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
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
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
