คอนเสิร์ต "แสงหิ่งห้อย" กับฟิสิกส์ของพฤติกรรมฝูง

มนุษย์กับ "หิ่งห้อย" ได้เป็นสัตว์ร่วมโลกกันมาเป็นเวลานานมากแล้ว จนรู้ว่ามันชอบอาศัยอยู่ในเขตร้อน เช่น ไทย พม่า อินเดีย ฟิลิปปินส์ บังกลาเทศ มาเลเซียตลอดไปจนถึงแถบ Appalachian และเม็กซิโกของทวีปอเมริกาเหนือ กับเขตศูนย์สูตรของอเมริกาใต้ ก็มีฝูงหิ่งห้อยให้ชาวบ้านได้เห็นเช่นกัน


ความรู้สึกของคนที่ได้เห็นหิ่งห้อยเป็นครั้งแรก คือ ประทับใจที่มันสามารถเปล่งแสงในตัวเองได้ แต่ก็มักไม่รู้อะไรๆ ที่เกี่ยวข้องกับมันมากไปกว่านั้น หิ่งห้อยจึงเป็นสัตว์ “ลึกลับ” อีกชนิดหนึ่ง ที่ไม่มีใครศึกษามาก ยิ่งเมื่อมันชอบออกหากินในเวลากลางคืน ดังนั้นจึงไม่มีใครพบเห็นมันบ่อย การไม่รู้จักมันดีนี่เองที่ได้ทำให้ผู้คนมีทัศนคติ และความเชื่อผิด ๆ เกี่ยวกับหิ่งห้อยมากมาย เช่น คนมาเลเซียโบราณเชื่อว่า ถ้าหิ่งห้อยบินเข้าตาใคร ตาของคน ๆ นั้นจะบอด และถ้ามันโบยบินเข้าบ้านใคร ในเวลาเช้าของวันต่อมา ในบ้านหลังนั้นจะมีคนตาย ชาวอินโดนีเซียที่อาศัยอยู่บนเกาะ Nias มีความเชื่อว่า เวลาใครเสียชีวิต วิญญาณที่ออกจากร่างจะกลายเป็นหิ่งห้อย หรือเวลาหมอชาวบ้านในแถบนั้นต้องการจะรู้ว่า คนไข้มีโอกาสรอดชีวิตหรือไม่ เขามักจับหิ่งห้อยมาวางเกาะที่หน้าผากของคนป่วย ถ้าปรากฏว่าหิ่งห้อยไม่บินจากไป คน ๆ นั้นก็จะหายไข้ คนจีนชนบทเมื่อ 3,000 ปีก่อน ชอบจับหิ่งห้อยจำนวนมากมาใส่ในขวดโหล เพื่อให้มันปล่อยแสงให้ความสว่างในบ้านในยามค่ำคืน เอกสาร Shih Ching ของคนจีนโบราณก็มีบันทึกเกี่ยวกับการกระพริบแสงอย่างพร้อมเพรียงกันเป็นจังหวะ ๆ ของฝูงหิ่งห้อยด้วย ด้านคนญี่ปุ่นเชื่อว่า หิ่งห้อยคือดวงวิญญาณของนักรบซามูไรที่ได้ตายจากไป ดังนั้นชาวญี่ปุ่นในสมัยก่อนจึงนับถือหิ่งห้อยมาก ส่วนในประเทศปานามา เด็กสาววัยรุ่นที่นั่นนิยมจับหิ่งห้อยมาใส่ในกรงกระดาษขนาดเล็ก ที่มีรูเจาะให้แสงหิ่งห้อยเล็ดลอดออกมา จากนั้นก็นำกรงกระดาษนี้ไปติดที่ติ่งหู เสมือนเป็นตุ้มหูที่เปล่งแสงได้

ในปัจจุบัน นักชีววิทยาหลายคนได้ศึกษาธรรมชาติของหิ่งห้อยดีขึ้นจนได้พบว่า โลกมีหิ่งห้อยเป็นจำนวนมากกว่า 2,200 สายพันธุ์ และจัดให้หิ่งห้อยเป็นแมลงปีกแข็งในไฟลัม Arthropoda เพราะมีขาเป็นปล้อง และอยู่ในวงศ์ Lampyridae (แปลว่าสว่าง) ในอันดับ Coleoptera และชั้น Insecta


