xs
xsm
sm
md
lg

André-Marie Ampère กับคำจำกัดความใหม่ของแอมแปร์

เผยแพร่:   ปรับปรุง:   โดย: สุทัศน์ ยกส้าน

อองเดรย์ มารี ปีแอร์ (André-Marie Ampère)
ใครๆ ก็รู้ว่า กระแสไฟฟ้ามีหน่วยวัดเป็นแอมแปร์ แต่นักฟิสิกส์รู้มากกว่านั้นว่า Ampère คือ นักวิทยาศาสตร์ผู้บุกเบิกการศึกษาไฟฟ้าในสมัยคริสต์ศตวรรษที่ 19 โดยได้ศึกษาแรงที่กระทำระหว่างลวดสองเส้นที่มีกระแสไฟฟ้าผ่าน และศึกษาสนามแม่เหล็กที่เกิดจากกระแสไฟฟ้า อีกทั้งเป็นบุคคลแรกที่เสนอความเห็นว่าการที่แม่เหล็กถาวรสามารถสร้างสนามแม่เหล็กได้ เพราะในแท่งแม่เหล็กนั้นมีกระแสไฟฟ้าไหลวนเป็นวงเล็กๆ ทฤษฎีของแอมแปร์เกี่ยวกับเรื่องนี้เกิดก่อนที่จะมีการพบอิเล็กตรอน

​André-Marie Ampère เกิดเมื่อ 20 มกราคม ปี 1775 (ตรงกับรัชสมัยพระเจ้าตากสินมหาราช) ที่ Polémieux ซึ่งเป็นหมู่บ้านเล็กๆ บนฝั่งแม่น้ำ Rhone นอกเมือง Lyons ในฝรั่งเศส ในวัยเด็กชอบอ่านหนังสือมาก และพยายามหาความรู้ด้วยตนเองด้วยการอ่านและจดจำข้อมูลที่มีในพจนานุกรม Ampère เริ่มสนใจคณิตศาสตร์หลังจากที่ได้ศึกษาบทความที่ Leonhard Euler เขียนเกี่ยวกับพีชคณิต แคลคูลัส และสถิติ ในเวลาต่อมาเมื่อมีความรู้คณิตศาสตร์เพิ่มมากขึ้น Ampère เริ่มอ่านตำรากลศาสตร์ที่เรียบเรียงโดย Joseph-Louis Lagrange

​นอกเหนือจากวิชาคณิตศาสตร์แล้ว Ampère ยังสนใจวิชาชีววิทยาด้วย โดยเฉพาะผลงานที่เป็นของ Georges de Buffon และชอบเรียนภาษาต่างประเทศ เช่น กรีก ละติน กับอิตาเลียน ในยามว่างจะพักผ่อนโดยการอ่านวรรณคดีฝรั่งเศส และแต่งกลอน

​ในฐานะที่เป็นลูกชายโทนของครอบครัวที่มีฐานะดี Ampère จึงสามารถใช้ชีวิตอย่างอิสระโดยไม่จำเป็นต้องทำงานใดๆ และมีความสุขมาก จนกระทั่งอายุ 18 ปี เมื่อบิดาซึ่งจงรักภักดีต่อสถาบันกษัตริย์ถูกศาลตัดสินประหารชีวิตด้วยกิโยตินในข้อหาว่าต่อต้านคณะปฏิวัติ Ampere รู้สึกเสียใจมาก อีก 3 ปีต่อมาภรรยาของ Ampère ได้ล้มป่วยและเสียชีวิต ทิ้งบุตรชาย Jean-Jacques ไว้ให้ดูต่างหน้า เมื่อรู้สึกว้าเหว่และเหงามาก Ampere จึงแต่งงานใหม่ และเริ่มสนใจวิทยาศาสตร์กับคณิตศาสตร์อีก เมื่ออายุ 34 ปีได้ครองตำแหน่งศาสตราจารย์คณิตศาสตร์แห่ง L’Ecole Polytechnique ที่ปารีส หลังจากที่ภรรยาคลอดบุตรสาว Ampère ก็หย่ากับภรรยา
L’Ecole Polytechnique เมื่อปี 1795 (Credit photo: Bruno Seince)
ในปี 1819 ชีวิตของ Ampère วัย 44ปี ก็เริ่มไม่มีความสุข เมื่อลูกชายไปหลงเสน่ห์สาวไฮโซชื่อ Madame Récamier อย่างหัวปักหัวปำ ถึงขนาดติดตามไปรับใช้เธอนานถึง 20 ปี โดยไม่เหลียวแลหรืออาทรบิดาเลย แม้บิดาจะขอร้องให้กลับใจและกลับมา ลูกชายก็ไม่ฟัง ครั้นเมื่อลูกสาวถึงวัยออกเรือนบ้าง Ampère ก็ได้จัดการให้เธอแต่งงานกับนายทหาร และต้องเสียใจมากเมื่อรู้ว่า ลูกเขยติดสุรายาเมา และเป็นโรคจิต

