ไอน์สไตน์เริ่มชีวิตนักฟิสิกส์ เมื่อวันที่ 13 ธันวาคม พ.ศ. 2443 เพราะในวันนั้นเขาได้ส่งบทความวิจัยไปลงพิมพ์ในวารสาร Annalen der Physik ซึ่งเป็นวารสารฟิสิกส์ที่มีชื่อเสียงที่สุดในสมัยนั้น และเก่าแก่ที่สุด โดยได้เขียนชื่อเจ้าของบทความ และสังกัดของผู้เขียนเพียงสั้นๆ ว่า Albert Einstein Zurich (ทั้งนี้เพราะไอน์สไตน์ยังไม่มีตำแหน่งอาจารย์มหาวิทยาลัย)
บทความวิจัยเรื่อง "Consequences of the Observations of Capillarity Phenomena" ซึ่งว่าด้วยปรากฏการณ์การไหลขึ้นของๆ เหลวในท่อขนาดเล็ก ได้รับการตีพิมพ์ในปี พ.ศ. 2444 ในงานชิ้นนั้น ไอน์สไตน์ได้ศึกษาพลังงานผิวของๆ เหลวที่มีอะตอมต่างชนิดกัน เช่น คาร์บอน C, ออกซิเจน O, ไฮโดรเจน H, คลอรีน Cl, โบรมีน Br, ไอโอดีน I และได้ตั้งสมมติฐานว่า พลังงานผิวของๆ เหลวขึ้นกับระยะห่างระหว่างโมเลกุล และชนิดของอะตอมที่เกี่ยวข้อง สมการพลังงานผิวของไอน์สไตน์ให้ผลสอดคล้องกับการทดลองเป็นอย่างดี และตลอดเวลาที่ผ่านมานานร่วม 104 ปี ผลงานวิจัยชิ้นแรกของไอน์สไตน์นี้ได้รับการอ้างอิงโดยนักวิจัยอื่นๆ รวมทั้งสิ้น 33 ครั้ง
ในปี พ.ศ. 2445 ไอน์สไตน์ได้เสนองานวิจัยชิ้นที่สองเป็นวิทยานิพนธ์ระดับดุษฎีบัณฑิตต่อมหาวิทยาลัย Zurich ในสวิตเซอร์แลนด์ แต่คณะกรรมการประเมินผลงานปฏิเสธไม่ยอมรับ โดยอ้างว่างานวิจัยเรื่อง "On the thermodynamic theory of the potential difference between metals and fully dissociated solutions of their salts and on an electrical method to investigate molecular forces" ไม่ถูกต้อง ถึงกระนั้นงานวิจัยชิ้นนี้ซึ่งได้ศึกษาอันตรกิริยาระหว่างโลหะกับสารละลายที่แตกตัวเป็นอิออนอย่างสมบูรณ์ ก็ได้รับการลงพิมพ์ในเวลาต่อมา แต่ได้รับความสนใจน้อย เพราะนับถึงวันนี้ นักวิจัยได้อ้างอิงผลงานชิ้นนี้เพียง 7 ครั้งเท่านั้นเอง
ในช่วงปี พ.ศ. 2445-2447 ไอน์สไตน์ได้ลงพิมพ์งานวิจัยในวารสาร Annalen อีก 3 เรื่อง ซึ่งเกี่ยวข้องกับทฤษฎีจลน์ ทฤษฎีพื้นฐานของความร้อน และทฤษฎีโมเลกุลของความร้อน งานวิจัยทั้ง 3 ชิ้นแสดงให้เห็นว่า ณ เวลาที่ไอน์สไตน์เขียนงานวิจัย เขากำลังเรียนรู้หลักการต่างๆ ของวิชาความร้อน และไอน์สไตน์ไม่รู้จักผลงานของ Boltzmann และ Gibbs ทั้งนี้เพราะความรู้ต่างๆ ที่ไอน์สไตน์อ้าง "พบใหม่" แท้จริงคือสิ่งที่ Gibbs กับ Boltzmann ได้พบมานานก่อนนั้น แต่เมื่อบรรณาธิการของวารสาร Annalen เองก็ไม่รู้จักงานของนักวิทยาศาสตร์ทั้งสอง ดังนั้น งานวิจัยของไอน์สไตน์จึงได้รับการตีพิมพ์
ในปี พ.ศ. 2448 ไอน์สไตน์ซึ่งขณะนั้นทำงานอยู่ที่สำนักจดสิทธิบัตรที่กรุง Bern ในสวิตเซอร์แลนด์ ได้เสนองานวิจัยฉบับมหัศจรรย์ 5 เรื่อง คือ
1. ทฤษฎีควอนตัมของแสงที่ใช้อธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก
2. ทฤษฎีการเคลื่อนที่แบบบราวน์ของอนุภาคในของเหลว
3. ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ
4. ความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานและมวล
5. การหาขนาดของโมเลกุล และการหาค่าเลขอาโวกาโดร (Avogadro)
สำหรับผลงานชิ้นที่ 5 นั้น ไอน์สไตน์ได้เสนอเป็นวิทยานิพนธ์ระดับปริญญาเอก ดังนั้น เมื่อศาสตราจารย์ Kleiner ยอมรับว่า งานวิจัยถูกต้อง ไอน์สไตน์ก็สำเร็จการศึกษาเป็นด็อกเตอร์ไอน์สไตน์ทันที
