The phenomenon you saw here for a brief moment is called quantum levitation and quantum locking. And the object that was levitating here is called a superconductor. Superconductivity is a quantum state of matter, and it occurs only below a certain critical temperature.
ปรากฎการณ์ที่คุณได้เห็นเมื่อครู่นี้ เรียกกันว่าการลอยตัวควอนตัม และการยึดตัวควอนตัม และวัตถุที่ลอยตัวอยู่นี้ เรียกว่า ตัวนำยิ่งยวด (superconductor) สภาวะตัวนำยิ่งยวด เป็นสภาวะของสารในระดับเล็กมากๆ และจะเกิดขึ้นภายใต้อุณหภูมิที่ต่ำถึงจุดหนึ่งเท่านั้น
Now, it's quite an old phenomenon; it was discovered 100 years ago. However, only recently, due to several technological advancements, we are now able to demonstrate to you quantum levitation and quantum locking.
นั่นเป็นปรากฎการณ์ที่ค่อนข้างเก่าแล้ว มันถูกค้นพบเมื่อ 100 ปีที่แล้ว อย่างไรก็ตาม เพิ่งจะเมื่อไม่นานมานี้เอง ที่ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีหลายๆ อย่าง ทำให้เราสามารถสาธิตปรากฎการณ์นี้ให้ชมได้ นั่นคือ การลอยตัวควอนตัม และการยึดตัวควอนตัม
So, a superconductor is defined by two properties. The first is zero electrical resistance, and the second is the expulsion of a magnetic field from the interior of the superconductor. That sounds complicated, right? But what is electrical resistance? So, electricity is the flow of electrons inside a material. And these electrons, while flowing, they collide with the atoms, and in these collisions they lose a certain amount of energy. And they dissipate this energy in the form of heat, and you know that effect. However, inside a superconductor there are no collisions, so there is no energy dissipation.
สารตัวนำยิ่งยวด จะมีลักษณะสำคัญสองอย่าง อย่างแรกคือ สภาวะความต้านทานกระแสไฟฟ้าเป็นศูนย์ อย่างที่สองคือ การผลักดันสนามแม่เหล็กจากภายในตัวนำยิ่งยวด ฟังดูยุ่งยากใช่มั้ยครับ? ความต้านทานกระแสไฟฟ้าคืออะไร? กระแสไฟฟ้า ก็คือการไหลของอิเล็กตรอนภายในสสาร และในระหว่างที่อิเล็กตรอนไหลไปมานี้ มันจะชนเข้ากับอะตอมต่างๆ และจากการชนนี้เอง มันจะสูญเสียพลังงานไปบางส่วน พลังงานที่เสียไปจะกระจายตัวไปในรูปของความร้อน ซึ่งคุณคงจะเคยเห็นผลแล้ว ภายในสารตัวนำยิ่งยวด จะไม่มีการชนกันของอิเล็กตรอนเลย จึงไม่มีการสูญเสียพลังงานไป
It's quite remarkable. Think about it. In classical physics, there is always some friction, some energy loss. But not here, because it is a quantum effect. But that's not all, because superconductors don't like magnetic fields. So a superconductor will try to expel magnetic field from the inside, and it has the means to do that by circulating currents. Now, the combination of both effects -- the expulsion of magnetic fields and zero electrical resistance -- is exactly a superconductor.
นั่นเป็นเรื่องที่ยอดเยี่ยมมาก ในฟิสิกส์สมัยก่อน มักจะต้องมีแรงต้านอยู่เสมอ มีการสูญเสียพลังงาน แต่ปรากฎการณ์นี้เป็นผลในระดับควอนตัม จึงไม่เกิดขึ้น ไม่ใช่แค่นั้น เพราะสารตัวนำยิ่งยวด ไม่ชอบสนามแม่เหล็ก มันจึงพยายามที่จะผลักสนามแม่เหล็กออกจากตัว และทำอย่างนั้นโดยการดันกระแสออกไปเป็นวง การรวมตัวกันของปรากฎการณ์ทั้งสอง การผลักสนามแม่เหล็ก และภาวะแรงต้านทานเป็นศูนย์นี้ รวมกันเรียกได้ว่า ตัวนำยิ่งยวด
But the picture isn't always perfect, as we all know, and sometimes strands of magnetic field remain inside the superconductor. Now, under proper conditions, which we have here, these strands of magnetic field can be trapped inside the superconductor. And these strands of magnetic field inside the superconductor, they come in discrete quantities. Why? Because it is a quantum phenomenon. It's quantum physics. And it turns out that they behave like quantum particles.
