Lightsaber กับฟิสิกส์ที่เป็นไป(ไม่)ได้

บทความนี้อาจจะมีการพูดถึงเรื่องราวในจักรวาลหลักของ Star Wars ในไตรภาคที่ 1, 2 และ 3 ดังนั้นหากใครยังไม่เคยรับชม อยากให้ไปรับชมกันก่อน แต่ผมเข้าใจว่าคนส่วนใหญ่น่าจะเคยได้สัมผัสเป็นที่เรียบร้อยแล้ว ดังนั้นขอให้เพลิดเพลินกับฟิสิกส์ที่เราจะพยายามงัดมาอธิบายเรื่อง lightsaber กันครับ

Highlights

เกริ่นนำที่มาที่ไปของ Star Wars
อุปสรรคและปัญหาทางฟิสิกส์ในการสร้าง lightsaber
การเสนอแนวคิดปัจจุบันที่น่าจะเป็นไปได้ในการสร้าง lightsaber

เกริ่นนำที่มาที่ไปของ Star Wars

George Lucas ชายผู้ให้กำเนิด Star Wars ซึ่งได้นำเสนอภาคที่สี่หรือ Star Wars: The New Hope ในปี 1977 เป็นภาคแรก ที่เป็นวัตถุดิบชั้นดีในการแนะนำตัวละครที่อ่อนเยาว์ไร้เดียงสาอย่าง Luke Skywalker, ผู้นำกลุ่มต่อต้านวุฒิสมาชิก Leia Organa และ Sith ผู้ชั่วร้ายที่น่าเกรงขามตลอดกาลอย่าง Darth Vader ภายใต้โลกของการแย่งชิงอำนาจของ The empire และสาธารณรัฐ ที่มีการผสมผสานพลังจิตและ light saber ก่อนที่จะสร้างความตกตะลึงให้กับ ภาคต่อมาอย่าง Star Wars: The empire strikes back ที่มาพร้อมกับวลีติดหู “I am your father” และปิดฉากไตรภาคนี้ไปได้อย่างสวยงามกับ Star Wars: The Return of Jedi แม้ว่า Oscar จะตาไม่ถึงพอที่จะให้รางวัลกับหนังตระกูลนี้ แต่ผมมองว่าก็เหมือนกับที่ไอสไตน์ไม่ได้เคยรางวัลโนเบลจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปนั่นแหละ เพราะการนำเสนอและแนวคิดที่ล้ำเกินกว่าแค่คนในวงการนั้นๆ จะเข้าใจ แต่กาลเวลาจะเป็นสิ่งที่ช่วยบอกว่าอะไรคือของจริง

ภาพของ George Lucas (ด้านขวา) และ Jango Fett (ด้านซ้าย)
https://www.todayonline.com/8days/seeanddo/george-lucas-explains-why-he-sold-star-wars-franchise-disney-am-i-going-keep-doing

ความสำเร็จนั้นก็ยังไม่จบเพราะเมื่อเวลาผ่านไป เทคนิคการถ่ายทำได้ไปถึงในจุดที่สรรค์สร้างได้ทุกสิ่งแล้วนั้น ทำให้เกิดไตรภาคก่อนหน้า ที่เล่าเหตุการณ์ในสมัยที่ Jedi ยังปกครองและเฟื่องฟู และภัยร้ายที่มาเยือน ชักนำให้เกิดตัวร้ายตลอดกาล Darth Vader เรื่องราวระหว่างไตรภาคทั้งสองนั้นยังมีเรื่องราวที่เข้มข้นและน่าสนใจ ทำให้ชั่วโมงนี้ไม่พูดถึงซีรี่ส์ Obiwan Kenobi คงไม่ได้แล้ว ต้องขอขอบคุณ Jon Favreau ผู้กำกับ Ironman ที่มาช่วยอุ้มชู Star Wars ใน Mandalorian และ Obiwan Kenobi หลังจากที่กระแสของ Star Wars เริ่มจางหายไปหลังจากไตรภาคที่สามได้ฉาย เนื่องจากการเข้ามาแทรกแซงของ Disney และผู้กำกับที่ไม่เข้าใจมุมมองของ Star Wars อย่างในภาคแปด(เปื้อน) ดังนั้นการมาถึงของซีรี่ส์ Obiwan Kenobi จึงเป็นกระแสที่ทำให้เหล่า geeks ทั้งหลายได้กลับมารวมตัวกันอีกครั้ง

