Discoveries in Physics : The Law of Falling Bodies
ความนิยมของผู้ชม: / 6
แย่มากดีมาก 

 
 

Discoveries in Physics : The Law of Falling Bodies

โลกของเรานี้เกิดขึ้นมานานแล้ว ชาวกรีกโบราณ คือคนกลุ่มแรกที่พัฒนาความคิดที่ว่า ธรรมชาติดำเนินไปตามกฎเกณฑ์บางอย่าง ซึ่งถือเป็นความก้าวหน้าอย่างมากในสมัยนั้น พวกเขาสร้างแนวคิดให้คนรุ่นต่อมาเชื่อว่า เอกภพ (Universe) ทำงานได้อย่างไร เคลื่อนไหวได้อย่างไร แต่ปัญหาก็คือ แนวคิดส่วนใหญ่นั้น ไม่ถูกต้อง เป็นเพราะว่าบางครั้ง กฎทางฟิสิกส์ดูเหมือนจะสวนทางกับสามัญสำนึกของผู้คนทั่วไป ตัวอย่างเช่น การค้นพบเรื่องแรกของเรา

ตลอดสองพันปีที่ผ่านมานี้ ผู้คนเชื่อกันว่า ของที่มีน้ำหนักมากจะตกถึงพื้นเร็วกว่าของที่มีน้ำหนักเบา นี่คือแนวคิดดั้งเดิมที่มาจากข้อสังเกตของนักปราชญ์ชาวกรีกที่ชื่อว่า อริสโตเติล (Aristotle) และผู้คนก็เชื่อเขา เพราะมันสอดคล้องกับสามัญสำนึกของผู้คนทั่วๆ ไป ที่ว่า ถ้าเราทดลองทิ้งวัตถุมวลต่างกัน มันจะตกลงสู่พื้นในอัตราเร็วที่ต่างกัน ตัวอย่างเช่น ถ้าเราทดลองทิ้งขนนก และลูกปิงปอง ถึงแม้จะเป็นวัตถุที่มีน้ำหนักเบาทั้งคู่ แต่มันจะตกลงมาด้วยความเร็วที่ต่างกัน

แต่ในศตวรรษที่ 17
กาลิเลโอ กาลิเลอี (Galileo Galilei) ตัดสินใจทดสอบกฎของอริสโตเติล การทดสอบของเขาประกอบไปด้วยการทิ้งลูกบอลที่มีมวลต่างกันบนยอด หอเอนเมืองปิซ่า (Leaning Tower of Pisa)

กาลิเลโอ ตั้งสมมติฐานที่ว่า การที่วัตถุซึ่งหนักกว่า ดูเหมือนจะตกถึงพื้นเร็วกว่าวัตถุที่เบานั้น เป็นเพราะแรงต้านของอากาศ ดังนั้น แรงต้านของอากาศจึงทำให้วัตถุน้ำหนักเบา (แรงต้านอากาศมาก) ตกช้ากว่าวัตถุน้ำหนักมาก (แรงต้านอากาศน้อย)

วันที่ 26 กรกฎาคม 1971 ยานอพอลโล 15 พร้อมด้วยนักบินอวกาศ 3 คน (David R. Scott, James B. Irwin, Alfred M. Worden) ออกเดินทางจากพื้นโลก พวกเขาใช้เวลา 4 วันในการเดินทางไปยังดวงจันทร์ และหนึ่งในหลายๆ สิ่งที่พวกเขาทำบนดวงจันทร์ก็คือ การทดลองทางวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับการตกของวัตถุในสุญญากาศ
 


 
-David R. Scott :

 

Well, in my left hand, I have a feather; in my right hand, a hammer. And I guess one of the reasons we got here today was because of a gentleman named Galileo, a long time ago, who made a rather significant discovery about falling objects in gravity fields. And we thought where would be a better place to confirm his findings than on the Moon.

ในมือซ้ายของผม คือ ขนนก ในมือขวา คือ ค้อน เหตุผลหนึ่งที่พวกเรามาที่นี่ในวันนี้ ก็เพราะคุณ กาลิเลโอ ซึ่งเป็นผู้ค้นพบเกี่ยวกับการตกของวัตถุในสนามที่มีแรงโน้มถ่วง และพวกเราก็คิดว่า ที่นี่ ดวงจันทร์ จะเป็นที่ที่จะยืนยันการค้นพบของเขาได้เป็นอย่างดี

And so we thought we'd try it here for you. The feather happens to be, appropriately, a falcon feather for our Falcon. And I'll drop the two of them here and, hopefully, they'll hit the ground at the same time.

ผมจะทิ้งทั้งสองอย่างที่อยู่ในมือผม แล้วหวังว่า มันจะตกลงถึงพื้นพร้อมกัน

How about that! Which proves that Mr. Galileo was correct in his findings.

