ก่อนปี พ.ศ. 2448 แทบไม่มีใครใดในโลกรู้จัก Albert Einstein เสมียนหนุ่ม วัย 26 ปี ซึ่งทำงานอยู่ที่สำนักงานสิทธิบัตรในกรุง Bern ประเทศสวิตเซอร์แลนด์ เพราะจากผลงานวิจัย 5 เรื่องที่ Einstein เคยลงพิมพ์ในวารสาร Annalen der Physik ในปีก่อนๆ นั้น ไม่มีงานชิ้นใดที่ส่อแสดงว่า ผลงานอีก 5 เรื่องต่อมา ซึ่งลงพิมพ์ในวารสารเดียวกัน จะปฏิรูปความเข้าใจของมนุษย์เกี่ยวกับสสาร พลังงาน เวลา ระยะทาง และมวลหมดปี 2448 จึงถือได้ว่าเป็นปีมหัศจรรย์ที่ยิ่งใหญ่เทียบเท่ากับปี 2209 ที่ Isaac Newton ได้ใช้เวลาในปีนั้นสร้างวิชาแคลคูลัส พบแรงโน้มถ่วง แยกแสงอาทิตย์ และแถลงกฎการเคลื่อนที่ของสสารทั้งหลายทั้งปวงในปีๆ เดียว
ย้อนอดีตไปเมื่อ 300 ปีก่อนนี้ Isaac Newton ได้เคยศึกษาแสง และคิดว่าแสงประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กที่พุ่งเร็ว และด้วยความคิดเช่นนี้ Newton ก็สามารถอธิบายได้ว่า เหตุใดแสงจึงเดินทางในแนวเส้นตรง และเหตุใดเวลาแสงตกกระทบกระจกราบ มุมตกกระทบจึงเท่ากับมุมสะท้อนเสมอ ทฤษฎีอนุภาคแสงของ Newton ยังทำนายอีกว่า หากฉายแสงลงน้ำ ความเร็วของแสงในน้ำจะมากกว่าความเร็วของแสงในอากาศ แต่เมื่อ Leon Foucault และ Hippolyte Fireau ได้ทดลองวัดความเร็วของแสงในน้ำในปี พ.ศ. 2392 เขาทั้งสองได้พบว่า แสงเคลื่อนที่ในน้ำได้ช้ากว่าในอากาศ ทฤษฎีอนุภาคแสงของ Newton จึงตกไป และทฤษฎีคลื่นแสงของ Christiaap Huygens ได้รับการยอมรับแทน
แต่ปัญหาก็มีต่อไปว่า คลื่นทุกชนิดต้องการตัวกลางในการเคลื่อนที่ผ่าน เช่น คลื่นเสียงต้องการอากาศ และคลื่นน้ำก็ต้องการน้ำเป็นทางผ่าน ดังนั้น ถ้าแสงเป็นคลื่นจริง แสงจากดวงอาทิตย์มายังโลกก็ย่อมต้องการตัวกลางในการเดินทางผ่านด้วย นักฟิสิกส์ก็ได้เรียกตัวกลางที่แสงผ่านว่า ether ปัญหาที่เกิดขึ้นต่อมาคือ นักฟิสิกส์ต้องแสดงโดยการทดลองให้เห็นว่า ether มีจริง โดยการวัดความเร็วแสงขณะโลกโคจรใน ether ในทิศต่างๆ และในเวลาต่างๆ เพราะถ้า ether มีจริง ความเร็วของกระแส ether จะทำให้ความเร็วแสงในทิศต่างๆ ไม่เท่ากัน แต่เมื่อ Albert Michelson และ Edward Morley ใช้อุปกรณ์ทางทัศนศาสตร์วัดความเร็วแสง เขาก็พบว่า ความเร็วแสงไม่ขึ้นกับทิศการเคลื่อนที่ของผู้เห็นแสง และต้นกำเนิดแสง คือไม่เปลี่ยนแปลงเลย และมีค่า 299,792.458 กิโลเมตร/วินาที อย่างนิจนิรันดร์
ผลการทดลองนี้ได้สร้างวิกฤตทางปัญญาแก่สังคมฟิสิกส์มาก จนทำให้ Hendrik Antoon Lorentz ได้เสนอคำอธิบายความผิดปกติที่เห็นว่า การที่ Michelson กับ Morley ตรวจจับ ether ไม่ได้ เพราะเครื่องมือที่คนทั้งสองใช้วัดความเร็วแสงนั้นหดตัว โดยแรงแม่เหล็กไฟฟ้าที่กระทำต่ออนุภาคไฟฟ้าในเครื่องมือนั้น แต่ Lorentz ก็ไม่ได้อธิบายชัดเจนว่าแรงแม่เหล็กไฟฟ้าที่ว่านั้นมาจากสาเหตุใด
