BlogGang.com : : sirivinit :

ฟิสิกส์ก้าวหน้าเพราะนักฟิสิกส์มีจินตนาการดีหรือมีอุปกรณ์ดี?

โดย สุทัศน์ ยกส้าน
6 กันยายน 2556 08:16 น.

Albert Einstein

ในปี 1962 Thomas Kuhn ได้เรียบเรียงหนังสือคลาสสิกเล่มหนึ่งชื่อ The Structure of Scientific Revolutions ซึ่งมีอิทธิพลทางความคิดวิทยาศาสตร์ต่อสังคมมาก ในหนังสือเล่มนี้ Kuhn ซึ่งเป็นนักฟิสิกส์ทฤษฎีที่ผันตนเองมาเป็นนักประวัติวิทยาศาสตร์ ได้บรรยายเหตุการณ์ต่างๆ ที่อุบัติในอดีต รวมถึงได้อภิปรายความคิด ทฤษฎีวิทยาศาสตร์ ณ เวลานั้น

และให้ข้อสังเกตมากมายเกี่ยวกับความเป็นมาของวิทยาศาสตร์ ตั้งแต่ยุคของ Nicolaus Copernicus คือเมื่อ 500 ปีก่อนจนถึงปัจจุบัน

ในการเขียนหนังสือเล่มนี้ Kuhn ได้ใช้คำๆ หนึ่งบ่อยมาก นั่นคือ คำว่า “paradigm” (พาราไดม์) หรือกระบวนทัศน์ ซึ่งหมายถึงระบบความคิดวิทยาศาสตร์ที่ทรงพลังและเป็นที่ยอมรับอย่างดุษฎีภาพโดยบุคคลในสังคมหนึ่ง ณ เวลาหนึ่ง และ Kuhn ได้ยกตัวอย่างมากมายเพื่อแสดงให้เห็นว่า เมื่อกระบวนทัศน์ที่เป็นที่ยอมรับไม่สามารถอธิบายเหตุการณ์บางเรื่อง หรือปรากฏการณ์บางอย่างได้ การเปลี่ยนกระบวนทัศน์อย่างมโหฬารจะเกิดตามมาในทันที

โดยการเปลี่ยนแปลงไม่ได้เกิดขึ้นอย่างค่อยเป็นค่อยไปหรือทีละเล็กทีละน้อย ดังที่คนทั่วไปคิด เพราะกระบวนทัศน์ที่เกิดใหม่นอกจากจะได้ปฏิรูปความเข้าใจเก่า หักล้างทฤษฎีเก่า และตอบปัญหาเก่าๆ ได้แล้ว ยังตั้งคำถามใหม่ๆ อีกมากมายที่กระบวนทัศน์เก่าไม่เคยคิดว่ามี และมิสามารถอธิบายได้

ตัวอย่างหนึ่งที่ Kuhn นำเสนอ คือ การปฏิรูปฟิสิกส์ด้วยกระบวนทัศน์ใหม่อันได้แก่ ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ และทฤษฎีควอนตัม ในช่วงต้นคริสต์ศตวรรษที่ 20 ซึ่งเป็นผลงานของนักคิดระดับสุดยอดแห่งยุค คือ Albert Einstein, Werner Heisenberg, Erwin Schroedinger และ Paul Dirac โดยบุคคลเหล่านี้ได้ใช้จินตนาการที่ล้ำลึกค้นหาความจริงต่างๆ ที่ซ่อนเร้นอยู่ในธรรมชาติ

แล้วเสริมด้วยทฤษฎีทางคณิตศาสตร์ เช่น ใช้หลักความไม่แปรเปลี่ยน (Principle of Invariance) ในการสร้างทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ และใช้หลักสมมูลย์ (Principle of Equivalence) ในการสร้างทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป รวมถึงหลักความไม่แน่นอน (Uncertainly Principle) ในการสร้างวิชากลศาสตร์ควอนตัมด้วย

โดยเฉพาะ Einstein นั้นเชื่อมั่นมากว่า สมการและเทคนิคคณิตศาสตร์ที่นักฟิสิกส์นำมาใช้ในทฤษฎีฟิสิกส์สามารถทำให้นักฟิสิกส์ล่วงรู้ความจริงที่มีในธรรมชาติได้ทั้งๆ ที่ประสาทสัมผัสยังไม่เห็นความจริงนั้น นั่นคือ Einstein เชื่อว่า จินตนาการสามารถช่วยให้เราบรรลุถึงความจริงได้ แม้ประสาทสัมผัสทั้งห้าของมนุษย์จะไม่สามารถรับรู้เหตุการณ์เหล่านั้นได้ก็ตาม

