ลูทวิช บ็อลทซ์มันน์ นักฟิสิกส์ผู้เชื่อมโลกมหภาค กับโลกจุลภาค (จบ)

Multiverse | บัญชา ธนบุญสมบัติ

ในบทความตอนแรก ผมได้เล่าว่า ลูทวิช บ็อลทซ์มันน์ (Ludwig Boltzmann) พัฒนาทฤษฎีขึ้นจากความเชื่อมั่นว่าอะตอมและโมเลกุลมีอยู่จริง แต่เขากลับถูกนักวิชาการคนดังหลายคนต่อต้านอย่างหนัก

คู่ปรับที่ทรงอิทธิพลที่สุดของบ็อลทซ์มันน์คือ แอนสท์ มัค (Ernst Mach) นักฟิสิกส์และนักปรัชญาชาวออสเตรีย มัคเป็นผู้นำกลุ่มปฏิฐานนิยม (positivism) ที่ยึดมั่นว่า วิทยาศาสตร์ที่แท้จริงควรใส่ใจและยอมรับเฉพาะปรากฏการณ์ที่ประสาทสัมผัสของมนุษย์สามารถสังเกตและวัดค่าได้โดยตรงเท่านั้น

เนื่องจากในเวลานั้นยังไม่มีกล้องจุลทรรศน์ที่มีกำลังขยายสูงพอที่ทำให้มองเห็นอนุภาคขนาดเล็กจิ๋วอย่างอะตอมได้ มัคจึงโจมตีทฤษฎีของบ็อลทซ์มันน์ โดยระบุว่าอะตอมป็นเพียง ‘สิ่งสมมุติเชิงปรัชญา’ ที่ไร้สาระ และมักจะยิงคำถามใส่บ็อลทซ์มันน์ในงานเสวนาอย่างแดกดันว่า “อะตอมงั้นหรือ? คุณเคยเห็นมันสักอะตอมแล้วหรือยัง?”

ส่วนอีกคนหนึ่งคือ วิลเฮล์ม อ็อสท์วาลท์ (Wilhelm Ostwald) นักเคมีชาวเยอรมัน (ซึ่งต่อมาได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีในปี ค.ศ.1909) ได้นำเสนอแนวคิด ‘พลังงานนิยม’ หรือ ‘Energetics’ ซึ่งเชื่อว่าเราสามารถอธิบายธรรมชาติและอุณหพลศาสตร์ได้โดยใช้เพียงแค่พลังงานและการเปลี่ยนรูปของพลังงาน ไม่จำเป็นต้องพึ่งพาสมมุติฐานเกี่ยวกับอะตอม อ็อสท์วาลท์มองว่าอะตอมคือภาระทางทฤษฎีที่เกินความจำเป็น

ในการประชุมครั้งประวัติศาสตร์ที่เมืองลือเบ็ค (L?beck conference) ปี ค.ศ.1895 อ็อสท์วาลท์พยายามหักล้างทฤษฎีของบ็อลทซ์มันน์ โดยอธิบายว่า “ในเมื่อบ็อลทซ์มันน์บอกว่าแก๊สประกอบด้วยอะตอมเล็กๆ ที่วิ่งชนกันตามกลศาสตร์คลาสสิกของนิวตัน (ซึ่งผันกลับได้ในเวลา) แล้วเหตุใดพออะตอมจำนวนมากรวมกันเป็นแก๊สในระดับมหภาค กลับมีพฤติกรรมเป็นแบบผันกลับไม่ได้ (ตามกฎอุณหพลศาสตร์) ไปได้เล่า?”

สำหรับอ็อสท์วาลท์ ความย้อนแย้งนี้คือหลักฐานเชิงประจักษ์ว่ากลศาสตร์ของนิวตันใช้ไม่ได้กับการอธิบายความร้อน และในเมื่อกลศาสตร์คลาสสิกอธิบายความผันกลับของธรรมชาติไม่ได้ แนวคิดของบ็อลทซ์มันน์ที่พยายามเอาพฤติกรรมการชนกันของอะตอมมาอธิบายอุณหพลศาสตร์จึงถือเป็นอัน “สิ้นสุดลงและไร้สาระ” ในสายตาของเขา

ในงานประชุมที่เมืองลือเบ็คครั้งนั้น อ็อสท์วาลท์และพวกพ้องคัดค้านแนวคิดอะตอมของบ็อลทซ์มันน์ โดยชี้ว่าเป็นสมมุติฐานทางคณิตศาสตร์ที่ยังไม่มีหลักฐานเชิงประจักษ์รองรับ

