เหตุใด ‘เยอรมนี’ จึงเป็นศูนย์กลางระดับโลก ในการพัฒนา ‘ฟิสิกส์ยุคใหม่’? (1)
Multiverse | บัญชา ธนบุญสมบัติ
เหตุใด ‘เยอรมนี’
จึงเป็นศูนย์กลางระดับโลก
ในการพัฒนา ‘ฟิสิกส์ยุคใหม่’? (1)
ทุกครั้งที่ความรู้ของมนุษย์ก้าวกระโดดครั้งใหญ่ สังคมมักได้รับผลกระทบทั้งทางด้านเทคโนโลยี ความคิด และวิถีชีวิต การเปลี่ยนผ่านจากฟิสิกส์คลาสสิก (classical physics) สู่ฟิสิกส์ยุคใหม่ (modern physics) ในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 เป็นทำให้ความเข้าใจพื้นฐานของเราเกี่ยวกับธรรมชาติและเอกภพถูกท้าทายอย่างลึกซึ้ง
ทฤษฎีสำคัญที่เป็นรากฐานของฟิสิกส์ยุคใหม่ ได้แก่ ทฤษฎีสัมพัทธภาพ (Relativity) และกลศาสตร์ควอนตัม (Quantum Mechanics)
ประเด็นพื้นฐานเกี่ยวกับทฤษฎีสัมพัทธภาพนั้น ผมเคยเล่าไว้แล้วในบทความชื่อ “10 เรื่องน่ารู้ว่าด้วย ‘ทฤษฎีสัมพัทธภาพ’ ของไอน์สไตน์”
ที่ https://www.matichon.co.th/weekly/column/article_728986
ส่วนกลศาสตร์ควอนตัมยังไม่ได้เล่าไว้ตรงๆ แต่ได้ให้ภาพที่กว้างกว่าคือ ประเด็นพื้นฐานเกี่ยวกับทฤษฎีควอนตัม (ซึ่งครอบคลุมกลศาสตร์ควอนตัมอยู่ด้วย) ในบทความชื่อ “10 เรื่องน่ารู้ว่าด้วย ‘ทฤษฎีควอนตัม'” ตรงนี้นะครับ https://www.matichon.co.th/weekly/column/article_731856
วิลเฮ็ล์ม ฟ็อน ฮุมบ็อลท์
ที่มา : https://sco.wikipedia.org/wiki/Wilhelm_von_Humboldt
ในบทความนี้ ผมขอตั้งข้อสังเกตถึงแง่มุมที่ไม่ค่อยมีใครพูดถึงมากนัก นั่นคือ แม้ว่าการพัฒนาทฤษฎีสัมพัทธภาพและทฤษฎีควอนตัมจะเกิดจากการมีส่วนร่วมของนักฟิสิกส์จากหลายประเทศ แต่ถ้าถามว่าประเทศไหนที่มีบทบาทโดดเด่นจนเรียกได้ว่าเป็นศูนย์กลางชั้นนำในการพัฒนาฟิสิกส์ยุคใหม่ในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 แล้วละก็ คำตอบคือ เยอรมนี ครับ
ถึงตรงนี้ควรรู้ไว้สักนิดว่าประเทศเยอรมนีมีชื่อเรียกหลายชื่อขึ้นอยู่กับบริบททางการเมืองในขณะนั้น ในที่นี้จะขอนำชื่อที่เกี่ยวข้องกับช่วงที่ฟิสิกส์ยุคใหม่ถือกำเนิดขึ้นมาฝาก ดังนี้
ค.ศ.1871-1918 : จักรวรรดิเยอรมัน (German Empire)
ค.ศ.1919-1933 : สาธารณรัฐไวมาร์ (Weimar Republic)
ค.ศ.1933-1945 : อาณาจักรไรช์ที่ 3 (The Third Reich) ซึ่งยังคงใช้ชื่อทางการว่า German Reich แต่เป็นยุคที่อยู่ภายใต้การปกครองของพรรคนาซี
คราวนี้มาดูรายละเอียดกันว่า ‘เยอรมนี’ มีบทบาทเด่นอย่างไร
ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ : อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ เขียนบทความเกี่ยวกับทฤษฎีนี้ขณะทำงานเป็นเสมียนสำนักงานสิทธิบัตรอยู่ที่เมืองเบิร์น ประเทศสวิตเซอร์แลนด์ แต่เขาเกิดในเยอรมนีและทำงานอยู่ภายในแวดวงวิชาการที่ใช้ภาษาเยอรมัน
ที่สำคัญอย่างยิ่งก็คือ บทความของเขาเขียนเป็นภาษาเยอรมัน และได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Annalen der Physik ทั้งนี้ใน ค.ศ.1915 สำนักงานของวารสารฉบับนี้อยู่ในเมืองไลฟ์ซิก (Leipzig) ในจักรวรรดิเยอรมัน
ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป : ไอน์สไตน์นำเสนอสมการสนามที่ถูกต้องและเป็นแก่นของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเป็นครั้งแรกในการบรรยายต่อ Prussian Academy of Sciences (Sitzungsberichte der Preu?ischen Akademie der Wissenschaften) ในเดือนพฤศจิกายน ค.ศ.1915 และต่อมาในปี ค.ศ.1916 ได้ตีพิมพ์บทความในวารสาร Annalen der Physik
กำเนิดแนวคิดควอนตัม : มักซ์ พลังค์ เสนอสมมุติฐานควอนตัมซึ่งสามารถอธิบายพฤติกรรมการแผ่รังสีของวัตถุดำในปี ค.ศ.1900 และนำเสนอแนวคิดนี้ที่กรุงเบอร์ลินในจักรวรรดิเยอรมัน
กลศาสตร์เมทริกซ์ : แวร์เนอร์ ไฮเซินแบร์ค คิดวิธีการทางคณิตศาสตร์เพื่ออธิบายข้อมูลสเปกตรัมได้ที่เกาะเฮลโกลันด์ สาธารณรัฐไวมาร์ (Weimar Republic) ในปี ค.ศ.1925 ต่อมาวิธีการทางคณิตศาสตร์นี้ได้พัฒนาไปเป็นกลศาสตร์เมทริกซ์ (Matrix Mechanics) ซึ่งเป็นกลศาสตร์ควอนตัมรูปแบบแรก
กลศาสตร์คลื่น : แอร์วิน ชเรอดิงเงอร์ ในปี ค.ศ.1926 ได้พัฒนากลศาสตร์คลื่นขณะอยู่ที่รีสอร์ตในประเทศสวิตเซอร์แลนด์ แต่ตีพิมพ์บทความเผยแพร่ในวารสาร Annalen der Physik
กฎของบอร์น : มักซ์ บอร์น เสนอกฎของบอร์น (Born Rule) ซึ่งเป็นการตีความฟังก์ชันคลื่นในเชิงความน่าจะเป็นในปี ค.ศ.1926 กฎข้อนี้ได้รับพัฒนาขึ้นขณะที่บอร์นอยู่ในเมืองเกิททิงเงิน สาธารณรัฐไวมาร์
ส่วนแนวคิดและผลงานอื่นๆ เกี่ยวกับทฤษฎีควอนตัม เช่น คลื่นสสารมาจากหลุยส์ เดอ บรอยล์ ซึ่งอยู่ในฝรั่งเศส และพีชคณิตเลขคิวมาจากพอล ดิแรก ซึ่งอยู่ในอังกฤษ
ที่ว่ามานี้ น่าจะทำช่วยให้เข้าใจได้ว่าแม้ว่าฟิสิกส์ยุคใหม่จะเป็นผลงานของนักคิดชั้นนำจากหลายประเทศ แต่ภาพที่ชัดเจนคือศูนย์กลางทางปัญญาอยู่ที่เยอรมนี
