คำถามหนึ่งที่ใครๆ ก็สงสัยตั้งแต่สมัยโบราณ คือ แสงเคลื่อนที่เร็วเพียงใด?
ในอดีต Galileo Galilei เคยให้ลูกศิษย์และตนเองยืนบนยอดเขาสองลูกที่รู้ระยะห่างระหว่างกัน เมื่อถึงเวลาที่กำหนดก็ให้ลูกศิษย์จุดตะเกียง แล้ว Galileo ก็พยายามวัดเวลาที่แสงจากตะเกียงมาเข้าตา ผลปรากฏว่า วัดเวลาไม่ได้ เพราะแสงเคลื่อนที่เร็วมากจนประสาทมือจับเวลาไม่ทัน ผลการทดลองครั้งนั้นแสดงให้เห็นว่า แสงมีความเร็วสูงมากจนมนุษย์วัดความเร็วไม่ได้
Réne Descartes นักคณิตศาสตร์ชาวฝรั่งเศสก็คิดเช่นกันว่า แสงมีความเร็วสูงมากถึงอนันต์ คือสามารถเดินทางจากแหล่งกำเนิดถึงจุดหมายปลายทาง โดยไม่เสียเวลาเลยแม้แต่น้อย
แต่มีนักวิทยาศาสตร์ท่านหนึ่ง ที่แม้จะเห็นพ้องกับ Descartes ว่า มนุษย์คงไม่สามารถวัดความเร็วของแสงได้ แต่ในเวลาต่อมาเขากลับเปลี่ยนใจและคิดว่า ถ้าเราวัดความเร็วแสงบนโลกไม่ได้ ก็คงต้องพยายามวัดความเร็วแสงบนสวรรค์ เขาผู้นั้นคือ Olaus Christen Roemer
Olaus Christen Roemer เกิดเมื่อวันที่ 25 กันยายน ค.ศ. 1644 (ตรงกับรัชสมัยพระเจ้าปราสาททอง) ที่เมือง Arhus ในเดนมาร์ก ในปีที่ Roemer เกิด Isaac Newton มีอายุ 2 ขวบ Galileo เสียชีวิตไปแล้ว 2 ปี Christiaan Huygens มีอายุ 15 ปี Giovanni Cassini มีอายุ 19 ปี ส่วน Edmond Halley ยังไม่เกิดจนอีก 12 ปีต่อมา
บิดาของ Roemer มีอาชีพเป็นพ่อค้า ส่วนมารดาเป็นบุตรสาวของสมาชิกสภาแห่งเมือง Arhus ในวัยเด็ก Roemer เรียนหนังสือเก่งมาก เมื่ออายุ 18 ปี ก็สำเร็จการศึกษาจากโรงเรียนสอนศาสนาแห่ง Arhus และได้ไปศึกษาต่อที่มหาวิทยาลัย Copenhagen โดยมี Rasmus Bartholin เป็นอาจารย์ที่ปรึกษา ซึ่ง Bartholin นี้ก็คือผู้พบปรากฏการณ์การหักเหคู่ (double refraction) ของแสงในสาร calcite ที่เกิดขึ้นเมื่อรังสีแสงผ่านเข้าไปในผลึก calcite จะแยกออกเป็นสองรังสี ความสามารถของ Roemer ทำให้ Bartholin รู้สึกประทับใจมาก จึงมอบหน้าที่เป็นผู้เรียบเรียงข้อมูลดาราศาสตร์ของ Tycho Brahe เพื่อลงตีพิมพ์ในวารสารของมหาวิทยาลัย
ชื่อเสียงและความสำเร็จในการทำงานของ Roemer เป็นที่เลื่องลือถึงต่างประเทศ จนพระเจ้าหลุยส์ที่ 14 แห่งฝรั่งเศสทรงเชื้อเชิญให้เป็นพระอาจารย์ถวายพระอักษรแด่มกุฎราชกุมารของฝรั่งเศส และเป็นนายช่างสร้างน้ำพุที่พระราชวัง Versailles ด้วย