แต่คุณก็รู้ว่า บางทีอะไรๆ ก็ไม่ได้สมบูรณ์แบบไปเสียหมด บางครั้งก็ยังคงมีสนามแม่เหล็กหลงเหลืออยู่ ภายในตัวนำยิ่งยวด ภายใต้ภาวะบางอย่าง ที่เรามีอยู่ในตอนนี้ สนามแม่เหล็กที่หลงเหลืออยู่นี้ สามารถที่จะถูกกักขังอยู่ภายในตัวนำยิ่งยวดได้ และสนามแม่เหล็กตกค้างเหล่านี้ จะมีปริมาณแน่นอนอยู่จำนวนหนึ่ง ทำไมหรือ ก็เพราะนี่เป็นปรากฎการณ์ระดับควอนตัม เป็นควอนตัมฟิสิกส์ และกลายเป็นว่า สนามแม่เหล็กก็ทำตัวเป็นอนุภาคควอนตัมด้วย
In this movie here, you can see how they flow one by one discretely. This is strands of magnetic field. These are not particles, but they behave like particles. So, this is why we call this effect quantum levitation and quantum locking.
ในคลิปนี้ คุณจะเห็นได้ว่า มันเคลื่อนที่ทีละก้อน สิ่งเหล่านี้คือสนามแม่เหล็กที่เหลืออยู่ ไม่ใช่อนุภาคนะครับ แต่มันทำตัวเหมือนกับเป็นอนุภาค และนี่คือสาเหตุที่เราเรียกมันว่า การลอยตัวควอนตัมและการยึดตัวควอนตัม
But what happens to the superconductor when we put it inside a magnetic field? Well, first there are strands of magnetic field left inside, but now the superconductor doesn't like them moving around, because their movements dissipate energy, which breaks the superconductivity state. So what it actually does, it locks these strands, which are called fluxons, and it locks these fluxons in place. And by doing that, what it actually does is locking itself in place. Why? Because any movement of the superconductor will change their place, will change their configuration.
จะเกิดอะไรขึ้นกับตัวนำยิ่งยวด ถ้าเราเอามันไปอยู่ในสนามแม่เหล็ก อย่างแรกเลยคือ มันมีสนามแม่เหล็กหลงเหลืออยู่ภายใน และตัวนำยิ่งยวดไม่ชอบให้มันเคลื่อนที่ไปมา เพราะการเคลื่อนไหวจะทำให้สูญเสียพลังงาน และทำให้เสียสภาวะตัวนำยิ่งยวดไป ดังนั้น มันจึงทำการยึดสนามแม่เหล็กพวกนั้นไว้ สนามแม่เหล็กตกค้างในตัวนำยิ่งยวดนี้ เรียกกันว่า ฟลักซอน ฟลักซอนพวกนี้จะถูกยึดไว้อยู่กับที่ ทำไมน่ะหรือ ก็เพราะว่าการเคลื่อนที่ ของสารตัวนำยิ่งยวดจะทำให้มันเปลี่ยนสภาพไป
So we get quantum locking. And let me show you how this works. I have here a superconductor, which I wrapped up so it'd stay cold long enough. And when I place it on top of a regular magnet, it just stays locked in midair.
ดังนั้นเราจึงได้การยึดตัวควอนตัม ผมจะแสดงให้คุณดู ผมมีตัวนำยิ่งยวดอยู่ชิ้นหนึ่ง ห่อไว้เพื่อจะคงความเย็นได้นาน เมื่อผมวางมันลงบนแม่เหล็กธรรมดา มันจะถูกยึดตัวลอยค้างกลางอากาศ
(Applause)
(ปรบมือ)
Now, this is not just levitation. It's not just repulsion. I can rearrange the fluxons, and it will be locked in this new configuration. Like this, or move it slightly to the right or to the left. So, this is quantum locking -- actually locking -- three-dimensional locking of the superconductor. Of course, I can turn it upside down, and it will remain locked.