ความเป็นศูนย์กลางทางปัญญาที่ว่านี้ไม่ได้เกิดขึ้นโดยบังเอิญ แต่เป็นผลมาจากการบรรจบกันของปัจจัยหลายอย่าง ผมลองแยกแยะสาเหตุหลักเป็นข้อๆ เพื่อให้ความคิดคมชัด พบว่ามีทั้งสิ้น 9 สาเหตุ ลองมาไล่เรียงดูกันครับ
สาเหตุที่ 1: มหาวิทยาลัยของเยอรมนีใช้ปรัชญาการศึกษาแบบฮุมบ็อลท์
วิลเฮล์ม ฟ็อน ฮุมบ็อลท์ (Wilhelm von Humboldt) เป็นนักปรัชญาและนักปฏิรูปการศึกษาชาวเยอรมัน เขาดำรงตำแหน่งรัฐมนตรีว่าการกระทรวงศึกษาธิการของปรัสเซียในช่วงต้นศตวรรษที่ 19
ผลงานสำคัญที่สุดชิ้นหนึ่งของเขา คือ แนวคิดปฏิรูปการศึกษาที่เน้นย้ำถึงความเป็นหนึ่งเดียวของการสอนและการวิจัย การให้เสรีภาพทางวิชาการทั้งแก่คณาจารย์และนักศึกษา รวมทั้งการส่งเสริมการวิจัยเพื่อสร้างความรู้ใหม่ให้เป็นหน้าที่หลักของมหาวิทยาลัย แนวคิดนี้จึงแตกต่างจากการฝึกอบรมด้านอาชีพแต่เพียงอย่างเดียว
ปรัชญาการศึกษาของฮุมบ็อลท์เน้นย้ำว่าการเรียนรู้ไม่ใช่แค่เพื่อสอบหรือทำงาน แต่เพื่อพัฒนาตัวเองให้เป็นมนุษย์ที่สมบูรณ์ในเชิงปัญญาและจริยธรรม จึงเป็นการเรียนรู้แบบสหวิทยาการ ครอบคลุมทั้งวิทยาศาสตร์ธรรมชาติ มนุษยศาสตร์ และสังคมศาสตร์
แนวคิดดังกล่าวมีชื่อเรียกเป็นภาษาเยอรมันในเวลาต่อมาว่า Humboldtsches Bildungsideal ซึ่งอาจแปลแบบเก็บความได้ว่า ‘อุดมคติการบ่มเพาะปัญญาแบบฮุมบ็อลท์’ หรือ ‘อุดมการณ์การศึกษาแบบฮุมบ็อลท์’
ส่วนในภาษาอังกฤษ เรียกว่า Humboldtian educational ideal (อุดมคติด้านการศึกษาแบบฮุมบ็อลท์) หรือ Humboldtian model of education (แนวคิดการศึกษาแบบฮุมบ็อลท์) บางครั้งเรียกสั้นๆ ว่า Humboldtian model (แนวคิดแบบฮุมบ็อลท์) ซึ่งหมายถึงแนวคิดการศึกษาที่เน้นการพัฒนาปัญญาอย่างรอบด้าน การเรียนรู้เพื่อความรู้ และการบูรณาการการเรียนกับการวิจัยนั่นเองครับ
วิลเฮล์ม ฟ็อน ฮุมบ็อลท์ มีบทบาทสำคัญในการก่อตั้งมหาวิทยาลัยเบอร์ลิน (University of Berlin) โดยอิงตามปรัชญาการศึกษาที่เขาเสนอไว้ มหาวิทยาลัยแห่งนี้ได้กลายเป็นต้นแบบของมหาวิทยาลัยวิจัยสมัยใหม่ทั่วโลก โดยมีอิทธิพลต่อการออกแบบระบบมหาวิทยาลัยในยุโรปและสหรัฐอเมริกาในเวลาต่อมา
น่ารู้ด้วยว่ามหาวิทยาลัยเบอร์ลินเดิมมีชื่อในภาษาเยอรมันว่า Friedrich-Wilhelms-Universit?t zu Berlin เพื่อเป็นเกียรติแก่กษัตริย์ฟรีดิช วิลเฮล์มที่ 3 (Friedrich Wilhelm III) แต่ในปี ค.ศ.1949 ได้เปลี่ยนชื่อเป็น Humboldt-Universit?t zu Berlin เพื่อยกย่องทั้งวิลเฮล์ม ฟ็อน ฮุมบอลท์ และน้องชายของเขาคือ อเล็กซันเดอร์ ฟ็อน ฮุมบอลท์ (Alexander von Humboldt) ซึ่งเป็นนักสำรวจและนักวิทยาศาสตร์ผู้มีชื่อเสียงระดับโลก