เป็นไงครับ นี่คือการพิสูจน์ว่า คุณกาลิเลโอ ถูกต้อง

 

 

เราทำการทดลองนี้ก็เพื่อทดสอบสมมติฐานของกาลิเลโอ ที่ว่า วัตถุทุกชนิดเมื่อปราศจากแรงต้านอากาศ มันจะตกถึงพื้นด้วยความเร็วที่เท่ากัน โดยไม่ขึ้นกับมวล การที่เราไม่สามารถทำการทดลองแบบนี้เมื่อ 400 ร้อยปีที่แล้วได้ ก็เพราะเราไม่สามารถหาสถานที่ที่อยู่ในสภาวะสุญญากาศอย่างเช่นที่ดวงจันทร์ได้ความท้าทายของกาลิเลโอ ต่อกฎของอริสโตเติล คือจุดเปลี่ยนทางด้านวิทยาศาสตร์ นับเป็นจุดเริ่มต้นของการทดสอบกฎทางวิทยาศาสตร์ และการทดลองของกาลิเลโอกับวัตถุที่ร่วงหล่น ทำให้เราเข้าใจเรื่องการเร่ง ความเร็ว ที่เกิดจากแรงโน้มถ่วง

การค้นพบเรื่องต่อไป เป็นของ เซอร์ ไอแซค นิวตัน (Sir Isaac Newton) เขาเกิดในประเทศอังกฤษ ปีเดียวกับที่กาลิเลโอเสียชีวิต ในตำนานได้กล่าวไว้ว่า วันหนึ่งขณะที่นิวตันกำลังพักผ่อนอยู่ในสวนผลไม้ เขาก็เห็นผลแอปเปิลหล่นลงมาจากต้น เหตุการณ์ง่ายๆ เพียงเท่านี้ ทำให้เขาสงสัยว่า ทำไมแอปเปิลจึงร่วงลงสู่พื้นดิน ขณะที่ดวงจันทร์ กลับยังคงลอยเด่นอยู่บนฟ้า นี่คือจุดเริ่มต้นแห่งความหยั่งรู้ของชายหนุ่มผู้นี้ เมื่อต่อมาเขาพบว่า แรงโน้มถ่วงเดียวกันนี้ มีผลต่อทั้งแอปเปิลและดวงจันทร์ด้วย

ถ้าท่านลองนึกดู ท่านอาจจะคิดได้ว่า มีอะไรบางอย่างที่ดึงผลแอปเปิลให้ร่วงหล่นลงมา แต่สิ่งที่ยอดเยี่ยมที่สุดก็คือ นิวตันสามารถคิดได้ไกลว่านั้น จากผลแอปเปิลไกลไปถึงดวงจันทร์ เขาตระหนักว่า พลังนี้มีอยู่ทั้งทุกหนทุกแห่งและเป็นสิ่งที่ไม่เคยมีใครคิดมาก่อน

นิวตันให้เหตุผลว่า ขณะที่ดวงจันทร์พยายามเดินทางเป็นเส้นทางในอวกาศผ่านโลกไป แรงโน้มถ่วงของโลกก็ดึงดูดดวงจันทร์ให้เข้ามาหา สิ่งนี้เองที่ทำให้ดวงจันทร์ติดอยู่ในวงโคจรรอบโลก แต่ดวงจันทร์เองก็ดึงดูดโลกเช่นกันด้วยแรงโน้มถ่วงของมัน นิวตันค้นพบสิ่งที่เรียกว่า
กฎแรงโน้มถ่วงของนิวตัน (Newton' s law of gravitation) และ ความสัมพันธ์นี้ สามารถใช้ได้กับทุกสิ่งในเอกภพ ไม่ว่าจะเป็นแอปเปิล ดวงจันทร์ หรือดาวเคราะห์ เมื่อแรงโน้มถ่วงของวัตถุที่ใหญ่ๆ เช่น ดวงจันทร์ ที่มีผลต่อโลก ก็อาจจะมีบางสิ่งบางอย่างเกิดขึ้นได้ อย่างเช่น ภาวะ น้ำขึ้น น้ำลง ในมหาสมุทร

 



 


น้ำในมหาสมุทรด้านที่ใกล้ดวงจันทร์ จะได้รับแรงดึงดูดจากดวงจันทร์มากกว่าน้ำอีกฟากหนึ่งของโลก แรงดึงดูดนั้นจะดูดน้ำที่ผิวโลกส่วนหนึ่งให้มารวมอยู่ทางด้านที่ใกล้กับดวงจันทร์มากที่สุด เรียกว่า น้ำขึ้น ส่วนที่อยู่ไกลจากดวงจันทร์ก็จะได้รับแรงดึงดูดน้อยลง และเมื่อโลกเราหมุนไป รอยโป่งด้านที่น้ำขึ้นก็เคลื่อนตัวไปตามการหมุน ทำให้มีน้ำขึ้นและก็น้ำลง

การที่นิวตันพบว่า วัตถุทุกอย่างมีแรงโน้มถ่วงของตัวเอง คือการค้นพบที่สำคัญในทางวิทยาศาสตร์ แต่การค้นพบเรื่องต่อไปนั้น แสดงให้เห็นว่า เขาไม่ได้หยุดอยู่เพียงแค่นั้น

สำหรับหลายๆ คน เซอร์ไอแซค นิวตัน คือนักฟิสิกส์ และนั่นเป็นเพราะว่า หนังสือสามเล่มที่เขาเขียน มีการกล่าวถึงการค้นพบอันยิ่งใหญ่ครั้งที่ 2 ของนิวตัน นั่นคือ กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน (Newton's Laws of Motion) กฎนี้ได้อธิบาย การเคลื่อนไหวของวัตถุ

เพื่อช่วยให้เข้าใจถึงกฎการเคลื่อนที่ 3 ข้อให้มากขึ้น ให้เราลองนึกภาพการเล่นฮอกกี้น้ำแข็งดู
 


เริ่มแรก เมื่อเราตีลูกฮอกกี้ออกไป ลูกฮอกกี้จะลื่นไถลไปบนพื้นน้ำแข็งเรื่อยๆ มันจะเคลื่อนที่อย่างไร้แรงเสียดทาน มันจะเลื่อนไปเรื่อยๆ และเมื่อเราฟาดไม้เข้าใส่ลูก มันจะเร่งความเร็ว และธรรมชาติของการเร่งนั้น มันจะเริ่มจากจุดที่นิ่ง ไร้การเคลื่อนไหว ไปจนถึงการเร่งความเร็วตามที่อธิบายตามกฎข้อที่ 2 เราสามารถคำนวณได้โดยใช้กฎข้อ 2

