เจมส์ เคลิร์ก แมกซ์เวลล์ สุดยอดนักฟิสิกส์ผู้เปลี่ยนโลกไปตลอดกาล
Multiverse | บัญชา ธนบุญสมบัติ
เจมส์ เคลิร์ก แมกซ์เวลล์
สุดยอดนักฟิสิกส์ผู้เปลี่ยนโลกไปตลอดกาล
หากมีการจัดอันดับ 10 สุดยอดนักฟิสิกส์ตลอดกาล ก็จะพบว่าชื่อที่คนไทยจำนวนมากคุ้นหูอย่างเซอร์ไอแซก นิวตัน และอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ จะอยู่ในรายการอย่างแน่นอน แต่มีนักฟิสิกส์คนหนึ่งซึ่งคนไทยอาจไม่คุ้นชื่อนัก แต่ผลงานของเขาทำให้เชื่อมั่นได้ว่าชื่อจะติดอยู่ในรายการอย่างแน่นอน นั่นคือ เจมส์ เคลิร์ก แมกซ์เวลล์ (James Clerk Maxwell)
เจมส์ เคลิร์ก แมกซ์เวลล์ เกิดเมื่อวันที่ 13 มิถุนายน ค.ศ.1831 ที่เมืองเอดินบะระ สกอตแลนด์ ห้วงเวลานั้นอังกฤษและยุโรปอยู่ในยุคการปฏิวัติอุตสาหกรรม (Industrial Revolution) เกิดการเปลี่ยนแปลงทางสังคม อุตสาหกรรม และวิทยาศาสตร์อย่างรวดเร็ว มีการค้นพบทางวิทยาศาสตร์ใหม่ๆ อย่างต่อเนื่อง มีการก่อตั้งสถาบันและสมาคมวิทยาศาสตร์เพื่อส่งเสริมการวิจัยและการเผยแพร่ความรู้
แม้ว่าสกอตแลนด์ในยุคนั้นจะอยู่ภายใต้การปกครองของอังกฤษ แต่สกอตแลนด์ก็มีประเพณีทางปัญญาที่เข้มแข็ง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในเอดินบะระ ซึ่งเป็นศูนย์กลางทางปัญญาที่สำคัญ มีมหาวิทยาลัยที่มีชื่อเสียงและนักคิดผู้ทรงอิทธิพลจำนวนไม่น้อย บรรยากาศทางวิชาการเช่นนี้เองที่เอื้อต่อการบ่มเพาะสติปัญญาของนักวิทยาศาสตร์แมกซ์เวลล์
ครอบครัวของแมกซ์เวลล์มีฐานะค่อนข้างดีและมีการศึกษา พ่อของเขาคือ จอห์น เคลิร์ก แมกซ์เวลล์ (John Clerk Maxwell) เป็นทนายความที่สนใจในวิทยาศาสตร์และกลศาสตร์อย่างมาก ชอบงานประดิษฐ์และกระตือรือร้นในการเรียนรู้สิ่งใหม่ๆ ซึ่งได้ส่งอิทธิพลอย่างมากต่อลูกชาย แมกซ์เวลล์ได้รับอิทธิพลจากพ่อในเรื่องความช่างสังเกต ช่างสงสัย และชอบการทดลอง
ส่วนแม่คือ ฟรานเซส เคลิร์ก แมกซ์เวลล์ (Frances Clerk Maxwell) เป็นบุตรสาวของครอบครัวเคลิร์กแห่งเพนนิคุก (Clerk of Penicuik) ซึ่งเป็นตระกูลเก่าแก่และมีชื่อเสียงในสกอตแลนด์ เธอเสียชีวิตตั้งแต่แมกซ์เวลล์อายุ 8 ขวบ ทำให้คนที่เลี้ยงดูแมกซ์เวลล์วัยเยาว์คือพ่อและป้า ป้าคนนี้เป็นพี่สาวของพ่อชื่อ อิซาเบลลา เคลิร์ก (Isabella Clerk) แม้ว่าครอบครัวมีบ้านอยู่ในเอดินบะระ แต่แมกซ์เวลล์วัยเยาว์และวัยหนุ่มได้ใช้ชีวิตส่วนใหญ่อยู่ที่บ้านพักชนบทอันเงียบสงบชื่อ เกลนแอร์ (Glenlair) ในดัมฟรีชเชอร์ (Dumfriesshire)