เมื่อมหาวิทยาลัยในเยอรมนีดำเนินการตามปรัชญาของฮุมบ็อลท์ก็ส่งผลให้เกิดสภาพแวดล้อมที่ดึงดูดนักศึกษาเก่งๆ เข้ามาเรียนและทำวิจัยอย่างเข้มข้น มีความเป็นเลิศทางวิชาการ เช่น มหาวิทยาลัยเกิททิงเงินโดดเด่นทางด้านคณิตศาสตร์และฟิสิกส์ทฤษฎีภายใต้การนำของนักวิชาการชั้นยอด เช่น เฟลิกซ์ ไคลน์, ดาฟิด ฮิลแบร์ท และมักซ์ บอร์น ส่วนมหาวิทยาลัยเบอร์ลินก็มีชื่อเสียงด้านฟิสิกส์ทฤษฎีภายใต้การนำของมักซ์ พลังค์
สาเหตุที่ 1 นี้สรุปง่ายๆ ได้ว่า เมื่อเริ่มด้วยสัมมาทิฐิก็ย่อมมีโอกาสก้าวหน้าอย่างสร้างสรรค์นั่นเอง
สาเหตุที่ 2 มีการจัดตั้งฟิสิกส์ทฤษฎีขึ้นเป็นการจำเพาะ
ช่วงปลายศตวรรษที่ 19 มีการจัดตั้งตำแหน่งศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ทฤษฎีในมหาวิทยาลัยเยอรมัน การทำเช่นนี้นับเป็นจุดเปลี่ยนสำคัญของประวัติศาสตร์วิทยาศาสตร์ระดับโลก กล่าวคือ แยกบทบาทระหว่างนักฟิสิกส์ทฤษฎีกับนักฟิสิกส์ทดลองอย่างเป็นทางการ ส่งผลให้เกิดสภาพแวดล้อมทางปัญญาที่เอื้อต่อการพัฒนาแนวคิดใหม่ๆ
มหาวิทยาลัยเบอร์ลิน – ซึ่งปัจจุบันคือ มหาวิทยาลัยฮุมบ็อลท์แห่งเบอร์ลิน (Humboldt University of Berlin) – มีบทบาทสำคัญในการสนับสนุนงานวิจัยเชิงทฤษฎี โดยมักซ์ พลังค์ ได้รับการแต่งตั้งเป็นศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ทฤษฎีในปี ค.ศ.1889 และต่อมาเขาได้เสนอแนวคิดเกี่ยวกับการแผ่รังสีของวัตถุดำ ซึ่งเป็นจุดกำเนิดทฤษฎีควอนตัมในปี ค.ศ.1900
มหาวิทยาลัยเกิททิงเงินก็เป็นศูนย์กลางที่สำคัญอีกแห่งหนึ่ง โดยวอลเดมาร์ ฟอคท์ (Woldemar Voigt) ได้รับตำแหน่งศาสตราจารย์ในปี ค.ศ.1883 และต่อมา มักซ์ บอร์น ได้พัฒนาศูนย์วิจัยฟิสิกส์ทฤษฎีที่มีอิทธิพลระดับโลก โดยมีลูกศิษย์คนสำคัญอย่างแวร์เนอร์ ไฮเซินแบร์ค และโรเบิร์ต ออปเพนไฮเมอร์
แม้แต่มหาวิทยาลัยขนาดเล็กอย่างมหาวิทยาลัยคีล (University of Kiel) ก็มีบทบาทในช่วงเริ่มต้น โดยมักซ์ พลังค์เคยดำรงตำแหน่งศาสตราจารย์ที่มหาวิทยาลัยแห่งนี้ในปี ค.ศ.1885 สะท้อนถึงการยอมรับฟิสิกส์ทฤษฎีในระดับสถาบันอย่างแพร่หลาย
ผลจากการจัดตั้งตำแหน่งศาสตราจารย์เฉพาะทางด้านฟิสิกส์ทฤษฎีได้ทำให้นักฟิสิกส์และนักคณิตศาสตร์ที่มีความสามารถจำนวนหนึ่งมุ่งเน้นศึกษากฎทางฟิสิกส์ในเชิงคณิตศาสตร์ ซึ่งมีความสำคัญอย่างสู่ต่อการพัฒนาทฤษฎีสัมพัทธภาพและกลศาสตร์ควอนตัมนั่นเอง
