ทุกคนในวงการฟิสิกส์รู้ดีว่า Edward Teller ผู้เป็นบิดาของระเบิดไฮโดรเจนเป็นคนที่มีความเชื่อมั่นในความสามารถของตนเองมาก เขาเคยบอกผู้สื่อข่าวหนังสือพิมพ์ว่า ในบรรดานักวิทยาศาสตร์ทุกคนที่มาร่วมในโครงการ Manhattan เพื่อประดิษฐ์ระเบิดปรมาณูให้อเมริกา เขามีความเฉลียวฉลาดยิ่งกว่าทุกคนในโครงการ ยกเว้นคนๆ เดียวชื่อ Enrico Fermi ซึ่งเป็นคนที่นักฟิสิกส์ยุคนั้นยกย่องให้เป็นสันตะปาปาแห่งวงการ และเป็นนักฟิสิกส์ชาวอิตาเลียนผู้ที่มีชื่อเสียงเป็นรองก็แต่ Galileo Galilei
Enrico Fermi เกิดเมื่อวันที่ 29 กันยายน ปี 1901 ที่โรม บิดาเป็นเจ้าหน้าที่การรถไฟ ครอบครัวมีฐานะยากจน Fermi เป็นเด็กเรียนหนังสือเก่ง เพราะสามารถจับประเด็นได้เร็ว และมีวิธีการแก้ปัญหาที่ไม่เหมือนใคร เมื่ออายุ 17 ปี ได้เข้าเรียนฟิสิกส์ที่วิทยาลัย Reale Scuola Normale Superiore (ปัจจุบันคือมหาวิทยาลัย Pisa) และสำเร็จปริญญาเอกขณะมีอายุเพียง 21 ปี มหาวิทยาลัยแห่งนี้จัดตั้งขึ้นโดย Napoleon ในปี 1810 ตามรูปแบบของ Ecole Normale Superieore ที่มีชื่อเสียงแห่งปารีส
เพราะเป็นคนฉลาด ดังนั้น Fermi หลังจากที่สำเร็จปริญญาเอก จึงได้ทุนไปทำงานวิจัยที่มหาวิทยาลัย Gottingen ในเยอรมนี และที่มหาวิทยาลัย Leiden ใน Netherlands แล้วกลับไปเป็นอาจารย์ที่มหาวิทยาลัย Florence
ในปี 1926 ด้วยวัยเพียง 25 ปี Fermi เป็นนักฟิสิกส์คนแรกที่นำทฤษฎีควอนตัมมาศึกษาระบบอิเล็กตรอนซึ่งเป็นอนุภาคควอนตัมที่มี spin 1/2 (อนุภาคที่ spin มีค่า 1/2,3/2, 5/2 ..... มีชื่อเรียกว่า อนุภาค fermion ตามชื่อ Fermi) ซึ่งเมื่อใช้หลักห้ามซ้อนกันของ W. Pauli Fermi ก็ได้พบสถิติรูปแบบใหม่ (สถิติแบบ Fermi-Dirac) ที่นักฟิสิกส์จำเป็นต้องใช้ในการศึกษาระบบนี้
ในปีต่อมา Fermi วัย 26 ปี ได้รับแต่งตั้งเป็นศาสตราจารย์ฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัย Rome ทำให้เป็นศาสตราจารย์ที่มีอายุน้อยที่สุดในอิตาลีสมัยนั้น
ขณะอยู่ที่โรม Fermi ได้อุทิศตัวทำงานด้านทฤษฎีควอนตัมโดยได้ศึกษาเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นเวลานิวเคลียสของธาตุหนักรับอนุภาคนิวตรอนที่มีความเร็วต่ำเข้าไป แล้วปล่อยกัมมันตรังสี เช่น อนุภาคบีตา ออกมา เพราะนิวตรอนได้เหนี่ยวนำให้เกิดนิวเคลียสกัมมันตรังสีที่สลายตัว ในการนำเสนอทฤษฎีของปรากฏการณ์นี้ Fermi ได้พบแรงรูปแบบใหม่ คือแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน (weak nuclear force)
ผลงานนี้ทำให้ Fermi ได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ประจำปี 1938