แมกซ์เวลล์วัยเยาว์เป็นเด็กช่างสังเกตและช่างสงสัย ซึ่งพ่อก็สนับสนุนเป็นอย่างดี อีกทั้งยังสอนหลักการพื้นฐานของกลศาสตร์และสอนให้เขาทดลองประดิษฐ์สิ่งต่างๆ
ที่มา : https://light2015blogdotorg.wordpress.com/2015/06/12/james-clerk-maxwell-the-man-who-changed-the-world-forever-i/
ในช่วงแรกมีครูมาสอนที่บ้าน แต่ในปี ค.ศ.1841 เมื่อแมกซ์เวลล์อายุ 10 ขวบ ก็ถูกส่งไปเข้าโรงเรียนเอดินบะระ อะคาเดมี (Edinburgh Academy) ในตอนแรกเด็กน้อยปรับตัวให้เข้ากับเพื่อนร่วมชั้นได้ยาก เนื่องจากถูกเลี้ยงในชนบทมาอย่างโดดเดี่ยว แต่ไม่นานเขาก็แสดงความสามารถทางสติปัญญาขึ้นมาอย่างโดดเด่น
แมกซ์เวลล์แสดงความเป็นเลิศในวิชาคณิตศาสตร์และวิทยาศาสตร์โดยเขียนบทความชื่อ “On the description of oval curves and those having a plurality of foci” เมื่ออายุเพียง 14 ปี โดย เจมส์ ฟอร์บส์ (James Forbes) ศาสตราจารย์ด้านปรัชญาธรรมชาติแห่งมหาวิทยาลัยเอดินบะระเป็นผู้นำเสนอต่อราชสมาคมแห่งเอดินบะระแทน เนื่องจากมองกันว่าแมกซ์เวลล์ยังมีอายุน้อยเกินกว่าที่จะนำเสนอด้วยตนเอง!
ในช่วงวัยรุ่น แมกซ์เวลล์ยังคงสนใจในวิทยาศาสตร์และคณิตศาสตร์ เขาเริ่มสนใจเรื่องของแสงและสี และใช้เวลาว่างในการทดลอง สร้างแบบจำลอง และศึกษาตำราทางวิทยาศาสตร์อย่างจริงจัง
สมการของแมกซ์เวลล์และภาพแสดงคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
ที่มา : https://www.youtube.com/watch?v=PhuJubU1aRs
เส้นทางการศึกษาของแมกซ์เวลล์ค่อนข้างราบรื่น หลังจากสำเร็จการศึกษาจากโรงเรียนเอดินบะระ อะคาเดมี ในปี ค.ศ.1847 ด้วยวัย 16 ปี ก็ได้ศึกษาต่อที่มหาวิทยาลัยเอดินบะระ (University of Edinburgh) ณ สถานศึกษาแห่งนี้ แมกซ์เวลล์ได้เรียนรู้จากนักวิชาการชั้นนำหลายคน ได้พัฒนาความรู้ในสาขาคณิตศาสตร์ ฟิสิกส์ และปรัชญา และได้ทำวิจัยเกี่ยวกับความยืดหยุ่นของของแข็งและสมบัติของแสงโพลาไรซ์
ปี ค.ศ.1850 แมกซ์เวลล์ย้ายไปศึกษาต่อที่มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ (University of Cambridge) โดยเข้าเรียนที่ปีเตอร์เฮาส์ (Peterhouse) เป็นเวลาสั้นๆ ก่อนที่จะย้ายไปที่ทรินิตีคอลเลจ (Trinity College) ที่ทรินิตีคอลเลจ เขาได้ศึกษาภายใต้การสอนของ วิลเลียม ฮอปกินส์ (William Hopkins) ซึ่งเป็นอาจารย์คณิตศาสตร์ที่มีชื่อเสียง และได้รับอิทธิพลอย่างสูงจาก จอร์จ เกเบรียล สโตกส์ (George Gabriel Stokes) ซึ่งเป็นนักคณิตศาสตร์และนักฟิสิกส์ชั้นนำ
