ประวัติย่อ ‘อุณหพลศาสตร์’ (1) แนวคิดโบราณที่ถูกละทิ้ง

Multiverse | บัญชา ธนบุญสมบัติ

ในโลกวิทยาศาสตร์ มีวิชาหนึ่งที่ทรงพลังอย่างยิ่ง เพราะใช้อธิบายสิ่งต่างๆ ได้อย่างกว้างขวาง ตั้งแต่ประสิทธิภาพของเครื่องจักรไอน้ำในยุคปฏิวัติอุตสาหกรรม ทิศทางการเกิดปฏิกิริยาเคมี การเปลี่ยนสถานะและโครงสร้างของสสาร เรื่อยไปจนถึงพฤติกรรมการแผ่รังสีของวัตถุ หรือแม้แต่ปริศนาสุดล้ำอย่างการแผ่รังสีของหลุมดำ

วิชานั้นมีชื่อว่า ‘อุณหพลศาสตร์’ หรือ ‘เทอร์โมไดนามิกส์’ (Thermodynamics) ครับ

คำว่า อุณห- หรืออุณหะ เป็นคำวิเศษณ์ แปลว่า ร้อน, อบอุ่น แปลได้ตรงกับคำว่า thermo ซึ่งมาจากคำว่า thermos ในภาษากรีกที่แปลว่า ร้อน, อบอุ่น เช่นกัน ส่วนคำว่า พลศาสตร์ (dynamics) คือวิชาว่าด้วยการเคลื่อนไหวหรือการเคลื่อนที่

นอกจากมีประโยชน์อย่างมากมายในเชิงปฏิบัติและการประยุกต์ทางวิศวกรรมแล้ว อุณหพลศาสตร์ยังมีแนวคิดสนุกๆ แกมฉงนอย่าง ‘ลูกศรแห่งกาลเวลา’ ซึ่งผูกติดกับปริมาณที่เรียกว่า เอนโทรปี (entropy) อีกด้วย ปริมาณนี้คืออะไร สำคัญอย่างไร ผมจะเฉลยไว้ในบทความชุดนี้

อุณหพลศาสตร์ยังมี ‘ญาติใกล้ชิด’ อีกวิชาหนึ่ง ซึ่งให้มุมมองเชิงลึกถึงระดับจุลภาคว่า องค์ประกอบย่อยๆ ของสสารทำงานร่วมกันอย่างไร ญาติใกล้ชิดที่ว่านี้เรียกว่า กลศาสตร์เชิงสถิติ (Statistical Mechanics)

บทความนี้จะพาคุณผู้อ่านย้อนรอยไปเรียนรู้จุดกำเนิดของอุณหพลศาสตร์และพูดถึงกลศาสตร์เชิงสถิติเล็กน้อยครับ

เรื่องราวของอุณหพลศาสตร์มีรากลึกๆ มาจากความสงสัยของมนุษย์เกี่ยวกับความร้อน ปมชวนฉงนนี้มีมานานนับพันปีแล้ว ขอยกตัวอย่าง 2 อารยธรรมโบราณ คืออียิปต์และกรีก

ชาวอียิปต์โบราณมองความร้อนว่าเป็นพลังสองด้าน ด้านสร้างสรรค์ คือแสงแดดช่วงเช้าและกลางวันถูกเชื่อมโยงกับเทพรา (Ra) และเทพเคปริ (Khepri) ซึ่งเป็นสัญลักษณ์ของการเกิดใหม่และการเคลื่อนของดวงอาทิตย์ พลังนี้ถูกมองว่าเป็นสิ่งที่ทำให้พืชผลเจริญเติบโต โดยเฉพาะหลังน้ำไนล์เอ่อล้น ซึ่งเป็นหัวใจของการเกษตรอียิปต์

ส่วนด้านทำลายล้าง ชาวอียิปต์โบราณมองความร้อนแผดเผาของทะเลทรายว่าเปรียบได้กับดวงตาแห่งรา (Eye of Ra) ซึ่งเป็นพลังที่ใช้ลงโทษศัตรู ดวงตานี้บางครั้งปรากฏในรูปของเทพีเซคเมต (Sekhmet) เทวีหัวสิงโต ผู้เป็นสัญลักษณ์แห่งความโกรธเกรี้ยวและไฟที่ทำลายล้าง

