จากอณูสู่อาณาจักร (ชีวิต) ตอนที่ 2 ความพัวพันที่พันพัว

ภาพที่ 1. การส่งข้อมูลที่มีการเรียงลำดับชัดเจน
 

         จากตัวอย่างที่ยกมาจะเห็นถึงข้อจำกัดของการส่งข้อมูลเมื่อครั้งอดีตที่ต้องอาศัยตัวกลางอย่าง “ม้าใช้” ในการสื่อสารข้อมูลจากตำแหน่งหนึ่งไปยังอีกตำแหน่งหนึ่งที่อยู่ห่างไกลออกไป หากพิจารณากระบวนการส่งข้อมูลตามสถานการณ์ตัวอย่างโดยคร่าวแล้วจะพบว่าข้อมูลเริ่มต้นจากแหล่งผลิตข้อมูล (เล่าปี่) ส่งต่อไปยังผู้รับสารที่ 1 (กวนอู) จากนั้นจะส่งต่อไปยังผู้รับสารที่ 2 (เตียวหุย) การส่งต่อข้อมูลลักษณะนี้จะมีการเรียงลำดับที่ชัดเจนและเรียบง่าย ไม่มีความซับซ้อนใดๆ ดังแสดงตามภาพที่ 1 

          แต่ถ้าเราพิจารณารายละเอียดปลีกย่อยลงไปอีกสักนิดจะพบถึงความซับซ้อนที่แอบแฝงอยู่ กล่าวคือ ก่อนเล่าปี่จะส่งข้อมูลต้องพิจารณาถึงความเหมาะสมบางประการแล้วว่าควรส่งจดหมายไปถึงกวนอูก่อนหากกวนอูอยู่ในสถานะที่พร้อมทำให้ภาระกิจสำเร็จได้ก็ไม่จำเป็นต้องส่งข้อมูลต่อไปยังเตียวหุย แต่ถ้ากวนอูไม่อยู่ในสถานะที่พร้อมก็จะส่งข้อมูลต่อไปยังเตียวหุยต่อไป พออ่านมาถึงตรงนี้บางท่านอาจเกิดคำถามประเภทมะลองกองแกงขึ้นในความคิด คือ

          1. ทำไมเล่าปี่ถึงไม่ส่งจดหมายไปถึงกวนอูและเตียวหุยพร้อมๆ กัน จะได้ยกทัพมาช่วยทีเดียวเลย? คำตอบ คือ ทุกเมืองจำเป็นต้องคงสถานะความเป็นเมือง หรือกล่าวอีกนัยหนึ่ง คือ ทุกเมืองต้องมีผู้เฝ้าเมืองเพื่อดูแลประชาชนและป้องกันภัยจากศัตรูที่อาจเข้ามาโจมตีหลังทหารออกจากเมือง เพราะฉะนั้นจึงไม่สามารถยกทัพออกไปทั้งหมดพร้อมๆ กันได้ ด้วยเหตุนี้สถานะของแต่ละเมืองจึงมีความสำคัญและจำเป็นต้องคงอยู่

          2. ทำไมเล่าปี่ไม่ส่งจดหมายไปยังเตียวหุยเลยโดยไม่ต้องผ่านกวนอู เพราะเตียวหุยอาจอยู่ในสถานะที่พร้อมมากกว่าก็ได้? คำตอบ คือ ระยะทางมีผลต่อเวลาที่ใช้ในการสื่อสาร ด้วยเพราะกวนอูอยู่ใกล้กว่าเตียวหุย และอีกสิ่งหนึ่งที่มีผลต่อการตัดสินใจของเล่าปี่ คือ เล่าปี่ไม่สามารถคาดเดาสถานะเมืองของเตียวหุยได้ การส่งจดหมายไปถึงเตียวหุยทันทีเป็นสิ่งที่ทำได้ แต่ใครจะไปรู้ว่าในภาวะสงครามที่แต่ละเมืองตั้งอยู่กันไกลเกินกว่า 200 กิโลเมตร จะอยู่ในสถานะไหน อาจกำลังถูกโจมตีอยู่ก็เป็นได้ หรืออาจจะอยู่ในภาวะพร้อมรบก็เป็นไปได้อีก เพราะฉะนั้น เพื่อลดความเสี่ยงจึงต้องส่งจดหมายไปถึงกวนอูที่อยู่ระยะใกล้กว่าและให้กวนอูพิจารณาว่าควรส่งจดหมายต่อหรือไม่ จึงเป็นหนทางที่เสี่ยงน้อยที่สุด