แมกซ์เวลล์สำเร็จการศึกษาจากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ในปี ค.ศ.1854 โดยได้อันดับสองในการสอบไทรพอส (Tripos) ซึ่งเป็นการสอบคณิตศาสตร์ที่มีชื่อเสียงและยากที่สุดของมหาวิทยาลัยแห่งนี้ หลังจากสำเร็จการศึกษา แมกซ์เวลล์ก็ได้เป็นสมาชิกอาวุโส (fellow) ของทรินิตีคอลเลจ และเริ่มงานวิจัยฟิสิกส์
ในปี ค.ศ.1856 แมกซ์เวลล์ได้รับการแต่งตั้งให้เป็นศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ที่มาร์ลิแชลคอลเลจ (Marischal College) ในแอเบอร์ดีน (Aberdeen) และต่อมาได้ย้ายไปเป็นศาสตราจารย์ที่คิงส์คอลเลจ ลอนดอน (King’s College London) ในปี ค.ศ.1860
ที่คิงส์คอลเลจ ลอนดอนนี่เองที่แมกซ์เวลล์ได้พัฒนาทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าอันเป็นผลงานชิ้นสำคัญที่สุดในชีวิตของเขา ผลงานนี้คือการรวบรวมทฤษฎีไฟฟ้าและแม่เหล็กเข้าไว้ด้วยกัน ซึ่งปัจจุบันเขียนเป็นชุดสมการจำนวนสี่สมการ เรียกว่า สมการของแมกซ์เวลล์ (Maxwell’s Equations) ซึ่งเสร็จสมบูรณ์ในปี ค.ศ.1865 ในบทความชื่อ A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field
ผลลัพธ์สำคัญยิ่งก็คือ สมการของแมกซ์เวลล์ทำนายการมีอยู่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วคงที่ในสุญญากาศ อัตราเร็วดังกล่าวใกล้เคียงกับอัตราเร็วของแสงที่วัดได้ในขณะนั้น ทำให้แมกซ์เวลล์สรุปว่า แสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ารูปแบบหนึ่ง
ที่มา : https://chem.libretexts.org/Workbench/Username:[email protected]/Unit_3:_Kinetics/6:_Kinetic_Theory_of_Gases/6.1:_The_Distribution_of_Molecular_Speeds_Is_Given_by_the_Maxwell-Boltzmann_Distribution
การค้นพบคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในเชิงทฤษฎีของแมกซ์เวลล์เป็นพื้นฐานที่นำไปสู่การพัฒนาเทคโนโลยีการสื่อสารไร้สายหลายรูปแบบ เช่น วิทยุ โทรทัศน์ รวมทั้งโทรศัพท์มือถือ เนื่องจากเทคโนโลยีเหล่านี้ล้วนใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในการรับส่งข้อมูล
นอกจากนี้ สมการของแมกซ์เวลล์ยังเป็นรากฐานสำคัญสำหรับทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ (Special Relativity) ของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) โดยเฉพาะอย่างยิ่งแนวคิดเรื่องความเร็วแสงที่คงที่ในทุกกรอบอ้างอิงเฉื่อย
