ใครคือคนสาธิตให้โลกเห็นครั้งแรกว่า “โลกหมุนรอบตัวเอง”

ใครคือคนที่สาธิตให้โลกเห็นเป็นครั้งแรกว่าโลกหมุนรอบตัวเอง อีกทั้งยังได้เสนอหลักฐานที่แสดงว่า แสงมิได้มีลักษณะเป็นอนุภาค นอกจากนี้ยังได้ประดิษฐ์ไจโรสโคป (gyroscope) สร้างกล้องโทรทรรศน์สะท้อนแสง และวัดระยะทางจากโลกถึงดวงอาทิตย์ด้วย

คำตอบคือ León Foucault

ในอดีตเมื่อ 160 ปีก่อนนี้ใครๆ ก็รู้ว่า โลกมนุษย์หมุนรอบตัวเอง แต่ไม่มีใครมีหลักฐานที่ทำให้ทุกคนมั่นใจในเรื่องนี้ แม้ Newton, Galileo และนักฟิสิกส์อื่นๆ จะรู้ว่าการหมุนของโลกมีอิทธิพลต่อลักษณะการเคลื่อนที่ของวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่ แต่ก็ไม่มีใครสามารถออกแบบการทดลองเพื่อพิสูจน์ความจริงนี้ได้ ทั้งๆ ที่ได้พยายามกันมาก เช่น ปล่อยตุ้มน้ำหนักจากที่สูง ยิงปืนใหญ่ดิ่งขึ้นฟ้า แล้วดูตำแหน่งที่ลูกตุ้มตก หรือกระสุนปืนใหญ่กระทบพื้นว่า การหมุนของโลกทำให้วัตถุตกห่างจากตำแหน่งที่คำนวณเพียงใด แต่ก็ไม่เห็นค่าเบี่ยงเบนเลย (ในความเป็นจริงมีค่าเบี่ยงเบนเกิดขึ้นทุกครั้ง แต่นักทดลองวัดไม่ได้)

จนกระทั่งปี 1851 (ตรงกับรัชสมัยพระจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว) นักฟิสิกส์หนุ่มชาวฝรั่งเศสคนหนึ่งชื่อ León Foucault ก็ได้ทำให้ทุกคนประทับใจ เมื่อเขานำเพนดูลัม (ระบบที่ประกอบด้วยลูกตุ้มติดอยู่ที่ปลายลวด หรือเส้นเชือกโดยปลายอีกข้างหนึ่งของลวดหรือเชือกถูกตรึงแน่น จากนั้นก็ปล่อยลูกตุ้มให้แกว่งไปมา) ที่ทำด้วยเส้นลวดยาว 67 เมตร และลูกตุ้มหนัก 28 กิโลกรัม มาแกว่งน้อยๆ ใต้โคมสูงของ Pantheón ในกรุงปารีส แล้วทุกคนก็ได้เห็นกับตาว่า ระนาบการแกว่งของเพนดูลัมค่อยๆ เบนไปในทิศทวนเข็มนาฬิกา เพราะถูกอิทธิพลการหมุนรอบตัวเองของโลกกระทำ

Jean – Bernard - León Foucault เกิดที่กรุงปารีส ประเทศฝรั่งเศส เมื่อปี ค.ศ.1819 ในวัยเด็ก Foucault ใช้ชีวิตอยู่บ้านนอก แล้วได้อพยพมาใช้ชีวิตในปารีสเมืองหลวงเมื่อเติบใหญ่ และอยู่จนกระทั่งเสียชีวิตในปี ค.ศ.1868 เมื่ออายุ 49 ปี

บิดาของ Foucault มีอาชีพขายหนังสือ และเป็นเจ้าของโรงพิมพ์ เพราะตระกูลนี้มีฐานะดี ดังนั้นบิดาจึงสามารถส่ง Foucault ไปเรียนที่โรงเรียน College Stanislas ซึ่งเป็นโรงเรียนสำหรับคำร่ำรวย และชนชั้นสูงได้ แต่ Foucault เรียนหนังสือไม่เก่ง ดังนั้นบิดาจึงต้องหาครูมาสอนพิเศษให้ แม้สมองจะไม่ปราดเปรื่อง แต่ Foucault มีพรสวรรค์ในการประดิษฐ์ เช่น ออกแบบสร้าง เรือจำลองและเครื่องส่งโทรเลข รวมถึงอุปกรณ์การแพทย์ต่างๆ จึงตัดสินใจเข้าเรียนแพทย์ แต่กลับทนเห็นเลือดจากบาดแผลไม่ได้ จึงลาออกจากมหาวิทยาลัย