ชาวกรีกโบราณมีแนวคิดเรื่องไฟภายใน (vital heat หรือ innate heat) โดยเชื่อว่า ความร้อนคือพลังชีวิตที่หล่อเลี้ยงร่างกาย และเมื่อความร้อนนี้ดับลงก็หมายถึงความตาย ความคิดนี้ปรากฏทั้งในงานของนักปรัชญาและแพทย์ยุคคลาสสิกหลายคน

ปาร์เมนิเดส (Parmenides) เชื่อมโยงชีวิตกับความอบอุ่น และความตายกับความเย็น แม้จะไม่ได้มีถ้อยคำตรงๆ ในต้นฉบับ แต่การตีความนี้สะท้อนแนวคิดพื้นฐานของเขา

เอ็มเพโดเคลส (Empedocles) อธิบายว่า การนอนหลับเกิดจากความร้อนในเลือดที่ลดลงชั่วคราว ส่วนความตายคือการดับสิ้นของธาตุไฟ และการแยกตัวออกจากธาตุอื่นๆ อย่างถาวร

อริสโตเติล (Aristotle) ให้คำอธิบายเชิงสรีรวิทยาว่า หัวใจคือศูนย์กลางของไฟภายในที่แปรสภาพอาหารเป็นเลือด และส่งพลังงานไปทั่วร่างกาย ขณะเดียวกัน ปอดทำหน้าที่นำอากาศเข้ามาหล่อเย็น เพื่อไม่ให้ไฟในหัวใจเผาไหม้ตัวเอง

กาลีนอส (Galenos) หรือที่ปัจจุบันนิยมเรียกว่า กาเลน (Galen) เปรียบหัวใจว่าเป็นเตาไฟของร่างกาย ที่ผลิตความร้อนและส่งผ่านไปทั่วร่างกายผ่านระบบเลือดและนิวมา (pneuma) ซึ่งหมายถึงลมหายใจหรือวิญญาณ

ด้วยเหตุนี้ ‘ไฟภายใน’ ตามแนวคิดกรีกโบราณจึงถูกมองว่าเป็นพลังสองด้าน คือเป็นทั้งพลังสร้างสรรค์ที่คอยหล่อเลี้ยงรักษาสมดุลของอวัยวะเมื่อยามมีชีวิต และเป็นพลังทำลายล้างที่นำความเสื่อมถอยมาสู่ร่างกายเมื่อความร้อนเริ่มมอดดับลง แนวคิดนี้จึงถือเป็นรากฐานสำคัญที่สุดในการทำความเข้าใจสัจธรรมเรื่องชีวิตและความตายของโลกตะวันตกโบราณ

มนุษย์ขยับเข้าใกล้ความจริงของธรรมชาติมากขึ้นในยุคทองของอิสลาม เมื่อนักปราชญ์เริ่มมองข้ามกรอบคิดทางอภิปรัชญาโบราณหรือแนวคิดเรื่องสมบัติลึกลับของธาตุ แล้วหันมาสังเกตปรากฏการณ์ทางกายภาพอย่างจริงจัง

ผู้นำทางความคิดในยุคนั้นคือ อัล-บีรูนีย์ (Al-Biruni) นักปราชญ์มุสลิมชาวเปอร์เซีย ผู้ใช้เหตุผลเชิงกลไกเพื่ออธิบายธรรมชาติ เขาระบุว่า “ความร้อนไม่ใช่อะไรเลยนอกเสียจากรังสีของดวงอาทิตย์ที่แยกตัวออกมาจากร่างของดวงอาทิตย์มุ่งสู่โลก” และ “ความร้อนนั้นดำรงอยู่ในรังสีเหล่านั้น เป็นสิ่งที่มีอยู่เป็นเนื้อแท้ของรังสีนั้นเอง”

แต่ข้อความที่น่าสนใจและสะท้อนความคิดก้าวหน้าคือ

“ความอบอุ่นของอากาศเป็นผลมาจากการเสียดสีและการปะทะกันอย่างรุนแรงระหว่างทรงกลม (the sphere) ที่กำลังเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วกับร่างกายของเขา (his body)”

คำว่า ‘ทรงกลม (the sphere)’ และ ‘ร่างกายของเขา (his body)’ ในข้อความนี้เมื่อแปลตรงตัวอาจชวนสับสน แต่ในบริบทจักรวาลวิทยาของอัล-บีรูนีย์ มีความหมายเฉพาะครับ

