13 ข้อค้นพบทางฟิสิกส์ที่กระเทือนชีวิตมนุษย์

หลายศตวรรษที่ผ่านมามีการค้นพบทางวิทยาศาสตร์มากมายที่กระทบต่อวิถีชีวิตและวิธีคิดของผู้คน "ไซน์แชนแนล" (Science Channel) ซึ่งเป็นรายการวิทยาศาสตร์ของช่อง "ดิสคัฟเวอร์รี" (Discovery Channel) ได้นำเสนอสุดยอดการค้นพบที่สำคัญต่างๆ ทางวิทยาศาสตร์ใน 8 สาขา สำหรับวันนี้เอาใจผู้อ่านที่ชื่นชอบฟิสิกส์ ด้วย 13 ข้อค้นพบที่โยงใยกลายเป็นรากฐานสำคัญแห่งวงการวิทยาศาสตร์ การลุกขึ้นมาแย้งแนวคิดของอริสโตเติลเรื่องการตกของวัตถุถือเป็นความกล้าหาญอย่างยิ่งของกาลิเลโอ 1.กฎการตกของวัตถุ (The Law of Falling Bodies) ค้นพบในปี 1604 กาลิเลโอ กาลิเลอิ (Galileo Galilei) นักวิทยาศาสตร์ผู้หาญกล้าล้มแนวคิดของอริสโตเติล (Aristotel) ที่ผู้คนเชื่อถือมากว่า 2,000 ปี ว่าวัตถุที่หนักกว่าจะตกถึงพื้นได้เร็วกว่าวัตถุที่เบากว่า โดยเขาได้ทำการพิสูจน์ว่าวัตถุต่างๆ แม้จะมีน้ำหนักไม่เท่ากันแต่จะตกถึงพื้นพร้อมกัน 2.แรงโน้มถ่วงของจักรวาล (Universal Gravitation) ค้นพบในปี 1666 ไอแซก นิวตัน (Isaac Newton) ได้สรุปว่าวัตถุทุกอย่างในจักรวาล ตั้งแต่ลูกแอปเปิลถึงดวงดาวจะออกแรงดึงดูดซึ่งกันและกัน 3.กฎการเคลื่อนที่ (Laws of Motion) ค้นพบในปี 1687 ไอแซก นิวตัน ได้เปลี่ยนความเข้าใจในจักรวาลของเราด้วยกฎ 3 ข้อ ที่อธิบายการเคลื่อนที่ของวัตถุ กฎข้อที่ 1 วัตถุที่เคลื่อนที่จะรักษาสภาพการเคลื่อนที่ตราบที่ไม่มีแรงภายนอกมากระทำต่อวัตถุนั้นหรือตราบที่รักษาแรงลัพธ์ให้เป็นศูนย์ได้ กฎข้อที่ 2 ความเร่งของวัตถุจะแปรผันตามแรงที่กระทำต่อวัตถุ แต่จะแปรผกผันกับมวลของวัตถุ ซึ่งแสดงความสัมพันธ์ระหว่างมวลของวัตถุ (m) ความเร่งของวัตถุ (a) และแรงที่มากระทำ ได้ด้วย F=ma และกฎข้อที่ 3 ทุกแรงกระทำที่มีต่อวัตถุจะมีแรงปฏิกิริยาที่มีขนาดเท่ากันและอยู่ในทิศตรงข้ามเสมอ 4.กฎข้อที่ 2 ของเทอร์โมไดนามิกส์ (The Second Law of Thermodynamics) ค้นพบในช่วงปี 1824-1850 การทำงานของนักวิทยาศาสตร์ในการปรับปรุงประสิทธิภาพของเครื่องจักรไอน้ำได้พัฒนาความเข้าใจเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงความร้อน บรรดานักวิทยาศาสตร์ได้เรียนรู้ว่าการไหลของความร้อนจากที่ซึ่งมีอุณหภูมิสูงไปยังที่ซึ่งมีอุณหภูมิต่ำจะขับเคลื่อนให้เครื่องจักรทำงาน เปรียบเหมือนกระบวนการใช้น้ำในเครื่องโม่แป้ง โดยการทำงานของเครื่องจักรไอน้ำอาศัย 3 หลักการคือ 1.ความร้อนจะถ่ายเทจากวัตถุร้อนไปยังวัตถุที่เย็นกว่า 2. ความร้อนไม่สามารถเปลี่ยนเป็นพลังงานรูปอื่นได้โดยสมบูรณ์ และสุดท้ายคือระบบจะมีความยุ่งเหยิงตลอดเวลา 5.แม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetism) ค้นพบในช่วงปี 1807-1873 หลายการทดลองในยุคแรกเริ่มได้เผยให้เห็นความสัมพันธ์ระหว่างไฟฟ้าและแม่เหล็ก และนำไปสู่สมการที่อธิบายกฎพื้นฐานซึ่งครอบคลุมทั้งไฟฟ้าและแม่เหล็ก โดยที่ไม่มีใครคาดคิดว่าหนึ่งในการทดลองเหล่านั้นจะได้มาจากผลการทดลองในห้องเรียน ในปี 1820 นักฟิสิกส์ชาวเดนมาร์กชื่อ ฮานส์ คริสเตียน เออร์สเต็ด (Hans Christian Oersted) กำลังพูดกับนักศึกษาถึงความเป็นไปได้ว่าแม่เหล็กและไฟฟ้ามีความสัมพันธ์กัน ระหว่างการบรรยายนั้น ผลการทดลองของเขาก็ได้พิสูจน์ความจริงในทฤษฎีของเขาต่อหน้าคนทั้งชั้น 6.