จากนั้นได้หันไปสนใจกล้องถ่ายรูป ซึ่งในสมัยนั้น การถ่ายภาพแต่ละภาพต้องใช้เวลานานเป็นชั่วโมงกว่าจะล้างภาพได้หนึ่งภาพ ทั้งนี้เพราะกระจกฟิลม์ในยุคนั้นเคลือบด้วยเงินไอโอไดด์ และเวลาล้างภาพ ต้องอบกระจกด้วยไอปรอท จึงจะได้ภาพที่ต้องการ ในปี 1841 Hippolyte Fizeau ซึ่งเคยเรียนห้องเดียวกับ Foucault ที่ College Stanislas ได้มาทำงานร่วมกับ Foucault เพื่อพัฒนาเทคโนโลยีถ่ายภาพจนได้พบว่า ไอโบรมีนจะลดเวลาในการล้างภาพลงมาก ด้าน Foucault ก็ได้พัฒนาเทคนิคการถ่ายภาพต่อ โดยพยายามหาวิธีที่จะเคลือบกระจกให้หนาสม่ำเสมอ เพื่อถ่ายภาพของดวงอาทิตย์ขณะเกิดสุริยคราสในปี 1844 ตามคำขอของ Francois Arago ซึ่งขณะนั้นดำรงตำแหน่งเลขาธิการของ French Academy of Sciences ที่ถือกันว่ามีบารมี อีกทั้งเป็นผู้อำนวยการแห่งหอดูดาวที่ปารีส ดังนั้น Fizeau และ Foucault จึงจัดการให้ ภาพถ่ายที่ได้แสดงให้เห็น ส่วนที่เป็น corona ในบริเวณใกล้ผิวดวงอาทิตย์ การพิสูจน์ด้วยภาพถ่ายนี้จึงล้มล้าง ทฤษฎีของ Huygens ที่ว่า ดวงอาทิตย์เป็นก้อนของเหลวที่มีอุณหภูมิสูง

ในปี 1850 Foucault ได้รับการขอร้องจาก Arago อีก ให้ทดลองฟันธงว่า แสงมีพฤติกรรมแบบคลื่นหรือแบบอนุภาค

นับตั้งแต่ ค.ศ.1800 เป็นต้นมา Robert Hooke และ Christian Huygens ต่างเชื่อว่า แสงมีรูปร่างเป็นคลื่น เพราะแสงแสดงปรากฏการณ์โพลาไรเซชัน แทรกสอด และเลี้ยวเบน ทำให้แนวคิดนี้เป็นที่ยอมรับยิ่งกว่าแนวคิดของ Newton กับ Descartes ที่ว่า แสงเป็นอนุภาค แต่ฝ่ายที่เชื่อว่า แสงเป็นอนุภาคก็ยังไม่ยอมรับเรื่องแสงเป็นคลื่นอย่างเต็มที่ 100%

Arago จึงคิดออกแบบการทดลองที่จะตัดสินความถูกต้องหรือผิดพลาดของความคิดเหล่านี้ โดยจะวัดความเร็วของแสงในอากาศกับในน้ำ เพราะทฤษฎีทั้งสองพยากรณ์ความเร็วของแสงในน้ำและในอากาศแตกต่างกัน คือ ทฤษฎีที่ว่าแสงเป็นคลื่นทำนายว่า ความเร็วแสงในน้ำจะน้อยกว่าความเร็วแสงในอากาศ แต่ทฤษฎีที่ว่าแสงเป็นอนุภาคคิดว่า ความเร็วแสงในน้ำจะมากกว่าความเร็วแสงในอากาศ

แต่ Arago ต้องหยุดการทดลองก่อนจะได้ผลสรุป เพราะโรคเบาหวานทำให้สายตามัวมาก จนมองเห็นแสงยาก ดังนั้นจึงให้ Foucault ดำเนินการต่อและให้แสงผ่านทั้งน้ำและอากาศ ในระยะที่เท่ากัน และประจักษ์ว่า แสงเดินทางในน้ำได้ช้ากว่าในอากาศ Foucault จึงจัดการแถลงผลการทดลองนี้ในเดือนเมษายน ค.ศ.1850 ซึ่งเป็นการปิดฉากความคิดและความเชื่อที่ว่า แสงเป็นอนุภาคอย่างสมบูรณ์

ความสำเร็จของการทดลองนี้จักนำให้ Foucault พิชิตรางวัล Legion of Honour ของฝรั่งเศส ซึ่งถือเป็นเกียรติสูงสุด สำหรับนักวิทยาศาสตร์ของฝรั่งเศส และทำให้ Fizeau กับ Foucault ต้องแยกทำงานกัน เพราะต่างก็มีบุคลิก และสไตล์การทำงานที่ไปกันไม่ได้นาน