ส่วน
กฎข้อ 3 บอกพวกเราว่า เวลาเราใช้ไม้ตีลูก ไม้จะได้รับแรงปะทะจากลูกฮอกกี้ เท่ากับแรงที่ไม้กระทบลูก หรือพูดอีกอย่างหนึ่งก็คือ ถ้าหากมีนักฮอกกี้คนหนึ่ง ต่อยอีกฝ่ายหนึ่งที่หน้า เขาคงจะมือหักพร้อมๆ กับที่อีกฝ่ายหนึ่งก็กรามหักด้วย

กฎการเคลื่อนไหวของนิวตัน คือความเข้าใจในกลไกการทำงานของเอกภพ มันกลายเป็นรากฐานของสิ่งที่เรียกกันในปัจจุบันว่า ทฤษฎีฟิสิกส์ดั้งเดิม (Classical physics

นี่คือการทำงานของศาสตร์แห่งเทอร์โมไดนามิกส์ (Thermodynamics) ศาสตร์ของความร้อน ที่เปลี่ยนเป็นพลังงานกล แรงผลักดันเบื้องหลังการปฏิวัติอุตสาหกรรม

พลังงานความร้อน สามารถเปลี่ยนให้เป็นพลังงานเคลื่อนไหวได้ ด้วยการหมุนข้อเหวี่ยงหรือลูกสูบหรือกังหันเพื่อใช้ในการปั๊มน้ำ หมุนเครื่องทอผ้าให้ผลิตผ้าเป็นผืนออกมา หรือดันเรือให้แล่นไปในน้ำ ดันรถไฟให้เคลื่อนไปตามราง แต่สิ่งที่มนุษย์เราต้องการก็คือ เคลื่อนที่ไปให้ไกลที่สุด ให้คุ้มค่ากับเงิน ทำงานให้ได้มากที่สุด จากเชื้อเพลิงที่ต้องใช้ไป นักวิทยาศาสตร์จึงเริ่มศึกษาว่า เครื่องยนต์ ความร้อน เครื่องจักรไอน้ำ ทำงานได้อย่างไร

หนึ่งในผู้ทำการศึกษาก็คือ นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันที่ชื่อว่า รูดอล์ฟ เคลาซิอุส (Rudolf Clausius) ผู้สร้างการค้นพบครั้งใหญ่ ในปี ค.ศ.1865 เป็นที่รู้จักกันว่า กฎข้อที่ 2 ของเทอร์โมไดนามิกส์



 

กฎนี้กล่าวว่า ในการแลกเปลี่ยนพลังงานใดๆ อย่างเช่น การทำให้น้ำร้อนขึ้นในเครื่องจักรไอน้ำ พลังงานบางอย่างมักจะสิ้นเปลืองไปอย่างเปล่าประโยชน์ เคลาซิอุส บัญญัติศัพท์ว่า เอนโทรปี (Entropy) เพื่ออธิบายว่า เหตุใดประสิทธิภาพของเครื่องจักรไอน้ำจึงมีจำกัด เพราะว่ามีพลังงานบางส่วนสูญเสียไปในกระบวนการเปลี่ยนมันให้เป็นพลังงานกล นับเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญที่เปลี่ยนความเข้าใจการทำงานในด้านพลังงานของมนุษย์เรา

ไม่มีเครื่องยนต์ใดที่จะมีประสิทธิภาพเต็ม 100% เวลาที่รถเคลื่อนที่ พลังงานที่จะเข้าไปในรถในรูปของน้ำมัน ถูกใช้ไปมากแค่ไหนระหว่างที่รถยนต์เคลื่อนที่ พลังงานบางส่วนไปอยู่ที่การทำให้พื้นผิวถนนร้อน ทำใช้ยางล้อร้อน ลูกสูบในเครื่องยนต์ร้อนขึ้น เสื่อมสภาพ ชิ้นส่วนผุพัง เหล่านี้นับเป็นการสิ้นเปลืองพลังงานทั้งสิ้น

ขณะที่กฎข้อที่ 2 ของเทอร์โมไดนามิกส์ เป็นแรงผลักดันเบื้องหลังการปฏิวัติอุตสาหกรรม การค้นพบเรื่องต่อไปของเรา ช่วยผลักดันโลกให้เข้าสู่ยุคใหม่
 

หนึ่งในความสามารถทางวิศวกรรมที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของศตวรรษที่ 20 ก็คือ เขื่อนฮูเวอร์ (Hoover Dam) เขื่อนนี้สูงถึง 726 ฟุต และหนักถึง 6 ล้าน 6 แสนตัน เครื่องปั่นไฟ 17 เครื่องของเขื่อนนี้ สามารถผลิตไฟฟ้าได้เกือบ 3 ล้านแรงม้า เป็นพลังงานไฟฟ้าที่ใช้สนามแม่เหล็ก


 


นักวิทยาศาสตร์ได้คิดค้นวิธีสร้างแม่เหล็กจากไฟฟ้า โดยทำให้กระแสไฟฟ้าวิ่งผ่านวงสายไฟ และผลที่ได้ก็คือ "แม่เหล็กไฟฟ้า" (electromagnet) นั่นเอง และเมื่อเราเดินกระแสไฟฟ้า มันก็จะเกิดสนามแม่เหล็กขึ้นมา แต่ถ้าเราตัดไฟ สนามแม่เหล็กนั้นก็จะหายไปด้วย

