เต๋าแห่งฟิสิกส์ : บทที่ 4 ฟิสิกส์แนวใหม่

[มดเอ๊กซ]

บทที่ 4 ฟิสิกส์แนวใหม่
ในศาสนาตะวันออก การประจักษ์แจ้งสัจจะเป็นเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นในชั่วแวบ ทว่าจะสั่นคลอนโลกทัศน์ของบุคคลนั้น ๆ ดี.ที.สีซึกิ เรียกเหตุการณ์นี้ว่า “เหตุการณ์ที่น่าตื่นตระหนกที่สุดเท่าที่เคยเกิดขึ้นในความรับรู้มนุษย์... ผิดไปจากประสบการณ์ซึ่งเคยผ่านมาแล้วทุกรูปแบบอย่างสิ้นเชิง”(1) และสีซึกิได้อธิบายภาพของลักษณะอันน่าตื่นตระหนกของประสบการณ์นี้โดยถ้อยคำของอาจารย์เซนว่า เปรียบเสมือน “ก้นถังกำลังแตกทะลุ นักฟิสิกส์ในต้นศตวรรษนี้มีความรู้สึกคล้ายคลึงกับประสบการณ์ข้างต้นมาก เมื่อรากฐานของโลกทัศน์ของเขาถูกสั่นคลอนโดยสบการณ์ใหม่แห่งความจริงในเรื่องอะตอม และพวกเขาอธิบายประสบการณ์นั้นในทำนองเดียวกันกับอาจารย์เซนของซูซุกิ ดังที่ไฮเซนเบิร์กเขียนไว้ว่า ปฏิกิริยาที่รุนแรงในพัฒนาการของฟิสิกส์สมัยใหม่ในระยะเวลาอันใกล้นี้ จะเป็น  ที่เข้าใจได้ก็แต่เมื่อบุคคลตระหนักว่า ที่จุดนี้รากฐานของฟิสิกส์ได้เคลื่อนที่  ไปและการเคลื่อนที่อันนี้ได้ก่อให้เกิดความรู้สึกที่ว่า พื้นฐานต่าง ๆ กำลังถูก  แยกออกจากวิทยาศาสตร์ (2) ไอน์สไตน์รู้สึกตกใจมากเช่นกันเมื่อเขาได้ประจักษ์ความจริงใหม่ของฟิสิกส์ในเรื่องอะตอม ไอน์สไตน์ได้เขียนไว้ในอัตชีวประวัติว่า ความพยายามของข้าพเจ้าที่จะปรับรากฐานทางทฤษฏีของฟิสิกส์ที่รู้ว่า ให้เข้ากับความรู้(อันใหม่) นี้ ต้องล้มเหลวอย่างสิ้นเชิง มันเหมือนกับว่าพื้นดินถูกดึงออกจากที่ที่เรายืนไม่มีรากฐานอะไรสักสิ่งซึ่งมั่นคงพอที่จะให้เราอาศัยอยู่ได้ (3) การค้นพบของวิชาฟิสิกส์สมัยใหม่ได้ก่อให้เกิดความจำเป็นในการเปลี่ยนความคิดเรื่องอวกาศ เวลา สสาร วัตถุ เหตุและผล และอื่น ๆ ในเมื่อความคิดในเรื่องเหล่านี้เป็นสิ่งพื้นฐานของประสบการณ์ในโลกของเรา มันจึงไม่น่าประหลาดใจที่นักฟิสิกส์ซึ่งจำต้องเปลี่ยนความเข้าใจในเรื่องเหล่านี้   จะรู้สึกตกใจสุดขีด โลกทัศน์อย่างใหม่ซึ่งเปลี่ยนจากเดิมอย่างถอนรากถอนโคนได้ปรากฏขึ้นจากการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ และยังคงอยู่ในกระบวนการก่อรูปก่อร่างในกระแสของการทดลองทางวิทยาศาสตร์ในปัจจุบัน ดูเหมือนว่าศาสนิกชาวตะวันออกและนักวิทยาศาสตร์ตะวันตกได้ผ่านประสบการณ์ซึ่งอาจกล่าวได้ว่าปฏิวัติประสบการณ์เก่า ๆ ทั้งหมดคล้ายคลึงกัน ประสบการณ์เหล่านี้ได้นำให้ทั้งสองฝ่ายมีวิธีการในการมองโลกอย่างใหม่ ในข้อความที่ยกมา 2 ข้อความข้างล่างนี้ นักวิทยาศาสตร์ชาวยุโรป นีลส์ บอหร์ (Niels Bohr) และนักปราชญ์อินเดีย ศรี อรพินโท (Sri Aurobindo) ทั้งสองต่างแสดงลักษณะของประสบการณ์ซึ่งลึกซึ้งและก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างสิ้นเชิง การขยายตัวของประสบการณ์ของเราออกไปอย่างมากมายในสองสามปีที่ผ่านมา ทำให้ความด้อยประสิทธิภาพของแนวคิดเชิงกลจักรอย่างสามัญปรากฏชัดขึ้น และได้สั่นสะเทือนรากฐานของการตีความการทดลองซึ่งเคยรับสืบต่อกันมา (4) นิลส์ บอหร์ โดยแท้จริง สรรพสิ่งเริ่มเปลี่ยนธรรมชาติและลักษณะของมัน ประสบการณ์ทั้งหมดของบุคคลอันเกี่ยวเนื่องด้วยโลก แตกต่างออกไปอย่างสิ้นเชิง..