ในช่วงเวลาที่ Fermi กำลังมีชื่อเสียงโด่งดังนั้น ลัทธิ Fascism กำลังเป็นที่เลื่อมใสหนักในอิตาลี เพราะจอมเผด็จการ Mussolini ของอิตาลีเป็นพันธมิตรกับ Hitler ทั้งสองได้มีความเห็นพ้องกันว่า จะต้องกำจัดยิว ภรรยา Laura ของ Fermi ซึ่งมีเชื้อชาติยิว จึงเป็นบุคคลที่พวก Fascist ต้องการ ความรักภรรยาได้ทำให้ Fermi ตัดสินใจอพยพออกจากอิตาลี จึงฉวยโอกาสหลังการเดินทางไปรับรางวัลโนเบลที่สวีเดน แล้วได้เดินทางไปอเมริกา เพื่อขอลี้ภัยการเมือง
ครอบครัว Fermi เดินทางถึง New York เมื่อวันที่ 2 มกราคม ค.ศ.1939 และ Fermi ได้เข้าทำงานเป็นอาจารย์ที่มหาวิทยาลัย Columbia
ขณะอยู่ที่นั่น Fermi ได้สร้างเตาปฏิกรณ์ปรมาณูเครื่องแรกของโลก ซึ่งทำงานโดยการแปรพลังงานนิวเคลียร์เป็นพลังงานความร้อนจากการแยกตัวแบบ fission ของ uranium-235 และเตาปฏิกรณ์ได้เริ่มทำงานเมื่อวันที่ 2 ธันวาคม ปี 1942 วันนั้นจึงเป็นวันแรกที่มนุษย์รู้จักนำพลังงานปรมาณูซึ่งเป็นพลังงานรูปแบบใหม่มาใช้ให้เป็นประโยชน์ทางสันติ
ความสามารถที่สูงมากของ Fermi ทำให้ Robert Oppenheimer ต้องเชื้อเชิญ Fermi เข้าร่วมสร้างระเบิดปรมาณู และ Fermi ก็ตอบรับเป็นพนักงานคนหนึ่งในทีมงาน ที่มีชื่อฝ่ายว่า “F division” (F ตามชื่อของ Fermi) ซึ่งมีหน้าที่วิจัยทฤษฎีของการสร้างระเบิด และคิดหาเทคนิคการนำความรู้ทางทฤษฎีไปสร้างระเบิดจริง
หลังสงครามโลกครั้งที่สอง Fermi ได้กลับไปเป็นอาจารย์สอนที่มหาวิทยาลัย Chicago อีก ในสังกัดของ Institute for Nuclear Studies (ปัจจุบันชื่อ Enrico Fermi Institute) ความมีชื่อเสียงของ Fermi ได้ทำให้สถาบันแห่งนี้มีชื่อเสียงมากที่สุดแห่งหนึ่งของโลก
ระหว่างที่เป็นอาจารย์ Fermi เป็นครูที่สอนดีมาก เพราะเตรียมการสอนดี เวลาสอนมักเน้นความคิดหลักของเรื่องที่สอน และสามารถถ่ายทอดความสำคัญของเรื่องให้ลูกศิษย์เข้าใจได้อย่างสนุกสนาน นอกจากนี้ก็มักให้เวลาแก่ศิษย์มาก จนกระทั่งนิสิตเข้าใจปัญหา
ผลที่ตามมาคือ Fermi มีลูกศิษย์ที่โด่งดังหลายคน ซึ่งต่างก็ได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ เช่น
Owen Chamberlain ปี 1959 จากการพบอนุภาค antiproton
James Cronin ปี 1980 จากการพบหลักสมมาตรในการสลายตัวของอนุภาค K-meson ที่เป็นกลาง
Tsung-Dao Lee และ Chen-Ning Yang ปี 1957 จากการพบหลัก parity ว่า ใช้ไม่ได้ในการสลายตัวอันเกิดจากแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน
Jack Steinberger ปี 1988 จากการพบอนุภาค muon neutrino
Jerome Friedman ปี 1990 จากการพบอนุภาค quark ใน proton และ neutron
แม้ในภาพรวม Fermi จะเป็นนักฟิสิกส์ระดับอัจฉริยะ และเป็นอาจารย์ฟิสิกส์ระดับศาสตราจารย์ แต่ถ้าพิจารณาในภาพความเป็นบิดา ลูกๆ ของ Fermi คิดว่า พ่อเป็นคนเย็นชาที่ไม่ได้ให้ความอบอุ่นแก่ลูก Fermi เองก็รู้ตัวในเรื่องนี้ดีจึงได้พยายามสร้างความสัมพันธ์กับลูก โดยแนะให้มาทำการทดลองวิทยาศาสตร์ร่วมกัน แต่ไม่เป็นผล