          3. ทำไมเล่าปี่จึงไม่ส่งคนไปตรวจสอบความพร้อมของกวนอูและเตียวหุยเสียก่อน? คำตอบ คือ การจะส่งคนไปตรวจสอบสภาพความเป็นจริงของกองทัพใช่ว่าจะส่งใครไปก็ได้ ถึงแม้จะส่งผู้มีความรู้ความสามารถไปก็ใช่ว่าจะได้ข้อมูลที่แท้จริงออกมา เพราะอย่างที่กล่าวมาแล้วในภาวะสงครามนั้นมีความไม่แน่นอนสูงมากยิ่งโดยเฉพาะในระหว่างการประจันหน้ากัน ถ้ามีพลธนูอยู่ 100 คน ยืนยิงธนูอยู่หน้ากำแพงเมือง แน่นอนว่าอีกฝ่ายย่อมโจมตีเข้ามาอย่างต่อเนื่องทำให้พลธนูล้มตายลงไปบ้าง ในขณะที่ทหารราบถือดาบผ่านมาเห็นผลธนูล้มลงอาจจับธนูขึ้นมายิง แบบนี้เราจะนับทหารคนนั้นเป็นพลธนูหรือทหารราบดี อีกอย่างการส่งคนไปตรวจสอบต้องมีทหารกลุ่มหนึ่งติดตามไปด้วย เมื่อเห็นฝ่ายพันธมิตรรบอยู่ก็คงต้องรบไปกับเขาด้วย จากนั้นก็ต้องส่งม้าใช้ไปรายงานสภาพกองทัพขณะสู้รบไปให้เล่าปี่ทราบ แต่หลังจากสู้รบเสร็จสภาพของกองทัพก็จะเปลี่ยนไป นั่นเท่ากับว่าข้อมูลที่อยู่ในมือเล่าปี่จะไม่ใช่ข้อมูลในสภาพปัจจุบันอีกต่อไป
    
         4. ถึงแม้ว่ากวนอูหรือเตียวหุยได้รับจดหมายแล้วและอยู่ในสถานะที่พร้อมรบ จะแน่ใจได้อย่างไรว่าจะยกทัพไปช่วย? คำตอบ คือ ทั้งสามคน (เล่าปี่ กวนอู เตียวหุย) มีความสัมพันธ์ฉันพี่น้องร่วมสาบาน จึงมั่นใจได้ระดับหนึ่งว่าถ้าได้รับจดหมายและพร้อมรบจะต้องยกทัพมาช่วยอย่างแน่นอน
    
          ด้วยเหตุผลดังที่กล่าวมาแล้วจะพบว่าแค่การส่งข้อมูลจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งในภาวะที่มีความไม่แน่นอนสูงนั้นมีนัยยะที่จะต้องพิจารณาสลับซับซ้อนมากมายแถมยังส่งผลให้โอกาสที่จะประสบความสำเร็จตามจุดประสงค์ที่ตั้งไว้ก็ไม่แน่นอนตามไปด้วย และถ้าหากต้องการให้ผู้รับสารแต่ละจุดได้รับสารเร็วขึ้นคงทำได้แค่วิธีการเดียว คือ การเพิ่มความเร็วของตัวกลาง (ในที่นี้คือม้าใช้) แต่สุดท้ายแล้วก็จะพบกับข้อจำกัดที่ตามมา คือ ตัวกลางมีความเร็วได้แค่ระดับหนึ่งเท่านั้น อาทิเช่นกรณีตัวอย่างที่ยกมา ม้าใช้ต้องขี่ม้าเพื่อไปส่งข้อมูล ม้าวิ่งได้เร็วมากที่สุดตามที่มีการบันทึกสถิติไว้ก็ไม่เกิน 90 กิโลเมตรต่อชั่วโมง ไหนจะมีความเหนื่อยล้าเพิ่มเข้ามาเป็นปัจจัยอีก จึงทำให้การเพิ่มประสิทธิภาพการส่งข้อมูลในลักษณะที่มุ่งเน้นไปที่การเพิ่มความสามารถของตัวกลางถึงทางตัน แล้วจะทำอย่างไรล่ะที่จะทำให้การรับส่งข้อมูลมีประสิทธิภาพมากขึ้นทั้งในด้านความเร็วและการรับรู้ข้อมูลของแต่ละฝ่าย
     