อาร์โนลด์ ซอมเมอร์เฟลด์ (Arnold Sommerfeld) ซึ่งอยู่ในเหตุการณ์วันนั้น ได้บันทึกถึงการปะทะกันอย่างดุเดือดระหว่างบ็อลทซ์มันน์กับอ็อสท์วาลท์ไว้ว่า

“การต่อสู้ระหว่างบ็อลทซ์มันน์กับอ็อสท์วาลท์มีลักษณะคล้ายกับการต่อสู้ของวัวกระทิงกับนักสู้อันปราดเปรียว ทว่าในครั้งนี้ วัวกระทิงเป็นฝ่ายได้รับชัยชนะ…การให้เหตุผลของบ็อลทซ์มันน์เป็นฝ่ายชนะในท้ายที่สุด พวกเราซึ่งเป็นนักคณิตศาสตร์รุ่นเยาว์ในเวลานั้น ล้วนยืนอยู่เคียงข้างบ็อลทซ์มันน์ทั้งสิ้น…”

ซอมเมอร์เฟลด์เปรียบเทียบบ็อลทซ์มันน์เป็น ‘วัวกระทิง’ ที่ดุดัน ทรงพลัง แต่อาจจะดูอุ้ยอ้าย และเปรียบอ็อสท์วาลท์เป็น ‘มาทาดอร์’ หรือนักสู้วัวกระทิงที่ปราดเปรียวและว่องไว เขาเน้นย้ำว่า แม้พละกำลังในการโต้เถียงเชิงคณิตศาสตร์ของบ็อลทซ์มันน์ (วัวกระทิง) จะคว้าชัยชนะในสายตาของนักคณิตศาสตร์รุ่นเยาว์ ณ งานประชุมลือเบ็ค แต่ในแง่ของกระแสสังคมและการยอมรับในวงกว้าง บ็อลทซ์มันน์ก็ยังคงโดดเดี่ยวและต้องสู้ต่ออีกยาวนานหลังจากนั้น

นอกจากนี้ยังมีข้อโต้แย้งทางคณิตศาสตร์จากอ็องรี ปวงกาเร (Henri Poincar?) และแอนสท์ เซอร์เมโล (Ernst Zermelo) โดยปวงกาเรพิสูจน์ว่าระบบกลศาสตร์ใดๆ จะกลับคืนสู่สถานะเริ่มต้นได้เสมอหากมีเวลาเพียงพอ (Poincar? Recurrence Theorem) เซอร์เมโลจึงใช้จุดนี้ชี้ว่า หากระบบสามารถกลับคืนสู่สถานะเริ่มต้นได้เสมอ กฎข้อที่สองที่บอกว่าเอนโทรปีจะเพิ่มขึ้นอย่างไม่หวนกลับก็ไม่อาจเป็นกฎสากลได้

บ็อลทซ์มันน์ต้องใช้ความพยายามอย่างหนักในการอธิบายตอบโต้ว่า ทฤษฎีของปวงกาเรนั้นถูกต้องในทางคณิตศาสตร์ แต่ระยะเวลาที่ระบบจะกลับคืนสู่สภาพเดิมนั้นยาวนานเกินกว่าอายุของจักรวาล ในทางปฏิบัติ มนุษย์จึงไม่มีวันได้สังเกตเห็นเหตุการณ์เช่นนั้น

สงครามทางวิชาการที่ดำเนินไปอย่างยาวนานประกอบกับภาวะที่อาจเป็นโรคอารมณ์สองขั้ว ได้ส่งผลกระทบและบั่นทอนสุขภาวะทางจิตใจของบ็อลทซ์มันน์อย่างแสนสาหัส เขาคิดว่ากลศาสตร์เชิงสถิติคือผลงานและความสำเร็จที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในชีวิต แต่การที่ต้องทนเห็นเพื่อนร่วมอาชีพส่วนใหญ่ปฏิเสธและไม่เข้าใจในธรรมชาติเชิงสถิติของแนวคิดนี้ ทำให้เขาเกิดความรู้สึกโดดเดี่ยวและแปลกแยกมากขึ้นเรื่อยๆ

บ็อลทซ์มันน์ต้องย้ายถิ่นฐานอันเนื่องมาจากเหตุผลทางวิชาการและการเมืองภายใน มหาวิทยาลัยเวียนนาเคยเป็นบ้านของเขา ทว่าในปี ค.ศ.1895 แอนสท์ มัค คู่ปรับตัวฉกาจได้รับการแต่งตั้งให้ดำรงตำแหน่งศาสตราจารย์ด้านประวัติศาสตร์และปรัชญาวิทยาศาสตร์ที่นั่น