ภาพโปรโมตซีรี่ส์ Obiwan Kenobi
https://www.imdb.com/title/tt8466564/?ref_=tt_mv_close

ใน Star Wars จุดเด่นหลายๆ อย่างที่ทุกคนมองหาคงหนีไม่พ้นเรื่องการต่อสู้ของด้านมืดและด้านสว่าง หรือ The empire และ The rebellion หรือ Sith และ Jedi โดยอาวุธหลักๆ ที่กลุ่มผู้มี Midi-chlorian หรือผู้ใช้พลังนั่นก็คือพลังจิตและ lightsaber ที่ยังคงความเป็นเอกลักษณ์และสร้างแรงบันดาลใจให้กับผู้คนจนถึงปัจจุบัน

ในเรื่องของพลังจิตอาจจะอยู่ใกลเกินเอื้อมจากสิ่งที่เราทราบกันในทุกวันนี้และบทความนี้ยังไม่ได้ไปจับกับหัวข้อนั้น แต่เรื่องของ lightsaber นี่เป็นอะไรที่ดูน่าจับต้องได้มากกว่าและท้าทายว่าเราจะสร้างมันขึ้นมาได้ยังไง แน่นอนว่าโจทย์นี้ไม่ใช่โจทย์ที่ง่ายเลยในการจะหาวิธีสร้างขึ้นมาได้ ความท้าทายที่ว่านี้ผลักดันให้เราพยายามงัดกฎฟิสิกส์ทุกข้อที่เราเข้าใจเพื่อจะหาวิธีสร้าง lightsaber นี้ขึ้นมาให้ได้ เรามาดูอุปสรรคและวิธีการสร้างเทคโนโลยีนี้กันว่าจะได้ใกล้เคียงกับในหนังมากน้อยแค่ไหนกันครับ

อุปสรรคและปัญหาทางฟิสิกส์ในการสร้าง lightsaber

ก่อนอื่นเรามาดูก่อนครับว่า lightsaber คืออะไร หากมองดูจากภายนอก มันมีลักษณะเป็นด้ามจับที่ได้บรรจุกลไกบางอย่างเอาไว้และเมื่อกดปุ่มด้านข้างจะเกิดการกระตุ้นคริสตัลในด้ามให้เกิดลำแสงพุ่งออกมาที่ปลายด้านหนึ่ง ลักษณะของลำแสงจาก lightsaber มีความเป็นเอกลัษณ์ดังนี้

ลำแสงที่พุ่งขึ้นมานี้มีขนาดจำกัดและรูปร่างเหมือนทรงกระบอก อุณหภูมิของลำแสงสูงมากพอจะตัดผ่านโลหะได้สบายๆ ดังนั้นเนื้อเยื่อของสิ่งมีชีวิตไม่สามารถต้านทานได้แน่นอน
ตัวลำแสงของ lightsaber ยังสามารถสะท้อนลำแสงจาก blaster หรือปืนในจักรวาล Star Wars ที่ยิงลำแสงออกมาได้
และลำแสงจาก lightsaber ยังสามารถนำมาฟาดฟันกันได้อีกด้วย แบบเดียวกับการดวลดาบในหนังย้อนยุค แต่ยกระดับไปอีกขั้นซึ่งสร้างความน่าสะพรึงและเร้าใจ หากพลาดแม้แต่นิดเดียว ได้โดนเผาแน่

และนี่คือสิ่งที่ทำให้ lightsaber กลายเป็นอาวุธที่น่ากลัวและทรงพลัง แต่ก็เหมือนกับดาบสองคมหากผู้ใช้งานไม่ได้มีความชำนาญต่ออาวุธนี้ จึงทำให้ lightsaber เป็นอาวุธคู่กายของผู้มีพลัง นอกจากนี้บางท่าการต่อสู้ต้องใช้พลังควบคู่ไปกับการร่ายรำของ lightsaber