ปี ค.ศ.1831 ช่างเข้าเล่มหนังสือผู้สนใจเรื่องไฟฟ้าชื่อว่า
ไมเคิล ฟาราเดย์ (Michael Faraday) เป็นคนแรกที่สามารถพลิกกลับกระบวนการนั้นได้ โดยใช้สนามพลังแม่เหล็กที่เคลื่อนไหวในการสร้างไฟฟ้าขึ้นมา เครื่องปั่นไฟรูปแบบเรียบง่ายที่สุด เป็นเพียงขดลวดระหว่างเสาแม่เหล็ก ไมเคิล ฟาราเดย์ พบว่า เวลาที่แม่เหล็กและเส้นลวดขยับเข้าใกล้กัน กระแสไฟฟ้าจะวิ่งผ่านทะลุสายลวดนั้น เครื่องปั่นไฟทุกเครื่องก็ทำงานบนหลักการง่ายๆ นี้

ฟาราเดย์ เก็บบันทึกลับเกี่ยวกับการทดลองของเขาเอาไว้ แต่ว่าหลายปีต่อมา มันกลับเป็นสิ่งที่มีค่ามากสำหรับนักฟิสิกส์ที่ชื่อว่า
เจมส์ คลาร์ก แมกซ์เวลล์ (James Clerk Maxwell) ที่ใช้พวกมันทำให้เราเข้าใจว่า แม่เหล็กไฟฟ้านั้น ทำงานอย่างไร

ปี ค.ศ.1905 โลกวิทยาศาสตร์กลับต้องพลิกผัน นี่เป็นหนึ่งในหลากหลายทฤษฎีสุดแหวกแนว ที่สร้างโดยนักวิทยาศาสตร์หนุ่ม ไร้ชื่อเสียง ที่ทำงานในสำนักงานสิทธิบัตร เมืองเบินร์ สวิตเซอร์แลนด์ (Swiss Patent Office) ชายผู้นี้มีชื่อว่า อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein)

มิชิโอะ คาคุ (Dr. Michio Kaku) นักฟิสิกส์ทฤษฎีชาวอเมริกันเชื้อสายญี่ปุ่น ที่ The City University of New York กล่าวไว้ว่า ไอน์สไตน์ เคยพูดว่า "แนวคิดทั้งหมด ควรถูกนำเสนอให้กับเด็กๆ ฟัง ถ้าเด็กไม่เข้าใจ ทฤษฎีนั้นก็จะไร้ค่า ตอนที่เขายังเป็นเด็ก เขาอ่านหนังสือเด็ก เราเพิ่งจะมีไฟฟ้าตอนช่วงเปลี่ยนศตวรรษนี้ ซึ่งเป็นช่วงที่ผู้คนต่างสนใจในโทรเลข ตอนนั้นมีหนังสือเล่มหนึ่งเขียนว่า ลองนึกถึงตัวเองวิ่งแข่งกับสัญญาณโทรเลขภายในเส้นลวดดูซิ นั่นคือจุดที่เราคิดว่า ไอน์สไตน์ ได้รับแนวคิดที่ยิ่งใหญ่นี้มาจากหนังสือเด็กนั่นเอง"

ตอนที่ ไอน์สไตน์ ยังเป็นวัยรุ่น เขาได้รับแรงบัลดาลใจจากความจำในหนังสือเด็ก เขาคิดขึ้นมาว่า จะเกิดอะไรขึ้นหากเขาขี่ลำแสงได้ เขาครุ่นคิดถึงแนวคิดนั้นถึง 10 ปี และเริ่มคิดถึงเกี่ยวกับ แสง เวลา และพื้นที่ เขาพบว่า ทฤษฎีพื้นที่และเวลาของ
นิวตันนั้นคงที่ และไม่สามารถนำมาใช้เกี่ยวกับความเร็วของแสงได้ จากแนวคิดนี้ เขาได้สร้างสิ่งที่เขาเรียกว่า ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ (Special relativity)

ในโลกของนิวตัน พื้นที่และเวลา แยกจากกันเสมอ หากบนโลกเป็นเวลา 10 นาฬิกา ดาวศุกร์ก็จะ 10 นาฬิกา ดาวพฤหัสก็จะ 10 นาฬิกา เป็นเวลาเดียวกันทั่วทั้งเอกภพ เวลาเป็นเหมือนลูกศร เมื่อยิงไปแล้ว มันจะไม่กลับมา ไม่เบี่ยงเบน แต่ไอน์สไตน์บอกว่า อย่าเพิ่งด่วนสรุปแบบนั้น เขาบอกว่า เวลาเป็นเหมือนสายน้ำ สายน้ำที่ไหลเอื่อยไปรอบดวงดาวต่างๆ เร่งความเร็วได้ และชะลอลงได้ แต่หากว่า พื้นที่และเวลาเปลี่ยนได้ ทุกอย่างก็จะเปลี่ยนไป ทุกอย่างที่เรารู้เกี่ยวกับ
อะตอม ทุกอย่างเกี่ยวกับร่างกายและเอกภพก็จะเปลี่ยนไป เมื่อเวลาและพื้นที่เปลี่ยนไป

ไอน์สไตน์ได้แสดงทฤษฎีของเขา ด้วยสิ่งที่เราเรียกกันว่า การทดลองทางความคิด
 


 