ในปี 1954 Fermi ได้เสนอความคิดว่า เครื่องเร่งอนุภาคที่นักฟิสิกส์ใช้ในการค้นหาอนุภาคใหม่ๆ นั้น มีขอบเขตของความสามารถจำกัด คือไม่สามารถเร่งอนุภาคให้มีความเร็วใกล้แสงได้ ถ้าจะได้เครื่องเร่งจะต้องมีขนาดใหญ่เท่าโลก
ต้นปี 1954 Fermi รู้ข่าวว่า ตนกำลังเป็นมะเร็งที่กระเพาะอาหารขั้นสุดท้าย และได้เสียชีวิตลงเมื่อวันที่ 28 พฤศจิกายน ปีเดียวกัน สิริอายุ 53 ปี
วาทะที่น่าสนใจของ Fermi มีมากมาย เช่น “ก่อนมาฟังสัมมนาของคุณ ผมรู้สึกสับสนมาก หลังการสัมมนา ผมก็ยังสับสน แต่เป็นในระดับที่ซับซ้อนยิ่งกว่า” หรือในกรณีการค้นพบอนุภาคต่างๆ จำนวนนับร้อยนั้น Fermi ได้ปรารภว่า ถ้าผมจำชื่ออนุภาคเหล่านั้นได้หมด ผมคงเป็นนักชีววิทยาไปแล้ว
ณ วันนี้ชื่อ Fermi เป็นชื่อของธาตุ fermium 100 มีสัญลักษณ์ Fm เพราะนิวเคลียสมีโปรตอน 100 อนุภาค และนิวตรอน 157 อนุภาค นักฟิสิกส์มีหน่วยความยาวชื่อ fermi ซึ่งมีค่า 10-15 เมตร ในอเมริกามีห้องปฏิบัติการ Fermi lab ที่ Batavia ซึ่งอยู่ใกล้ชิคาโก เป็น National Accelerator Laboratory และในอวกาศมีกล้องโทรทรรศน์ Fermi รับรังสีแกมมาจากดาว pulsar
เพราะเป็นคนมีชื่อเสียง ดังนั้น เรื่องเล่าเกี่ยวกับ Fermi จึงมีมากมายจนหลายเรื่องกลายเป็นตำนาน เช่น โจทย์ Fermi (Fermi problem) กับวิธีการแก้ปัญหาแบบ Fermi (Fermi solution)
ในส่วนของโจทย์ Fermi นั้นโลกมีตัวอย่าง เช่น ที่อุณหภูมิศูนย์องศาสัมบูรณ์ถ้วยกาแฟจะบรรจุอนุภาคนิวตรอนได้กี่อนุภาค หรือในห้องที่ไม่มีลมพัด ถ้าจับวางดินสอปลายแหลมแท่งหนึ่งบนพื้นให้อยู่ในแนวดิ่ง โดยให้ปลายแหลมสัมผัสพื้น ดินสอจะทรงตัวได้นานเพียงใด หรือถ้าเราลากเส้นตรงเส้นหนึ่งจากตำแหน่งหนึ่งบนโลกไปในทิศทางใดก็ได้ ที่ไม่ใช่ตรงไปยังดวงอาทิตย์ จงหาโอกาสที่เส้นตรงเส้นนั้นจะชี้ตรงดาวฤกษ์ในกาแล็กซี่ทางช้างเผือก
เหล่านี้คือตัวอย่างของโจทย์ Fermi ที่ใครใดก็ตามที่ได้เห็นหรืออ่านเป็นครั้งแรก จะรู้สึกเสมือนตนไม่มีแนวคิดว่าจะหาคำตอบได้อย่างไร และไม่รู้ว่าโจทย์ที่ให้มานั้นจะมีคำตอบหรือไม่ เพราะทุกคนจะรู้สึกว่า โจทย์ให้ข้อมูลมาน้อยเกินไป และถ้าจะให้หาคำตอบให้ได้ก็ต้องเปิด google ดู หรือถามคนอื่น
แต่ความมุ่งหวังที่แท้จริงของโจทย์ Fermi คือ ให้หาคำตอบอย่างประมาณ โดยผู้แก้โจทย์ต้องตั้งข้อสันนิษฐานเอง แล้วใช้หลักการวิทยาศาสตร์ช่วย และเมื่อคนที่แก้โจทย์ อาจตั้งสมมุติฐานต่างกัน ดังนั้นคำตอบที่ได้ของแต่ละคนจึงอาจแตกต่างกัน แต่ก็ต้องไม่มากเป็น 100 เท่าหรือ 1,000 เท่าของคำตอบจริง นอกจากนี้คนที่แก้โจทย์ก็ต้องหาคำตอบให้ได้ภายในไม่นานด้วย
ตัวอย่างของโจทย์ Fermi ได้แก่ ให้คำนวณหาพลังงานที่เกิดขึ้นการระเบิดของปรมาณูลูกที่ทิ้งถล่มเมือง Hiroshima
ประวัติศาสตร์ได้บันทึกว่า ณ เวลาเช้า 5.29 น. ของวันที่ 9 กรกฎาคม ค.ศ.1945 สหรัฐฯ ได้ทดลองระเบิดปรมาณูลูกแรกของโลกในทะเลทราย ณ บริเวณที่อยู่ห่างจากเมือง Alamogordo ใน New Mexico ประมาณ 100 กิโลเมตร
