วิทยาศาสตร์สำหรับสรรพสิ่ง: อุบัติวิทยาศาสตร์ยุคใหม่

วิทยาศาสตร์สำหรับสรรพสิ่ง (ตอน 1)

วิทยาศาสตร์ยุคใหม่เริ่มอุบัติในยุโรปเมื่อ 500 ปีก่อน ด้วยการค้นพบของ Nicolaus Copernicus นักดาราศาสตร์ชาวโปแลนด์ ซึ่งได้ปฏิรูปความรู้เกี่ยวกับเอกภพที่ทุกคนเคยเชื่อว่าโลกคือศูนย์กลางของจักรวาลที่มีดาวและเดือนทุกดวงโคจรรอบโลก กลับเป็นว่า ดวงอาทิตย์ต่างหากที่เป็นศูนย์กลาง โดยมีโลกและดาวเคราะห์ดวงอื่นโคจรไปโดยรอบ

ทั้งๆ ที่ในอดีตก่อนนั้น โลกก็มีผลงานของนักดาราศาสตร์ชาวจีน ชาวบาบิโลน ชาวกรีก และชาวอินเดียบ้าง เช่น นักดาราศาสตร์จีนได้สังเกตเห็นการระเบิดของ supernova ตั้งแต่เมื่อสหัสวรรษก่อน แต่ธรรมชาติที่แท้จริงของ supernova ก็เพิ่งเป็นที่เข้าใจเมื่อประมาณ 50 ปีมานี้เอง ด้าน Erastothenes นักดาราศาสตร์กรีกก็เคยวัดขนาดของโลกเมื่อ 2,000 ปีก่อน และได้ค่าที่ถูกต้องพอประมาณ ส่วนนักคณิตศาสตร์อินเดียเมื่อนำเครื่องหมายและความรู้เกี่ยวกับเลขศูนย์มาใช้เมื่อพันปีก่อนก็ได้ทำให้คณิตศาสตร์ก้าวหน้ามาจนทุกวันนี้ สำหรับนักเล่นแร่แปรธาตุในสมัยกลางก็ได้พยายามค้นหาศิลานักปรัชญา ซึ่งผู้คนในสมัยนั้นเชื่อว่า สามารถทำให้ทุกสิ่งทุกอย่างที่มันสัมผัสเปลี่ยนเป็นทองคำได้ แม้การแสวงหานี้จะไม่ประสบผลเลย แต่เทคนิคที่คนเหล่านั้นใช้ก็ได้แผ้วทางให้วิชาเคมีได้ถือกำเนิด

ข้อแตกต่างหนึ่งระหว่างวิทยาศาสตร์ยุคใหม่กับวิทยาศาสตร์ในอดีตคือ การค้นคว้าวิทยาศาสตร์ในยุคปัจจุบันให้ความสำคัญกับการสังเกตและวัดอย่างละเอียด รวมถึงต้องมีคำอธิบายอย่างสมเหตุสมผล ในขณะที่การค้นคว้าวิทยาศาสตร์ในอดีตมิได้มุ่งให้เห็นความเกี่ยวพันระหว่างกิจกรรมทั้งสองประเภทนี้มาก นั่นคือ นักวิทยาศาสตร์ปัจจุบันถือว่า คำอธิบายต่างๆ จะเป็นองค์ความรู้ได้ ต้องได้รับการสนับสนุนโดยการทดลอง หรือการสังเกต ซึ่งอาจต้องใช้อุปกรณ์ ช่วยเพิ่มขอบเขตแห่งความสามารถในการรับรู้ของมนุษย์ เช่น ใช้กล้องโทรทรรศน์ในการเห็นดาวที่ขอบเอกภพ หรือใช้กล้องจุลทรรศน์ในการเห็นเชื้อโรค เป็นต้น