หิ่งห้อยมีลำตัวเป็นรูปทรงกระบอกที่ยาวตั้งแต่ 3-25 มิลลิเมตร ลำตัวแบ่งออกได้เป็นสามส่วน คือ หัว อก และท้อง ตาหิ่งห้อยเป็นตาประกอบ เพราะประกอบด้วยตาขนาดเล็กจำนวนมากอยู่เรียงรายติดกัน ดังนั้นมันจึงสามารถเห็นโลกภายนอกได้หลายทิศทางในเวลาเดียวกัน

เวลาหิ่งห้อยหิว มันชอบใช้หนวดในการดมหากลิ่นอาหาร เมื่อถึงเวลาวางไข่ในระหว่างเดือนมิถุนายน-กรกฎาคม หิ่งห้อยตัวเมียจะบินไปหากิ่งไม้ ใบหญ้า หรือเนินดินที่เหมาะสม เพื่อวางไข่ครั้งละหลายฟอง และจะไม่บินกลับมาดูไข่ของมันอีกเลย หลังจากที่เวลาผ่านไปนานประมาณ 3 สัปดาห์ ไข่ก็จะฟักเป็นตัวหนอน แต่หนอนหิ่งห้อยส่วนใหญ่จะไม่รอดชีวิต เพราะถูกนก ผีเสื้อ และมดจับกิน หนอนอ่อนตัวใดที่เอาชีวิตรอดได้จากศัตรู มักจะนอนนิ่ง ๆ ในเวลากลางวัน แล้วจะคลานออกหาอาหารในเวลากลางคืน ซึ่งเป็นเวลาที่เหมาะ เพราะศัตรูจะมองไม่เห็นตัวมัน หนอนหิ่งห้อยจะกินอาหารไปเรื่อย ๆ จนกระทั่งเติบโตเป็นดักแด้ แล้วจะลงไปฝังตัวลึกใต้ดิน เพื่อคอยเวลาให้ปีกของมันงอกออกมา เมื่อมีปีกที่สมบูรณ์แบบ มันก็จะบินออกจากที่ซ่อน เป็นหิ่งห้อยเต็มตัว แล้วจะออกไปดื่มน้ำค้างบนใบหญ้าหรือน้ำหวานจากดอกไม้ และหาอาหารที่เป็นแมลงขนาดเล็กกว่า อายุขัยของหิ่งห้อยตามปกติจะนานไม่เกิน 3 สัปดาห์

โดยทั่วไป หิ่งห้อยตัวเมียชอบใช้เวลาส่วนใหญ่เกาะนิ่งอยู่บนใบไม้ เพราะ มันไม่ชอบบิน ส่วนตัวผู้จะโปรดปรานการบินมากกว่า ดังนั้นหิ่งห้อยที่เราเห็นบินไป-บินมา จึงมักเป็นหิ่งห้อยตัวผู้

สำหรับความสามารถของหิ่งห้อยในการกระพริบแสงนั้น ก็เป็นประเด็นที่นักวิทยาศาสตร์สนใจมาก เพราะฝูงหิ่งห้อยสามารถกระพริบแสงได้เป็นจังหวะ ๆ เหมือนแสงไฟประดับต้นคริสต์มาส แต่ใช่ว่าหิ่งห้อยทุกสายพันธุ์จะสามารถกระพริบแสงเป็นจังหวะได้ เพราะนักชีววิทยาได้สำรวจพบว่าโลกมีหิ่งห้อยประมาณ 20 สายพันธุ์เท่านั้นเองที่กระพริบแสงได้ เช่น Photinus carolinus และ Pteroptyx malaccae ซึ่งมีพบมากในเขตเอเชียตะวันออกเฉียงใต้


เมื่อประมาณ 200 ปีก่อน Jean Henri Fabre (1823-1915) ซึ่งเป็นนักชีววิทยาผู้ยิ่งใหญ่ชาวฝรั่งเศสได้เคยตั้งประเด็นสงสัยว่า อะไรคือสาเหตุที่ทำให้หิ่งห้อยกระพริบแสงได้ จึงได้ทดลองยิงปืนให้หิ่งห้อยตกใจเสียงดัง และได้พบว่า แม้เสียงปืนจะดังสักเพียงใด หิ่งห้อยก็ยังกระพริบแสงได้ตามปกติต่อไป Fabre จึงทดลองเอาน้ำราดและพ่นควันใส่ตัวหิ่งห้อย และได้พบว่า หิ่งห้อยก็ยังสามารถเปล่งแสงได้ตามปกติ