​เมื่อ Ampere อายุ 45 ปี นักฟิสิกส์ชาวเดนมาร์กคนหนึ่งที่แทบไม่มีใครในโลกรู้จัก นามว่า Hans Oersted ได้พบโดยบังเอิญว่า เวลามีกระแสไฟฟ้าไหลในเส้นลวด เข็มทิศที่วางอยู่ใกล้เส้นลวดนั้นจะเบี่ยงตัว นี่คือการสาธิตที่แสดงให้โลกรู้เป็นครั้งแรกว่า กระแส ไฟฟ้ามีความสัมพันธ์โดยตรงกับสนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้น เมื่อได้ข่าวการค้นพบนี้ Ampere ได้ทำการทดลองเรื่องนี้ซ้ำทันที และพบกฎของนักว่ายน้ำ ซึ่งแถลงว่าถ้าผู้สังเกตว่ายน้ำตามทิศที่กระแสไฟฟ้าไหลในเส้นลวด และหันหน้าเข้าหาเข็มทิศ ขั้วเหนือของเข็มทิศจะชี้ไปที่แขนข้างซ้ายของนักว่ายน้ำคนนั้น

​Ampere ยังได้ชื่อว่า เป็นผู้พบกฎมือขวาด้วย ซึ่งกฎนี้แถลงว่า ถ้าผู้สังเกตใช้มือขวาจับเส้นลวดที่มีกระแสไฟฟ้าไหล โดยให้หัวแม่มือชี้ไปทางทิศที่กระแสไหล นิ้วทั้งสี่ที่เหลือจะชี้บอกแนวที่เข็มทิศจะวางตัว กฎนี้จึงแถลงอย่างมีนัยยะว่า เวลากระแสไหลจะมีสนามแม่เหล็กเกิดขึ้น และสนามแม่เหล็กที่เกิดใหม่นี้มีทิศวนไปรอบเส้นลวด

​ในการทดลองต่อมา Ampere ได้จัดให้ลวดสองเส้นวางขนานกันลวดเส้นหนึ่งตรึงอยู่กับที่ และอีกเส้นหนึ่งสามารถเคลื่อนที่ได้ Ampereได้พบว่า ถ้ากระแสไฟฟ้าในลวดทั้งสองไหลในทิศเดียวกัน ลวดที่เคลื่อนที่ได้จะถูกดึงดูดเข้าหาลวดที่อยู่กับที่ แต่ถ้ากระแสไฟฟ้าในลวดทั้งสองไหลสวนทิศกัน จะเกิดแรงผลักระหว่างลวดทั้งคู่นั้น

​การทดลองของ Ampere จึงแสดงให้เห็นอย่างแจ่มชัดว่าปรากฏการณ์ไฟฟ้าและปรากฏการณ์แม่เหล็กเกี่ยวข้องกันอย่างแยกจากกันมิได้ ผลงานนี้ทำให้สถาบัน French Academy of Sciences มอบรางวัลเป็นเงิน 1,000 ฟรังก์แก่ Ampere

​ถึงปี 1823 Ampere ได้เสนอผลงานอีกเรื่องหนึ่งซึ่งแสดงให้เห็นว่าสามารถอธิบายที่มาของสนามแม่เหล็กได้ โดยสมมติว่า ภายในแท่งแม่เหล็กมีกระแสไฟฟ้าที่ไหลวนเป็นวงกลมขนาดเล็กมากมาย ซึ่งกระแสเหล่านี้ทำให้เกิดสนามแม่เหล็กที่เสริมกันจนทำให้เรามีสนามแม่เหล็กความเข้มสูงมาก ดังจะเห็นได้จากเวลาแท่งแม่เหล็กดึงดูดผงตะไบเหล็ก ซึ่งแนวคิดนี้นับว่าถูกต้อง และ Ampere ได้พบก่อนที่โลกจะรู้จักอิเล็กตรอนในอีก 60 ปีต่อมา

​เมื่ออายุ 52 ปี สุขภาพของ Ampère เริ่มทรุดจนทำให้ความพยายามทดลองวิทยาศาสตร์ทุกเรื่องเป็นไปอย่างยากลำบาก ฐานะที่ยากจนทำให้ Ampere ต้องรับงานทุกรูปแบบ เช่น สอนพิเศษวิชาคณิตศาสตร์ และเริ่มสนใจเรื่องปรัชญาของวิทยาศาสตร์