ดังนั้น จากคำจำกัดความนี้ Galileo Galilei จึงนับเป็นนักวิทยาศาสตร์คนแรกของโลก เพราะได้อธิบายและทดลองให้เห็นว่า ความเร่งของสรรพสิ่งเกิดจากการมีแรงมากระทำ และมวลของวัตถุซึ่งขึ้นกับน้ำหนักของวัตถุ มีค่าไม่แตกต่างจากมวลที่ถูกเร่งโดยแรง ข้อสรุปนี้เป็นที่รู้จักในนามหลักความสมมูลย์ (Equivalence Principle) ซึ่งเป็นหลักพื้นฐานที่สำคัญมากในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ Albert Einstein นอกจากนี้ Galileo ก็ยังเป็นบุคคลแรกที่แปลงกล้องส่องทางไกลเป็นกล้องโทรทรรศน์ เพื่อใช้สำรวจดาวและดวงจันทร์บนท้องฟ้าด้วย และการสังเกตของ Galileo ในครั้งนั้นทำให้ได้พบดวงจันทร์บริวารของดาวพฤหัสบดี 4 ดวงชื่อ Io, Europa, Ganymede กับ Callisto และการค้นพบเหล่านี้มีผลทำให้วิชาดาราศาสตร์ได้รับการปฏิรูปอย่างมโหฬาร

เมื่อถึงช่วงปลายคริสต์ศตวรรษที่ 17 คือใน ค.ศ.1687 Isaac Newton แห่งมหาวิทยาลัย Cambridge ในอังกฤษได้แถลงกฎแรงโน้มถ่วง ซึ่งเป็นแรงดึงดูดระหว่างมวลสองก้อน และใช้กฎนี้อธิบายวิถีโคจรที่มีลักษณะเป็นวงรีของดาวเคราะห์ต่างๆ ทุกดวงรอบดวงอาทิตย์ ซึ่งกฎแรงโน้มถ่วงของ Newton นี้เป็นกฎสากลของวิทยาศาสตร์เพราะสามารถใช้ได้ตลอดเวลา ในสถานที่ทุกหนแห่ง ไม่ว่ามวลเหล่านั้นจะอยู่บนโลก นอกโลก หรืออยู่ในกาแล็กซี่ Andromeda กฎนี้ก็ยังใช้ได้ กฎนี้จึงทำให้เรารู้ว่าเหตุการณ์ต่างๆ ที่เกิดบนสวรรค์กับปรากฎการณ์ต่างๆ ที่เกิดบนโลก ดำเนินไปภายใต้กฎเกณฑ์เดียวกัน และเทวดากับมนุษย์ใช้กฎวิทยาศาสตร์กฎเดียวกัน

นอกจากกฎแรงโน้มถ่วงแล้ว Newton ยังได้พบกฎการเคลื่อนที่ของสรรพสิ่ง ที่สามารถอธิบายรูปแบบการเคลื่อนที่ของวัตถุเวลาถูกแรงกระทำ และเพื่อให้ทุกคนเห็นความมหัศจรรย์ของกฎว่าสามารถอธิบายลักษณะการไหลของน้ำ การเคลื่อนที่ของกระสุนปืนใหญ่ การส่ายควงของว่าว ฯลฯ Newton ได้สร้างวิชาแคลคูลัส (calculus) ซึ่งเป็นเทคนิคคณิตศาสตร์รูปแบบหนึ่งเพื่อช่วยในการคำนวณและพยากรณ์เหตุการณ์ที่จะเกิดในธรรมชาติ และได้เรียบเรียงการค้นพบเหล่านี้ลงในตำรา Principia Mathematica อันมีผลทำให้ Principia เป็นตำราฟิสิกส์ที่สำคัญมากที่สุดเล่มหนึ่งของโลก เพราะได้วางรากฐานของวิชาวิทยาศาสตร์โดยเฉพาะฟิสิกส์ ตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา

ส่วนในฝรั่งเศสและเยอรมนี เหล่านักวิทยาศาสตร์และนักคณิตศาสตร์ได้เริ่มนำเทคนิคแคลคูลัสเชิงอนุพันธ์ (differential calculus) และกฎของ Newton มาปรับใช้ในการศึกษาระบบต่างๆ ในธรรมชาติ เช่น ในปรากฏการณ์ไฟฟ้า และแม่เหล็ก หลังจากที่ได้มีการพบว่าประจุไฟฟ้ามี 2 ชนิด คือ ประจุบวก และประจุลบ ซึ่งถ้ามีการประจุทั้งสองชนิดนำมารวมกัน อำนาจไฟฟ้าจะหายไป นั่นคือ ประจุลัพธ์จะเป็นศูนย์ นอกจากนี้ก็มีการพบสมบัติด้านอื่นๆ ของประจุไฟฟ้า เช่น ประจุที่เหมือนกันจะผลักกัน แต่ประจุที่ต่างกันจะดึงดูดกัน โดยเทคนิคที่ใช้ในการศึกษาประจุไฟฟ้ามีรูปแบบเดียวกับเทคนิคที่ใช้ในการศึกษามวล และยังได้พบอีกว่า ประจุสามารถเคลื่อนที่ผ่านอากาศได้ (ฟ้าผ่าและฟ้าแลบ) และสามารถไหลไปในเส้นลวดได้ เป็นกระแสไฟฟ้าที่สามารถทำให้เกิดสนามแม่เหล็กได้ (การทดลองของ Hans Oersted) และในปี 1794 Luigi Galvani ก็ได้พบว่ากระแสไฟฟ้ามีอิทธิพลต่อสิ่งมีชีวิต เช่น สามารถทำให้กล้ามเนื้อสัตว์กระตุกได้

ในด้านชีววิทยา Carl von Linné แห่งสวีเดน (หรือที่รู้จักในนามละตินว่า Linnaeus) ในปลายคริสต์ศตวรรษที่ 18 ได้คิดวิธีตั้งชื่อสัตว์และพืชทุกชนิดบนโลก และนักชีววิทยายังใช้ระบบวิธีนี้จนวันนี้ ส่วน Antoine Lavoisier ในฝรั่งเศสได้เริ่มวางรากฐานของเคมียุคใหม่ที่เน้นให้เห็นความสำคัญของการทดลองเคมีเชิงปริมาณมากขึ้น อีกทั้งยังได้คิดวิธีตั้งชื่อสารประกอบให้เป็นระบบ รวมทั้งได้ล้มล้างทฤษฎี phlogiston และตั้งกฎทรงมวลของสสาร ฯลฯ แม้จะมีผลงานมากสักเพียงใด แต่ในที่สุด Lavosier ก็ถูกประหารชีวิตด้วยกิโยตินในปี 1794 เมื่อสิ้นสุดการปฏิวัติครั้งยิ่งใหญ่ของฝรั่งเศสด้วยข้อหาว่าเป็นฝ่ายขุนนางที่ฉ้อราษฎร์บังหลวง ด้าน William Herschel ซึ่งเป็นนักดนตรีชาวเยอรมันที่ได้แปลงอาชีพและสัญชาติมาเป็นนักดาราศาสตร์ชาวอังกฤษก็ได้พัฒนากล้องโทรทรรศน์ให้มีขนาดใหญ่ขึ้นและมีประสิทธิภาพมากขึ้น จนทำให้พบดาวเคราะห์ Uranus ซึ่งเป็นดาวเคราะห์ดวงแรกที่มนุษย์รู้จักเพิ่มจากที่นักดาราศาสตร์โบราณเคยรู้ และพบรังสีอินฟราเรด (infrared radiation) ซึ่งเป็นรังสีชนิดแรกที่ตามนุษย์มองไม่เห็น และรังสีนี้มีประโยชน์มหาศาลไม่ว่าจะเป็นด้านเทคโนโลยี เช่น ใช้ในการค้นหาวัตถุโบราณใต้ดิน ทำสงคราม ใช้ในทางการแพทย์ ฯลฯ หรือใช้ในทางวิทยาศาสตร์บริสุทธิ์ เช่น ใช้วิเคราะห์โครงสร้างของสสาร และศึกษาธรรมชาติของดาว เป็นต้น