ภาพการดวล lightsabers ของ Anakin Skywalker และ Obiwan Kenobi
https://www.cinemablend.com/news/2487282/star-wars-the-10-most-intense-lightsaber-duels-from-the-movies-ranked

ปัญหาหลักของคุณสมบัติของ lightsaber ที่ดูโดยผิวเผินมันค้านกับหลักฟิสิกส์

ตัวลำแสงของ lightsaber มีขนาดจำกัด ในขณะที่แสงเคลื่อนที่ได้ระยะทางอนันต์
ความแข็งเกร็งของลำแสง lightsaber ที่สามารถฟาดฟันกันแบบเดียวกับดาบซึ่งต่างจากแสงที่สามารถเกิดการแทรกสอดจึงไม่สามารถฟาดกันได้

การเสนอแนวคิดปัจจุบันที่น่าจะเป็นไปได้ในการสร้าง lightsaber

เรามาเริ่มต้นด้วยทฤษฎีปัจจุบันที่พยายามจะสร้าง lightsaber กันครับ เนื่องจากเรากำลังสนใจพฤติกรรมของแสง และแสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ดังนั้นเราต้องใช้ทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าจากสมการทั้ง 4 ของ Maxwell ซึ่งสามารถไปอ่านคร่าวๆ ได้จากบทความของผมก่อนหน้านี้นะครับ ตามลิงค์นี้เลย https://theprincipia.co/gravitomagnetic-monopole/

$\vec{\nabla} \cdot \vec{E} = -\frac{1}{\epsilon_0} \vec{\nabla} \cdot \vec{P},$

$\vec{\nabla} \cdot \vec{B} = 0,$

$\vec{\nabla} \times \vec{E} = - \frac{\partial \vec{B}}{\partial t},$

$\vec{\nabla} \times \vec{B} = \frac{1}{c^2}\frac{\partial \vec{E}}{\partial t} + \mu_0 \left( \vec{\nabla} \times \vec{M} + \frac{\partial \vec{P}}{\partial t} \right).$

สมการทั้ง 4 ของ Maxwell อาจจะดูแปลกตาไปจากที่เคยนำเสนอ สังเกตได้จากการมีตัวแปรใหม่อย่าง $\vec{P}$ คือ polarization ที่อธิบายรูปแบบการสั่นของสนามไฟฟ้าที่ได้รับอิทธิพลจากแหล่งกำเนิด โดยแสงซึ่งเป็นคลื่นตามขวางหรือ transverse wave จะมีทิศการสั่นตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่ ซึ่งได้อธิบายไว้ตามรูปด้านล่าง

ภาพแสดงทิศทางการสั่นของแนวสนามไฟฟ้า E ในแนวดิ่ง (สีแดง) และสนามแม่เหล็ก B ในแนวนอน (สีน้ำเงิน) ซึ่งอธิบายการสั่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแบบตามขวางไปในทิศทาง z
ภาพจาก https://en.wikipedia.org/wiki/Polarization_(waves)#/media/File:Electromagnetic_wave2.svg

และ $\vec{M}$ คือ magnetization ซึ่งเป็นสนามเวกเตอร์ที่บอกความเข้มของ magnetic moment จากแหล่งกำเนิด สามารถดูได้จากภาพประกอบด้านล่างนี้ครับ

ภาพแสดงทิศทางของเส้นสนาม magnetic moment โดยบริเวณที่สนามแม่เหล็กแรงจะมีความหนาแน่นของเส้นแรงสูง เช่น บริเวณใกล้ๆ กับแหล่งกำเนิด
ภาพจาก https://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_moment#/media/File:Magnetic_dipole_moment.jpg

ด้วยลักษณะของ lightsaber ที่เป็นลำแสงออกมาจากด้ามจับ ขั้นต่อไปคือการศึกษาลักษณะการเคลื่อนที่ของแสงผ่านการเคลื่อนที่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ดังนั้นจาก 4 สมการของ Maxwell ลดรูปลงมาเหลือสมการคลื่นของสนามไฟฟ้า และสมการคลื่นของสนามแม่เหล็ก ดังนี้