มีวิธีการใหม่ อีกแบบหนึ่งซึ่งทั้งกว้างและลึกในการประสบ การเห็น การรู้ และการสัมผัสสิ่งทั้งหลาย (5) ศรี อรพินโท บทนี้จะให้ภาพคร่าว ๆ ของความคิดแนวใหม่นี้เปรียบเทียบกับความคิดในวิชาฟิสิกส์ดั้งเดิมซึ่งมีภูมิหลังที่ขัดแย้งกัน โดยจะแสดงให้เห็นว่าจำเป็นจะต้องเลิกยึดถือโลกทัศน์แบบกลจักรดั้งเดิมอย่างไร ในต้นศตวรรษนี้ เมื่อทฤษฏีควอนตัมและทฤษฏีสัมพันธภาพ –ทฤษฏีพื้นฐานของฟิสิกส์สมัยใหม่ –ได้ผลักดันให้เราต้องปรับทัศนะต่อธรรมชาติให้ลึกซึ้ง เป็นองค์รวมและกอปรด้วยชีวิตจิตใจมากขึ้น

4.1   ฟิสิกส์ดั้งเดิม
โลกทัศน์ซึ่งถูกเปลี่ยนแปลงไปเนื่องจากการค้นพบของฟิสิกส์สมัยใหม่ มีรากฐานอยู่บนทฤษฏีกลศาสตร์ว่าด้วยจักรวาลของนิวตัน ทฤษฏีนี้เป็นโครงสร้างที่แข็งแรงของฟิสิกส์ดั้งเดิม โดยแท้จริงแล้วมันเป็นรากฐานอันแข็งแกร่งน่าเกรงขามเปรียบดังศิลาซึ่งรองรับวิทยาศาสตร์ทุกแขนง และเป็นพื้นฐานของปรัชญาธรรมชาติมาร่วมสามศตวรรษ ในทัศนะของนิวตัน สภาวะของจักรวาลซึ่งปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์ทั้งมวลปรากฏขึ้นนั้น เป็นอวกาศสามมิติตามหลักเรขาคณิตแบบเก่าของยูคลิด (Euclid) เป็นอวกาศที่สัมบูรณ์อยู่ในภาวะสงบนิ่ง ไม่เคลื่อนไหวและไม่เคยเปลี่ยนแปลงนิวตันเองกล่าวว่า “โดยธรรมชาติ อวกาศเป็นสิ่งสัมบูรณ์ไม่ขึ้นต่อปัจจัยภายนอกอยู่ในสภาพคงตัวและไม่เคลื่อนที่”(6) การเปลี่ยนแปลงทั้งหมดในทางฟิสิกส์ถูกอธิบายในอีกมิติหนึ่งซึ่งเรียกว่า เวลา ซึ่งก็เป็นสิ่งสัมบูรณ์อีกอันหนึ่ง ไม่เกี่ยวข้องกับโลกของสสาร วัตถุ และไหลเลื่อนอย่างสม่ำเสมอจากอดีตมาถึงปัจจุบันและไปสู่อนาคต นิวตันกล่าวว่า “โดยสภาวะธรรมชาติของมัน เวลาในเชิงคณิตศาสตร์ เป็นสิ่งจริงแท้สัมบูรณ์ในตัวของมันเอง ไหลเลื่อนอย่างสม่ำเสมอโดยไม่ขึ้นกับปัจจัยภายนอก” (7) ในทัศนะของนิวตันธาตุต่าง ๆ ซึ่งเคลื่อนที่อยู่ในเวลาและอวกาศที่สัมบูรณ์ นี้ก็คืออนุภาคทางวัตถุ ในสมการทางคณิตศาสตร์มันถูกกระทำเหมือนกับเป็น “จุดที่มีมวลสาร” นิวตันเห็นว่ามันเป็นวัตถุซึ่งเล็กแข็งและทำลายไม่ได้ซึ่งประกอบกันขึ้นเป็นวัตถุทุกชนิดแบบจำลองดังกล่าวนี้คล้ายคลึงกับแบบจำลองของนักคิดเรื่องอะตอมของชาวกรีก ทั้งสองต่างตั้งอยู่บนพื้นฐานในเรื่องความแบ่งแยกระหว่างที่ซึ่งมีสิ่งบรรจุอยู่กับที่ว่างระหว่างสสารวัตถุกับอวกาศและในแบบจำลองทั้งสองแบบอนุภาคของวัตถุจะคงที่มีมวลและรูปร่างอยู่ในสภาพเดิมเสมอดังนั้นสสารวัตถุจึงเป็นสิ่งคงที่เสมอและโดยเนื้อแท้แล้วไม่มีพลังกระทำการในตนเอง