ผลงานชิ้นต่อไปที่ทำให้ชื่อเสียงของ Foucault เป็นอมตะคือ การทดลองเรื่องเพนดูลัม เพื่อสาธิตการหมุนรอบตัวเองของโลก

ในการทดลองเมื่อวันที่ 3 มกราคม ค.ศ.1851 Foucault ใช้ตุ้มที่หนัก 5 กิโลกรัม และใช้ลวดทองแดงยาว 2 เมตร ผลการทดลองปรากฏว่า ลวดขาด จนอีก 5 วันต่อมา จึงทดลองใช้ลวดยาวขึ้น และ Foucault ได้สังเกตเห็นว่า ระนาบการแกว่งของเพนดูลัมเบนยิ่งขึ้น จึงเชิญ Arago มาเป็นพยาน ในการดูเพนดูลัมที่หอดูดาวในกรุงปารีส Foucault ได้ชี้แจงให้ Arago ฟังว่า ถ้าเขาทดลองที่ขั้วโลก ระนาบการแกว่งของเพนดูลัมจะเบนไป 360 องศาในหนึ่งวัน แต่ถ้าทดลองที่เส้นศูนย์สูตร ระนาบการแกว่งของเพนดูลัมจะไม่เบี่ยงเบนเลย Foucault เชื่อว่า มุมเบนขึ้นกับ sine ของมุม q เมื่อ q คือมุมที่บอกตำแหน่งเส้นรุ้งของบริเวณที่เพนดูลัมแกว่ง

Arago รู้สึกประทับใจในการสาธิตครั้งนั้นมาก จึงเชิญประธานาธิบดีฝรั่งเศส Louis – Napoleon Bonaparte มาเป็นสักขี เพื่อดูการทดลองของ Foucault ในฤดูใบไม้ผลิปี 1851 ที่ Panthéon ซึ่ง Foucault ใช้ลวดยาว 67 เมตร และลูกตุ้มหนัก 28 กิโลกรัม แกว่งเป็นเพนดูลัม แล้วใช้เหล็กปลายแหลมติดใต้ลูกตุ้มซึ่งจะขีดเป็นรอยบนทรายที่กระจายอยู่บนพื้น ทำให้เห็นระนาบการแกว่งของเพนดูลัมชัด

ชาวปารีสที่มาดูการทดลองได้เห็นระนาบการแกว่งของเพนดูลัมเบนจริง แต่แรงต้านของอากาศได้ทำให้เพนดูลัมหยุดแกว่งในที่สุด หลังจากเวลาผ่านไปประมาณ 7 ชั่วโมง และระนาบการแกว่งได้เบนไป 65 องศา จากแนวเดิม

ในการอธิบายเหตุการณ์นี้ นักฟิสิกส์ได้พบว่า ในระบบที่กำลังหมุน (โลก) จะมีแรงชนิดหนึ่งเกิดขึ้น (แรง Coriolis) ซึ่งกระทำต่อระบบ และผลักให้ระนาบการแกว่งของเพนดูลัมเบนไปจากเดิม

ผลการสาธิตการหมุนของโลกได้ทำให้ Foucault มีชื่อเสียงโด่งดังมาก แต่ก็เป็นคนที่ยังไม่มีงานประจำทำ ทั้งนี้อาจเป็นเพราะ Foucault มีบุคลิกภาพที่ไม่เป็นมิตร พูดจาขวานผ่าซาก และเอาใจใครไม่เป็น แต่ในที่สุด เมื่อ Arago เสียชีวิต ตำแหน่งผู้อำนวยการแห่งหอดูดาวที่ปารีสจึงตกเป็นของ Urbain Le Verrier ผู้พบดาวเคราะห์ Neptune ซึ่งเห็นอกเห็นใจ Foucault วัย 36 ปี ว่ายังไม่มีงานทำ จึงขอให้ Foucault สร้างกล้องโทรทรรศน์ชนิดหักเหแสง เพื่อใช้ที่หอดูดาว โดยให้กล้องมีเลนส์ที่มีเส้นผ่าศูนย์กลางยาว 74 เซนติเมตร แต่ Foucault บอกว่า กล้องโทรทรรศน์แบบสะท้อนแสงจะทำงานได้ดีกว่า Foucault จึงได้ออกแบบกระจกเว้าที่ใช้สะท้อนแสงซึ่งใช้ silver nitrate เคลือบ เพราะหน้ากล้องโทรทรรศน์ที่จะสร้างค่อนข้างใหญ่ ดังนั้นการสร้างกระจกโค้งเว้าที่มีประสิทธิภาพสูงจึงเป็นเรื่องยาก Foucault ได้ออกแบบการทดสอบความโค้งที่สมบูรณ์ของผิวกระจก โดยใช้คมมีดวาง ณ จุดศูนย์กลางความโค้งของกระจกนั้น จึงทำให้เห็นความไม่สมบูรณ์ของกระจกได้ง่าย และเร็ว

