xs
xsm
sm
md
lg

ฟิสิกส์ไปทั่ว 101

เผยแพร่:   โดย: บุรินทร์ กำจัดภัย

ฟิสิกส์ไปทั่ว 101
สวัสดีครับ เดือนนี้เรามาเรียนกระบวนวิชาฟิสิกส์ไปทั่ว 101 กันดีไหมครับ จะไปทั่วถึงไหนนั้นสุดแล้วแต่ใจครับ เห็นด้วยหรือไม่ก็สุดแล้วแต่เช่นกันครับ

หลายปีมาแล้วสมัยที่ผมเรียนปริญญาตรี ก็ได้ทำโครงงานปีสุดท้ายทางฟิสิกส์ทฤษฎีที่เชียงใหม่ (ซึ่งสุดท้ายแล้วก็ทำไม่สำเร็จ ผมเปลี่ยนไปทำเรื่องอื่น) ผมอ่านบทความวิชาการตามคำสั่งของอาจารย์ที่ปรึกษา (ผศ.ดร.สดชื่น วิบูลยเสข) บทความที่ผมกำลังอ่านอยู่ในตอนนั้นเป็นเรื่องเกี่ยวกับระบบเชิงอุณหพลศาสตร์ หรือเทอร์โมไดนามิกส์ ที่โดนรบกวนด้วยเครื่องมือให้ความร้อนจากภายนอกระบบ ผมชะงักเมื่อเจอศัพท์เทคนิคทางฟิสิกส์คำหนึ่งคือคำว่า coherent อ่านแล้วก็เข้าใจตามความรู้สมัย ม. 5 ว่ามันแปลเป็นคำไทยว่า “อาพันธ์” แปลว่า ความถี่ของสองแหล่งกำเนิดคลื่นสองขบวนที่มาพบกันนั้นเท่ากัน แต่เมื่อผมพยายามจะแปลให้มันเข้ากันได้กับความหมายของบทความวิชาการนั้น ปรากฏว่า มันแปลแล้วมันไม่น่าจะเข้ากันได้เลย

ผมก็เลยไปถามท่านอาจารย์สดชื่่น แต่ปรากฎว่าอาจารย์ไม่ตอบ

แต่อาจารย์ถามกลับมาว่า แล้วคุณคิดว่า เมื่อคุณเห็นคำว่า coherent คุณคิดว่ามันต้องประกอบไปด้วยอะไรบ้างละ

นั่นเป็นครั้งแรกที่ผมได้ตาสว่างว่าการเรียนฟิสิกส์ต้องมีความชัดเจน ไม่คลุมเครือและต้องไม่มีคำว่า “มั้ง” ในการกล่าวถึงคำศัพท์หรือนิยามใดๆ ผมได้ข้อสรุปด้วยตัวเองจากการอ่านเพิ่มเติมและสรุปได้ด้วยตัวเองว่าคำว่า coherent หมายถึงการสั่นแกว่งใดๆ จากแหล่งกำเนิดมากกว่าหนึ่งแหล่งที่มีความถี่เท่ากัน การสั่นแกว่งเหล่านั้นไม่จำเป็นต้องเป็นคลื่นเช่นที่เคยเรียนในชั้นมัธยมศึกษาก็ได้

อาจารย์ไม่ได้ให้คำตอบผม แต่ได้ให้ทัศนคติและกระตุ้นให้ผมแสวงหาความรู้ใหม่ด้วยตัวเอง

ต่อมาเมื่อผมได้ศึกษามากขึ้น เมื่อผมเจอคำศัพท์ หรือชื่อระบบ ชื่อกระบวนการในวิชาฟิสิกส์ หรือกระทั่งในวิชาอื่นๆ ผมก็มักจะจู่โจมตัวเอง (ในใจ).......คือถามตัวเองทันทีว่า

“อะไรคือสันดานที่แท้ของมัน”

คือคำถามว่าอะไรคือ ลักษณะเฉพาะ ที่เป็นสันดาน กำพืด ของคำศัพท์ หรือของระบบ หรือของกระบวนการเหล่านั้นในเราได้เรียกชื่อมันแบบนั้นได้

ก็อย่างที่ไอน์สไตน์ กล่าวว่า การตั้งคำถามสำคัญกว่าการตอบคำถามนะครับ ผมคิดว่าคำถามที่ดีและรัดกุม ย่อมทำให้ได้คำตอบที่ดีและตรงประเด็น และคำถามของผมก็คือ “มันคืออะไร”