          การแก้ปัญหาอันแสนสับสนและซับซ้อนแถมยังเป็นการเพิ่มประสิทธิภาพของการรับส่งข้อมูลนี้ เจ้าพ่อแผนถุงอย่าง “จูกัดเหลียง” หรือนามรอง “ขงเบ้ง” ได้เคยใช้จริงตามปรากฏในวรรณกรรมสามก๊ก แต่เพื่อความสะดวกในการบรรยาย ผู้เขียนขอสร้างสถานการณ์ขึ้นมาเป็นตัวอย่าง คือ ก่อนออกรบขงเบ้งได้รับมอบหมายจากเล่าปี่ให้สั่งการรบจึงนัดหมายกับแม่ทัพนายกองทั้งหลายให้มาร่วมประชุมแผนการรบ ขงเบ้งเรียกกวนอูและเตียวหุยเข้ามาใกล้ๆ พลางมอบถุงผ้าแพรให้คนละ 1 ถุง จากนั้นใช้พัดขนนกป้องปากกระซิบกับทั้งสองว่า “ในถุงผ้าแพรนี้ ตัวข้าได้เขียนแผนการรบไว้ให้ท่านทั้งสอง หากท่านไปถึงตำแหน่งที่ข้าบอกขอให้เปิดถุงผ้าแพรนี้ออก หากในถุงผ้าแพรใครมีกระดาษทาสีแดงให้หาข้าศึกและเข้ารบกับข้าศึกทันที แต่หากเปิดถุงผ้าแพรแล้วมีกระดาษทาสีดำให้หยุดรอตรงนั้นจนกว่าจะมีข้าศึกเข้ามาหาจึงค่อยรบ” นั่นหมายความว่า ถ้าทั้งสองคนประจำตำแหน่งของตนเองตามที่ขงเบ้งบอกแล้ว กวนอูเปิดถุงผ้าแพรออกพบกระดาษทาสีแดงเขาจะรู้ได้ทันทีว่าตัวเองต้องอยู่ในสถานะที่ต้องทำอะไรและแถมยังรู้อีกว่าเตียวหุยนั้นอยู่ในสถานะที่ทำอะไร โดยไม่จำเป็นต้องให้ม้าใช้ไปสอบถามหรือไปตรวจสอบสถานะของอีกคนหนึ่ง ในขณะเดียวกันเตียวหุยก็จะรู้สถานะของกวนอูเช่นเดียวกัน กระบวนการนี้มีข้อดี คือ ไม่ว่าทั้งสองจะอยู่ห่างกันแค่ไหนก็สามารถรับรู้สถานะของอีกฝ่ายได้ และการรับรู้ข้อมูลในลักษณะนี้รวดเร็วมาก รวดเร็วกว่าการใช้แสงเป็นตัวกลางเสียอีก 
    