$\left( \frac{1}{c^2} \frac{\partial^2}{\partial t ^ 2} - \nabla^2 \right) \vec{E} = S_1(\vec{P}, \vec{M}),$

$\left( \frac{1}{c^2} \frac{\partial^2}{\partial t ^ 2} - \nabla^2 \right) \vec{B} = S_2(\vec{P}, \vec{M}).$

จากสมการคลื่นทั้ง 2 สมการนี้ เราสามารถอธิบายพฤติกรรมของสนามไฟฟ้าและแม่เหล็กจากด้านซ้ายมือซึ่งจะแทนเป็นพลวัตรของคลื่นที่จะระบุตำแหน่งและเวลาการสั่นของคลื่น ส่วนด้านขวามือจะเก็บข้อมูลของ polarization และ magnetization ที่ได้รับอิทธิพลจากสสารที่แสงเคลื่อนที่ผ่าน ผลเฉลยที่ได้จากทั้งสองสมการคลื่นนี้จะมีคุณสมบัติเชิงเส้นคือ สมมติให้ $E_1$ และ $E_2$ เป็นผลเฉลยของสมการคลื่นไฟฟ้าด้านบน เราจะได้ว่า $E_1 + E_2$ ก็จะเป็นด้วย แต่ในความเป็นจริงคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่วิ่งผ่านสสารไม่จำเป็นจะต้องมีคุณสมบัติเชิงเส้น (linear) เสมอไป หนึ่งในวิธีที่จะสังเกตว่ากรณีที่เราศึกษาเป็นเชิงเส้นหรือไม่ ให้ทำการกระจาย polarization ในเทอมของสนามไฟฟ้า ตามนี้

$\| \vec{P} \| = c_1 \| \vec{E} \| + c_2 \| \vec{E} \|^2 + c_3 \| \vec{E} \|^3 + c_4 \| \vec{E} \|^4 + \ldots.$

คุณสมบัติเชิงเส้นจะหายไปหากสนามไฟฟ้ามีขนาดมากพอจะทำให้เทอมอย่าง $\| \vec{E} \|^2$ , $\| \vec{E} \|^3$ , $\| \vec{E} \|^4$ เริ่มเด่นขึ้นมา และจะทำให้ $\vec{P}$ กรณีที่ศึกษาเป็นแบบไม่เชิงเส้นไป (non-linear) โดยปริยาย โดยปกติแล้วแสงเคลื่อนที่เข้าไปในสสารจะเกิดเปลี่ยนคุณสมบัติของสสารรวมทั้งตัวของแสงเองหากแสงมีขนาดสนามไฟฟ้าหรือแม่เหล็กมากพอ เมื่อส่องแสงลำที่สองเข้าไปจะเกิดการทำอันตรกิริยาของลำแสงทั้งสองผ่านสสารไม่ทางตรงก็ทางอ้อมแบบไม่เชิงเส้น ผลคือเกิดการกระเจิงของลำแสงสองลำที่เรียกว่า light-by-light scattering (https://home.cern/news/news/physics/atlas-observes-light-scattering-light) ซึ่งตรงนี้เป็นสิ่งที่เราอยากให้เกิดขึ้นเพราะเราไม่อยากให้แสงเคลื่อนที่ผ่านกันไปโดยไม่ทำอะไรกันเลย ไม่งั้นก็ไม่ต่างกับการเอาไฟฉายสองอันฉายไฟตัดกัน มันจะไม่เกิดการฟาดฟันกันแบบดาบได้ดังนั้นการกระเจิงของแสงสองลำทำให้มีความเป็นไปได้ที่ ligthsabers สองลำมาเจอกันจะฟาดกันจังๆ แบบในหนังได้ ซึ่งตัวด้ามจับจะต้องปล่อยลำแสงเลเซอร์เพื่อที่จะแก้ปัญหาเรื่องขนาดสนามไฟฟ้าที่เราต้องการปริมาณมหาศาลให้เกิดความไม่เชิงเส้นขึ้นมานั่นเอง แต่ปัญหาอีกอย่างนึงคือ การเกิดคุณสมบัติไม่เชิงเส้นของแสงที่จะทำอันตรกิริยากันได้มันต้องใช้สสารให้แสงเคลื่อนที่ผ่าน แต่จากในหนังตัวลำแสงไม่ได้มีตัวกลางอะไรให้วิ่งนอกจากอากาศ ดังนั้นเราจะมาหาวิธีสร้างตัวกลางจากสุญญากาศกัน