ซึ่งความเชื่อในลักษณะนี้ บรรดานักปรัชญาที่เป็นสมาชิกของสมาคม Vienna Circle เช่น Karl Popper ไม่เห็นด้วย เพราะคนเหล่านั้นคิดว่า หนทางเดียวที่มนุษย์จะได้มาซึ่งความรู้ คือจากประสบการณ์จริง และจากการทดลองเท่านั้น

ดังนั้น ความเห็นของ Einstein จึงแตกต่างจากความเห็นของ Moritz Schlick และ Hans Reichenbach แห่ง Vienna Circle แต่ Einstein ก็ยอมรับในระดับหนึ่งว่า แม้นักฟิสิกส์จะเริ่มต้นค้นหาความรู้ และสิ้นสุดการค้นหานั้นโดยใช้ประสบการณ์ตรง แต่กลางทางนักฟิสิกส์จำเป็นต้องใช้จินตนาการ

เพราะสิ่งที่กล้องโทรทรรศน์ และกล้องจุลทรรศน์เปิดเผยไม่ใช่ความจริงที่สมบูรณ์ ดังนั้นในมุมมองของไอน์สไตน์ ทฤษฎีฟิสิกส์จึงมีสองรูปแบบ คือ แบบสร้างสรรค์ (constructive theory) และแบบใช้หลักการ (principled theory)

ทฤษฎีแบบสร้างสรรค์เป็นทฤษฎีที่นักฟิสิกส์สร้างขึ้น โดยอาศัยข้อมูลต่างๆ ที่นักทดลองวัดมา แต่ทฤษฎีแบบนี้มิสามารถอธิบายได้ว่าเหตุใดเหตุการณ์จึงเป็นเช่นนั้น ส่วนทฤษฎีแบบที่สองเป็นแบบอนุมาน คือ เริ่มต้นด้วยหลักการ แล้วใช้หลักการนั้นนำไปสู่ความจริงต่อไป

การแบ่งรูปแบบของทฤษฎีเช่นนี้ จึงทำให้เราเห็นได้ว่า ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของ Einstein เป็นแบบที่สองเพราะถูกสร้างขึ้นจากการมีหลักการว่า แสงมีความเร็วคงตัว และกฎฟิสิกส์สำหรับผู้สังเกตที่มีความเร็วสัมพัทธ์สม่ำเสมอ จะต้องมีรูปแบบเดียวกัน แล้ว Einstein ก็ใช้หลักการทั้งสองนี้นำไปสู่ความจริงว่า เวลา ระยะทางและมวลล้วนขึ้นกับความเร็วสัมพัทธ์ และ E = mc2

สำหรับทฤษฎีควอนตัม นับเป็นทฤษฎีแบบสร้างสรรค์ เพราะสามารถอธิบายผลการทดลองต่างๆ จากสิ่งที่วัดได้และสังเกตเห็น แต่ทฤษฎีควอนตัมไม่มีหลักการเช่นเดียวกับของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษและทั่วไป

Einstein เชื่อว่าความจริงมีแน่นอน แต่หลักการที่ใช้อธิบายความจริงว่าเป็นเช่นนั้นหรือเช่นนี้และเพราะเหตุใดมาจากสมอง นักฟิสิกส์ทฤษฎีจึงใช้ข้อมูลที่พบหรือวัดได้ ในการคิดหาหลักการเพื่ออธิบายว่าเหตุใดธรรมชาติจึงเป็นเช่นนั้น และการจะหาหลักการนั้นได้ นักทฤษฎีต้องกล้าพอที่จะใช้จินตนาการก้าวไปสู่ดินแดนแห่งความคิดที่ไม่มีใครเคยคิดมาก่อน

ตัว Einstein ยึดหลักการว่า ทฤษฎีที่ยิ่งใหญ่และสำคัญมาก คือ ทฤษฎีที่ใช้หลักการน้อยที่สุดแต่สามารถอธิบายปรากฏการณ์ต่างๆ ได้มากที่สุด อีกทั้งสามารถพยากรณ์เหตุการณ์ที่ยังไม่มีใครเคยทดลองได้ผลถูกต้องด้วย และนี่ก็คือความสวยงามและความเรียบง่ายของทฤษฎีฟิสิกส์ ที่เป็นความฝันอันสูงสุดของ Einstein

