ ไฮเซนเบิร์ก, แอร์วิน ชเรอดิงเงอร์ (Erwin Schrödinger) และ พอล ดิแรก (Paul Dirac) ได้อาศัยหลักการ “มีดโกนของออคคัม” (Occam’s Razor) ที่มีแนวคิดว่า ถ้ามีทฤษฎีทางวิทยาศาสตร์ที่สามารถอธิบายปรากฏการณ์ต่าง ๆ ได้เท่ากันแล้ว ควรเลือกทฤษฎีที่ซับซ้อนน้อยที่สุด จนสามารถพัฒนา "ทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัม" ได้สำเร็จ โดยมีพื้นฐานอยู่บนหลักความไม่แน่นอน หัวใจหลักของทฤษฎีคือ ความเร็วของอนุภาคและตำแหน่งไม่ได้แยกออกจากกัน แต่รวมกันอยู่ในสภาวะควอนตัม

กลศาสตร์ควอนตัมจะไม่สามารถทำนายผลการวัดเพียงครั้งเดียวอย่างถูกต้องแม่นยำ โดยปกติ จะใช้ทำนายถึงความเป็นไปได้ในหลาย ๆ ทาง เช่น ผลจากการวัดระบบใหญ่ ๆ หลายๆครั้ง รูปแบบการทำนายจะบอกว่า เป็นแบบ A ได้กี่ครั้ง แบบ B ได้กี่ครั้ง ลักษณะเช่นนี้เท่ากับนำพาความน่าจะเป็นเข้าสู่อาณาจักรทางวิทยาศาสตร์นั่นเอง

ถึงแม้กลศาสตร์ควอนตัมจะเป็นที่ถกเถียงกันในช่วงแรก ๆ แต่ก็ประสบความสำเร็จอย่างสูง เนื่องจากผลการทดลองหลาย ๆ อย่างสอดคล้องกับทฤษฎี จนเป็นที่ยอมรับของนักวิทยาศาสตร์ในเวลาต่อมา

ในปัจจุบัน กลศาสตร์ควอนตัมกลายเป็นพื้นฐานของวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีสมัยใหม่เกือบทุกแขนง เป็นพื้นฐานของการสร้างทรานซิสเตอร์ (อันเป็นพื้นฐานของคอมพิวเตอร์) และยังเป็นพื้นฐานของหลักชีววิทยาและเคมีแผนใหม่อีกด้วย