Fermi เป็นผู้หนึ่งที่มีบทบาทในการสร้างระเบิดลูกนี้ เขาจึงได้รับเชิญให้สังเกตดูเหตุการณ์ครั้งประวัติศาสตร์ ก่อนจะมีการจุดชนวนระเบิด Fermi ได้ตั้งใจจะคำนวณหาพลังของระเบิดในการทำลายล้าง จึงฉีกเศษกระดาษเป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อย เพื่อให้ลมพายุที่เกิดจากการระเบิดพัดเศษกระดาษลอยไปจากมือ และ Fermi ได้พบว่า ลมแรงนั้นได้พัดเศษกระดาษลอยไปตกห่างจากตัวเขาประมาณ 2.5 เมตร
หลังจากที่ได้ขีดเขียนสูตร และใช้เวลาคำนวณไม่นาน Fermi ก็ประกาศว่า พลังระเบิดของปรมาณูที่ใช้ในครั้งนั้นมีค่าเท่ากับดินปืนที่หนัก 10,000 ตัน
ส่วนบุคคลอื่นที่ต้องการจะรู้ข้อมูลนี้ บ้างก็ได้ใช้กล้องถ่ายภาพวัดอัตราการขยายตัวของดอกเห็ด วัดความดันอากาศ และอุณหภูมิขณะนั้น รวมถึงการคำนวณหาปริมาณต่างๆ ซึ่งต้องใช้เวลานานถึง 3 อาทิตย์ก็ยืนยันได้ว่า คำตอบของ Fermi ถูกต้อง
สำหรับเทคนิคที่ Fermi ใช้ในการคำนวณหาคำตอบของโจทย์ Fermi หรือที่มีชื่อเรียกว่า Fermi solution นั้น Fermi ได้ชี้แจงว่า โจทย์ฟิสิกส์ทั่วไป จะไม่มีสูตรสำเร็จ เพราะปัญหาซับซ้อนมาก จากการมีหลายตัวแปร เขาจึงแบ่งโจทย์ใหญ่ออกเป็นโจทย์ย่อยๆ ที่สามารถหาคำตอบได้โดยใช้เวลาไม่นาน จากนั้นก็จะรวบรวมคำตอบทั้งหมดมา เป็นคำตอบลัพธ์สุดท้าย ในการหา Fermi solution ผู้แก้ปัญหาต้องอาศัยความรู้ทั่วไป และสามัญสำนึก ผนวกกับการตั้งสมมติฐานที่สมเหตุสมผล
ตัวอย่างของ Fermi solution ที่นับว่าคลาสสิกมากคือ ให้หาจำนวนคนที่เป็นช่างซ่อมเปียโนในเมือง Chicago
ในการตอบโจทย์ Fermi ข้อนี้ ทุกคนอาจคิดว่า คำตอบที่แน่นอนและถูกต้องจะสามารถหาได้จากการสัมภาษณ์ประชากรในเมือง Chicago ทุกคน ซึ่งต้องใช้เวลาและงบประมาณมาก
Fermi จึงได้เสนอวิธีหาคำตอบดังนี้
ณ เวลานั้นเขารู้ว่า Chicago มีประชากรประมาณ 3 ล้านคน จากนั้นเขาก็ตั้งสมมติฐานว่าให้ครอบครัวหนึ่งมีสมาชิก 4 คน และ 1 ใน 3 ของครอบครัวมีเปียโน
จากเงื่อนไขนี้ก็จะได้ว่า ใน Chicago มีเปียโน 250,000 เครื่อง
จากนั้นสมมติต่อให้เปียโน 1 เครื่องต้องมีการซ่อม 1 ครั้งในทุก 5 ปี
ดังนั้นในปีหนึ่งจะมีการปรับเปียโน 50,000 เครื่อง และเมื่อคนซ่อมเครื่องต้องทำงานปีละ 250 วัน (จาก 5/7x 365) และช่าง 1 คน ซ่อมเปียโนได้วันละ 4 เครื่อง ดังนั้น คนซ่อม 1 คนต้องซ่อม 1,000 เครื่อง
นั่นคือเมือง Chicago น่าจะมีช่างซ่อมเปียโนประมาณ 50 คน คำตอบนี้ถ้ามีการตรวจสอบในสมุดหน้าเหลืองก็จะพบค่าอยู่ระหว่าง 25 ถึง 100 คน
และนี่ก็คือวิธีคิดของ “น้อง” Galileo ชื่อ Fermi
อ่านเพิ่มเติมจาก The Pope of Physics: Enrico Fermi and the Birth of the Atomic Age โดย Bino Segre และ Rittana Hoerlin จัดพิมพ์โดย Henry Holt ในปี 2016
เกี่ยวกับผู้เขียน
สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ สุทัศน์ ยกส้าน ได้ทุกวันศุกร์