พัฒนาการของ Ampère ในด้านการเป็นนักวิทยาศาสตร์ระดับสุดยอดได้รับผลกระทบมากจากเคราะห์กรรมต่างๆ ที่ Ampère ต้องเผชิญ และจากการมีความสนใจในศาสตร์หลายวิชาตั้งแต่กลศาสตร์ ทฤษฎีการเล่นว่าว ดนตรี ดาราศาสตร์ ชีววิทยา และการสร้างเครื่องจักรกล จนไม่มีเวลาทุ่มเทให้กับการวิจัยด้านใดในระดับลึกเป็นพิเศษ เช่น ขณะกำลังพัฒนาวิชาไฟฟ้า Ampere ก็ยังครุ่นคิดเรื่องปรัชญา วิทยาศาสตร์ แต่ Ampère เองกลับมิได้เห็นความผิดปกติของการสนใจที่หลากหลายนี้ เพราะเชื่อว่า วิชาความรู้ทุกสาขามีความสัมพันธ์กันอย่างเป็นเอกภาพ

​ในช่วงเวลา 10 ปีสุดท้ายของชีวิต ความสนใจในการวิจัยวิทยาศาสตร์ของ Ampere ค่อยๆ หมดไป และหันมาสนใจเรื่องฐานะ เพราะพี่สาวมีหนี้สินมาก และลูกชายใช้เงินมรดกที่ได้รับจากย่าไปท่องเที่ยวต่างประเทศ ทำให้พ่อและลูกต้องวิวาทกันบ่อย จนต้องแยกบ้านกันอยู่

​เวลาทำงาน Ampere มักชอบยืนหรือเดินคิด ไม่ชอบนั่งโต๊ะ ห้องทำงานของ Ampere เปิดประตูให้เพื่อนเข้าเยี่ยมได้ตลอดเวลา และก่อนเพื่อนจะกลับบ้านไป Ampere มักท้าเล่นหมากรุก

​ปัญหาหนี้สินของ Ampere ส่วนหนึ่งเกิดจากการใช้เงินส่วนตัวซื้ออุปกรณ์วิทยาศาสตร์มาทดลอง และความเครียดส่วนหนึ่งเกิดจากการที่ทฤษฎีของตนไม่เป็นที่ยอมรับในฝรั่งเศสจะมีก็แต่ Joseph Fourier เท่านั้นที่สนับสนุน ยิ่งในต่างประเทศด้วยแล้ว ผลงานของ Ampere แทบไม่เป็นที่ยอมรับ
อนุสาวรีย์แอมแปร์ในเมืองลีออน (Lyon) ประเทศฝรั่งเศส
​หลังปี 1829 Ampere ได้ล้มป่วยด้วยโรคไขข้ออักเสบ หลอดลมอักเสบ และโรคปอดบวม การผลิตผลงานวิทยาศาสตร์จึงต้องยุติตาม และได้เดินทางไปพักฟื้นที่ Marseille ถึงวันที่ 10 มิถุนายน ค.ศ.1836 Ampere ได้ถึงแก่กรรมด้วยโรคปอดบวม สิริอายุ 61 ปี อัฐิถูกนำไปฝังที่ Montmartre และบ้านเกิดที่ Polémieux ได้รับการดัดแปลงเป็นพิพิธภัณฑ์เพื่อแสดงผลงานกับชีวิตของปราชญ์ท่านนี้

ด้วยผลงานที่โดดเด่นด้านไฟฟ้า ชื่อ Ampere จึงถูกนำไปเป็นชื่อหน่วยของกระแสไฟฟ้า

เราทุกคนรู้ดีว่าการศึกษาวิทยาศาสตร์กายภาพมีพื้นฐานที่เกี่ยวข้องการวัดปริมาณต่างๆ ซึ่งต้องวัดเป็นหน่วย โดยเฉพาะหน่วย SI (International System of Units) ที่เป็นหน่วยมาตรฐานสากล เช่น หน่วยวินาที ซึ่งถูกกำหนดให้เป็นเวลาที่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจำนวน 9, 192, 631, 770 คลื่นถูกปล่อยออกมาเวลาอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ระหว่างระดับพลังงาน 2 ระดับในอะตอม caesium-133 ที่อยู่ในสถานะพื้นฐาน

ถึงแม้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าต่างชนิดจะมีความถี่แตกต่างกัน แต่คลื่นเหล่านี้ทุกคลื่นก็เคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่ากัน นั่นคือ ความเร็วของแสงในสุญญากาศ ซึ่งมีค่า 299,792,458 เมตร/วินาที ดังนั้น หน่วยมาตรฐานของระยะทาง 1 เมตร ถูกกำหนดให้เป็นระยะทางที่แสงใช้ในการเดินทางในเวลา 1/299,792,458 วินาที