เรื่องนี้ผมได้เล่าไว้ในบทความเรื่อง กำเนิด ‘ทฤษฎีสัมพัทธภาพ’ (2) อ่านได้ที่
ในปี ค.ศ.1871 แมกซ์เวลล์ได้กลับไปที่มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์เพื่อดำรงตำแหน่งศาสตราจารย์คนแรกของห้องปฏิบัติการคาเวนดิช (Cavendish Laboratory) ซึ่งเป็นห้องปฏิบัติการฟิสิกส์แห่งใหม่ที่เขามีส่วนสำคัญในการก่อตั้งและพัฒนา แมกซ์เวลล์ได้สร้างสภาพแวดล้อมที่เอื้อต่อการวิจัย ทำให้สถานที่แห่งนี้สามารถผลิตนักวิทยาศาสตร์ชั้นนำหลายคน อันบ่งถึงวิสัยทัศน์และความสามารถในการบริหารจัดการของเขา
นอกเหนือจากความเป็นอัจฉริยะทางวิทยาศาสตร์และคณิตศาสตร์แล้ว แมกซ์เวลล์ยังมีความสามารถในด้านอื่นๆ เช่น รู้ภาษากรีกและละติน แต่งกวีนิพนธ์ วาดภาพ และสร้างสรรค์งานประดิษฐ์
ส่วนในแง่บุคลิก แมกซ์เวลล์มีบุคลิกที่อ่อนน้อมถ่อมตนและเป็นกันเอง แต่ก็มีอารมณ์ขันและสามารถสร้างบรรยากาศที่สนุกสนาน ทำให้เป็นที่รักของเพื่อนร่วมงานและลูกศิษย์
แมกซ์เวลล์มีความเชื่อทางศาสนาอย่างลึกซึ้ง และเชื่อว่าวิทยาศาสตร์และศาสนาสามารถอยู่ร่วมกันได้ โดยมักจะสะท้อนแนวคิดทางปรัชญาในงานเขียน
นอกจากผลงานด้านแม่เหล็กไฟฟ้าแล้ว ในสาขาฟิสิกส์อื่นๆ แมกซ์เวลล์ยังมีผลงานที่โดดเด่นอีกหลายอย่าง เช่น
ในวิชาอุณหพลศาสตร์และกลศาสตร์เชิงสถิติ เขาได้พัฒนากฎการกระจายความเร็วของโมเลกุลในแก๊ส (Maxwell-Boltzmann distribution) ซึ่งเป็นรากฐานของการทำความเข้าใจอุณหภูมิ ความดัน และปรากฏการณ์อื่นๆ ที่เกี่ยวข้องกับแก๊ส
นอกจากนี้ เขายังใช้พลังจินตนาการสร้างเกี่ยวกับ ‘ปิศาจของแมกซ์เวลล์ (Maxwell’s demon)’ ซึ่งเป็นการทดลองในความคิดที่ดูเหมือนจะหักล้างกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ – ประเด็นนี้ผมจะหาโอกาสเล่าให้อ่านอีกครั้งหนึ่ง
แมกซ์เวลล์เป็นคนที่ทำให้แนวคิดเรื่อง ‘สนาม (field)’ ของไมเคิล ฟาราเดย์ เป็นรูปธรรมและมีความสำคัญในการศึกษาวิชาฟิสิกส์ แนวคิดเรื่องสนามนี้ยังเป็นรากฐานสำคัญของทฤษฎีสำคัญอย่างเช่น ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป และทฤษฎีสนามควอนตัมอีกด้วย
แมกซ์เวลล์เป็นคนแรกที่แสดงให้เห็นถึงการถ่ายภาพสีอย่างแท้จริง เขาได้ทดลองและแสดงให้เห็นว่าสีต่างๆ สามารถสร้างขึ้นได้จากการผสมสีหลักสามสี (แดง เขียว น้ำเงิน) โดยการฉายภาพสีเดียวสามภาพผ่านตัวกรองสีที่แตกต่างกัน