มันไม่ใช่แค่การลอยตัวธรรมดา ไม่ใช่แค่แรงผลักเท่านั้น ผมสามารถจัดเรียงฟลักซอนใหม่ และมันจะถูกยึดตัวไว้ในรูปแบบใหม่ แบบนี้ หรือย้ายมันไปทางซ้ายหรือขวา และนี่คือการยึดตัวควอนตัม ซึ่งเป็นการล็อกสามมิติของตัวนำยิ่งยวด แน่นอน ผมสามารถคว่ำมันแบบนี้ และมันจะยังคงถูกยึดอยู่
Now, now that we understand that this so-called levitation is actually locking, Yeah, we understand that. You won't be surprised to hear that if I take this circular magnet, in which the magnetic field is the same all around, the superconductor will be able to freely rotate around the axis of the magnet. Why? Because as long as it rotates, the locking is maintained. You see? I can adjust and I can rotate the superconductor. We have frictionless motion. It is still levitating, but can move freely all around.
ตอนนี้เราเข้าใจแล้วว่า สิ่งที่เรียกว่า การลอยตัวนั้น ความจริงคือการยึดตัว ครับ เราเข้าใจแล้ว และคุณจะไม่ประหลาดใจถ้าผมจะใช้แม่เหล็กเป็นวงแบบนี้ ซึ่งมีสนามแม่เหล็กลักษณะเดียวกันทั้งวง ทำให้ตัวนำยิ่งยวดสามารถหมุนรอบแกนแม่เหล็กได้อย่างอิสระ นั่นเป็นเพราะว่า ยังมีการยึดตัวอยู่ ในระหว่างที่มันกำลังหมุนเป็นวง เห็นไหมครับ ผมสามารถที่จะปรับมุม และทำให้ตัวนำยิ่งยวดหมุนต่อไปได้ เป็นการเคลื่อนตัวที่ไร้แรงเสียดทาน ยังคงลอยตัวอยู่ แต่ก็เคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ
So, we have quantum locking and we can levitate it on top of this magnet. But how many fluxons, how many magnetic strands are there in a single disk like this? Well, we can calculate it, and it turns out, quite a lot. One hundred billion strands of magnetic field inside this three-inch disk.
เรามีการยึดตัวควอนตัม และทำให้มันลอยตัวอยู่เหนือแม่เหล็กนี้ แต่มันมีฟลักซอนอยู่มากแค่ไหนละ มีสนามแม่เหล็กตกค้างอยู่แค่ไหนในแผ่นแค่นี้ เราสามารถคำนวณได้ครับ และมันก็มีอยู่เป็นจำนวนมาก มีจำนวนถึงหนึ่งแสนล้าน "ก้อน" ของแม่เหล็กในแผ่นขนาดสามนิ้วนี้
But that's not the amazing part yet, because there is something I haven't told you yet. And, yeah, the amazing part is that this superconductor that you see here is only half a micron thick. It's extremely thin. And this extremely thin layer is able to levitate more than 70,000 times its own weight. It's a remarkable effect. It's very strong.
แต่นั่นยังไม่น่าประหลาดใจนักครับ ยังมีสิ่งที่ผมยังไม่ได้บอกคุณอยู่ ที่เจ๋งก็คือ ตัวนำยิ่งยวดที่คุณเห็นอยู่นี้ หนาเพียงแค่ครึ่งไมครอนเท่านั้น มันบางมากจริงๆ และชั้นบางๆ นี้สามารถยกน้ำหนักให้ลอยตัวได้ถึง 70,000 เท่าของน้ำหนัก เป็นปรากฎการณ์ที่เหลือเชื่อ มันแข็งแรงมาก
Now, I can extend this circular magnet, and make whatever track I want. For example, I can make a large circular rail here. And when I place the superconducting disk on top of this rail, it moves freely.
ผมสามารถที่จะยืดขยายแม่เหล็กวงกลมนี้ และทำให้มันเป็นรางอย่างที่ผมต้องการ ตัวอย่างเช่น ผมสามารถสร้างรางวงกลมขนาดใหญ่ และเมื่อวางแผ่นตัวนำยิ่งยวดลงไปบนราง มันจะเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ
(Applause)
(ปรบมือ)
And again, that's not all. I can adjust its position like this, and rotate, and it freely moves in this new position. And I can even try a new thing; let's try it for the first time. I can take this disk and put it here, and while it stays here -- don't move -- I will try to rotate the track, and hopefully, if I did it correctly, it stays suspended.