ในปี 1681 หลังจากเสร็จภาระงานในฝรั่งเศส Roemer วัย 37 ปี เดินทางกลับเดนมาร์กเพื่อเข้ารับตำแหน่งศาสตราจารย์แห่งมหาวิทยาลัย Copenhagen และเข้าพิธีสมรสกับ Anne Bertholin ผู้เป็นบุตรสาวของอดีตอาจารย์ที่ปรึกษา Roemer ชอบทำงานดาราศาสตร์มาก หลังจากที่ได้สร้างกล้องดูดาวเพื่อใช้งานค้นคว้าที่มหาวิทยาลัยแล้ว เขาได้ใช้เวลานานถึง 10 ปีในการศึกษาดวงจันทร์ทั้ง 4 ของดาวพฤหัสบดีที่ Galileo พบ จนมีข้อมูลเกี่ยวกับ Io, Europa, Callisto และ Ganemede มากกว่าบรรดานักดาราศาสตร์ทุกคนในโลก และเมื่อสถาบัน French Academy of Sciences ต้องการรู้วิธีวัดตำแหน่งเส้นแวงของสถานที่ต่างๆ บนโลก สถาบันได้ส่งนักดาราศาสตร์ไปขอคำแนะนำจาก Roemer ซึ่งก็ได้ให้ความช่วยเหลือเป็นอย่างดี จนสถาบันพออกพอใจ จึงเสนอตำแหน่งนักดาราศาสตร์ผู้ช่วยของ Giovanni Cassini ที่ Paris ให้ ซึ่งนับเป็นเกียรติสูงมาก เพราะในช่วงเวลานั้นฝรั่งเศสคือศูนย์กลางการวิจัยดาราศาสตร์ของโลก อันเป็นผลสืบเนื่องมาจากการมีพระเจ้า Louis ที่ 14 (ซึ่งมีพระสมัญญาว่า Sun King) ทรงเป็นองค์อุปถัมภ์วิทยาการดาราศาสตร์ และพระองค์ทรงโปรดเกล้าให้สร้างหอดูดาวแห่งปารีสซึ่งมีกล้องโทรทรรศน์ที่ทรงพลังมากที่สุดในโลก และมีผู้อำนวยการเป็นนักดาราศาสตร์ชื่อ Giovanni Cassini ผู้มีชื่อเสียงในการพบช่องว่างระหว่างวงแหวนของดาวเสาร์
ความยิ่งใหญ่ของวงการดาราศาสตร์ฝรั่งเศสในสมัยนั้นมีมากถึงระดับที่ในปี 1667 ได้กำหนดให้เส้นแวงที่ 0 องศา พาดผ่านหอดูดาวที่ปารีส จากเดิมในปี 1506 ที่โปรตุเกสซึ่งเคยเป็นมหาอำนาจทางทะเลมาก่อนได้กำหนดให้เส้นแวงที่ 0 องศาผ่านหมู่เกาะ Madeira และเมื่อถึงเวลาที่นักวิทยาศาสตร์อังกฤษมีความสามารถด้านดาราศาสตร์มากที่สุด อังกฤษได้กำหนดให้เส้นแวงที่ 0 องศาผ่านหอดูดาวที่เมือง Greenwich ในปี 1884 และโลกก็ยังยึดใช้เส้นกำหนดนี้มาจนทุกวันนี้
ในความเป็นจริง การกำหนดเส้นแวงของสถานที่ต่างๆ บนโลกเป็นเรื่องจำเป็นมาก สำหรับนักเดินเรือในทะเล และนักทำแผนที่ เพราะการรู้ตำแหน่งที่แม่นยำของเรือจะทำให้เรือปลอดภัยจากการชนหินโสโครก ความสำคัญของการหาตำแหน่งของเส้นแวงจึงเป็นปัญหาที่สำคัญมาก จนสมเด็จพระเจ้า Philip ที่ 3 แห่งสเปนทรงสัญญาว่าจะประทานรางวัลให้แก่ผู้ที่ทำเรื่องนี้ได้สำเร็จเป็นคนแรก
แต่ปัญหาที่นักประดิษฐ์ทุกคนประสบคือ ไม่มีใครในโลกมีนาฬิกาที่เดินเที่ยงตรง เพราะนาฬิกาลูกตุ้มเพนดูลัมของ Galileo จะแกว่งไม่สม่ำเสมอขณะเรือถูกคลื่นโคลงเคลงในทะเล