ย้อนอดีตไปเมื่อก่อนนั้นอีก คือ ในปี 1668 มีนักเคมีชาวอังกฤษชื่อ Robert Boyle (1627-1691) ผู้เป็นบิดาคนหนึ่งของวิชาเคมี ได้ทดลองกักขังหิ่งห้อยในภาชนะที่ภายในไม่มีแก๊สออกซิเจน และได้พบว่า เวลาหิ่งห้อยตกอยู่ในสภาพแวดล้อมที่ไม่มีออกซิเจน มันไม่กระพริบแสง

ในปี 1883 Raphaël Horace Dubois (1849-1929) ซึ่งเป็นนักเภสัชวิทยาชาวฝรั่งเศส ได้นำหิ่งห้อย (Pholas dactylus) มาสับจนแหลกละเอียด แล้วราดซากหิ่งห้อยด้วยน้ำเย็น และได้เห็นน้ำเย็นนั้นเรืองแสง แต่เมื่อราดด้วยน้ำร้อน เขากลับไม่เห็นปรากฏการณ์น้ำเรืองแสงแต่อย่างใด Dubois จึงวิเคราะห์สารเคมีที่พบในตัวหิ่งห้อย และได้พบว่าความสามารถในการกระพริบแสง เกิดจากการที่หิ่งห้อยมีโปรตีน luciferase ที่สามารถเร่งปฏิกิริยาระหว่างสาร luciferin กับ oxygen โดยมีสาร adenosine triphosphate กับ magnesium ion เป็นตัวช่วย ด้วยเหตุนี้เวลาไม่มีแก๊สออกซิเจน ความสามารถในการกระพริบแสงของหิ่งห้อยจึงไม่บังเกิด

แสงที่เปล่งจากตัวหิ่งห้อยตามปกติอาจจะมีได้หลายสี เช่น เหลือง เขียว แดง ส้ม หรือฟ้า ซึ่งจะเป็นสีใดก็ขึ้นกับสถานที่ ๆ มันอาศัยอยู่ ดังนั้นสีของแสงหิ่งห้อยจึงสามารถเปลี่ยนได้ สำหรับความเร็วและจังหวะของการกระพริบแสงนั้น ก็ขึ้นกับอุณหภูมิของสภาพแวดล้อม เช่น ที่อุณหภูมิ 21 องศาเซลเซียส หิ่งห้อยจะกระพริบแสงได้ประมาณ 8 ครั้ง/นาที แต่เมื่ออุณหภูมิเพิ่มเป็น 28 องศาเซลเซียส จังหวะการกระพริบก็อาจจะเพิ่มเป็น 15 ครั้ง/นาที ในวันที่ท้องฟ้ามีเมฆหนาทึบ หิ่งห้อยจะกระพริบแสงได้อย่างสม่ำเสมอเป็นเวลานานกว่าปกติ และโดยทั่วไปหิ่งห้อยต่างสายพันธุ์ จะมีความถี่ของการกระพริบแสงที่แตกต่างกัน สำหรับช่วงเวลาที่ดีที่สุดในการดูแสงโชว์ของหิ่งห้อย คือ หลังดวงอาทิตย์ตกลับขอบฟ้าเพียงเล็กน้อย และคืนข้างแรมเป็นเวลาที่เราจะเห็นคอนเสิร์ตแสงหิ่งห้อยได้สว่างสุกใสมากที่สุด โดยทั่วไปหิ่งห้อยจะไม่กระพริบแสงในเวลากลางวัน แต่เมื่อถึงยามโพล้เพล้ ตัวผู้ก็จะเริ่มกระพริบแสงในทันที เสมือนว่ามันมีนาฬิกาชีวภาพอยู่ในตัว (แม้มันจะไม่สวมนาฬิกาให้เห็นก็ตาม) นักชีววิทยายังได้พบอีกว่า หิ่งห้อยที่ถูกขังอยู่ในห้องที่มืดสนิท คือ ไม่ให้แสงสว่างสามารถเล็ดลอดเข้ามาได้ มันก็ยังกระพริบแสงเมื่อเวลาผ่านไปครบ 24 ชั่วโมง ทั้ง ๆ ที่หิ่งห้อยไม่รู้เลยว่า ขณะนั้นเป็นเวลาอะไร การกระพริบแสงจึงเป็นพฤติกรรมธรรมชาติที่ถูกควบคุมโดยนาฬิกาชีวภาพในตัวมัน