การทดลองทางความคิดที่โด่งดังที่สุด คือเรื่องของฝาแฝด เช่น คุณมีแฝดอยู่ 2 คนบนโลก ส่งคนหนึ่งขึ้นจรวดไปนอกโลกที่เร่งความเร็วเกือบเท่ากับความเร็วแสง เวลาของเขาก็จะช้าลง และเมื่อให้สองมาพบกันอีกครั้ง แฝดในจรวดจะมีความอ่อนวัยกว่าแฝดบนโลก เวลาทั่วเอกภพเดินไปไม่เท่ากัน มันขึ้นอยู่กับความเร็ว ยิ่งเคลื่อนไหวเร็ว เวลาก็จะยิ่งช้าลง

เมื่อกี่เดือนหลังการตีพิมพ์ทฤษฎีสัมพัทธภาพออกมา ไอน์สไตน์ก็สร้างผลงานชิ้นสำคัญของเขาต่อไปอีก นับเป็นสมการที่โด่งดังที่สุด เท่าที่เคยมีการค้นพบมา

นี่คือสมการที่โด่งดังที่สุด ไอน์สไตน์ใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพ (Theory of Relativity) แสดงให้เราเห็นว่า เมื่อคุณใช้ความเร็วเท่ากับแสง เวลาจะหมุนช้าลง พื้นที่จะหดตัว แล้วคุณจะตัวหนักขึ้น ยิ่งไปเร็ว ตัวก็จะยิ่งหนัก พลังงานจากการเคลื่อนไหวทำให้ตัวคุณหนักขึ้น

ไอน์สไตน์จินตนาการถึงไฟฉายที่ฉายลำแสงออกมา เขารู้แน่ว่ามีพลังงานออกมาจากไฟฉายมากเท่าไร แต่เขาแสดงให้เห็นว่าไฟฉายนั้นจะมีน้ำหนักน้อยลง ไฟฉายจะมีน้ำหนักน้อยลงเมื่อฉายแสงออกมา ดังนั้น พลังงาน (E) ของแสงจึงมาจาก มวล (m) ของกระบอกไฟฉาย และสัดส่วนเท่ากับ c2 นั่นคือสิ่งที่เกิดขึ้น


สมการของเขายังให้เบาะแสถึงพลังงานมหาศาลที่มีอยู่ในสสาร แม้จะเล็กน้อยเพียงเท่านี้ เช่น ถ้าเราโยนลูกบอลใส่อีกคนหนึ่ง ยิ่งโยนเร็ว มันก็จะยิ่งมีพลังมาก การค้นพบของไอน์สไตน์เป็นก้าวใหญ่สำหรับนักวิทยาศาสตร์ เป็นภาคแรกที่เราได้เห็นอำนาจของอะตอม ขณะที่นักวิทยาศาสตร์พยายามย่อยมันลงไป และการค้นพบเรื่องต่อไปนั้น ก็ทำให้วงการวิทยาศาสตร์ต้องพลิกผันอีกครั้งหนึ่ง

ควอนตัมนี้เป็นก้าวเล็กที่สุดที่เกิดขึ้นในธรรมชาติ แต่ว่ามันกลับเป็นก้าวที่มีความยิ่งใหญ่ในด้านความคิดมนุษย์เรา Subatomic หรือว่าอนุภาคต่างๆ ในอะตอม อย่างเช่น อิเล็กตรอน จะเคลื่อนที่จากจุดหนึ่งไปจุดหนึ่ง โดยปราศจากการครอบครองพื้นที่ระหว่างนั้น สิ่งที่เป็นไปไม่ได้ในโลกธรรมดา แต่กลับเป็นเรื่องปกติในเรื่องของอะตอม ในโลกของ Subatomic อะตอมหรือส่วนประกอบอื่นๆ เป็นไปตามกฎที่แตกต่างกับกฎของสสารขนาดใหญ่โดยสิ้นเชิง นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันที่ชื่อว่า มักซ์ พลังค์ (Max Planck) เรียกกฎใหม่นี้ว่า ทฤษฎีควอนตัม (Quantum theory)

ทฤษฎีควอนตัมเกิดขึ้นราวยุค 1900 เพราะว่าเกิดวิกฤตกับการทำงานด้านฟิสิกส์อย่างหนัก มีการค้นพบปรากฏการณ์ใหม่ที่ละเมิดกฎของนิวตัน ตัวอย่างเช่น
มารี คูรี (Marie Curie) ปรับปรุงสิ่งที่เรียกว่า เรเดียม (Radium) เรเดียมมีคุณสมบัติพิเศษในการเรืองแสง พลังงานเกิดขึ้นจากความว่างเปล่า อนุภาคเกิดจากความว่างเปล่า สิ่งนั้นจึงละเมิดการประหยัดพลังงาน เพราะว่า พลังงานเกิดขึ้นจากความว่างเปล่า

ในยุค 1900 คนคิดว่าพลังงานเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง คุณสามารถตัดไฟฟ้าหรือแม่เหล็กได้ ตัดให้มันเล็กลงได้เรื่อยๆ จนไม่รู้จบ จน มักซ์ พลังค์ นักฟิสิกส์ผู้ยิ่งใหญ่ก็กล้าที่จะบอกว่า พลังงานเกิดขึ้นเป็นกลุ่มเรียกว่า ควอนต้า (quanta)

ที่เขากล่าวเช่นนั้นก็เพราะว่า ถ้าเขาสันนิษฐานว่า
แสงมาเป็นกลุ่มก้อน คุณจะสามารถอธิบายปรากฏการณ์ต่างๆ ที่เราเห็นในระดับพื้นฐาน ในระดับอะตอมได้ว่า มันมีผลมาจากควอนตัม พลังงานเกิดขึ้นเป็นกลุ่มก้อน และยังหมายความว่า สสารมีคุณสมบัติเหมือนคลื่นอีกด้วย เราจึงเรียกมันว่า กลไกควอนตัม