ความสัมพันธ์ส่วนตัวที่ไม่สู้ดีและความกดดันในการทำงานร่วมกับมัค ทำให้บ็อลทซ์มันน์ตัดสินใจย้ายไปรับตำแหน่งที่มหาวิทยาลัยไลพ์ซิชในเยอรมนีในปี ค.ศ.1900

ทว่าโชคชะตากลับเล่นตลก เพราะที่มหาวิทยาลัยไลพ์ซิช บ็อลทซ์มันน์ต้องกลายเป็นเพื่อนร่วมงานใกล้ชิดกับคู่ปรับทางวิทยาศาสตร์คือ วิลเฮล์ม อ็อสท์วาลท์ แม้ว่าในแง่ส่วนตัวทั้งบ็อลทซ์มันน์และอ็อสท์วาลท์จะเป็นมิตรกัน ทว่าความกดดันจากการโต้เถียงทางวิชาการและอาการป่วยที่รุมเร้าก็ทำให้บ็อลทซ์มันน์เกิดภาวะซึมเศร้าอย่างรุนแรงจนถึงขั้นพยายามทำอัตวินิบาตกรรมครั้งแรก แต่มีผู้ช่วยชีวิตไว้ได้ทัน

ในปี ค.ศ.1901 แอนสท์ มัค ได้ลาออกจากมหาวิทยาลัยเวียนนาเนื่องจากปัญหาสุขภาพ เมื่ออุปสรรคหลักหมดไป ในปี ค.ศ. 1902 บ็อลทซ์มันน์จึงตัดสินใจเดินทางกลับสู่ถิ่นเดิมเพื่อรับตำแหน่งศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์เชิงทฤษฎีที่มหาวิทยาลัยเวียนนา ตำแหน่งนี้ถูกเว้นว่างไว้เพื่อรอคอยการกลับมาของเขา

นอกจากการสอนฟิสิกส์เชิงคณิตศาสตร์แล้ว บ็อลทซ์มันน์ยังได้รับมอบหมายให้รับผิดชอบรายวิชาปรัชญาวิทยาศาสตร์ของมัคอีกด้วย การบรรยายวิชาปรัชญาของเขาเต็มไปด้วยความกระตือรือร้นและจิตวิญญาณอันเปี่ยมล้น จนมีชื่อเสียงโด่งดังอย่างรวดเร็ว

มีบันทึกว่า ห้องโถงบรรยายที่ใหญ่ที่สุดของมหาวิทยาลัยไม่สามารถรองรับจำนวนผู้เข้าฟังที่หลั่งไหลมาได้ ความโด่งดังนี้ยังส่งผลให้เขาได้รับเกียรติสูงสุดด้วยการได้รับเชิญให้เข้าเฝ้าฯ จักรพรรดิฟรันทซ์ โยเซ็ฟ (Emperor Franz Joseph) ณ พระราชวังหลวงฮ็อฟบวร์ค เลยทีเดียว!

แม้ภายนอกจะดูเหมือนว่าเขาได้รับเกียรติยศและชื่อเสียงกลับคืนมา ทว่าสภาพร่างกายและจิตใจภายในของบ็อลทซ์มันน์กลับดิ่งลงเหวอย่างต่อเนื่อง สุขภาพของเขาทรุดโทรมลงอย่างรวดเร็วหลังปี ค.ศ.1905 เขาต้องทนทุกข์ทรมานจากโรคหอบหืด อาการปวดศีรษะรุนแรง และมีสายตาสั้นและฝ้าฟางจนไม่สามารถอ่านหนังสือหรือตรวจเอกสารได้ด้วยตนเอง

สิ่งที่เลวร้ายที่สุดคือความกลัวที่เกาะกินใจ เขาใช้ชีวิตอยู่ด้วยความหวาดระแวงอย่างต่อเนื่องว่า “ตนเองจะสูญเสียสติปัญญาและความทรงจำไปอย่างกะทันหันในระหว่างการปฏิบัติหน้าที่บรรยายบนโพเดียม”

ในปี ค.ศ.1906 แพทย์ประจำตัวได้ลงความเห็นและให้การรับรองว่าบ็อลทซ์มันน์ป่วยด้วยโรคระบบประสาทอ่อนแรง (Neurasthenia) อย่างรุนแรง และสั่งให้เขาหยุดพักผ่อนรวมถึงงดเว้นจากกิจกรรมทางวิทยาศาสตร์และการบรรยายใดๆ ทั้งปวงอย่างเด็ดขาด