นักวิทยาศาสตร์ได้พบว่า ในกรณีของแสงที่เปล่งออกมาจากหลอดไฟฟ้าที่ใช้ตามบ้านประมาณ 10% ของพลังงานแสงที่ได้ มาจากการเปลี่ยนแปลงของพลังงานเคมีในแบตเตอรี่ และอีก 90% ของพลังงานที่เหลือจะถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อน ด้วยเหตุนี้เวลาเราเอามือจับที่หลอดไฟ เราจึงรู้สึกร้อน แต่ในกรณีของแสงหิ่งห้อยประมาณ 90% ของพลังงานแสงที่ได้ มาจากพลังงานเคมี และประมาณ 10% ของพลังงานเคมีได้ถูกเปลี่ยนไปเป็นพลังงานความร้อน ดังนั้นแสงหิ่งห้อยจึงมีอุณหภูมิไม่สูง และเป็นแสงเย็น (cold light)

ตามปกติหิ่งห้อยชอบใช้แสงในการสื่อสารถึงกัน โดยเฉพาะกับเพศตรงข้าม เพื่อบอกความต้องการจะผสมพันธุ์ และบอกตำแหน่งที่มันเกาะอยู่ โดยตัวผู้จะกระพริบแสงก่อน และเวลาตัวเมียได้เห็นแสงกระพริบนั้น มันจะวิเคราะห์ดูในประเด็นสี ความสว่าง และความถี่ในการกระพริบแสง ซึ่งจะบอกให้มันรู้ในทันทีว่า ตัวผู้ที่ส่งสัญญาณแสงออกมานั้น มีสุขภาพดีเพียงใด อยู่ที่ใด และต้องการอะไร จากนั้นถ้าหิ่งห้อยตัวเมียรู้สึกต้องใจ มันก็จะส่งสัญญาณแสงตอบกลับ เพื่อให้ตัวผู้รู้ว่า มันกำลังจะบินมาหา

สำหรับอาหารที่หิ่งห้อยนิยม ได้แก่ น้ำหวานในดอกไม้ แต่ก็มีหิ่งห้อยบางสายพันธุ์ที่ชอบกินหิ่งห้อยสายพันธุ์อื่นเป็นอาหาร ส่วนศัตรูที่สำคัญของหิ่งห้อย ได้แก่ นกและแมงมุม

ในปี 1997 Thomas Eisner (1929 -2011) แห่งมหาวิทยาลัย Cornell ในสหรัฐอเมริกาได้พบว่า มีนกบางชนิดที่ไม่ชอบกินหิ่งห้อย เพราะในตัวหิ่งห้อยมีสารเคมีชนิดหนึ่งในเลือดของมัน สารชนิดนั้นคือ lucibufagin (คำนี้แปลว่า คางคกเรืองแสง เพราะนักเคมีได้ตรวจพบสารชนิดนี้ในคางคกบางสายพันธุ์) ดังนั้นเวลาแมงมุมจะกินหิ่งห้อย มันก็จะขับเลือดที่มีสารพิษนี้ปนอยู่ออกมา ทำให้เวลาแมงมุมได้ลิ้มรสพิษ ก็จะคายหิ่งห้อยออกในทันที

พฤติกรรมกระพริบแสงอย่างพร้อมเพรียงกันของฝูงหิ่งห้อย เป็นอีกปัญหาหนึ่งที่นักชีววิทยาสนใจ และใคร่จะรู้สาเหตุมาเป็นเวลานานแล้ว แต่ยังไม่รู้คำตอบ ยิ่งเมื่อได้เห็นพฤติกรรมฝูงของสัตว์หลายประเภท ความสงสัยในความสามารถชนิดนี้ก็ยิ่งทวีคูณ โดยเฉพาะในมนุษย์ ซึ่งเรามักจะพบว่าเวลาอยู่กับเพื่อนหลายคน คนทั้งกลุ่มอาจจะต้องตัดสินใจในเรื่องหลายเรื่อง เช่น จะไปกินอะไรที่ร้านไหนดี จะไปดูภาพยนตร์เรื่องอะไร หรือจะไปเที่ยวที่ใด เมื่อไร คำตอบที่กว่าจะได้ (ถ้าเป็นกลุ่มใหญ่) อาจจะต้องใช้เวลานาน เพราะบางคนจำเป็นต้องใช้เวลาในการตัดสินใจแต่ละเรื่องนานมาก แต่ในที่สุดคนทั้งกลุ่มก็จะได้คำตัดสิน โดยการรับฟังเสียงข้างมาก