วิธีทดสอบ Foucault’s knife edge Test นี้ ได้ช่วยให้ Foucault สามารถสร้างกล้องโทรทรรศน์ที่มีเส้นผ่าศูนย์กลางของกระจกโค้งยาวถึง 80 เซนติเมตรได้ และกล้องโทรทรรศน์นี้ได้ถูกนำไปติดตั้งที่หอดูดาวแห่งเมือง Marsailles เพื่อศึกษาดวงอาทิตย์ และด้วยกล้องนี้ Frauhoffer ก็ได้พบว่าเส้นสีเหลืองในสเปกตรัมของไฟโซเดียม มีความยาวคลื่นเท่ากับเส้นสีดำในสเปกตรัมของดวงอาทิตย์ ดังที่ Frauhoffer เห็น แต่ไม่ได้อธิบายว่า เหตุใดจึงเป็นเช่นนั้น เขาจึงพลาดการพบว่า บนดวงอาทิตย์มีธาตุโซเดียม

ในเวลาต่อมา Le Verrier ได้ขอร้องให้ Foucault วัดระยะทางจากโลกถึงดวงอาทิตย์ และวัดความเร็วแสงด้วย
Foucault จึงใช้อุปกรณ์วัดความเร็วแสงที่เขาเคยใช้ศึกษาความเร็วแสงในน้ำ และในอากาศมาทดลองที่ Academy of Sciences และพบว่าความเร็วแสงมีค่าประมาณ 298,000 กิโลเมตร/วินาที (ค่านี้แตกต่างจากค่าปัจจุบันน้อยกว่า 1%) ส่วนระยะทางจากโลกถึงดวงอาทิตย์ก็มีค่าน้อยกว่าค่าจริงประมาณ 1% และนี่คือผลงานวิทยาศาสตร์ที่สำคัญชิ้นสุดท้ายของ Foucault

ในปี 1855 Foucault ได้รับเหรียญ Copley Medal จาก Royal Society ซึ่งนับเป็นรางวัลที่ยิ่งใหญ่ที่สุดจากสมาคม แต่สำหรับวงการวิทยาศาสตร์ของฝรั่งเศสเอง การยอมรับค่อนข้างช้า คงเป็นเพราะคนฝรั่งเศสรู้ว่า Foucault ไม่เคยเรียนฟิสิกส์อย่างเป็นกิจจะลักษณะทำให้สอนวิชาฟิสิกส์ ก็คงไม่เป็น คณิตศาสตร์ก็ไม่เก่ง ดังจะเห็นได้จากกรณีที่ Foucault สอบวิทยานิพนธ์ปริญญาเอก แล้วอธิบายคณิตศาสตร์ง่ายๆ ไม่เป็น อีกทั้งไม่เคยเรียนที่โรงเรียนดีๆ เช่น Ecole Polytechnique และ Ecole Normal Superieure

ดังนั้นเขาจึงถูกปฏิเสธไม่ให้เป็นสมาชิกของ Academy of Sciences ถึง 6 ครั้ง และประสบความสำเร็จในครั้งที่ 7
เมื่อถึงเดือนกรกฎาคม ค.ศ.1867 Foucault ได้ล้มป่วยเป็นอัมพฤกษ์ และต้องนอนพักในห้องแต่เพียงคนเดียว เพราะ Foucault เป็นโสด จึงไม่มีเพื่อนสนิทมาเยี่ยมเยือนมาก อีก 4 เดือนต่อมา Foucault ก็เสียชีวิต ในงานศพ เพื่อนๆ ที่รู้จักเขา พากันหลั่งน้ำตาด้วยความสงสาร

ชื่อของ Foucault ถูกนำไปจารึกลงบนเหล็กที่ใช้ในการสร้างหอ Eiffel

อ่านเพิ่มเติมจาก Foucault, His Pendulum and the Rotation of the Earth โดย W. Tobin and B. Pippard ใน Interdisciplinary Science Reviews, Vol.19 No.4 page 326-337 ปี 1994



*********************

เกี่ยวกับผู้เขียน



สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน - ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์

ประวัติการศึกษา - ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย

อ่านบทความ สุทัศน์ ยกส้าน ได้ทุกวันศุกร์

*********

สำหรับผู้สนใจต่อยอดความรู้ หนังสือ "สุดยอดนักผจญภัย" โดย ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน มีวางจำหน่ายแล้วในราคาเล่มละ 250 บาท