สำหรับในโลกของความร้อนนั้น ก็มีวิกฤตการณ์ทางปัญญาเช่นกัน เพราะประมาณปี พ.ศ. 2400 ถึงแม้ James Clerk Maxwell, Rudolf Clausius และ Ludwig Boltzmann จะสามารถอธิบายพฤติกรรมของก๊าซของเหลว และของแข็งได้โดยสมมติว่าสสารประกอบด้วยโมเลกุล และอะตอม แต่ก็ไม่มีใครเคยเห็นอะตอมหรือโมเลกุลด้วยตา หรือแม้กระทั่งการชี้แจงว่าเหตุใดอนุภาคขนาดเล็กที่ลอยในของเหลวจึงเคลื่อนที่สะเปะสะปะไปมาในทิศต่างๆ กัน ดังที่ Robert Brown ได้เห็นเหตุการณ์นี้เป็นคนแรกก็ยังไม่มีใครให้คำอธิบายที่มีเหตุผลเลย
ปริศนาสำคัญสุดท้ายที่ยังไร้คำอธิบายเช่นกัน คือ เหตุใดเวลานักทดลองฉายแสงกระทบตัวนำไฟฟ้าแล้วมีอิเล็กตรอนกระเด็นหลุดออกมา และกระแสอิเล็กตรอนที่ไหลออกมานี้คือกระแสไฟฟ้า ทำให้ปรากฏการณ์นี้มีชื่อเรียกว่า photoelectric effect (photo = แสง และ electric = กระแสไฟฟ้า) หรือพูดง่ายๆ นี่เป็นปรากฏการณ์ที่ทำให้ได้กระแสไฟฟ้าโดยการใช้แสง ปรากฏการณ์นี้ได้ทำให้นักฟิสิกส์สับสนมาก เพราะเวลาเพิ่มปริมาณแสง กระแสไฟฟ้าที่ได้จะเพิ่มด้วย แต่ความต่างศักย์ในวงจรไม่เปลี่ยน และเมื่อเปลี่ยนความยาวคลื่นของแสงที่ใช้น้อยลง อิเล็กตรอนที่หลุดกระเด็นออกมาจากโลหะจะมีความเร็วมากขึ้น ซึ่งเหตุการณ์เหล่านี้ทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าของ Maxwell อธิบายไม่ได้เลย
ในการอธิบายเหตุการณ์แรกที่เกี่ยวกับ ether นั้น เมื่อ Einstein รู้ว่า Michelson กับ Morley ไม่สามารถตรวจจับ ether ได้ ไม่ว่าอุปกรณ์ที่เขาทั้งสองสร้างนั้นจะละเอียดและสามารถเพียงใด ดังนั้น Einstein จึงคิดว่า ธรรมชาติก็ไม่น่าจะมี ether ให้รกรุงรัง และเมื่อความเร็วแสงมีค่าเท่าเดิมเสมอ ไม่ว่าแสงจะเคลื่อนที่ทิศใด ดังนั้น Einstein จึงกำหนดให้ความเร็วแสงมีค่าคงตัวที่ไม่เปลี่ยนแปลงเลย ไม่ว่าต้นกำเนิดแสง หรือผู้สังเกตจะมีความเร็วเท่าใด และเมื่อ Einstein ใช้หลักของ Galilei Galileo ที่ว่า สมการและสูตรทุกสูตรของฟิสิกส์ต้องมีรูปแบบเดียวกันเสมอ สำหรับผู้สังเกต 2 คน ที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสม่ำเสมอ เขาก็สามารถสร้างทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษจากสมมติฐานง่ายๆ ดังกล่าวข้างต้น และผลที่ได้จากคำทำนายของทฤษฎี คือ นาฬิกาของคน 2 คนที่เคลื่อนที่สัมพัทธ์กันจะเดินเร็วไม่เท่ากัน ระยะทางที่คน 2 คนวัดขณะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วต่างกัน จะไม่เท่ากัน หรือแม้กระทั่งมวลของสสาร ซึ่งใครๆ ในสมัยก่อนนั้น คิดว่าไม่เปลี่ยนแปลงก็เปลี่ยนแปลงได้ตามความเร็วของผู้สังเกต และคำทำนายที่ยิ่งใหญ่สุดๆ ของทฤษฎีนี้คือ Einstein ได้แสดงให้เห็นว่า