แต่ถ้าเป็นนก ปลา ค้างคาว wildebeest หรือหิ่งห้อย คำถามลักษณะนี้ แพล็บเดียวก็ได้เรื่อง เพราะสัตว์ทั้งฝูงจะออกเดินทางอย่างแทบทันที เสมือนมีผู้นำ (แต่จริง ๆ แล้วไม่มี) ที่สมาชิกในฝูงทุกตัวให้ความไว้วางใจและเชื่อใจ
คำถามที่นักวิทยาศาสตร์ใคร่จะรู้คำตอบ คือ การทำกิจกรรมกลุ่มที่กลมเกลียวสมานสามัคคีกันเช่นนี้ เกิดขึ้นได้เพราะเหตุใด และมนุษย์เราจะใช้ประโยชน์จากความรู้และความเข้าใจในเรื่องนี้ได้หรือไม่

ในเขตร้อน เช่น ประเทศไทยและมาเลเซีย มีหิ่งห้อยสปีชีส์ Pteroptyx malaccae ที่ชอบอาศัยอยู่ในป่าโกงกาง ซึ่งขึ้นอยู่ริมคลอง ครั้นเมื่อถึงเวลากลางคืน เราจะเห็นฝูงหิ่งห้อยกระพริบแสงเป็นจังหวะเปิด ๆ ปิด ๆ และเมื่อวิศวกรเข้าใจสาเหตุที่ทำให้มันมีพฤติกรรมเช่นนี้ เขาก็ได้นำหลักการมาประยุกต์ใช้กับระบบที่ประกอบด้วย ตัวแกว่งนาโน (nano-oscillator) จำนวนมาก หลังจากที่ได้ตระหนักรู้ว่า ในสมองหิ่งห้อยแต่ละตัวต่างก็มีนาฬิกาชีวภาพ แล้วนาฬิกาชีวภาพเหล่านี้ได้เริ่ม lock phase คือ ปรับจังหวะการแกว่งให้เหมือนกัน (คือ synchronize กัน) เวลามันบินเข้าใกล้กัน หัวใจคนก็ทำงานในแบบเดียวกัน คือ มีเซลล์ pacemaker ที่มีหน้าที่ควบคุมอัตราการเต้นของหัวใจให้สม่ำเสมอ ด้วยการส่งคลื่นไฟฟ้าออกมาร่วมกัน เพื่อให้หัวใจเต้นเป็นจังหวะ ๆ อย่างสม่ำเสมอตลอดชีวิตของคน ๆ หนึ่ง (ซึ่งมากประมาณ 3,000 ล้านครั้ง) รวมถึงควบคุมการเต้นระรัวของหัวใจ (cardiac fibrillation) ด้วย


ดังที่วิศวกร Craig Reynolds แห่งบริษัท Symbolics ในสหรัฐอเมริกา เมื่อ 36 ปีก่อน ผู้มีหน้าที่ผลิต software ได้หันมาสนใจปรากฏการณ์พฤติกรรมกลุ่มของหิ่งห้อยที่เกิดขึ้นอย่างกะทันหัน หรือสาเหตุการเกิดม็อบอย่างฉับพลัน (flash mob) เพราะก่อนจะเกิดเรื่อง ระบบไม่มีพฤติกรรมกลุ่มเลย แล้วในทันทีทันใดก็เกิดการเคลื่อนไหวอย่างพร้อมเพรียงกัน เหมือนน้ำร้อนที่อยู่นิ่ง ครั้นเมื่ออุณหภูมิเพิ่มถึง 100 °C ก็จะเดือดพล่านในทันที ซึ่งการเปลี่ยนแปลงในลักษณะนี้ในทางวิทยาศาสตร์ เราให้คำเรียกรวม ๆ ว่า การเปลี่ยนเฟส (phase) และมีตัวอย่างให้เห็นมากมาย เช่น เวลาน้ำเปลี่ยนเป็นน้ำแข็ง ฉนวนเป็นตัวนำไฟฟ้า คนปกติเป็นฆาตกรสังหารหมู่ ฯลฯ

ในการศึกษาวงจรไฟฟ้าที่มีตัวแกว่งจำนวนมากนั้น Reynolds ได้เขียนขั้นตอนการแก้ปัญหา (algorithm) สำหรับการเคลื่อนไหวของระบบ โดยใช้หลักการ 3 ข้อ คือ

1. ให้สมาชิกตัวแกว่งทุกตัวปรับเปลี่ยนทิศการแกว่งของตัวเองให้สอดคล้องกับทิศการแกว่งของสมาชิกที่อยู่ใกล้ที่สุด