แต่ปัจจุบันมีนักฟิสิกส์เป็นจำนวนมากที่ไม่เห็นด้วยกับแนวคิดนี้ เพราะเขาไม่ยอมรับว่า การนั่งที่โต๊ะทำงาน หรือนั่งใต้ต้นแอปเปิลในลักษณะเดียวกับที่ Einstein และ Newton ทำ จะทำให้รู้ความจริงทุกเรื่องในเอกภพ

ในปี 1997 Peter Galison ได้เรียบเรียงหนังสือเล่มหนึ่งชื่อ Image and Logic ซึ่งถูกจัดพิมพ์โดย University of Chicago Press

Galison ในอดีตเคยเป็นนักฟิสิกส์ปฏิบัติแต่ได้ผันตัวมาเป็นนักประวัติวิทยาศาสตร์เช่นเดียวกับ Kuhn ในหนังสือเล่มนี้ Galison ได้บรรยายประวัติความเป็นมาของอุปกรณ์วิทยาศาสตร์ต่างๆ ตั้งแต่สมัยสงครามโลกครั้งที่ 2 จนถึงปัจจุบัน เช่น ในการวิจัยฟิสิกส์อนุภาคเพื่อค้นหาอนุภาคมูลฐาน (อนุภาคที่ไม่สามารถแบ่งแยกได้อีก) ในยุคแรกๆ นักฟิสิกส์ได้เริ่มต้นใช้ฟิล์มถ่ายภาพ

จากนั้นใช้ห้องเมฆ (cloud chamber) แล้วใช้ห้องฟอง (bubble chamber) ซึ่งทำงานด้วยวงจร analog ต่อมาก็ได้เปลี่ยนให้ทันสมัยขึ้นเป็นวงจร digital และปัจจุบันใช้ supercomputer เสริมเพื่อวิเคราะห์ข้อมูลจำนวนมหาศาล แม้แต่การวิจัยด้านดาราศาสตร์เอง ซึ่งในเบื้องต้นต้องอาศัยฟิล์มถ่ายรูปในการถ่ายภาพ

แล้วได้เปลี่ยนเป็นการบันทึกด้วยกระบวนการ digital data-processing และเทคโนโลยีเหล่านี้นี่เองที่ทำให้ได้พบองค์ความรู้ใหม่เรื่อง สสารมืด (dark matter) และพลังงานมืด (dark energy) แต่การค้นพบนี้ก็ยังไม่ทำให้นักฟิสิกส์มีกระบวนทัศน์ใหม่ เพราะนักฟิสิกส์ยังไม่รู้ธรรมชาติที่แท้จริงของสสารมืด ดังนั้นจึงยังไม่สามารถสร้างกระบวนทัศน์ใหม่ได้จากหลักฐานที่ยังไม่สมบูรณ์

Galison ยังได้อ้างถึงเทคโนโลยีการสร้างเครื่องจักรไอน้ำของ James Watts ที่ทำให้นักฟิสิกส์มีกฎต่างๆ ในวิชาอุณหพลศาสตร์ (Thermodynamics) รวมถึงการประดิษฐ์โทรศัพท์ของ Alexander Graham Bell และการสร้างเครื่องโทรเลขของ Gulielmo Marconi ซึ่งได้นำโลกเข้ายุคสารสนเทศที่มีทฤษฎีสารสนเทศ (information theory) เป็นทฤษฎีหลักในปัจจุบัน

Galison ยังได้กล่าวถึง บทบาทของนักฟิสิกส์ เช่น Martin Ryle (นักดาราศาสตร์รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี 1974) แห่งมหาวิทยาลัย Cambridge ผู้บุกเบิกวิทยาการสาขาใหม่คือดาราศาสตร์วิทยุ (radio astronomy) โดยได้ดัดแปลงอุปกรณ์เรดาร์ที่กระทรวงกลาโหมอังกฤษสั่งเลิกใช้ตั้งแต่สมัยสงครามโลกครั้งที่ 2 สิ้นสุด มาเป็นกล้องโทรทรรศน์วิทยุ เพื่อวิเคราะห์คลื่นวิทยุจากดาวฤกษ์ในกาแล็กซีที่อยู่ไกลโพ้น จนทำให้เราได้องค์ความรู้เกี่ยวกับเอกภพที่ละเอียดขึ้นและสมบูรณ์ขึ้น