‘ทรงกลม (the sphere)’ หมายถึง ‘ทรงกลมแห่งดวงจันทร์’ (Sphere of the Moon) ซึ่งตามความเชื่อในระบบจักรวาลวิทยาโบราณ คือเปลือกท้องฟ้าชั้นใสที่เป็นวงโคจรชั้นในสุดโอบล้อมโลกอยู่ และเชื่อกันว่ามันกำลังหมุนวนด้วยความเร็วสูงมาก

‘ร่างกายของเขา’ (his body) เป็นผลมาจากการแปลสรรพนามเพศชายในภาษาอาหรับแบบตรงตัว (เนื่องจากคำว่า ‘อากาศ’ ในภาษาอาหรับเป็นคำนามเพศชาย) แต่ความหมายที่แท้จริงคือ ‘ตัวมันเอง’ ซึ่งหมายถึง ‘ชั้นบรรยากาศของโลก’

ดังนั้น ความหมายในประโยคสุดท้ายของอัล-บีรูนีย์ คือความร้อนของอากาศเกิดขึ้นจากการที่เปลือกท้องฟ้า (ชั้นดวงจันทร์) หมุนวนด้วยความเร็วสูง แล้วเสียดสีปะทะกับมวลอากาศที่ห่อหุ้มโลกอยู่ ซึ่งนับเป็นรากฐานการคิดที่พยายามอธิบายพลังงานความร้อนด้วยกลไกการเคลื่อนที่อันเป็นแนวคิดที่มาก่อนกาล

ความก้าวหน้าครั้งสำคัญที่เริ่มปูทางไปสู่วิชาอุณหพลศาสตร์เกิดขึ้นจากการพยายามทำความเข้าใจเรื่องสุญญากาศและพฤติกรรมของอากาศ

ใน ค.ศ.1643 เอวันเจลิสตา ตอร์รีเชลลี (Evangelista Torricelli) ชาวอิตาลี ได้ประดิษฐ์บารอมิเตอร์ปรอทขึ้นเป็นครั้งแรก ซึ่งไม่เพียงแต่พิสูจน์ว่าอากาศรอบตัวเรามีน้ำหนักและแรงดัน แต่ยังเป็นการสร้างสภาวะ ‘สุญญากาศ’ ได้สำเร็จเป็นคนแรกอีกด้วย

อ็อตโท ฟอน เกอริคเคอ (Otto von Guericke) ต่อยอดผลงานของตอร์รีเชลลีจนสามารถสร้างเครื่องปั๊มสุญญากาศเครื่องแรกได้สำเร็จในราว ค.ศ.1650

พอถึง ค.ศ.1662 โรเบิร์ต บอยล์ (Robert Boyle) ได้ตีพิมพ์กฎของบอยล์ (Boyle’s Law) ซึ่งอธิบายความสัมพันธ์ระหว่างความดันกับปริมาตรของแก๊ส นับเป็นรากฐานสำคัญของการศึกษาสมบัติของแก๊สในเวลาต่อมา

แนวคิดสำคัญที่ช่วยเติมเต็มเรื่องพฤติกรรมของอากาศเกิดขึ้นใน ค.ศ.1738 เมื่อดาเนียล แบร์นูลลี (Daniel Bernoulli) ได้เผยแพร่หนังสือ ไฮโดรไดนามิกา (Hydrodynamica) หนังสือเล่มนี้วางรากฐานสำหรับทฤษฎีจลน์ของแก๊ส

โรเบิร์ต บอยล์ เสนอแนวคิดล้ำยุคว่า ความดันของแก๊สไม่ได้เกิดจากแรงผลักสถิต แต่เป็นผลมาจากการพุ่งชนกันของอนุภาคขนาดเล็กจำนวนมหาศาลซึ่งเคลื่อนที่อยู่ตลอดเวลา

นี่คือจุดเริ่มต้นสำคัญของการพลิกมุมมองจากการมองความร้อนในเชิงอภิปรัชญา มาสู่การอธิบายความร้อนและพลังงานในเชิงกลไกและสถิติอย่างเป็นวิทยาศาสตร์

จุดเปลี่ยนครั้งสำคัญเป็นผลพวงมาจากการปฏิวัติอุตสาหกรรมครั้งที่ 1 เริ่มจากในราว ค.ศ.1761 โจเซฟ แบล็ก (Joseph Black) ได้ค้นพบแนวคิดเรื่องความร้อนแฝง (latent heat) ซึ่งเป็นปริมาณความร้อนที่สสารใช้ในการเปลี่ยนสถานะโดยที่อุณหภูมิไม่มีการเปลี่ยนแปลง