2. ควบคุมระยะห่างระหว่างสมาชิกให้เปลี่ยนแปลงน้อยที่สุด

3. ในกรณีการบินเป็นฝูงของนก ให้ใช้เงื่อนไขเพิ่มเติมอีกว่าตลอดเวลาที่บิน จะต้องไม่เกิดการชนกันระหว่างบรรดาสมาชิกในฝูง


เมื่อใช้เงื่อนไขต่างๆ ดังกล่าวนี้ในโปรแกรม Reynolds ก็ประจักษ์ว่า ถ้าสมาชิกที่อยู่ใกล้กันมีปฏิสัมพันธ์กัน (คือ มีอันตรกิริยากัน) การเคลื่อนที่เป็นฝูง หรือไม่เป็นฝูงของนก ของปลา หรือของกลุ่มโปรตีนในเซลล์ก็จะเกิดขึ้นในทันที โดยมีเงื่อนไขเรื่องความหนาแน่นของประชากรในกลุ่มเป็นตัวควบคุมด้วย เช่น ในกรณีที่กลุ่มมีความหนาแน่นน้อย คือ สมาชิกแต่ละตัวมีสมาชิกที่อยู่ใกล้ ๆ เป็นจำนวนไม่มากพอที่จะช่วยปรับทิศการบิน ดังนั้นนกแต่ละตัวก็จะต่างตัว ต่างบิน พฤติกรรมหมู่ก็ไม่บังเกิด แต่เมื่อสมาชิกในกลุ่มมีจำนวนมากขึ้น สมาชิกแต่ละตัวจะรู้ทิศทางการบินโดยเฉลี่ยของบรรดาสมาชิกที่อยู่ใกล้เคียง และจะบินไปในทิศเฉลี่ยนั้น การบินแบบอัจฉริยะของกลุ่มก็บังเกิด


ในคริสต์ศตวรรษที่ 19 มีนักฟิสิกส์อัจฉริยะคนหนึ่งชื่อ James Clerk Maxwell (1831–1879) ซึ่งเป็นบุคคลแรกที่สนใจศึกษาพฤติกรรมของระบบมหภาค เช่น แก๊สและของเหลว ที่ประกอบด้วยโมเลกุลจำนวนมาก แต่ Maxwell ไม่สนใจพฤติกรรมของโมเลกุลแต่ละตัว เหมือนนักฟิสิกส์คนอื่น ๆ ในเวลานั้น ที่ต้องการจะรู้ข้อมูลความเร็ว และตำแหน่งของอนุภาคทุกตัวในระบบอย่างละเอียด เพราะ Maxwell คิดว่า ถึงจะรู้ตำแหน่งและความเร็วของโมเลกุลน้ำทุกตัว (อันที่จริงไม่มีใครจะรู้ข้อมูลเหล่านี้ได้) ก็ไม่มีใครสามารถจะบอกได้ว่า น้ำบริสุทธิ์จะเดือดที่อุณหภูมิ 100 °C และมีดัชนีหักเห = 4/3


ดังนั้นในที่ประชุมของ British Association for the Advancement of Science เมื่อปี 1873 Maxwell จึงได้นำเสนอแนวคิดที่จะศึกษาฟิสิกส์โดยใช้รูปแบบใหม่ คือ นำแนวคิดด้านสถิติที่นักสังคมศาสตร์ในสมัยนั้น ใช้ศึกษาพฤติกรรมของสังคม มาศึกษาและทำนายพฤติกรรมของโมเลกุลจำนวนมากในระบบ ด้วยการใช้กลศาสตร์สถิติ (statistical mechanics) และ Maxwell ก็ได้ใช้หลักการนี้อธิบายที่มาของกฎในวิชาอุณหพลศาสตร์ ซึ่งได้ผลดีมาก จนนักฟิสิกส์ได้นำวิชานี้ไปประยุกต์ใช้ในวิชากลศาสตร์ควอนตัม ทฤษฎีอลวน (chaos) และทฤษฎีความซับซ้อน (complexity theory) ในเวลาต่อมาด้วย