สาเหตุที่ 2 นี้สรุปได้ว่าแม้ว่าจะมาถูกทางแล้ว (ใช้ปรัชญาการศึกษาแบบฮุมบ็อลท์) ก็ยังไม่พอ จำเป็นต้องโฟกัสประเด็นสำคัญให้คมชัด คือเน้นฟิสิกส์ทฤษฎีให้ลุ่มลึกอีกด้วย
สาเหตุที่ 3 เสถียรภาพทางการเมืองของจักรวรรดิเยอรมัน
การรวมชาติของเยอรมนีในปี ค.ศ.1871 ภายใต้การนำของอ็อทโท ฟอน บิสมาร์ค (Otto von Bismarck) ได้สร้างจักรวรรดิเยอรมันที่มีเสถียรภาพทางการเมืองสูง ความมั่นคงนี้เอื้อให้สามารถวางแผนระยะยาวทั้งด้านการศึกษาและวิทยาศาสตร์อย่างเป็นระบบ รัฐบาลกลางสามารถจัดสรรงบประมาณอย่างต่อเนื่องให้แก่มหาวิทยาลัยและสถาบันวิจัย
การที่จักรวรรดิเยอรมันมีเสถียรภาพทำให้การพัฒนามหาวิทยาลัยวิจัยแบบฮุมบ็อลท์เป็นไปอย่างราบรื่น นอกจากนี้ รัฐบาลของรัฐท้องถิ่น เช่น ปรัสเซียและบาวาเรีย ก็ยังแข่งขันกันพัฒนามหาวิทยาลัยของตนเองเพื่อดึงดูดนักวิทยาศาสตร์และทุนวิจัย การแข่งขันเชิงสร้างสรรค์ดังกล่าวเป็นตัวเร่งสำคัญในการพัฒนาฟิสิกส์ให้ก้าวหน้าโดยรวม
อุดมคติด้านการศึกษาแบบฮุมบ็อลท์ยังมอบอำนาจและอิสรภาพทางวิชาการให้แก่ศาสตราจารย์ระดับ Ordinarius ซึ่งสามารถจัดตั้งสถาบันของตนเองและกำหนดทิศทางงานวิจัยพื้นฐานในระยะยาวได้โดยไม่ถูกรบกวนจากนโยบายรัฐมากนัก ผลก็คือการจัดสรรงบประมาณสำหรับการวิจัยพื้นฐานเป็นไปอย่างต่อเนื่อง
น่าสังเกตว่าประเทศอื่น เช่น อังกฤษและฝรั่งเศส ก็มีระบบมหาวิทยาลัยและการสนับสนุนวิทยาศาสตร์ที่แข็งแกร่งเช่นกัน แต่เยอรมนีได้เปรียบในด้านการจัดสรรงบประมาณสำหรับการวิจัยพื้นฐานและการสร้างสถาบันวิจัยที่มีโครงสร้างอิสระมากกว่า
สาเหตุที่ 4 การพัฒนาอุตสาหกรรมอย่างรวดเร็วของเยอรมนี
การเติบโตอย่างรวดเร็วของอุตสาหกรรมเยอรมันในช่วงปลายศตวรรษที่ 19 โดยเฉพาะในด้านไฟฟ้า (เช่น บริษัท Siemens และบริษัท AEG) และเคมีภัณฑ์ (เช่น บริษัท BASF และบริษัท Bayer) ได้สร้างความต้องการองค์ความรู้เชิงลึกในทางวิทยาศาสตร์อย่างมหาศาล เนื่องจากความรู้เชิงลึกนี้เป็นรากฐานของเทคโนโลยีใหม่ๆ ที่อุตสาหกรรมต้องพึ่งพา
ความต้องการดังกล่าวได้กระตุ้นให้เกิดการลงทุนในงานวิจัยพื้นฐาน แม้ว่าจะยังไม่ให้ผลตอบแทนในทันทีก็ตาม