ไม่นานหลังจากนั้น ในเดือนพฤษภาคม ค.ศ.1765 ก็เกิดจุดเปลี่ยนที่โรแมนติกมากครั้งหนึ่งในประวัติศาสตร์วิทยาศาสตร์ เรื่องเล่าขานยอดฮิตคือ ขณะที่เจมส์ วัตต์ (James Watt) กำลังเดินเล่นในวันอาทิตย์ที่สนามกอล์ฟกลาสโกว์กรีน ก็เกิดไอเดียปิ๊งแวบขึ้นมาว่า เขาควรปรับปรุงเครื่องจักรไอน้ำเดิมด้วยการสร้างเครื่องควบแน่นแยกส่วน (separate condenser)

นวัตกรรมเครื่องควบแน่นแยกส่วน คือหัวใจสำคัญที่ทำให้เครื่องจักรไอน้ำไม่ต้องสูญเสียความร้อนไปกับการทำให้กระบอกสูบหลักเย็นลงและร้อนขึ้นสลับกันไปซ้ำๆ อีกต่อไป ส่งผลให้เครื่องจักรไอน้ำมีประสิทธิภาพสูงขึ้นอย่างก้าวกระโดด และกลายเป็นชนวนจุดระเบิดให้โลกก้าวเข้าสู่ยุคอุตสาหกรรมอย่างเต็มตัว

ความต้องการสร้างเครื่องจักรที่เปลี่ยนความร้อนเป็นงานกลให้มีประสิทธิภาพสูงสุดนี่เอง ที่เป็นแรงผลักดันมหาศาลทำให้นักวิทยาศาสตร์หันมาศึกษาธรรมชาติของความร้อนอย่างเป็นระบบ จนกระทั่งก่อตัวขึ้นมาเป็นอุณหพลศาสตร์ในที่สุด

อย่างไรก็ตาม ก่อนที่วิชาอุณหพลศาสตร์จะถือกำเนิดขึ้น วงการวิทยาศาสตร์ได้หลงทางติดอยู่กับทฤษฎีกระแสหลัก 2 ทฤษฎีอยู่พักใหญ่

ทฤษฎีแรกคือ ฟลอจิสตัน (Phlogiston) ซึ่งทรงอิทธิพลมากในศตวรรษที่ 17-18 โดยนักวิทยาศาสตร์ในยุคนั้นใช้ทฤษฎีนี้อธิบายเรื่องการเผาไหม้ของวัตถุ พวกเขาเสนอว่า ฟลอจิสตันเป็นสิ่งลึกลับที่มีอยู่ในวัตถุที่ไหม้ไฟได้ เช่น ไม้มีฟลอจิสตันในปริมาณมาก พอเราจุดไฟเผา ฟลอจิสตันก็จะหนีออกไปในอากาศ เหลือทิ้งไว้เพียงขี้เถ้าที่ไม่มีฟลอจิสตันหลงเหลืออยู่

ต่อมาในศตวรรษที่ 18 เมื่อทฤษฎีฟลอจิสตันเริ่มเสื่อมความนิยมลง เนื่องจากไม่สามารถอธิบายปรากฏการณ์บางอย่างได้ (เช่น เมื่อเหล็กเป็นสนิมกลับมีน้ำหนักเพิ่มขึ้น) ก็มีทฤษฎีที่สองก้าวขึ้นมาแทนที่ นั่นคือ ‘ทฤษฎีแคลอริก’ (Caloric Theory)

ทฤษฎีแคลอริกเสนอว่า ความร้อนไม่ได้เป็นสมบัติของวัตถุ ทว่ามันคือสสารที่เป็น ‘ของไหลไร้ตัวตนและไม่มีน้ำหนัก’ ที่สามารถแทรกซึมเข้าหรือออกจากวัตถุได้ ทฤษฎีแคลอริกอธิบายว่าสสารร้อนขึ้นเป็นเพราะมีสารแคลอริกไหลเข้าไปสะสม และสสารเย็นลงเพราะสารแคลอริกไหลออกมานั่นเอง

นอกจากนี้ยังถือกันว่าแคลอริกเป็นสิ่งที่ถูกอนุรักษ์ ไม่สามารถสร้างขึ้นมาใหม่ หรือถูกทำลายให้สูญหายไปได้