การสร้างตัวกลางแบบไม่เชิงเส้นในสุญญากาศนั้น จะใช้เรื่องอนุภาคเสมือน (virtual particles) ที่ถูกสร้างขึ้นมาในสุญญากาศ โดยแต่เดิมทีเราคิดว่าสุญญากาศนั้นว่างเปล่าไม่มีอะไร แต่จริงๆ สุญญากาศควอนตัม หรือ quantum vacuum สามารถเกิดเหตุการณ์ virtual particles ที่มีอนุภาคและปฏิอนุภาคถูกสร้างขึ้นมาและหายไปในเวลาอันสั้น โดยเป็นผลมาจากความสัมพันธ์ของพลังงานและมวลจากทฤษฎีสัมพัทธภาพ

$\Delta E = \Delta m c^2$

อ่านมาถึงตรงนี้คงจะงงว่า แล้วอยู่ดีๆ เราจะมีอนุภาคจากที่ไหนไม่รู้โผล่ออกมาตรงหน้าได้อย่างไร อันนี้ยืมแนวคิดมาจากกลศาสตร์ควอนตัมในเรื่องความไม่แน่นอนของ Heisenberg โดยปกติแล้วความสามารถในการตรวจวัดของอุปกรณ์จะถูกกำหนดไว้ด้วยความสัมพันธ์ $\Delta E \Delta t \geq h / 2 \pi$ นั่นเปิดโอกาสให้เกิดการสร้าง virtual particles ขึ้นมาและหายไปในช่วงเวลาสั้นๆ และไม่ไปละเมิดกับกฎการอนุรักษ์พลังงานแต่อย่างใด

$\Delta t < \frac{h}{2 \pi \Delta E} = \frac{h}{2 \pi \Delta m c^2}$

ด้วยเวลาที่สั้นมากๆ นั่นจึงทำให้เหตุการณ์ virtual particles สามารถถูกตรวจสอบได้ยากมากๆ ยิ่งมวลที่ถูกสร้างมีค่ามากเท่าไหร่ ช่วงเวลาที่เกิด virtual particles ก็จะสั้นลงมากเท่านั้น ซึ่งในกรณีนี้เราสนใจการเกิดคู่อิเล็คตรอน-โพสิตรอน ซึ่งมีมวลเท่ากัน $\Delta m = m_{e^-} + m_{e^+} = 2 m_e$ และเพื่อให้สามารถสร้าง virtual particles ขึ้นมาได้ อะไรล่ะที่จะเป็นแหล่งในการสร้างมันขึ้นมา ก็ลำแสงเลเซอร์ที่ได้เกริ่นนำไปนอกจากจะทำให้เกิด light-by-light scattering ได้แล้ว ยังถูกนำมาใช้ให้เกิด virtual particles ได้อีก

แผนภาพเพื่อแสดงการเกิด virtual particles ของ อิเล็กตรอนและโพสิตรอน
ภาพจาก https://arxiv.org/pdf/1906.02575.pdf

และหากสังเกตดีๆ เราจะเห็นว่าคู่อิเล็คตอนและโพสิตรอนนี้มีผลรวมประจุเป็นศูนย์ ทำให้เมื่อตอนเกิดเหตุการณ์นี้ขึ้นมา จึงมองได้ว่าเกิด electric dipole หรือคู่ควบประจุ ขึ้นมา ซึ่งในแต่ละคู่จะมีสนามไฟฟ้าเป็นของตัวเอง และถ้าหากเราแอบใส่สนามแม่เหล็กเอาไว้ก่อนที่มันจะถูกสร้าง ณ ตอนที่คู่ควบอิเล็คตอนถูกสร้างก็จะสามารถวางตัวในสนามไฟฟ้าได้ตามภาพนี้