ไม่ใช่แค่นั้นนะครับ ผมสามารถที่จะปรับตำแหน่งของมัน อย่างนี้ แล้วก็หมุน มันจะเคลื่อนที่ไปได้ในตำแหน่งใหม่ ผมสามารถลองทำสิ่งใหม่ๆ ได้ ลองทำอย่างนี้ดูกันดีกว่า ผมสามารถเอาแผ่นตัวนำ วางไว้อย่างนี้ แล้วในขณะที่มันยังอยู่แบบนี้ อย่าไปไหนนะ ผมจะลองย้ายตัวรางดู และหวังว่า ถ้าผมทำมันได้ถูกต้อง มันจะยังคงลอยค้างอยู่ได้
(Applause)
(ปรบมือ)
You see, it's quantum locking, not levitation. Now, while I'll let it circulate for a little more, let me tell you a little bit about superconductors. Now -- (Laughter) -- So we now know that we are able to transfer enormous amount of currents inside superconductors, so we can use them to produce strong magnetic fields, such as needed in MRI machines, particle accelerators and so on. But we can also store energy using superconductors, because we have no dissipation.
คุณเห็นแล้วใช่มั้ยครับ มันเป็นการยึดตัวควอนตัม ไม่ใช่การลอยตัว ตอนนี้ ระหว่างที่ให้มันวนเป็นวงอยู่นี้ ผมจะเล่าให้คุณฟังเพิ่มเติมเกี่ยวกับตัวนำยิ่งยวด เอาละ (หัวเราะ) เรารู้แล้วว่า ตัวนำยิ่งยวดสามารถนำไฟฟ้าได้จำนวนมาก และเราสามารถใช้มันสร้างสนามแม่เหล็กความเข้มสูงได้ แบบที่ต้องใช้ในเครื่องเอ็มอาร์ไอ หรือเครื่องเร่งอนุภาค แต่เรายังสามารถที่จะเก็บพลังงานไว้ได้โดยใช้ตัวนำยิ่งยวด เพราะมันไม่มีการศูนย์เสียพลังงาน
And we could also produce power cables, to transfer enormous amounts of current between power stations. Imagine you could back up a single power station with a single superconducting cable. But what is the future of quantum levitation and quantum locking? Well, let me answer this simple question by giving you an example. Imagine you would have a disk similar to the one I have here in my hand, three-inch diameter, with a single difference. The superconducting layer, instead of being half a micron thin, being two millimeters thin, quite thin. This two-millimeter-thin superconducting layer could hold 1,000 kilograms, a small car, in my hand. Amazing. Thank you.
เราสามารถสร้างสายไฟฟ้า เพื่อส่งไฟฟ้าปริมาณมากระหว่างโรงไฟฟ้า ลองนึกภาพดูว่า คุณสามารถสำรองไฟฟ้าสำหรับโรงไฟฟ้าได้โดยใช้สายไฟจากตัวนำยิ่งยวดเพียงเส้นเดียว แล้วอะไรคืออนาคตของการลอยตัวควอนตัมและการยึดตัวควอนตัม ผมอยากตอบคำถามนี้ด้วยตัวอย่างอันนี้ ลองนึกภาพดูว่าคุณมีแผ่นดิสก์ ลักษณะคล้ายกับที่ผมมีอยู่ในมือ เส้นผ่าศูนย์กลางสามนิ้ว แตกต่างกันอย่างเดียวคือ ชั้นตัวนำยิ่งยวด แทนที่จะหนาเพียงแค่ครึ่งไมครอน แต่หนาซักสองมิลลิเมตร ซึ่งก็ยังบางมากอยู่ ชั้นตัวนำยิ่งยวดที่หนาสองมิลลิเมตรนี้ จะสามารถยกน้ำหนักได้ถึง 1000 กิโลกร้ม เท่ารถเล็กๆ คันหนึ่ง บนมือของผม น่าทึ่งมาก ขอบคุณครับ
(Applause)
(ปรบมือ)