          ในทางกลศาสตร์ควอนตัมมีปรากฏการณ์หนึ่งที่สามารถเทียบเคียงได้กับเหตุการณ์ที่สมมติขึ้นมานี้ เราเรียกว่า ความพัวพันเชิงควอนตัม หรือควอนตัมเอนแทงเกินเมนต์ ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นเมื่อคู่หรือกลุ่มของอนุภาคได้ถูกสร้างหรือทำปฏิกิริยาในเชิงของสถานะควอนตัม (quantum state) สถานะควอนตัมของแต่ละอนุภาคไม่สามารถอธิบายได้ว่าจะเป็นไปโดยอิสระจากอนุภาคอื่นๆ แม้ว่าอนุภาคเหล่านั้นจะถูกแยกออกในระยะห่างที่มาก ดังนั้นสถานะควอนตัมจำเป็นต้องอธิบายเป็นลักษณะของทั้งระบบ หรือกล่าวในอีกนัยหนึ่งว่าอนุภาคในระบบที่เล็กมากจะมีความสัมพันธ์กันอย่างน่าอัศจรรย์คล้ายกับว่าอนุภาคคู่นั้นหรือกลุ่มนั้นสื่อสารกันได้อย่างฉับพลันไม่ว่าจะอยู่ห่างกันเพียงใดก็ตาม อย่างไรก็ตาม ความพัวพันเชิงควอนตัมยังเป็นที่ถกเถียงกันอยู่พอสมควรว่าเป็นจริงมากน้อยเพียงใด (หากสนใจความเป็นมาอ่านได้ที่ [1]) สำหรับบทความนี้จะละเลยข้อถกเถียงนั้นและมุ่งไปที่ความสัมพันธ์ของความพัวพันเชิงควอนตัมกับปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในสิ่งมีชีวิตอย่างการสังเคราะห์แสงของกลุ่มแบคทีเรียที่ ศาสตราจารย์ เดวิด ลิดซีย์ (David G. Lidzey) จากมหาวิทยาลัยเชฟฟิลด์ ประเทศสหราชอาณาจักร และคณะ [2] ได้ทำการศึกษาพฤติกรรมของแบบทีเรียชนิด Chlorobaculum tepidum (Cba. Tepidum) ที่ใช้ซัลเฟอร์ในกระบวนการสังเคราะห์แสง (สิ่งมีชีวิตบางชนิดไม่จำเป็นต้องใช้แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ในการสังเคราะห์แสง) ดังภาพที่ 2(a) โดยการนำแบ่งแบคทีเรีย Cba. Tepidum เหล่านี้ออกเป็น 2 กลุ่ม กั้นด้วยกระจกโลหะกึ่งโปร่งใส (semitransparent metallic mirrors) กลุ่มหนึ่งอยู่ด้านล่าง อีกกลุ่มหนึ่งอยู่ด้านบนฐาน (Plinth) ที่แขวนไว้ ซึ่งแบคทีเรียทั้งสองกลุ่มอยู่ในสารละลาย trypan blue (TB) ความเข้มข้นร้อยละ 0.4 ทั้งคู่ ดังแสดงในภาพที่ 2(d)

ภาพที่ 2.  (a) ภาพถ่ายแบคทีเรียชนิด Cba. Tepidum ด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน (TEM) โดยสเกลสีเส้นดำในภาพ คือ 1 ไมโครเมตร (b) ค่าการดูดกลืนสเปคตรัมของแสงของแบคทีเรีย Cba. Tepidum ที่อยู่ในสารละลาย trypan blue (TB) ความเข้มข้นร้อยละ 0.4 (เส้นสีน้ำเงิน) และค่าการดูดกลืนสเปคตรัมของแสงของแบคทีเรีย Cba. Tepidum ที่อยู่ในน้ำ (เส้นสีเขียว) (c) แบคทีเรีย Cba. Tepidum ในสารละลาย trypan blue ที่มีการจับกลุ่มกันสังเคราะห์แสงทำให้ดำรงชีวิตอยู่ได้ (เส้นวงกลมสีเขียว) และไม่รวมกลุ่มกันและตายไปในที่สุด (เส้นวงกลมสีน้ำเงิน) โดยสเกลสีเส้นดำในภาพ คือ 10 ไมโครเมตร (d) แบบจำลองการออกแบบการทดลองในงานวิจัย [2]


          **หมายเหตุ โดยปกติแล้วรงควัตถุของสิ่งมีชีวิตใดใดที่สังเคราะห์แสงได้จะดูดกลืนสเปคตรัมของแสงในช่วงอื่นๆ ที่ไม่ได้มีสีเดียวกับสีของตัวมันเอง ตัวอย่างเช่นดังภาพที่ 3. สมมติถ้าในใบไม้มีรงควัตถุอย่างคลอโรฟิลด์บีเพียงอย่างเดียวมันจะดูดกลืนแสงมากในช่วงความยาวคลื่นแสงน้ำเงินม่วง และสีส้มแดง ส่วนสีเขียวเหลืองที่มันไม่ดูดกลืนหรือดูดกลืนน้อยมันจะสะท้อนออกมาเป็นเหตุให้เรามองเห็นใบไม้เป็นสีเขียวอมเหลือง