Roemer จึงคิดว่า ถ้าการวัดเวลาบนโลกอย่างเที่ยงตรงเป็นเรื่องที่เป็นไปไม่ได้ ทางออกหนึ่งคือ ต้องใช้ดาวบนฟ้าในการบอกตำแหน่งของเส้นแวง และพบว่า ดวงจันทร์ Io ของดาวพฤหัสบดีสามารถนำมาใช้บอกตำแหน่งเส้นแวงได้ โดยการสังเกตเวลาทั้งหมดที่ Io ถูกดาวพฤหัสบดีบดบัง ณ สถานที่สองแห่งบนโลก คือ ที่ Copenhagen กับที่ Paris ซึ่งจะได้เวลาแตกต่างกัน และค่าแตกต่างนี้จะบอกความแตกต่างระหว่างองศาเส้นแวงที่ลากผ่านเมืองทั้งสองได้
แต่ Roemer ก็รู้สึกประหลาดใจมาก เมื่อได้พบว่า ที่หอดูดาว Paris แห่งเดียวกัน แต่ในเวลาต่างกัน เวลาในการเกิดคราสของ Io ต่างกัน (การสังเกตนี้จึงยืนยันว่า แสงมิได้มีความเร็วอนันต์ เพราะถ้าแสงมีความเร็วดังกล่าว เวลาในการเห็นคราสจะไม่แตกต่างกันเลย) โดยเฉพาะอย่างยิ่งเขาได้พบว่า เมื่อเวลาในการสังเกตต่างกัน 6 เดือน เวลาในการเกิดคราสของ Io จะต่างกันถึง 22 นาที (เวลาที่ถูกต้องคือ 16.5 นาที) ตัวเลขที่แตกต่างกันนี้จะเกิดเวลาโลกกับดาวพฤหัสโคจรไปในทิศเดียวกัน นั่นคือเวลาโลกอยู่ข้างเดียวกันของดวงอาทิตย์กับดาวพฤหัสบดี โดยเวลาที่เกิดคราสจะสั้น แต่เวลาโลกอยู่ฝั่งตรงข้ามกับดาวพฤหัสบดี เวลาที่เกิดคราสจะนาน
Roemer จึงตระหนักว่า เวลาที่แตกต่างกันเกิดจากการที่แสงต้องใช้เวลาในการเดินทางเป็นระยะทางเท่าความยาวเส้นผ่านศูนย์กลางวงโคจรของโลก และเมื่อเขาใช้สูตรคำนวณง่ายๆ ว่า ความเร็ว = ระยะทาง/เวลา เขาก็รู้ความเร็วแสง
แต่ Roemer ไม่มีข้อมูลความยาวเส้นผ่านศูนย์กลางวงโคจรของโลกรอบดวงอาทิตย์ เขาจึงต้องอาศัยข้อมูลของ Cassini ซึ่งประมาณว่าเท่ากับ 292 ล้านกิโลเมตร (ตัวเลขจริง 300 ล้านกิโลเมตร และเมื่อใช้เวลา 22 นาที = 1,320 วินาที) เขาก็ได้ค่าความเร็วแสงเท่ากับ 221,212 กิโลเมตร/วินาที ตัวเลขความเร็วแสงในปัจจุบัน 299,792.458 กิโลเมตร/วินาที
ผลคำนวณของ Roemer จึงผิดเพียง 26% ซึ่งนับว่า “ดีมาก” ถ้าพิจารณาความไม่สมบูรณ์ของอุปกรณ์วัด ความลำบากในการสังเกตคราส ทั้งนี้เพราะดาวพฤหัสบดีอยู่ไกลมาก และกล้องโทรทรรศน์ไม่ได้มีคุณภาพ นอกจากนี้การที่ Roemer ประมาณว่า วงโคจรทั้งของโลก และดาวพฤหัสบดีต่างก็เป็นวงกลมไม่ถูกต้องทีเดียวนัก เพราะวงโคจรของดาวทั้งสองเป็นวงรี