ขอยกตัวอย่างคำถามที่ผมเชื่อว่าผมมีคำตอบของมันแล้ว (อาจผิดก็ได้ครับ) ดังต่อไปนี้

อนุภาค (particle)
ลักษณะเฉพาะของระบบที่เรียกว่าอนุภาคก็คือระบบนั้นต้องได้รับการพิจารณาว่า “ปราศจากขนาด (sizeless)” เช่น มีรัศมีเป็นศูนย์ ไม่มีความกว้าง ความยาว และไม่มีความสูง ส่วนระบบที่่มีขนาดก็จะไม่ใช่อนุภาค ระบบนั้้นอาจเป็นกลุ่มอนุภาคหรือวัตถุแข็งเกร็ง หรือของไหล ในวิชากลศาสตร์บางครั้งเมื่อเราพิจารณาระบบสุริยะ เราอาจพิจารณาว่าดาวเคราะห์ขนาดเล็กต่างๆเป็นอนุภาคได้ เพราะมีขนาดเล็กกว่าดวงอาทิตย์มาก หรือในวิชาจักรวาลวิทยาเราอาจพิจารณาว่ากาแล็กซีต่่างๆ นั้นเป็นอนุภาคแก๊สได้เมื่อเรากำลังสนใจปรากฏการณ์ในระดับกว้างใหญ่กว่ากาแล็กซีเป็นหลายร้อยเท่า

วัตถุ (body) เช่นอนุภาคหรือก้อนมวล วัตถุย่อมมีโมเมนตัม (momentum) ได้

คลื่น (wave) อะไรที่เราพิจารณาว่าเป็นคลื่นจะต้องมีความยาวคลื่่น (wave length) ซึ่งเป็นสมบัติที่ทำให้คลื่นมีการเดินทางแผ่กระจาย (propagation) ได้ ความยาวคลื่นเป็นสันดานที่แท้ของคลื่นที่ทำให้มันสามารถสะท้อน หักเห แทรกสอด และเลี้ยวเบนได้

ดังนั้น หากมีระบบที่กำลังเคลื่อนที่ ถ้าระบบนั้นมีโมเมนตัมก็จะถือว่าเป็นวัตถุซึ่งอาจเป็นอนุภาคหรือก้อนมวล และหากระบบนั้นมีความยาวคลื่น ระบบนั้นก็คือคลื่น

แล้วเราจะใช้ความถี่่แทนความยาวคลื่นได้ไหม คำตอบก็คือไม่ได้ เพราะความถี่มีอยู่ในระบบที่กำลังสั่น (oscillation) เท่านั้น แต่ระบบนี้อาจไม่ได้กำลังเดินทางแผ่กระจายออกไปได้

โมเมนตัมเป็นการส่งถ่ายพลังงานโดยระบบสามารถเคลื่อนที่ไปพร้อมกับพลังงาน หากเกิดขึ้นในของไหลจะเรียกว่าการฟุ้งกระจาย (diffusion) ส่วนคลื่นเป็นการส่วถ่ายพลังงานโดยระบบไม่เคลื่อนที่ไปตามเส้นทางการเดินทางของพลังงาน

ถ้ามีใครบอกผมว่าวิญญาณหรืิอพลังงานออราเป็นคลื่น ผมก็จะขอให้เขาพิสูจน์ให้ผมเห็นได้ว่าสิ่งเหล่านั้นต้องมีความยาวคลื่น (เอางั้้นเลยเชียว) ถ้าไม่รู้ว่ามีความยาวคลื่นหรือไม่ก็ไม่ควรไปบอกว่ามันเป็นคลื่น ผมไม่แย้งว่ามีหรือไม่มี แต่ถ้ามีและจะผูกเรื่องเข้ากับคลื่นแล้วละก็ วิญญาณหรืิอพลังงานออราจะต้องมีความยาวคลื่นครับ

อนุภาคมูลฐาน (elementary particles)
การที่เราจะฟันธงลงไปว่าระบบอะไรสักอย่างเป็นระบบอนุภาคที่มูลฐาน คือ แบ่งแยกต่อไปอีกไม่ได้แล้ว เล็กที่สุดแล้ว ในทางกลศาสตร์ควอนตัมมีเกณฑ์อีกอย่างหนึ่ง คือ ระบบนั้นจะได้รับการกระตุ้น (excite) ไม่ได้