ดังในการอธิบายสาเหตุที่ทำให้สารปกติกลายเป็นแม่เหล็ก เวลามีสนามแม่เหล็กมากระทำ หรือเวลาอุณหภูมิของสารลดต่ำลงมาก คำอธิบายก็จะเป็นไปในทำนองเดียวกันกับเรื่องการบินเป็นฝูงของนก และการว่ายน้ำเป็นฝูงของปลา คือ อะตอมทุกอะตอมในสารมีสมบัติควอนตัมชนิดหนึ่ง ที่เรียกว่า spin ซึ่งแสดงตัวมีทิศเหมือนแม่เหล็ก และโมเมนต์แม่เหล็กขนาดจิ๋วเหล่านี้จะมีอันตรกิริยากับโมเมนต์แม่เหล็กอื่นๆ ที่อยู่ใกล้กัน ซึ่งจะพยายามชี้ไปในทิศเดียวกัน แต่ในเวลาเดียวกันมันก็มีพลังงานจลน์ในตัวเองด้วย ซึ่งจะทำให้ทิศของเหล่าโมเมนต์แม่เหล็กขนาดจิ๋วมีความแปรปรวน คือ ชี้ทิศสะเปะสะปะ ดังนั้นถ้าสารมีอุณหภูมิสูง ทิศที่ชี้โดยเฉลี่ย (เหนือ-ใต้-ออก-ตก) ก็จะรวมกันเป็นศูนย์ และสารก็จะไม่แสดงอำนาจแม่เหล็ก แต่เมื่ออุณหภูมิลดต่ำ พลังงานจลน์ของโมเมนต์แม่เหล็กจิ๋วก็จะลดลงมาก จนต่อต้านพลังงานแม่เหล็กที่เกิดจากอันตรกิริยาระหว่างโมเมนต์แม่เหล็กจิ๋วไม่ได้ สารจึงเป็นแม่เหล็ก หรือถ้าจะให้เกิดการเปลี่ยนสภาพแม่เหล็กได้เร็ว เราก็สามารถส่งสนามแม่เหล็กภายนอกเข้าไปบังคับทิศของโมเมนต์แม่เหล็กจิ๋วทั้งหมดนั้นก็ได้


สำหรับการแสดงแสงสามัคคีของหิ่งห้อยนั้น ก็มีประวัติความเป็นมาที่น่าสนใจและน่าติดตามเช่นกัน เมื่อนักชีววิทยาชาวอเมริกัน ชื่อ Hugh Smith ในปี 1923-1934 ได้เห็นฝูงหิ่งห้อยจำนวนนับพันในป่าโกงกางของประเทศไทยกระพริบแสงเป็นจังหวะ ๆ อย่างพร้อมเพรียงกัน นานเป็นชั่วโมง แต่ Smith ก็ไม่สามารถอธิบายได้ว่า ปรากฏการณ์ประหลาดนั้นเกิดจากสาเหตุใด

ในปี 1961 Joy Adamson นักประพันธ์นวนิยายเรื่อง Born Free ได้กล่าวถึงแสงโชว์ของหิ่งห้อยที่อาศัยอยู่ในทวีป Africa ด้วย ว่ากระพริบแสงเป็นจังหวะ ๆ เสมือนมีนาฬิกาชีวภาพอยู่ภายใน และการแสดงแสงสามัคคีนี้ ได้เกิดขึ้นเองโดยไม่มีผู้อำนวยแสง หรือผู้ฝึกหิ่งห้อยให้ทำตามจังหวะที่หัวหน้าฝูงกำหนด

ในปี 1966 John Buck นักชีววิทยาจาก National Institutes for Health ของสหรัฐฯ ก็ได้พบว่า เวลาเขาจับหิ่งห้อยมาเกาะที่กำแพง โดยให้อยู่ห่างกันประมาณ 10 เซนติเมตร ถ้ามีหิ่งห้อยเพียง 1, 2, 3 ตัว การกระพริบแสงเป็นจังหวะ จะไม่บังเกิด จนกระทั่งมีหิ่งห้อยตั้งแต่ 10 ตัวขึ้นไป การแสดงแสงโชว์ก็จะเกิด


ในปี 1990 Steven Strogatz ซึ่งเป็นนักคณิตศาสตร์ชาวอเมริกัน จากมหาวิทยาลัย Cornell ได้เริ่มสนใจเหตุการณ์ประสานแสง (light synchronization) ของหิ่งห้อย เพราะคิดว่าสัตว์ เช่น แมลง ไม่น่าจะทำได้ เมื่อรู้จากวิชาอุณหพลศาสตร์ว่า เหตุการณ์ทุกชนิดในธรรมชาติจะเปลี่ยนไปในทิศทางที่มีความไม่เป็นระเบียบเพิ่มขึ้น ๆ แต่ในกรณีของหิ่งห้อย จากการกระพริบแสงที่ไม่เป็นระเบียบของแต่ละตัว กลับมามีจังหวะอย่างพร้อมเพรียงกัน