ส่วน Willis Lamb (รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี 1955) แห่งมหาวิทยาลัย Columbia ก็ได้ใช้เทคนิค spectioscopy แบบ microwave ศึกษารายละเอียดของเส้นสเปกตรัมแสงที่เปล่งออกมาจากอะตอมไฮโดรเจน จนทำให้ได้พบหลักฐานปูทางให้ทฤษฎี QED ได้รับการพัฒนาต่อไป

ด้าน Maurice Wilkins (รางวัลโนเบลสาขาสรีรวิทยาปี 1962) และ Rosalind Franklin แห่ง King’s College มหาวิทยาลัยลอนดอนได้บุกเบิกวิชาผลิกศาสตร์ด้วยการใช้เอ็กซเรย์ถ่ายภาพซึ่งโมเลกุลของ DNA จนทำให้ James Watson และ Francis Frick พบโครงสร้างของ DNA เป็นเกลียวคู่ และองค์ความรู้นี้ให้กำเนิดวิทยาการด้าน Molecular Biology

สำหรับ Melvin Calvin (รางวัลโนเบลสาขาเคมีปี 1961) แห่งมหาวิทยาลัย California ที่ Berkeley ก็ใช้เทคนิค Chromatography และสารกัมมันตรังสี พบเส้นทางการเกิดปฏิกิริยาสังเคราะห์ด้วยแสง ที่พืชใช้แสงอาทิตย์เปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์เป็นน้ำตาล

ดังนั้น เราคงเห็นแล้วว่า ในช่วงครึ่งแรกของคริสต์ศตวรรษที่ 20 ฟิสิกส์ส่วนใหญ่ก้าวหน้า โดยอาศัยจินตนาการ ความก้าวหน้าต่างๆ จึงเป็นไปตามแนวความคิดของ Kuhn แต่ในครึ่งหลังของคริสต์ศตวรรษที่ผ่านมาฟิสิกส์ได้รุดหน้าโดยอาศัยอุปกรณ์ ซึ่งเป็นไปตามแนวความคิดของ Galison และแม้ Kuhn เองจะได้เห็นความก้าวหน้าของฟิสิกส์ที่ใช้อุปกรณ์ก็ตาม แต่ Kuhn ก็คิดว่ามันเป็นความก้าวหน้าตามปกติ หาใช่ความก้าวหน้าที่ยิ่งใหญ่ถึงระดับปฏิรูปไม่

ด้วยเหตุนี้ ในคริสต์ศตวรรษที่ 21 นักฟิสิกส์จึงแบ่งได้เป็น 2 กลุ่มคือ กลุ่มที่ทำงานตามแนวคิดของ Kuhn กับกลุ่มที่ทำงานตามแนวคิดของ Galison เช่น นักฟิสิกส์ในกลุ่ม Kuhn สนใจทฤษฎี string ซึ่งใช้จินตนาการขั้นสูง และคณิตศาสตร์ที่เป็นนามธรรมมาก และคนกลุ่มนี้คาดหวังว่ากระบวนทัศน์ใหม่นี้จะสามารถบอกกำเนิด ความเป็นไป และจุดจบของเอกภพได้

ส่วนนักฟิสิกส์อีกกลุ่ม ซึ่งทำงานตามแนวคิดของ Galison ก็พยายามทำการทดลองต่างๆ เช่น วิจัยเรื่อง ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง (high temperature superconductor) และค้นหา dark matter เป็นต้น แม้จะยังไม่มีทฤษฎีมาอธิบายสิ่งที่เห็นก็ตาม

นักฟิสิกส์ทั้งสองกลุ่มจึงกำลังทำงานวิจัยฟิสิกส์แบบเคียงบ่าเคียงไหล่ (แต่ก็เหลือบดูกันบ้าง เพราะมีความสนใจร่วมกันไม่มาก) และหวังมากว่า การพบ dark matter โดยการทดลองจะช่วยยืนยันความถูกต้องของทฤษฎี string ที่มาจากจินตนาการ และนั่นก็หมายความว่าฝันของ Einstein ที่ว่าเราต้องมีทฤษฎีฟิสิกส์เพียงหนึ่งเดียวที่สามารถอธิบายได้ตั้งแต่อะตอมไปจนถึงเอกภพก็จะเป็นความจริง

ขอบคุณ
ผู้จัดการออนไลน์
ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน

สิริสวัสดิ์ศุกรวารค่ะ

Create Date : 06 กันยายน 2556

0 comments

Last Update : 6 กันยายน 2556 12:31:58 น.

Counter : 855 Pageviews.