ถ้าเราเปรียบอะตอมเหมือนกับลูกโบว์ลิ่ง แล้วลูกโบว์ลิ่งจะมีคุณสมบัติเหมือนคลื่นได้อย่างไร ในปี ค.ศ.1925
แอร์วิน ชเรอดิงเงอร์ (Erwin Schrödinger) นักฟิสิกส์ชาวออสเตรีย เขียนสมการคลื่นที่กำหนดอิเล็กตรอนได้ในที่สุด นี่คือ ความสำเร็จอันยิ่งใหญ่ที่สุดอย่างหนึ่งของสติปัญญามนุษย์ เมื่อจู่ๆ เราก็มองเข้าไปในอะตอมได้สำเร็จ

จากนั้นไม่กี่ปีต่อมา
แมกซ์ บอน (Max Born) เพื่อนร่วมงานของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ก็สามารถสร้างก้าวกระโดดครั้งใหญ่ คำถามคือ "หากสสารเป็นคลื่น แล้วอะไรที่ทำให้เกิดคลื่น" แมกซ์ บอน บอกว่า "สิ่งที่ทำให้เกิดคลื่นคือ โอกาสของการหาตำแหน่งของมัน ณ จุดใดจุดหนึ่ง"
 

ผู้คนในสมัยโบราณตั้งคำถามว่า เอกภพทำมาจากอะไร พวกเขาคิดว่าเกิดจาก ดิน น้ำ ลม ไฟ แล้วแสงไฟที่มีอยู่ทุกหนทุกแห่ง มันคืออะไรกันแน่ มันเป็นปัญหาคาใจนักฟิสิกส์มาหลายพันปีแล้ว

นักคิดที่ยิ่งใหญ่ที่สุดบางคน อย่างเช่น สมัยของ
ไอแซค นิวตัน พยายามศึกษาธรรมชาติของแสงอย่างละเอียด ตัวอย่างเช่น นิวตันให้แสงสีขาวของดวงอาทิตย์ฉายผ่านปริซึม (prism) แล้วแยกทุกสีของสายรุ้งออกมาจากแสงสีขาวนั่น แสดงให้เห็นว่า สีขาวนั่นเป็นภาพรวม ประกอบด้วย ส้ม แดง เหลือง ฟ้า ฯลฯ
 


 


นิวตันคิดว่า สีขาวก็เป็นอนุภาคเช่นกัน เม็ดแสงเล็กๆ ที่เราเรียกกันนั้น มันจะสร้างลำแสงขึ้นมา เราก็จะมีทฤษฎีแสงอันแรก เป็นข้อเท็จจริงที่ว่า แสงมาจากอนุภาค แต่เรายังมีทฤษฎีทางเลือกขึ้นมาแข่งขันกับทฤษฎีของนิวตัน ที่บอกว่า แสงเป็นคลื่น เขาคือ โทมัส ยัง (Thomas Young) หลายปีก่อนเขาสามารถแสดงให้เห็นว่าแสงมีคุณสมบัติของคลื่น

เขาสามารถนำแสงมาฉายผ่านช่องเล็กๆ พุ่งเข้าไปหาช่องแสงอีกช่องหนึ่ง แล้วปล่อยให้สองคลื่นนี้ปะทะกันได้ มันมีระบบการรบกวนกันและกัน ทำให้ตอนนี้เรามีทฤษฎีแสงอยู่สองทฤษฎี นิวตันสร้างทฤษฎีของเม็ดแสงเล็กๆ ขึ้นมา ส่วนโทมัส ยัง กับคนอื่นๆ ก็พูดถึงแสงว่ามีลักษณะเป็นคลื่น

สิ่งที่
ไอน์สไตน์บอก และนี่ถือเป็นอัจฉริยภาพของเขาก็คือ ไอน์สไตน์บอกว่า บางทีอาจจะถูกทั้งคู่ นิวตันอาจแสดงให้ดูว่า แสงมีคุณสมบัติเหมือนอนุภาค และโทมัส ยัง ก็แสดงให้ดูว่า แสงมีลักษณะของคลื่น สองอย่างนี้มันตรงกันข้ามเลย แต่เราลองคิดถึงเรื่องของคนตาบอดคลำช้าง คนหนึ่งแตะที่งวงช้างก็จะบอกว่า มันเป็นงู แต่ถ้าอีกคนหนึ่งแตะที่ขาช้างก็จะคิดว่า เป็นต้นไม้ ดังนั้น ช้างจึงเป็นส่วนผสมของทั้งหมดนั้น ไอน์สไตน์ผลิตแนวคิดของการควบคู่ออกมา นั่นก็คือ ทั้งทางด้านอนุภาคและคลื่น

เป็นความพยายามร่วมมือของ 3 อัจฉริยะ ในตลอด 300 ปีมานี้ พวกเขาช่วยให้เราเข้าใจแสงในแบบที่เป็นอยู่ทุกวันนี้ หากปราศจากพวกเขา เราก็อาจจะอาศัยอยู่ในความมืดกันมาโดยตลอด

อะตอมมีขนาดเล็กจนยากที่เราจะสามารถจินตนาการได้ การค้นหาว่าอะตอมทำจากอะไร นำไปสู่การค้นพบอันยิ่งใหญ่เรื่องถัดไป