ผู้คนส่วนใหญ่มักรู้สึกประหลาดใจ เวลารู้ว่างานวิจัยเรื่องทฤษฎีควอนตัมของแสงเป็นผลงานที่ทำให้ไอน์สไตน์ได้รับรางวัลในเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2464 และไอน์สไตน์ไม่ได้รับรางวัลดังกล่าวจากผลงานเรื่องทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ ทั้งนี้เพราะคณะกรรมการรางวัลโนเบลในขณะนั้น ไม่เข้าใจเนื้อหา และความสำคัญของทฤษฎีสัมพัทธภาพ และคิดไปว่าคำทำนายต่างๆ ของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษเป็นผลงานที่ Lorentz กับ Poincare ได้พิสูจน์มาก่อนหน้านี้แล้ว และเมื่อคำทำนายอื่นๆ ก็ยังไม่ได้รับการตรวจสอบโดยการทดลองเลย ดังนั้น คณะกรรมการจึงสงวนท่าทีการให้รางวัลโนเบลแก่ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ
ในงานวิจัยชิ้นแรกเรื่อง "On the production and transformation of light according to a heuristic point of view" ไอน์สไตน์ได้เสนอความคิดว่า แสงสามารถแสดงคุณสมบัติการเป็นอนุภาคได้ โดยไอน์สไตน์คิดว่าแสงเป็นก้อนพลังงาน และพลังงานของอนุภาคแสงเป็นปฏิภาคโดยตรงกับความถี่ของแสงนั้น นั่นคือ
E = hn
เมื่อ E คือพลังงานของอนุภาคแสง h คือค่าคงตัวของ Planck และ n คือความถี่ของแสง แต่กว่าโลกจะยอมรับความถูกต้องของข้อคิดนี้ เวลาก็ผ่านไปนานเกือบ 20 ปี ด้วยเหตุนี้ คณะกรรมการรางวัลโนเบลจึงได้มอบรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2464 ให้แก่ไอน์สไตน์ในฐานะเป็นผู้รู้คนแรกว่า แสงนอกจากจะสามารถแสดงคุณสมบัติการเป็นคลื่นได้แล้ว ยังแสดงสมบัติการเป็นอนุภาคก็ได้ด้วย
การศึกษางานวิจัยของไอน์สไตน์เรื่องนี้แสดงให้เห็นว่า ไอน์สไตน์ได้พยายามหาหลักฐานที่เป็นการทดลองมาสนับสนุนทฤษฎีอนุภาคแสงของเขา โดยได้กล่าวถึงการทดลองของ Lenard และ Stark ที่ได้พบว่า เวลาแสงตกกระทบโลหะจะมีอิเล็กตรอนกระเด็นหลุดจากโลหะนั้น แต่ใช่ว่าปรากฏการณ์นี้จะเกิดโดยใช้แสงอะไรๆ ก็ได้ เพราะได้มีการพบว่า นักทดลองต้องใช้แสงที่มีความถี่สูงกว่าระดับหนึ่ง เขาจึงจะสามารถเห็นกระแสอิเล็กตรอนได้
และเมื่อไอน์สไตน์ใช้หลักการทรงพลังงาน เขาก็ได้สมการโฟโตอิเล็กทริกที่นักฟิสิกส์ของแข็งยังใช้ศึกษาโลหะมาจนทุกวันนี้
ไอน์สไตน์ทำงานวิจัยเรื่องทฤษฎีอนุภาคแสงเสร็จ เมื่อวันที่ 17 มีนาคม พ.ศ. 2448 แล้วจากนั้นอีก 8 อาทิตย์ คือในวันที่ 11 พฤษภาคม ปีเดียวกัน กองบรรณาธิการวารสาร "Annalen" ก็ได้รับงานวิจัยเรื่องการเคลื่อนที่แบบบราวน์มาพิจารณานำลงพิมพ์
แต่ไอน์สไตน์ไม่ได้อ้างว่า งานชิ้นนี้ของเขาสามารถอธิบายปรากฏการณ์การเคลื่อนที่แบบบราวน์ได้ ทั้งนี้เพราะไอน์สไตน์ไม่มีข้อมูลการทดลองเรื่องปรากฏการณ์บราวน์เพียงพอ ถึงกระนั้นงานวิจัยนี้ก็สำคัญเพราะได้รับการอ้างถึง 1,520 ครั้งแล้ว
โดยในงานวิจัยชิ้นนี้ ไอน์สไตน์ได้แสดงวิธีหาสูตรของระยะทางที่อนุภาคเคลื่อนที่ได้ในเวลา t เมื่อถูกโมเลกุลของสารละลายพุ่งชนอย่างสะเปะสะปะ และไอน์สไตน์ก็ได้พบว่า
(r2) = 6 Dt
เมื่อ (r2) คือระยะทางที่อนุภาคเคลื่อนที่ยกกำลังสองเฉลี่ย D คือสัมประสิทธิ์การแพร่ซึม ซึ่งมีค่าเท่ากับ RT/6phav และ t คือเวลา ในสูตรนี้ R คือค่าคงตัวของก๊าซ h คือสัมประสิทธิ์ความหนืดของตัวละลาย a คือรัศมีของอนุภาค และ N คือเลขอาโวกาโดร
จากนั้นไอน์สไตน์ก็ได้ใช้สูตรแสดงให้เห็นว่า เมื่อเวลาผ่านไป 1 นาที ถ้าระยะทางที่อนุภาคเคลื่อนที่ได้เท่ากับ 0.000006 เมตร และสารละลายมีอุณหภูมิ 17 องศาเซลเซียส N จะมีค่าเท่ากับ 6x1023 โมล-1 จากนั้นไอน์สไตน์ก็ได้สรุปทิ้งท้ายเชิงท้าทายนักทดลองให้เช็กบิลทฤษฎีนี้ เพราะเป็นเรื่องสำคัญที่จะทำให้เข้าใจธรรมชาติของความร้อนดีขึ้น
(อ่านต่อวันอังคารหน้า)
สุทัศน์ ยกส้าน ผู้เชี่ยวชาญพิเศษ สสวท