เราสามารถกระตุ้นกระป๋อง กระแป๋ง ของเราให้สั่ได้โดยการตี เขย่า กระแทก ฯลฯ
เมื่อกระป๋อง กระแป๋ง ถูกตี มันจะสั่นสะเทือนด้วยความถี่ธรรมชาติและความถี่อื่นๆตามโหมดความถี่ธรรมชาติของระบบ

กระป๋อง กระแป๋งของเราเป็นวัตถุที่มีขนาด มีโครงสร้างภายใน จึงมีตอบสนองด้วยความถี่ออกมาเมื่อได้รับการรบกวน

เราสามารถกระตุ้นอะตอมได้ โดยการยิงรังสีแกมมาหรือโฟตอนพลังงานสูงเข้าไป อะตอม (พิจารณารวมทั้งตัวอะตอม) ของมีสภาพถูกกระตุ้น (excited) (อย่าให้ผมแปลว่าอะตอมมันตื่นเต้นเลยนะ) และปล่อยพลังงานในรูปโฟตอน (คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า) ในความถี่ธรรมชาติของมันออกมาเป็นห้วงๆ คือเป็นสเปกตรัมไม่ต่อเนื่อง

เราจะเห็นว่า ทั้งกระป๋อง กระแป๋ง และอะตอมนั้นถูกกระตุ้นได้เพราะให้ความถี่การสั่นของพลังงานออกมา ผิดกับเมื่อเราพิจารณาอิเล็กตรอน เมื่ออิเล็กตรอนได้ปะทะกับโฟตอนแล้วตัวอิเล็กตรอนเองจะไม่ตอบสนองโดยการสั่นให้ความถี่อะไรออกมาเลย แต่อิเล็กตรอนจะกระเจิงไปเนื่องจากการชนกับโฟตอน

ดังนั้น เกณฑ์ในการบอกว่าระบบอะไรสักอย่างเป็นระบบเล็กมูลฐานที่สุด ก็คือระบบนั้นต้องเป็นระบบที่ไม่อาจถูกกระตุ้นได้ (เป็นมูลฐาน excite ไม่ได้ คือ ตื่นเต้นไม่ได้ครับ)

นิวตรอนและโปรตรอน ยังถูกกระตุ้นให้สเปกตรัมของความถี่ได้ ดังนั้นจึงมีการค้นพบว่านิวตรอนและโปรตรอนนั้นประกอบไปด้วยอนุภาคมูลฐานที่เล็กยิ่งกว่า คือ ควาร์ก (quark)

ผมได้พูดถึงสเปกตรัม แล้วสเปกตรัมคืออะไรละ ว่ากันชัดๆ มันคืออะไรกันหนอ

สเปกตรัม (spectrum) คือ ปริมาณใดๆ ที่เป็นฟังก์ชันของความถี่ครับผม

สปินของอิเล็กตรอน (electron spin) เราต้องไม่พิจารณาว่าอิเล็กตรอนนั้น “หมุน” ครับ นั่นก็เพราะอิเล็กตรอนเป็นอนุภาคมูลฐานที่ปราศจากขนาด เมื่อไม่มีขนาด ย่อมไม่มีปริมาตร และก็ย่อมไม่มีรูปร่าง ดังนั้นจึงไม่อาจพิจารณาได้ว่ามันหมุน

“ฟิสิกส์ต้องชัดเจนครับ”

**********************
เกี่ยวกับผู้เขียน



บุรินทร์ กำจัดภัย

สำเร็จการศึกษาด้านฟิสิกส์ทฤษฎีและจักรวาลวิทยาจากประเทศอังกฤษ
มีอาชีพเป็นนักฟิสิกส์ทฤษฎี ปัจจุบันทำงานวิจัยและสอนในฐานะอาจารย์ประจำที่สถาบันสำนักเรียนท่าโพธิ์ฯ วิทยาลัยเพื่อการค้นคว้าระดับรากฐาน หรือ IF มหาวิทยาลัยนเรศวร

Perspective 7 เป็นบทความเกี่ยวกับทรรศนะของตัวผู้เขียนเองซึ่งเป็นนักวิทยาศาสตร์ ต่อธรรมชาติ สังคม และปรัชญา ทรรศนะเหล่านี้นำเสนอในหลายประเด็นผ่านหลายเรื่องราวจากประสบการณ์ของผู้เขียนเองโดยผ่านเลนส์ตาของวิทยาศาสตร์

“สิ่งที่สำคัญยิ่งกว่าศีลธรรมและจารีต คือสติและการรู้จักตัวตนของตัวเอง”
กำลังโหลดความคิดเห็น...