เมื่อ 100 ปีก่อน พวกเราก็รู้แล้วว่า อะตอมใหญ่แค่ไหน และคิดว่า
อิเล็กตรอนและโปรตอนจะกระจายออกไปอย่างสม่ำเสมอทั่วอะตอม พวกเขาเรียกอะตอมในลักษณะดังกล่าวว่า แบบจำลองพัมพุดดิ้ง (The plum-pudding model of the atom) เพราะพวกเขาคิดถึงอิเล็กตรอนว่า น่าจะเหมือนลูกเกดในฟรุ๊ตเค้กที่กระจายไปทั่วภายในฟรุ๊ตเค้กนั่นเอง

ในช่วงต้นยุค 1900 นักฟิสิกส์
เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด (Ernest Rutherford) ทำการทดลองเพื่อสำรวจโครงสร้างอะตอมให้ไกลออกไป เขายิงอนุภาคกัมมันตภาพรังสีแอลฟาเข้าใส่แผ่นฟอยทองคำ



 


 


เขาอยากเห็นว่า จะเกิดอะไรขึ้นหากอนุภาคแอลฟาปะทะกับทองคำ เขาไม่คาดว่าจะมีอะไรเกิดขึ้นมากนัก เขาแค่คิดว่า อนุภาคแอลฟาส่วนใหญ่จะพุ่งตรงโดยไม่ถูกหักเห ไม่ถูกเปลี่ยนทิศทางให้เฉไป

แต่เขากลับพบสิ่งที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิง อนุภาคแอลฟาบางหน่วยสะท้อนกลับจากแผ่นฟอย ทางเดียวที่จะเกิดขึ้นได้ก็คือ ภายในอะตอมต้องมีสสารที่อัดกันอย่างหนาแน่น รัทเทอร์ฟอร์ด เรียกสิ่งนี้ว่า
นิวเคลียส

 

การค้นพบของรัทเทอร์ฟอร์ด ทำให้นักวิทยาศาสตร์รู้แล้วว่าโครงสร้างของอะตอม ประกอบด้วยโปรตรอน อิเล็กตรอน และนิวเคลียส แต่แล้วการค้นพบครั้งสำคัญก็เกิดขึ้นอีก เมื่อ เจมส์ แชดวิก (James Chadwick) นักศึกษาของรัทเทอร์ฟอร์ด สามารถเติมเต็มภาพด้วยการค้นพบนิวตรอน

ตอนนั้น แชดวิกสามารถทดลองและทำให้เห็นว่า นิวเคลียสทำจากโปรตรอนและก็นิวตรอน และสิ่งที่เขาใช้เป็นเทคนิคในการตรวจหาก็คือ เขาใช้ขี้ผึ้งพาราฟิน แบบที่ใช้กับเทียน และสิ่งที่แชดวิกทำก็คือ ใช้ขี้ผึ้งนี้ดักจับอนุภาคที่ออกมาจากกระบวนการกัมมันตภาพรังสี

การค้นพบนิวตรอนได้เปลี่ยนโฉมหน้าของประวัติศาสตร์ ปี ค.ศ.1939 กลุ่มนักวิทยาศาสตร์ นำโดย
เอนรีโค เฟร์มี (Enrico Fermi) ใช้นิวตรอนเป็นกระสุนในการแยกอะตอม สิ่งที่ทำก็คือ การก่อกำเนิดยุคนิวเคลียร์

ทำไมการค้นพบ Superconductor ถึงเป็นเรื่องสำคัญ ต้องย้อนกลับไปถึงก่อนสงครามโลกครั้งที่ 1 ราวในปี ค.ศ.1909 นักฟิสิกส์ชาวดัชชื่อ ไฮเก้ คาเมอร์นี่ โอเนส (Heike Kamerlingh Onnes) เป็นคนแรกที่ค้นพบว่า จะเปลี่ยนฮีเลียมจากแก๊สให้เป็นของเหลวอย่างไร และเมื่อเขาค้นพบวิธีการทำแล้ว เขาก็ใช้ฮีเลียมเหลวซึ่งเป็นของเหลวแช่แข็ง เพื่อทำให้วัสดุอื่นเย็นจัด เขาต้องการศึกษาคุณสมบัติของวัสดุที่อุณหภูมิต่ำ และสิ่งหนึ่งที่ผู้คนในตอนนั้นสนใจกันมากก็คือ การต้านทานกระแสไฟฟ้าของโลหะ มันขึ้นอยู่กับอุณหภูมิได้อย่างไร มันเพิ่มขึ้นหรือไม่ บางทีอาจจะมีความต้านทานมากขึ้นที่อุณหภูมิต่ำ นั่นคือแนวคิดหนึ่ง


 


โอเนสจึงนำตัวอย่างปรอท ซึ่งเขาทำให้บริสุทธิ์มากๆ เขาจุ่มมันลงไปในฮีเลียมเหลวในตู้เย็น แล้ววัดความต้านทางไฟฟ้าของมันขณะที่เขาลดอุณหภูมิ สิ่งที่เขาพบก็คือ เมื่ออุณหภูมิลดลง ความต้านทานก็จะลดลงอย่างช้าด้วยเช่นกัน แต่แล้วเมื่ออุณหภูมิลดต่ำลงเหลือ 4.2 เคลวิน ความต้านทานจะไม่มีเลย มันมีค่าเป็นศูนย์ ปรอทจะเป็นสื่อนำไฟฟ้าโดยไม่มีความต้านทาน ไม่สูญเสียพลังงาน นั่นคือ คุณสมบัติของการเป็นสื่อนำไฟฟ้าหรือ Superconductor