แมกซ์เวลล์ยังเขียนบทความชิ้นสำคัญเกี่ยวกับการควบคุมเสถียรภาพของระบบกลไก คือ “On Governors” ซึ่งเกี่ยวกับการควบคุมเครื่องจักรไอน้ำให้มีเสถียรภาพและใช้กลไกป้อนกลับ ทั้งนี้ แมกซ์เวลล์ใช้สมการเชิงอนุพันธ์ในการสร้างแบบจำลอง แนวคิดจากบทความนี้เกี่ยวข้องกับการใช้เครื่องจักรไอน้ำในการปฏิวัติอุตสาหกรรม และยังนับเป็นรากฐานสำคัญของทฤษฎีการควบคุมสมัยใหม่ที่ใช้ในการออกแบบระบบควบคุมอัตโนมัติอีกด้วย
ส่วนเรื่องดาราศาสตร์ ในช่วงเวลาที่เขามีชีวิตอยู่นั้น มีข้อสงสัยเกี่ยวกับลักษณะทางกายภาพที่แท้จริงของสิ่งที่ประกอบขึ้นเป็นวงแหวนของดาวเสาร์ เพราะบ้างก็ว่าวงแหวนเป็นแผ่นของแข็ง บ้างก็ว่าเป็นของเหลว แต่แมกซ์เวลล์ได้ใช้คณิตศาสตร์วิเคราะห์เสถียรภาพของวงแหวนดาวเสาร์ และสามารถพิสูจน์ได้ว่าวงแหวนเหล่านี้ไม่สามารถเป็นของแข็งหรือของเหลวได้ แต่จะต้องประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กจำนวนมาก ซึ่งต่อมาได้รับการยืนยันโดยการสังเกตการณ์โดยตรงโดยยาน Voyager และยาน Cassini
เจมส์ เคลิร์ก แมกซ์เวลล์ เสียชีวิตด้วยโรคมะเร็งในช่องท้อง เมื่อวันที่ 5 พฤศจิกายน ค.ศ.1879 ด้วยวัยเพียง 48 ปี แม้ว่าชีวิตของเขาจะค่อนข้างสั้น แต่ผลงานที่เขาทิ้งไว้นั้นยิ่งใหญ่และส่งผลกระทบยืนยาว
อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ชื่นชมและให้ความสำคัญกับผลงานของเจมส์ เคลิร์ก แมกซ์เวลล์ อย่างลึกซึ้ง โดยกล่าวว่า “ยุคหนึ่งทางวิทยาศาสตร์ได้สิ้นสุดลง และอีกยุคหนึ่งได้เริ่มต้นขึ้นด้วย เจมส์ เคลิร์ก แมกซ์เวลล์ (One scientific epoch ended and another began with James Clerk Maxwell)” [อ้างอิง : https://www.kcl.ac.uk/the-man-who-changed-the-world-forever-2]
นอกจากนี้ ไอน์สไตน์ยังแขวนรูปของแมกซ์เวลล์เคียงข้างกับรูปของไมเคิล ฟาราเดย์ และไอแซก นิวตัน ไว้บนผนังห้องทำงาน ซึ่งแสดงให้เห็นถึงการยกย่องแมกซ์เวลล์ว่าเป็นหนึ่งในนักวิทยาศาสตร์ผู้ยิ่งใหญ่ที่สุดในประวัติศาสตร์ [อ้างอิง : https://www.sciencefocus.com/science/how-british-scientists-inspired-and-ensured-einsteins-place-in-history]
ถ้าคุณใช้โทรศัพท์มือถือ ใช้กล้องถ่ายภาพที่มีสีสัน หรือเห็นภาพวงแหวนของดาวเสาร์ ก็อาจฉุกคิดสักนิดว่าครั้งหนึ่งเคยมีนักฟิสิกส์ผู้หนึ่งเคยครุ่นคิดถึงทฤษฎีที่อยู่เบื้องหลังสิ่งต่างๆ เหล่านี้ และนักฟิสิกส์อัจฉริยะผู้นั้นคือ เจมส์ เคลิร์ก แมกซ์เวลล์