เดือนกันยายน ค.ศ.1906 ระหว่างการเดินทางไปพักผ่อนตากอากาศร่วมกับภรรยาและบุตรสาวที่อ่าวดูอีโน (Bay of Duino) ใกล้กับเมืองตรีเอสเต ประเทศอิตาลี (ปัจจุบันคือส่วนหนึ่งของอิตาลี แต่ในขณะนั้นอยู่ภายใต้การปกครองของออสเตรีย) ในขณะที่ภรรยาและบุตรสาวกำลังว่ายน้ำอยู่ในอ่าว บ็อลทซ์มันน์ผู้มีปัญหาสุขภาพจิตเรื้อรังและตกอยู่ในภาวะซึมเศร้าก็ได้ตัดสินใจผูกคอตายภายในห้องพัก โดยไม่ได้ทิ้งจดหมายลาตายใดๆ ไว้ เขาจากโลกนี้ไปด้วยวัย 62 ปี

จุดพลิกผันที่ถือได้ว่าเป็นเรื่องโชคร้ายในเรื่องนี้คือ “จังหวะเวลา” เพราะบ็อลทซ์มันน์จบชีวิตตัวเองในช่วงเวลาที่หลักฐานเชิงประจักษ์ที่พิสูจน์ว่าทฤษฎีของเขาถูกต้องกำลังจะปรากฏขึ้นในอีกไม่นานนัก

ย้อนกลับไปในปี ค.ศ.1905 อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ตีพิมพ์ผลงานวิจัยชิ้นประวัติศาสตร์ว่าด้วยการเคลื่อนที่แบบบราวน์ (Brownian motion) ซึ่งอธิบายถึงการเคลื่อนที่อย่างสุ่มของอนุภาคขนาดเล็กบนผิวของไหล ไอน์สไตน์แสดงให้เห็นด้วยคณิตศาสตร์ว่าการเคลื่อนที่อย่างสุ่มเกิดจากการที่อนุภาคขนาดเล็กถูกโมเลกุลที่มองไม่เห็นพุ่งเข้าชน และใช้กลศาสตร์เชิงสถิติของบ็อลทซ์มันน์ในการคาดการณ์พฤติกรรมดังกล่าวได้อย่างแม่นยำ

หลังจากนั้นอีกราว 3 ปี คือ ค.ศ.1908 ฌ็อง แปแร็ง (Jean Perrin) นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส ได้ทำการทดลองอย่างถี่ถ้วนเพื่อตรวจสอบการเคลื่อนที่แบบบราวน์ตามสมการของไอน์สไตน์ ข้อสรุปคือการยืนยันการมีอยู่จริงของอะตอมและโมเลกุลอย่างชัดเจน พร้อมทั้งคำนวณค่าเลขอาโวกาโดรได้อีกด้วย

หลักฐานที่ไม่อาจโต้แย้งได้นี้ทำให้บรรดาผู้ที่คลางแคลงใจ รวมถึงวิลเฮล์ม อ็อสท์วาลท์ ต้องยอมออกมาประกาศยอมรับความจริงต่อสาธารณชนว่าอะตอมมีอยู่จริง

หากบ็อลทซ์มันน์มีชีวิตอยู่ต่ออีกเพียงไม่กี่ปี เขาย่อมจะได้เห็นชัยชนะอันยิ่งใหญ่และได้รับการยกย่องตามที่เขาคู่ควร ทว่าเขากลับกลับด่วนจากไปก่อนที่ความจริงจะปรากฏ

บ็อลทซ์มันน์ยังสร้างสรรค์ผลงานสำคัญอีกหลายอย่าง เช่น การกระจายตัวแบบแมกซ์เวลล์-บ็อลทซ์มันน์ (Maxwell-Boltzmann distribution) และนำกฎเชิงประจักษ์ว่าด้วยการแผ่รังสีของวัตถุดำที่โยเซฟ สเตฟาน อาจารย์ของเขาได้สร้างไว้ในปี ค.ศ.1879 มาต่อยอด จนกลายเป็น กฎของสเตฟาน-บ็อลทซ์มันน์ (Stefan-Boltzmann law) เป็นต้น

บนศิลาเหนือหลุมศพของเขา ณ สุสานกลางกรุงเวียนนา มีสมการ S = k log W ของเขาจารึกอยู่ ตอกย้ำผลงานแห่งชีวิตของบ็อลทซ์มันน์อย่างเป็นรูปธรรม

ลูทวิช บ็อลทซ์มันน์ นักฟิสิกส์ผู้เชื่อมโลกมหภาค กับโลกจุลภาค (1)