ทฤษฎีแคลอริกได้รับการสนับสนุนจากนักวิทยาศาสตร์ชั้นนำ เช่น อ็องตวน ลาวัวซีเย (Antoine Lavoisier) และปีแยร์-ซีมง ลาปลัส (Pierre-Simon Laplace)

ในช่วง ค.ศ. 1780 จนถึงราว ค.ศ.1850 ทฤษฎีแคลอริกได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวาง เนื่องจากสามารถอธิบายปรากฏการณ์พื้นฐานหลายอย่างได้ เช่น อธิบายว่าความร้อนเป็นของไหลที่เคลื่อนจากวัตถุร้อนไปยังวัตถุเย็น คล้ายกับการไหลของของเหลว อธิบายว่าแคลอริกถูกผูกมัดอยู่กับอนุภาคของสสารในขณะเปลี่ยนสถานะ โดยไม่ทำให้อุณหภูมิเปลี่ยนแปลง ที่เรียกว่า ความร้อนแฝง และอธิบายว่าแคลอริกมีแรงผลักกันภายใน ซึ่งดันอนุภาคของสสารให้ออกห่างกันเมื่อวัตถุได้รับความร้อน ที่เรียกว่าการขยายตัวทางความร้อน

ทว่าทฤษฎีแคลอริกยังไม่สามารถอธิบายปรากฏการณ์บางอย่าง เช่น การเปลี่ยนงานกลให้กลายเป็นความร้อน

‘จุดเริ่มต้นของจุดจบ’ ของทฤษฎีแคลอริกเริ่มต้นเมื่อ ค.ศ. 1798 เมื่อเบนจามิน ทอมป์สัน (Benjamin Thompson) หรือเคานท์รัมฟอร์ด (Count Rumford) สังเกตว่าระหว่างการคว้านกระบอกปืนใหญ่ เขาพบว่าแรงเสียดทานจากการคว้านกระบอกปืนทำให้เกิดความร้อนมหาศาล และความร้อนนี้ถูกสร้างขึ้นมาได้อย่างต่อเนื่องไม่มีขีดจำกัดตราบเท่าที่ใบมีดยังหมุนอยู่ ลักษณะเช่นนี้ขัดแย้งกับแนวคิดที่ว่า แคลอริกเป็นของไหลที่ถูกอนุรักษ์และไม่สามารถสร้างขึ้นใหม่ได้

การท้าทายครั้งใหญ่ที่สั่นคลอนทฤษฎีแคลอริกจนถึงรากฐาน เกิดขึ้นใน ค.ศ.1843 เมื่อเจมส์ เพรสคอตต์ จูล (James Prescott Joule) ได้ทำการทดลองเชิงปริมาณอันลือลั่น เขาพิสูจน์ให้เห็นว่า ‘งานกล’ (จากการหมุนใบพัดในถังน้ำ) สามารถเปลี่ยนเป็น ‘ความร้อน’ ได้โดยตรงในอัตราส่วนที่คงที่เสมอ ซึ่งเรียกว่า ค่าสมมูลกลของความร้อน (Mechanical Equivalent of Heat)

การค้นพบของจูลคือหลักฐานชิ้นสำคัญที่คว่ำความเชื่อเดิมอย่างราบคาบ โดยพิสูจน์ว่าความร้อนไม่ใช่สสารหรือของไหลลึกลับ หากแต่เป็นพลังงานรูปแบบหนึ่งที่เปลี่ยนรูปมาจากงานกลได้อย่างสมบูรณ์

ความจริงข้อนี้ส่งผลให้ทฤษฎีแคลอริกเสื่อมความน่าเชื่อถือลงทันที ก่อนจะถูกแทนที่ด้วยกระบวนทัศน์ใหม่คือวิชาอุณหพลศาสตร์ในเวลาต่อมา

บทเรียนจากทฤษฎีแคลอริกจึงไม่ใช่ความล้มเหลว แต่เป็นหัวใจของกระบวนการทางวิทยาศาสตร์ที่แสดงให้เห็นว่า แม้ว่าแนวคิดหนึ่งๆ จะเคยได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวาง แต่หากแนวคิดนั้นไม่สามารถยืนหยัดต่อหลักฐานจากการทดลองได้ แนวคิดนั้นก็ต้องถูกแทนที่ด้วยทฤษฎีที่แม่นยำและครอบคลุมมากกว่าเสมอ