ในช่วงเวลาเดียวกันนี้ ประเทศต่างๆ ในยุโรปตะวันตกได้เริ่มก้าวเข้าสู่ยุคอุตสาหกรรม เมื่อวิศวกร James Watt ประดิษฐ์เครื่องจักรไอน้ำขึ้นใช้ทำงานแทนสัตว์และคน อันมีผลทำให้สังคมเริ่มนิยมใช้และชอบเทคโนโลยี จึงเป็นการนำวิชาอุณหพลศาสตร์อันเป็นวิทยาศาสตร์บริสุทธ์ไปประยุกต์ในชีวิตประจำวัน ทั้งในด้านการคมนาคม และการผลิต การกินอยู่ ฯลฯ จนทำให้เครื่องจักรกลายเป็นปัจจัยหนึ่งที่ขาดไม่ได้ในการดำรงชีวิตของสังคมปัจจุบัน

สำหรับเรื่องพัฒนาการทางด้านวิทยาศาสตร์บริสุทธิ์นั้น John Dalton ซึ่งทำงานเป็นครูบ้านนอกชาวอังกฤษได้เสนอแนวคิดเรื่องอะตอม (atom) เพื่อใช้อธิบายสมบัติต่างๆ ของสสารและปฏิกริยาเคมี โดยให้คำจำกัดความของธาตุว่าเป็นสสารที่ประกอบด้วยหน่วยที่เล็กที่สุดซึ่งเรียกว่า อะตอม และอะตอมเป็นสิ่งที่มนุษย์ไม่สามารถแบ่งแยกได้ และจากคำจำกัดความนี้ Dalton ได้เสนอความคิดเรื่องน้ำหนักอะตอมว่า อะตอมของธาตุต่างชนิดกันจะมีน้ำหนักไม่เท่ากัน อะตอมไฮโดรเจนเบาที่สุด ส่วนอะตอมคาร์บอนหนักประมาณ 12 เท่าของอะตอมไอโดรเจน เป็นต้น

เมื่อถึงคริสต์ศตวรรษที่ 19 ความคิดรวบยอดเรื่องพลังงานเริ่มได้รับการวิเคราะห์ในเชิงปริมาณมากขึ้น เพราะนับตั้งแต่สมัยของ Galileo ที่นักฟิสิกส์รู้ว่า พลังงานสามารถเปลี่ยนรูปจากรูปหนึ่งไปเป็นอีกรูปหนึ่งได้ เช่น ในกรณีวัตถุตกจากที่สูง วัตถุจะมีความเร็วมากขึ้นๆ เพราะพลังงานศักย์โน้มถ่วงกำลังลดลงโดยกลายเป็นพลังงานจลน์ (ถ้าไม่มีแรงเสียดทานใดๆ) นี่คือกฎทรงพลังงานของวิชากลศาสตร์ ส่วนในกรณีความร้อน แสง ไฟฟ้าและแม่เหล็กซึ่งก็เป็นปรากฎการณ์ที่มีพลังงานเหมือนกัน กฎทรงพลังงานก็ยังใช้ได้ และพลังงานเหล่านี้ต่างสามารถแปลงไปเป็นพลังงานรูปอื่นได้ เช่น กระแสไฟฟ้าทำให้หลอดไฟสว่าง (พลังงานไฟฟ้าเปลี่ยนเป็นพลังงานแสง) และเครื่องจักรไอน้ำทำให้ล้อรถไฟเคลื่อนที่ (พลังงานความร้อนเปลี่ยนเป็นพลังงานกลศาสตร์) คำถามที่นักวิทยาศาสตร์ในสมัยนั้นใคร่รู้คำตอบคือ การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้เกิดขึ้นเพราะเหตุใด หรือดำเนินไป ภายใต้กฎเกณฑ์อะไร

ในปี 1851 James Prescott Joule นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษเป็นบุคคลแรกที่ตอบโจทย์นี้ โดยได้ทดลองวัดค่าของพลังงานรูปแบบต่างๆ อย่างละเอียดและรอบคอบ จนพบว่า ถ้าไม่มีอิทธิพลภายนอกใดๆ มารบกวนระบบ กฎทรงพลังงานจะเป็นจริง นั่นคือ พลังงานทั้งหมดของระบบก่อนการเปลี่ยนแปลงจะเท่ากับพลังงานทั้งหมดของระบบหลังการเปลี่ยนแปลงเสมอ และกฎอนุรักษ์พลังงานนี้ถือเป็นกฎที่สำคัญที่สุดกฎหนึ่งของวิทยาศาสตร์ อีกทั้งยังเป็นกฎข้อที่หนึ่งของวิชาอุณหพลศาสตร์ (thermodynamics) ด้วย