สัมพัทธภาพพิเศษ (Special Relativity) ค้นพบในปี 1905 อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) ล้มล้างสมมติฐานเกี่ยวกับเวลา (time) และสเปซ (space) โดยการอธิบายว่าเวลาเดินทางช้าลงและระยะทางยาวขึ้นได้อย่างไรเมื่อวัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเข้าใกล้แสง 7.สมการ E=mc2 ค้นพบในปี 1905 หรือกล่าวได้ว่าพลังงานเท่ากับความเร็วแสงยกกำลังสองที่ทวีคูณด้วยมวลของวัตถุเอง โดยสมการอันโด่งดังของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์นี้พิสูจน์ว่ามวลและพลังงานเป็นสิ่งที่แตกต่างอย่างชัดแจ้งในวัตถุเดียวกัน และมวลเล็กๆ สามารถผันกลับเป็นพลังงานปริมาณมหาศาลได้ หนึ่งในความหมายอันลึกซึ้งของสิ่งที่ไอน์สไตน์ค้นพบคือไม่มีมวลใดที่จะมีความเร็วเหนือแสง 8.การกระโดดของควอนตัม (The Quantum Leap) ค้นพบในช่วง 1900-1935 เพื่อที่จะอธิบายพฤติกรรมของอนุภาคในระดับอะตอม กฎต่างๆ ของธรรมชาติจึงถูกพัฒนาขึ้นโดย แมกซ์ แพลงซ์ (Max Planck) เวอร์เนอร์ ไฮเซนเบิร์ก (Werner Heisenberg) เออร์วิน โชรดิงเจอร์ (Erwin Schrodinger) และอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ การกระโดดของควอนตัมถูกนิยามว่าเป็นการเปลี่ยนแปลงระดับพลังงานของอิเล็กตรอนในอะตอม จากสถานะหนึ่งไปอีกสถานะหนึ่ง การเปลี่ยนแปลงนี้เกิดขึ้นในครั้งเดียว ไม่ได้เกิดขึ้นอย่างค่อยเป็นค่อยไป 9.ธรรมชาติของแสง (The Nature of Light) ค้นพบในช่วง 1704-1905 แนวคิดและการทดลองของไอแซก นิวตัน, โทมัส ยัง (Thomas Young) และอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ นำไปสู่ความเข้าใจว่าแสงคืออะไร มีพฤติกรรมอย่างไร และส่งผ่านตัวกลางอย่างไร นิวตันใช้ปริซึมแยกแสงขาวออกเป็นสีที่ต่อเนื่องกัน และใช้อีกปริซึมรวมสีที่ต่อเนื่องกันให้เป็นแสงขาว เป็นการพิสูจน์ว่าแสงสีรวมกันแล้วได้แสงขาว ทางด้านยังได้แสดงว่าแสงเป็นคลื่นและความยาวคลื่นของแสงสามารถระบุสีของแสงได้ สุดท้ายคือไอน์สไตน์ ที่ระบุว่าแสงเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ ไม่ว่าผู้สังเกตจะมีความเร็วเท่าใด 10.นิวตรอน (The Neutron) ค้นพบในปี 1935 เจมส์ แชดวิก (James Chadwick) ได้ค้นพบนิวตรอนในอะตอมร่วมกับโปรตอนและอิเล็กตรอน การค้นพบนี้ได้เปลี่ยนแปลงโครงสร้างของอะตอมไปในทันทีและเร่งให้เกิดการศึกษาฟิสิกส์อะตอม (atomic physics) 11.ตัวนำยิ่งยวด (Superconductors) ค้นพบในปี 1911-1986 การค้นพบอย่างไม่ตั้งใจที่ว่าวัสดุจะไม่มีความต้านทานไฟฟ้านี้ นำไปสู่ความหวังในการปฏิวัติอุตสาหกรรมและเทคโนโลยี สภาพความนำยิ่งยวดเกิดขึ้นได้กับวัสดุที่หลากหลาย รวมไปถึงวัสดุที่เป็นที่รู้จักดีอย่าง ดีบุกและอลูมิเนียม โลหะอัลลอยด์ต่างๆ และสารประกอบประเภทเซรามิกส์ 12.ควาร์ก (Quarks) ค้นพบในปี 1962 มัวเรย์ เกลล์-มานน์ (Murray Gell-Mann) ได้เสนอว่าน่าจะมีอนุภาคพื้นฐานที่รวมกันเป็นวัตถุอย่างโปรตอนและนิวตรอน ควาร์กมีทั้งกระแสไฟฟ้าและประจุ “เข้ม” (strong) ส่วนโปรตอนและนิวตรอนต่างมีควาร์ก 3 ชนิด 13.แรงนิวเคลียร์ (Nuclear Forces) ค้นพบในปี 1666-1957 การค้นพบของแรงพื้นฐานที่ทำงานในระดับอะตอมนำไปสู่ความกระจ่างที่ว่าอันตรกิริยาทั้งหมดเป็นผลมาจากแรงพื้นฐาน 4 ชนิดในธรรมชาติ คือ แรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม แรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน แรงแม่เหล็กไฟฟ้า และแรงโน้มถ่วง