Roemer นำเสนอผลงานนี้ต่อสมาคม French Academy of Sciences และผลงานถูกนำลงตีพิมพ์ในวารสาร Journal des Scavans ของสมาคมเมื่อวันที่ 7 ธันวาคม ค.ศ. 1676
แต่ผลงานนี้ยังไม่เป็นที่ยอมรับในทันที เพราะ Roemer ใช้แบบจำลองระบบสุริยะของ Copernicus แต่ Cassini ไม่เชื่อในทฤษฎีนี้ จนกระทั่ง James Bradley วัดความเร็วแสงด้วยวิธีสังเกตความคลาดแสงดาว (aberration of starlight) ในปี 1727 โดยใช้ดวงจันทร์ Io เช่นกัน
ความสำเร็จนี้ทำให้หอดูดาวแห่ง Paris ติดตั้งแผ่นจารึกแสดงความสำเร็จของ Roemer เป็นที่ระลึกในการวัดค่าคงตัวในธรรมชาติของแสงเป็นครั้งแรก ซึ่งความเร็วนี้ ถูกแทนด้วยตัวอักษร c ที่มาจากคำละตินว่า celeritas ซึ่งแปลว่า ความว่องไว
ความสำเร็จของ Roemer นี้เกิดก่อน Newton ตีพิมพ์ตำรา Principia ถึง 11 ปี แต่ Newton ไม่สนใจ และไม่ได้ให้ความสำคัญการวัดนี้ จะมีก็แต่ Christiaan Huygens เท่านั้นที่ตระหนักในความสำคัญของผลงานของ Roemer และได้ยืนยันว่า หลักการของ Roemer ในการวัดความเร็วแสงนั้นถูกต้อง
นอกจากจะวัดความเร็วแสงได้แล้ว Roemer ยังแบ่งเวลาทำงานเป็นผู้อำนวยการที่หอดูดาว Round Tower ในกรุง Copenhagen ด้วย อีกทั้งยังเป็นผู้ริเริ่มให้มีการนำปฏิทิน Gregory มาใช้ในเดนมาร์ก นำน้ำหนักมาตรฐาน และความยาวมาตรฐานมาใช้ในประเทศ ประดิษฐ์เทอร์โมมิเตอร์แบบ Roemer ที่มีสเกล 0 ถึง 80 องศา โดย 0 องศาแสดงจุดเยือกแข็ง และ 80 องศาแสดงจุดเดือดของน้ำ
นอกจากงานวิทยาศาสตร์แล้ว Roemer ก็ยังมีเวลาไปทำงานในตำแหน่งผู้ว่ากรุง Copenhagen เป็นผู้พิพากษาในศาลฎีกา เป็นตำรวจ และในบางครั้งก็ทำงานเป็นหัวหน้าหน่วยดับเพลิงด้วย
Roemer เสียชีวิตเมื่อวันที่ 19 กันยายน 1710 ที่กรุง Copenhagen สิริอายุ 65 ปี
ณ วันนี้ความเร็วแสงเป็นค่าที่มีความสำคัญมากในธรรมชาติ หลังจากที่ Einstein ได้กำหนดว่า สสารทุกชนิด หรือแม้แต่พลังงานจะมีความเร็วได้ไม่เกินความเร็วแสง
ในปี 1983 องค์การ International System of Units ได้กำหนดให้ระยะทาง 1 เมตร คือระยะทางที่แสงเดินทางโดยใช้เวลา 1/299,792.458 วินาที ตามคำจำกัดความนี้ ความเร็วแสงจึงมีค่าคงตัว
อ่านเพิ่มเติมจาก “Scientific Method, Statistical Method and the Speed of Light” โดย R.J.Mackay และ R.W.Oldford ใน Statistical Science Vol.15 ปี 2000
เกี่ยวกับผู้เขียน
สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ สุทัศน์ ยกส้าน ได้ทุกวันศุกร์