นอกจากนี้ สถาบันวิจัยที่มีความเข้มแข็งในทางเทคโนโลยียังได้ร่วมมือกับภาคอุตสาหกรรมอย่างมีประสิทธิภาพ ตัวอย่างสำคัญคือ สถาบันฟิสิกส์และเทคนิคแห่งจักรวรรดิ (Physikalisch-Technische Reichsanstalt) หรือ PTR ซึ่งได้รับการสนับสนุนจากทั้งรัฐและนักอุตสาหกรรม เช่น แวร์เนอร์ ฟอน ซีเมนส์ (Werner von Siemens) สถาบันแห่งนี้ไม่เพียงแต่ผลิตองค์ความรู้ใหม่ แต่ยังช่วยถ่ายโอนปัญหาเชิงเทคนิคจากโรงงานอุตสาหกรรมไปยังห้องปฏิบัติการของมหาวิทยาลัย ซึ่งกระตุ้นให้เกิดการวิจัยพื้นฐานในสาขาใหม่ๆ เพื่อหาคำตอบให้กับโจทย์ทางเทคนิคเหล่านั้น
กรณีที่สำคัญที่สุดคือ การกำเนิดแนวคิดควอนตัมซึ่งเริ่มจากความพยายามในการทำให้หลอดไฟมีประสิทธิภาพสูงขึ้น กล่าวคือ ส่องสว่างได้ดีขึ้นและประหยัดพลังงานมากขึ้น นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรจึงต้องการวิธีการวัดค่าอุณหภูมิและความสว่างของไส้หลอดที่แม่นยำที่สุด โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่อุณหภูมิสูงมาก แต่ในขณะนั้นยังไม่มีมาตรฐานการวัดที่เชื่อถือได้
สถาบัน PTR ได้รับมอบหมายให้แก้ปัญหานี้ นักฟิสิกส์ที่ PTR คือ อ็อทโท ลูเมอร์ (Otto Lummer) และวิลเฮล์ม วีน (Wilhelm Wien) จึงสร้างอุปกรณ์ที่เรียกว่า Cavity Radiator เพื่อใช้เป็นแหล่งกำเนิดที่สามารถให้ค่าอุณหภูมิและความเข้มของรังสีความร้อนที่เที่ยงตรงที่สุด กล่าวคือ อุปกรณ์นี้เป็นเครื่องมืออ้างอิงสำหรับการสอบเทียบมาตรวัดอุณหภูมิและมาตรวัดความสว่าง
ในทางฟิสิกส์ถือได้ว่า Cavity Radiator เป็นวัตถุดำ (black body) และพบว่าข้อมูลการกระจายตัวของพลังงานรังสีของวัตถุดำที่อุณหภูมิต่างๆ จากอุปกรณ์นี้ขัดแย้งกับคำทำนายโดยทฤษฎีฟิสิกส์ดั้งเดิม
ความล้มเหลวในการอธิบายผลการทดลองดังกล่าวได้ผลักดันให้ มักซ์ พลังค์ (จำใจ) เสนอแนวคิดระดับปฏิวัติวงการในปี ค.ศ.1900 ว่าตัวสั่นในสสารปลดปล่อยพลังงานออกมาได้เพียงแค่บางค่าเท่านั้น พลังค์เรียกแนวคิดนี้ว่า ควอนตัม (quantum)
เมื่อมองภาพกว้าง อุตสาหกรรมเยอรมันประสบความสำเร็จในการนำผลการวิจัยในห้องปฏิบัติการมาใช้ในการผลิตจริง นำไปสู่การเกิดวงจรป้อนกลับเชิงบวก กล่าวคือ
ความสำเร็จทางอุตสาหกรรม ? ความมั่งคั่ง ? เงินทุน ? การขยายห้องปฏิบัติการและเครื่องมือวัด ? การจ้างบุคลากรคุณภาพ ? การค้นพบใหม่
นี่เองมีส่วนสำคัญที่ทำให้เยอรมนีมีทั้งทรัพยากรทางการเงินและแรงจูงใจทางเศรษฐกิจในการรักษาความเป็นผู้นำด้านวิทยาศาสตร์
พื้นที่หมดพอดี ไว้มาเล่าให้ฟังต่อในตอนที่ 2 (จบ) ครับ โปรดอดใจรอ!