สำหรับด้านไฟฟ้า การวัดปริมาณต่างๆ ในวิชาไฟฟ้าก็ต้องเปลี่ยนแปลงเพราะตามคำจำกัดความเดิม กระแส 1 แอมแปร์ คือ กระแสที่ไหลไปตามเส้นลวดขนาน 2 เส้นที่ต่างก็มีความยาวอนันต์ และลวดทั้งคู่อยู่ในสุญญากาศ และเป็นลวดที่มีพื้นที่ภาคตัดขวางน้อยมาก คือ แทบเป็นศูนย์ซึ่งถ้าเส้นลวดทั้งสองนั้นอยู่ห่างกัน 1 เมตรจะเกิดแรงกระทำระหว่างลวดเท่ากับ 2x10-7 นิวตัน/ต่อความยาวหนึ่งเมตร

การให้คำจำกัดความของกระแสแอมแปร์เช่นนี้ทำให้ไม่มีนักวิทยาศาสตร์คนใดสามารถสร้างกระแสมาตรฐาน 1 แอมแปร์ได้ เพราะไม่มีใครในโลกสามารถสร้างลวดที่ยาวไม่รู้จบ และเป็นลวดที่มีรัศมีน้อยจนแทบเป็นศูนย์ได้ นอกจากนี้เวลาอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปในเส้นลวด มันจะถูกแรงไฟฟ้าจากอิเล็กตรอนใกล้เคียงผลัก ดังนั้นกระแสจะไหลไม่สม่ำเสมอ ซึ่งมีผลทำให้ความแม่นยำในการวัดแรงระหว่างลวดถูกกระทบกระเทือน

ด้วยเหตุนี้ นักวิทยาศาสตร์จึงให้คำจำกัดความของกระแส 1 แอมแปร์ใหม่ โดยกำหนดให้ประจุของอิเล็กตรอนมีค่า 1.60217653x10-19 คูลอมป์ พอดิบพอดี จากนั้นคำจำกัดความของ 1 แอมแปร์คือ ประจุ 1 คูลอมป์ที่เคลื่อนที่ผ่านจุดๆ หนึ่งใน 1 วินาที ความแม่นยำในการรู้จำนวนประจุที่เคลื่อนที่ผ่านจุดๆ หนึ่งใน 1 วินาทีจึงเป็นตัวกำหนดความถูกต้องของกระแสหนึ่งแอมแปร์

ในรายงานการทดลองของ Hans Schumacher แห่ง Federal Institute of Physical and Technical Affairs ที่เมือง Braunschweig ในเยอรมนี ในปี 2014 ซึ่งได้สร้างวิธีวัดกระแส 1 แอมแปร์ โดยใช้ปั๊มที่ปล่อยอิเล็กตรอนออกมาทีละตัวให้ทะลุทะลวงผ่านแผ่นฉนวนที่คั่นระหว่างชิ้นโลหะขนาดเล็ก ซึ่งวางเรียงอยู่ตามแนวยาว แล้วติดตามวิเคราะห์การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนเหล่านี้ โดยการวัดจำนวนประจุ ณ ตำแหน่งต่างๆ
เมื่อระบบมีกระแสไหลอย่างสม่ำเสมอ การเคลื่อนที่ของเหล่าอิเล็กตรอนจะมีสหสัมพันธ์กัน ทำให้ประจุที่ตำแหน่งหนึ่งเคลื่อนที่ขึ้นลงด้วยความถี่ f

ดังนั้น ถ้าเรารู้ความถี่ f

และประจุ e

ของอิเล็กตรอน กระแส I

ก็สามารถวัดได้จากสูตร I = ef

ทั้งนี้เพราะการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนใน 1 มิติทำให้กระแสที่ไหลมีความถี่ และความหนาแน่นของอิเล็กตรอนมีค่าน้อย แรงผลักแบบคูลอมป์ระหว่างอิเล็กตรอนจึงมีค่ามากกว่าความแปรปรวนแบบควอนตัมของมัน อิเล็กตรอนจึงสามารถเคลื่อนที่เรียงตามคิวอย่างเป็นระเบียบ

นักฟิสิกส์เรียกโครงสร้างที่ประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเรียงกันเป็นระเบียบนี้ว่า ผลึก Wigner ดังนั้น การสามารถสร้างผลึก Wigner อุดมคติได้ จึงเป็นตัวกำหนดค่ามาตรฐานของ 1 แอมแปร์

ในปี 2018 จะมีการประชุมขององค์การนานาชาติสากล International Bureau of Weights and Measures เพื่อตกลงเรื่องวิธีการหาค่า 1 แอมแปร์ที่ดีที่สุด เพื่อใช้เป็นมาตรฐานในโลกวิทยาศาสตร์

อ่านเพิ่มเติมจาก Metrologia โดย M.J.T. Milton, R. Davis และ N. Fletcher ปี 2014





เกี่ยวกับผู้เขียน

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

อ่านบทความ สุทัศน์ ยกส้าน ได้ทุกวันศุกร์










กำลังโหลดความคิดเห็น...