สสารและพลังงานเป็นสิ่งเดียวกันที่สามารถเปลี่ยนแปลงไปมากันได้ตามสมการ E = mc2 เมื่อ E คือพลังงาน m คือมวลของสสาร และ c คือความเร็วแสง ยกตัวอย่างเช่น ถ้าเรายกตุ้มน้ำหนักมวล 1 กิโลกรัมขึ้นสูง 1 เมตร เพราะมวลมีพลังงานศักย์เพิ่มขึ้น = 1x10x1 จูล เมื่อ 10 คือความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลก ดังนั้น E = 10 จูล ทฤษฎีของ Einstein ได้ทำนายว่า ตุ้มน้ำหนักนี้จะมีมวลเพิ่มขึ้น = E/mc2 = 10/(3x108)2 คือประมาณ 10-16 กิโลกรัม ซึ่งน้อยมาก จนถือว่ามวลไม่เปลี่ยนแปลงได้ แต่ในกรณีของอะตอมเวลานิวเคลียสของยูเรเนียมแตกตัว มวลส่วนหนึ่งจะหายไป โดยเปลี่ยนไปเป็นพลังงานปรมาณู
สำหรับการอธิบายการเคลื่อนที่แบบบราวเนียน (Brownian motion)นั้น Einstein ได้แสดงให้เห็นว่า โมเลกุลมีจริง และสามารถหาขนาดของมันได้จากการสังเกตระยะทางที่อนุภาคเล็กๆ เคลื่อนที่เวลาถูกโมเลกุลของน้ำชน ในการคำนวณเรื่องนี้ Einstein ได้ใช้กลศาสตร์ ทฤษฎีความร้อน และกระบวนการทางสถิติอธิบายการเคลื่อนที่ของอนุภาคเล็กๆ ว่าขึ้นกับอุณหภูมิของน้ำ ขนาดของอนุภาคเวลา และสัมประสิทธิ์ความหนืดของน้ำอย่างไร และวิธีคำนวณที่ Einstein บุกเบิกนี้ ณ วันนี้มีความสำคัญมากในการอธิบายคุณสมบัติของสารกึ่งตัวนำ และการแพร่ซึมของอนุภาคละอองฝุ่นในสารละลายต่างๆ ฯลฯ
แต่เมื่อ Einstein พิจารณาบรรดาผลงานที่ยิ่งใหญ่ทุกชิ้นที่ตีพิมพ์ในปี พ.ศ. 2448 แล้ว เขาได้มีความเห็นว่า การอธิบายปรากฏการณ์ photoelectric ที่มีกระแสไฟฟ้าไหลเวลาโลหะได้รับแสงเป็นคำอธิบายที่ยิ่งใหญ่ที่สุด เพราะเวลาไอน์สไตน์อธิบายว่าแสงประกอบด้วยอนุภาค Einstein ได้ย้อนกลับไปรับคำอธิบายของ Newton เกี่ยวกับแสงอีก ซึ่งขัดกับความเห็นของนักวิทยาศาสตร์ทั้งโลกที่เชื่อกันอย่างสนิทติดใจว่า แสงเป็นคลื่น และ Einstein ได้เรียกอนุภาคแสงนี้ว่า photon โดย Einstein ได้อธิบายว่า เมื่ออนุภาคแสงเคลื่อนที่กระทบอิเล็กตรอนในโลหะ การชนกันทำให้อิเล็กตรอนได้รับพลังงานส่วนหนึ่ง จึงพุ่งกระเด็นออกมา และพลังงานของอนุภาคแสง (photon) นั้น Einstein ได้พบว่า ขึ้นกับความถี่ของแสงที่ใช้ตามสูตร E = hv เมื่อ v คือความถี่ของแสง และ h คือค่าคงที่ การอธิบายของ Einstein เช่นนี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์ทุกคนเข้าใจปรากฏการณ์ photoelectric ดี และนับเป็นการปูพื้นฐานให้นักวิทยาศาสตร์รุ่นหลังใช้ idea เรื่องทวิภาพของแสง คือเป็นอนุภาคก็ได้ และเป็นคลื่นก็ได้ ในการสร้างวิชากลศาสตร์ quantum ที่ยิ่งใหญ่ในเวลาต่อมา และผลงานชิ้นนี้นี่เองที่ทำให้ Einstein ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ ประจำปี 2465 ครับ
สุทัศน์ ยกส้าน ภาคีสมาชิก ราชบัณฑิตยสถาน