แผนภาพการวางตัวของ virtual particles ในสนามไฟฟ้า $\vec{E}$
ภาพจาก https://arxiv.org/pdf/1906.02575.pdf

เพื่อให้ทุกคนที่อ่านตามทัน ผมจะทำการสรุปรายละเอียดคร่าวๆ ตรงนี้นะครับว่าเรามาถึงตรงไหนกันแล้ว เราพบวิธีที่จะทำให้ให้แสงสองลำสามารถเกิดการกระเจิงกันได้หรือแตะกันแล้วเด้งออก ไม่เคลื่อนผ่านกันไปเหมือนคลื่นทั่วไป การใช้เลเซอร์จะช่วยแก้ปัญหาเรื่องขนาดสนามไฟฟ้าและแม่เหล็กปริมาณมหาศาล อีกปัญหาหนึ่งคือเราต้องการสสารแบบไม่เชิงเส้นที่เป็นสื่อกลางของลำเลเซอร์สองลำ ซึ่งเราแก้ปัญหาเรื่องนี้โดยการใช้ virtual particles ที่จะถูกสร้างขึ้นมาจากสุญญากาศผ่านการเหนี่ยวนำของลำเลเซอร์ที่พลังงานสูงนั่นเอง

แต่ปัญหาในด้านเทคนิคที่เลี่ยงไม่ได้ก็มาบังเกิด เพราะจากการคำนวณใน https://arxiv.org/pdf/1906.02575.pdf ได้บอกเราว่าต้องใช้เลเซอร์ที่มีสนามไฟฟ้าสูงถึง $E = 10^{15} V/M$ ซึ่งเราทำได้ก็จริงแต่ปล่อยออกมาเป็นคลื่นสั้นๆ ในเวลาเพียงแค่ 10-100 เฟมโตวินาที หรือ 10-100 $\times 10^{-15}$ วินาที ดังนั้นหากอยากจะทำ lightsaber ออกมาได้จริงโดยอิงจากทฤษฎีที่อ้างมาในวันนี้ เราอาจจะต้องไปแก้ปัญหาขีดจำกัดของเลเซอร์ที่มีความเข้มสูงให้สามารถปลดปล่อยพลังงานได้นานขึ้น หรือ เราอาจจะหาทฤษฎีใหม่ที่สามารถทำให้เป็นจริงได้ง่ายกว่านี้

พูดคุยกันท้ายบทความ

จริงๆ เรื่องนี้ผมอยากเขียนมานานมากแล้ว แต่เนื่องจากเวลาไม่เอื้ออำนวยต่อการไปอ่านในบทความวิชาการสักเท่าไหร่ เลยทำให้กว่างานเขียนจะออกมาก็เกือบจะถึงตอนสุดท้ายของซีรี่ส์ Obiwan Kenobi ที่ฉายทาง Disney plus และ Disney plus Hotstar ในบ้านเรา หวังว่าบทความนี้จะเป็นหนึ่งในแรงบันดาลใจให้หลายๆ ท่านได้ขบคิดกันต่อเกี่ยวกับเรื่องความเป็นไปได้ในการสร้าง lightsaber โดยอ้างอิงมาจากทฤษฎีทางฟิสิกส์ที่เราทราบกันในวันนี้ จริงๆ ยังมีอีกหลายทฤษฎีที่ถูกเสนอมา ลองอ่านแล้วมาแลกเปลี่ยนกันได้นะครับ ถ้าชื่นชอบในบทความวิทยาศาสตร์ทำนองนี้อย่าลืมกดติดตามทั้งในเพจ Facebook ของพวกเรา และเข้ามาอ่านเนื้อหาวิทยาศาสตร์ใน The Principia ได้เรื่อย ๆ นะครับ รอดูกันว่าครั้งต่อไปจะเป็นเรื่องอะไร เจอกันครับ