สิ่งที่เป็นเป้าหมายในทุกวันนี้ก็คือ การค้นหาวัสดุที่เป็น Superconductor ที่อุณหภูมิห้อง ถ้าเราสามารถเปลี่ยน Superconductor ให้เป็นสื่อนำไฟฟ้าที่มีประโยชน์ได้ ทุกอย่างในบ้านคุณที่ใช้กระแสไฟฟ้าหรือว่าใช้มอเตอร์ไฟฟ้าก็จะเปลี่ยนไป และมีประสิทธิภาพมาก

การค้นพบเรื่องต่อไป คือการสืบเสาะเพื่อค้นหาสสารชิ้นเล็กที่สุดในเอกภพ ตอนแรกเราค้นพบอิเล็กตรอน จากนั้นก็โปรตรอน และสุดท้ายก็นิวตรอน วิทยาศาสตร์มีแบบจำลองอะตอมขึ้นใหม่แล้ว และเมื่อเครื่องเร่งถูกพัฒนาขึ้น มันก็สามารถนำอนุภาค Subatomic มาชนกันที่ความเร็วเกือบเท่ากับความเร็วแสง

Murray Gell-Mann



 

นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน เมอร์เรย์ เจลล์-มานน์ (Murray Gell-Mann) ใช้ลักษณะโดยรวมเพื่อแบ่งอนุภาคให้กลายเป็นหลายตระกูล เขาแยกองค์ประกอบที่เล็กที่สุดของนิวเคลียสของอะตอม ชิ้นส่วนที่สร้างเป็นโปรตอนและนิวตรอนขึ้นมา ต่อมาเขาจึงเสนอว่า นิวตรอนและโปรตอนไม่ใช่อนุภาคเบื้องต้นอย่างที่ทุกคนคิด แต่กลับประกอบด้วยอนุภาคเล็กกว่านั้น สิ่งนี้ชื่อว่า ควาร์ก

ควาร์กของ เจลล์-มานน์ ทำให้อนุภาค Subatomic เหมือนสิ่งที่เป็น
ตารางธาตุที่แสดงธาตุต่างๆ ให้เห็นออกมาเป็นหมวดหมู่ ในปี ค.ศ.1969 เขาจึงได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์

ขณะที่ เจลล์-มานน์ เชื่อว่า ควาร์กเป็นเรื่องจริง แต่เขาก็ไม่คาดว่าจะมีใครที่พบมัน

หลักฐานแรกสุดที่ว่า แนวคิดเรื่อง ควาร์ก ถูกต้องนั้น มันมาจากการทดลองโดยใช้เครื่องเร่งความเร็วแนวตรงสแตนฟอร์ด ซึ่งอิเล็กตรอนจะไปทำให้โปรตอนกระจายตัว และสิ่งที่พวกเขาทำก็คือ พวกเขาถ่ายภาพโปรตอน โดยใช้
กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน และพบว่ามันมีอยู่ด้วยกัน 3 ควาร์ก

การค้นหาคำตอบเกี่ยวกับเรื่องของเอกภพรอบตัว ได้นำพวกเราจากอะตอมและควาร์กขนาดที่เล็กจิ๋ว ไปจนถึงกาแล็กซี่อันไกลแสนไกลนอกพิภพ การค้นพบล่าสุดของเรา คือผลของความพยายามหลายร้อยปีโดยบรรดานักวิทยาศาสตร์ทั้งชายและหญิงจำนวนมากมาย

นับตั้งแต่การค้นพบของ
ไอแซค นิวตัน และไมเคิล ฟาราเดย์ นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่า แรงธรรมชาติพื้นฐานมีอยู่ 2 แบบ แต่พอถึงศตวรรษที่ 20 นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบว่า ยังมีอีก 2 แรงที่มีส่วนสำคัญ นั่นคือสิ่งที่เรียกว่า แรงนิวเคลียร์ ทำให้เรามีแรงพื้นฐานของธรรมชาติ 4 ประการ (fundamental force)

แรงแต่ละด้านมีขอบเขตต่างกัน เรามีแรงโน้มถ่วง (gravity) ซึ่งยึดเราไว้กับโลก หากปราศจากแรงโน้มถ่วง เราจะหลุดไปในอวกาศหลายพันไมล์ จากนั้นเรามีแรงแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic force) ที่ทำให้โลกสว่าง ทำให้เรามีวิทยุ โทรทัศน์ แล้วเราก็มีแรงนิวเคลียร์ 2 แบบที่ทำงานในระยะสั้นๆ เรามีแรงนิวเคลียร์อย่างแรง (strong nuclear force) และแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน (weak nuclear force)

เราไม่รู้ว่าจะสามารถรวม 4 แรงข้างต้นไว้ด้วยกันได้หรือเปล่า และเราก็ยังไม่สามารถเขียนทฤษฎีรวมทุกสิ่งทางฟิสิกส์ ทฤษฎีที่จะรวมทั้ง 4 แรงให้กลายเป็น 1 แรง ได้หรือเปล่า การค้นพบทุกครั้งจะนำไปสู่การสำรวจที่มากยิ่งขึ้น แล้วเราทุกคนต่างก็เป็นสิ่งมีชีวิตที่มีความใคร่รู้ มีแรงผลักดันที่จะสำรวจ และค้นพบต่อไป


Views: 9022

Be first to comment this article

Only registered users can write comments.
Please login or register.

Powered by AkoComment Tweaked Special Edition v.1.4.6
AkoComment © Copyright 2004 by Arthur Konze - www.mamboportal.com
All right reserved

 
< ก่อนหน้า   ถัดไป >

 

Statistics

สถิติผู้เยี่ยมชม: 43603516

Who's Online

ขณะนี้มี 92 บุคคลทั่วไป ออนไลน์