อีก 14 ปีต่อมา Rudolf Clausius นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันได้ชื่อว่าเป็นบุคคลแรกที่นำความรู้เรื่อง entropy มาอธิบายการเปลี่ยนแปลงต่างๆ ทางกายภาพโดยได้แสดงให้เห็นว่า มันคือปริมาณที่บ่งบอกค่า พลังงานภายในบางส่วนของระบบที่ไม่สามารถเปลี่ยนเป็นงานได้ และ entropy นี้สามารถหาค่าได้จากการคำนวณปริมาณความไม่เป็นระเบียบในการจัดสถานะอะตอมหรือโมเลกุลของระบบนั้น และนี่ก็คือ กฎข้อที่สองของวิชาอุณหพลศาสตร์ ซึ่งมีใจความว่า เวลาระบบมีการเปลี่ยนแปลง ปริมาณความไม่เป็นระเบียบของระบบจะเพิ่มค่าเสมอ กฎนี้ทำให้นักฟิสิกส์สามารถอธิบายได้ว่า เหตุใดความร้อนจึงไม่เคลื่อนที่จากวัตถุเย็นไปสู่วัตถุร้อน ถ้าไม่มีความช่วยเหลือจากอิทธิพลภายนอกระบบ

ในปี 1858 Charles Darwin นักชีววิทยาชาวอังกฤษได้เสนอทฤษฎีวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตภายใต้การคัดเลือกโดยธรรมชาติ หลังจากที่ Darwin ได้รวบรวมหลักฐานทางชีววิทยา ภูมิศาสตร์ และธรณีวิทยามามากมายจนรู้ว่า สิ่งมีชีวิตหลายชนิดได้สูญพันธุ์ไปแล้วและบางชนิดได้เปลี่ยนแปลงรูปลักษณ์ไป ดังที่ปรากฎในฟอสซิลของสิ่งมีชีวิตซึ่งแฝงอยู่ในหินตะกอนชั้นต่างๆ ทฤษฎีวิวัฒนาการของ Darwin เน้นย้ำว่า วิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตเกิดจากปฏิสัมพันธ์ระหว่างสิ่งแวดล้อมของสัตว์และพืชกับความสามารถในการปรับตัวของสิ่งมีชีวิตให้มีรูปลักษณ์ที่เหมาะสมเพื่อความอยู่รอดและการแพร่พันธุ์ต่อไปของสิ่งมีชีวิตนั้น

ทฤษฎีวิวัฒนาการของ Darwin ได้สร้างความตื่นเต้นและความตระหนกตกใจในสังคมมาก เพราะทำให้บุคคลแทบทุกวงการรู้สึกถูกกระทบกระเทือนทางอารมณ์อย่างรุนแรง เมื่อทฤษฎีได้ ชี้นำให้เห็นความเกี่ยวข้องระหว่างมนุษย์กับลิงไม่มีหาง (ซึ่งมนุษย์ที่ประเสริฐหลายคนต่างออกปฏิเสธไม่ยอมรับความคิดนี้) รวมถึงปฏิเสธเรื่อง Adam กับ Eve ในคัมภีร์ไบเบิลด้วย (ซึ่งคนที่ศรัทธาในคำสอนตามคัมภีร์ไบเบิล ได้ออกมาประณามว่า ทฤษฎีวิวัฒนาการเป็นความคิดของพวกจิตวิปริตนอกรีต) อย่างไรก็ตาม ทฤษฎีได้เน้นว่ามนุษย์เป็นส่วนหนึ่งของธรรมชาติ ตั้งแต่เริ่มต้นและจะเป็นต่อไปจนกระทั่งธรรมชาติสิ้นสุด

…โปรดติดตามตอน 2 ในวันศุกร์หน้า...

เกี่ยวกับผู้เขียน

สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย

อ่านบทความ สุทัศน์ ยกส้าน ได้ทุกวันศุกร์











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