Strogatz จึงได้เสนอแบบจำลองคณิตศาสตร์ เพื่ออธิบายเหตุการณ์นี้ โดยให้หิ่งห้อยแต่ละตัวเป็น oscillator ที่มีจังหวะการกระพริบแสงเฉพาะตัว แต่เมื่อหิ่งห้อยมาอยู่ใกล้กัน oscillator ทุกตัวที่อยู่ใกล้กันจะมีอันตรกิริยากัน ระบบที่เกิดขึ้นใหม่ จึงเป็นระบบของตัวแกว่งคู่ควบ (coupled oscillators) ของ Reynolds ที่ตัวแกว่งแต่ละตัวมีการ “สื่อสาร” ถึงกัน
ประเด็นที่น่าสนใจสำหรับการศึกษาเรื่องนี้ คือ

1. ฝูงหิ่งห้อยสามารถแสดงคอนเสิร์ตแสงได้ ภายใต้เงื่อนไขอะไรบ้าง

2. การกระพริบแสงเข้าจังหวะนั้น มีประโยชน์อย่างไร เพื่อดึงดูดตัวเมียให้มาผสมพันธุ์ หรือให้นักท่องเที่ยวและนักวิทยาศาสตร์ได้ดูและศึกษา

3. ในกรณีของปลาและนกนั้น การเคลื่อนที่เป็นฝูงจะทำให้ฝูงปลอดภัยจากการถูกศัตรูโจมตี ใช่หรือไม่

เมื่อ Strogatz ใช้แบบจำลองคณิตศาสตร์ของ Yoshiki Kuramoto (1940-ปัจจุบัน) ที่ได้ศึกษาพฤติกรรมของตัวแกว่งคู่ควบ และ Strogatz ได้นำแบบจำลองนี้มาใช้ในการศึกษาการกระพริบแสงของฝูงหิ่งห้อย โดยสมมติให้หิ่งห้อยทุกตัวมีสภาพทางชีวภาพเหมือนกัน และมีอันตรกิริยาต่อกันอย่างไม่รุนแรง ในรูปของฟังก์ชัน sine ที่ขึ้นกับความต่างเฟสของตัวแกว่งที่อยู่ใกล้กัน ตามสมการของ Kuramoto คือ


การแก้สมการ Kuramoto ทำให้ Strogatz ได้ค่าเฟส θ ร่วมของแสง เขาจึงสามารถอธิบายการกระพริบแสงเป็นจังหวะๆ ของหิ่งห้อยได้

จากสิ่งมีชีวิต เช่น หิ่งห้อย นก ปลา ซึ่งมีชื่อเรียกรวมๆ ว่า สสารที่มีชีวิต (active matter) นักชีววิทยาชื่อ Tamas Vicsek จากมหาวิทยาลัย Eötvös Loránd ที่ Budapest ในฮังการี ก็ได้นำทฤษฎีแม่เหล็กของ Werner Heisenberg (1901-1976) ที่ได้กำหนดให้อะตอมมีโมเมนต์แม่เหล็ก มาใช้เป็นแบบจำลองอธิบายการบินของฝูงนก โดยแทนโมเมนต์แม่เหล็กด้วยลูกศรที่เคลื่อนที่ได้ และเมื่อนกบิน ลูกศรก็เคลื่อนที่ อันตรกิริยาระหว่างนกก็เปรียบเสมือนอันตรกิริยาระหว่างลูกศร ทำให้เห็นลูกศรเคลื่อนที่ได้เสมือนเป็นของเหลวที่กำลังเลื่อนไหล เขาจึงได้สมการที่ใช้อธิบายการบินเป็นฝูงของนกได้

ถึงวันนี้การตรวจสอบความถูกต้องของ Theory of Active Matter ยังไม่สามารถทำได้ในเชิงปริมาณ เพราะไม่มีใครสามารถจะนำปลาหรือนกนับ 1,000 ตัว มาใช้ในการทดลองได้ ยกเว้น บุรุษคนหนึ่งชื่อสังฃ์ทอง ผู้สามารถเรียกเนื้อและปลาที่ชะตาถึงฆาตมาหาได้


อ่านเพิ่มเติม Hydrodynamic theory of active matter โดย Frank Jülicher et al. จัดพิมพ์โดย Institute of Physics ปี 2018


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

อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" ได้ทุกวันศุกร์