           สำหรับสิ่งที่เราคาดไว้ว่าจะเกิดขึ้น คือ แบคทีเรียจะดูดซับแสงในช่วงความยาวคลื่นที่มันใช้ในการสังเคราะห์แสงแบบปกติและสะท้อนช่วงความยาวคลื่นอื่นๆ ออกไปยังแบคทีเรียตัวที่อยู่ใกล้เคียง และตัวที่อยู่ใกล้เคียงก็สะท้อนต่อไปยังตัวอื่นๆ เพราะตัวมันก็ไม่สามารถใช้ความยาวคลื่นนั้นในการสังเคราะห์แสงเช่นเดียวกัน ด้วยการกระทำเช่นนี้จะทำให้แบคทีเรียตัวเดียวที่ได้รับแสงมีใช้ในการดูดกลืนในขณะที่ตัวอื่นๆ ไม่ได้ แต่ทว่าผลการทดลองกลับเป็นไปทางตรงกันข้าม คือ แบคทีเรียบางตัวจะมีเคลื่อนที่มารวมกลุ่มกันและดูดซับแสงในช่วงความยาวคลื่นใกล้เคียงกันจากนั้นจึงสะท้อนช่วงความยาวคลื่นที่ไม่ได้ใช้ในการสังเคราะห์แสงออกมา ดังกลุ่มแบคทีเรียวงสีเขียวในภาพที่ 2(c) จึงทำให้แบคทีเรียกลุ่มนี้ดำรงชีวิตอยู่ได้ ในขณะที่แบคทีเรียบางตัวในภาพที่ 2(c) วงสีน้ำเงิน ไม่เกิดการรวมตัวกัน สุดท้ายแบคทีเรียกลุ่มนี้ตายไปในที่สุด ผลการทดลองนี้ทำให้นักวิจัยกล่าวว่าแบคทีเรียได้แสดงออกซึ่งการสื่อสารกันและแสดงความพัวพันเชิงควอนตัมออกมา [3] นอกจากนี้นักวิจัยยังจำลองผลการทดลองด้วยคอมพิวเตอร์และพบว่าแบคทีเรียบางส่วนอาจจะสูญเสียโปรตีนในส่วนของการสังเคราะห์แสง ทำให้มันดูดกลืนแสงและไม่มีการสะท้อนออกของแสงจากตัวของพวกมัน กล่าวคือ แบคทีเรียกลุ่มนี้กีดกันไม่ให้ตัวอื่นได้รับแสง ด้วยเหตุการณ์นี้ยิ่งแสดงให้เห็นถึงความยุ่งเหยิงในกระบวนการของสิ่งมีชีวิต ซึ่งเหมือนกับระบบของควอนตัมที่ซับซ้อนไม่มีผิด


          ท้ายที่สุดนี้ ข้อสรุปดังกล่าวยังคงรอการสร้างทฤษฏีทางคณิตศาสตร์มารองรับและผลการทดลองที่จะนำมาสนับสนุนข้อสรุปนี้อีกมากเพื่อให้เกิดความแน่ชัดในความพัวพันเชิงควอนตัมที่เกิดขึ้น ถึงอย่างไรก็ตาม แม้ธรรมชาติจะแฝงด้วยความซับซ้อนเท่าไหร่ก็ตาม แต่ธรรมชาติมักแสดงออกมาอย่างง่ายๆ ด้วยความสวยงาม และสร้างความประหลาดใจให้กับเราเสมอ
 

ภาพที่ 3. การดูดกลืนแสงช่วงความยาวคืล่นต่างๆ ของรงควัตถุแต่ละชนิด [4]

 

เรียบเรียงโดย
 
สรายุทธ์ พานเทียน
สาขาวิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยราชภัฏเทพสตรี

 

        อ้างอิง