ความแตกต่างสำคัญระหว่างลัทธิอะตอมของเดโมคริตัสกับนิวตันก็คือนิวตันได้แสดงแรงที่กระทำต่ออนุภาคของวัตถุนั้นอย่างชัดเจนด้วย กล่าวอย่างง่าย ๆ แรงกระทำนี้ขึ้นอยู่กับมวลสารและระยะห่างระหว่างอนุภาค มันคือแรงโน้มถ่วงของโลก นิวตันเห็นว่าแรงนี้เชื่อมโยงต่อสิ่งที่มันกระทำอย่างแน่นอนไม่อาจหลีกเลี่ยงได้ และมีผลต่อสิ่งต่าง ๆ ทันทีทันใด แม้ว่าสิ่งนั้นจะอยู่ห่างไกลออกไปก็ตาม แม้ว่ามันจะเป็นสมมติฐานที่แปลกประหลาด แต่ก็ไม่เคยมีการตรวจสอบให้แน่ชัดลงไปเป็นที่ยอมรับกันว่าอนุภาคและแรงกระทำระหว่างอนุภาคถูกสร้างโดยพระเจ้า ดังนั้นจึงไม่ใช่สิ่งที่จะต้องตรวจสอบกันอีกต่อไป ในหนังสือชื่อ Opticks นิวตันได้อธิบายอย่างชัดเจนถึงจินตนาการของตนต่อการที่พระเจ้าทรงสร้างโลกแห่งสรรพวัตถุขึ้น ข้าพเจ้าคิดว่ามันอาจจะเป็นไปในลักษณะนี้ว่า ในตอนเริ่มต้น พระเจ้าจะทรงสร้างสสารวัตถุในรูปของอนุภาค ซึ่งมีสถานะเป็นของแข็ง ทรงมวล มีความแข็ง ไม่อาจชำแรกมันได้และเคลื่อนที่ได้ ให้มีขนาดและรูปร่างดังที่มันเป็นพร้อมด้วยคุณสมบัติอื่น ๆ ที่มันมีและทรงสร้างให้มีจำนวนที่เป็นสัดส่วนพอดีกับช่องว่าง  ซึ่งทั้งหมดจะประกอบกันขึ้นอย่างเหมาะเจาะเป็นสสาร วัตถุอันนั้นที่พระองค์ทรงสร้าง และอนุภาคเริ่มแรกนั้น มีความแข็งมากมายอย่างที่ไม่อาจเทียบกันได้กับสสารวัตถุซึ่งมันประกอบกันขึ้นเป็น มันมีความแข็งมากและไม่อาจฉีกหรือทำให้มันแตกออกเป็นชิ้นส่วนได้ ไม่มีกำลังสามัญชนิดใด ที่อาจจะแบ่งแยกสิ่งที่พระเจ้าพระองค์เองทรงสร้างขึ้นให้เป็นหนึ่งในการรังสรรค์ครั้งแรกของพระองค์ได้ ( ในกลศาสตร์ของนิวตัน เหตุการณ์ทางฟิสิกส์ทั้งหมดถูกพิจารณาแต่เพียงในแง่ของการเคลื่อนที่ของสสารวัตถุในที่ว่าง ซึ่งเกิดขึ้นจากแรงดึงดูดระหว่างกันของวัตถุ นั่นคือ โดยแรงโน้มถ่วงของโลก ในการคำนวณหาแรงที่กระทำบนมวลสารแคลคูลัส (Differential Calculus) นับเป็นผลงานทางความคิดที่เยี่ยมยอดมากชิ้นหนึ่ง และได้รับการยกย่องจากไอน์สไตน์ว่า “อาจจะเป็นความก้าวหน้าทางความคิดที่ยิ่งใหญ่ที่สุดเท่าที่ปัจเจกบุคคลได้เคยกระทำมา” สมการเกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของนิวตันเป็นรากฐานของกลศาสตร์ดั้งเดิม ซึ่งถูกถือเอาว่าเป็นกฎเกณฑ์ที่ตายตัวแน่นอนของการเคลื่อนที่ของวัตถุ และเป็นสาเหตุของการเปลี่ยนแปลงทั้งหมดของปรากฏการณ์ในทางฟิสิกส์ ในทัศนะของนิวตันในตอนต้นพระเจ้าได้ทรงสร้างอนุภาคของสสาร แรงระหว่างอนุภาคและกฎพื้นฐานของการเคลื่อนที่ ในลักษณะเช่นนี้ จักรวาลทั้งหมดเคลื่อนไหวและไม่เคยหยุดเช่นเดียวกับเครื่องจักรซึ่งถูกควบคุมโดยกฎซึ่งไม่เคยเปลี่ยนแปลง

4.2  ลัทธินิยัตินิยม
ทัศนะเชิงกลจักรต่อธรรมชาติจึงสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับลัทธินิยัตินิยม (Determinism) ที่ถือว่ามีสิ่งกำหนดความเป็นไปของสิ่งต่าง ๆ อย่างตายตัว เครื่องจักรอันมหึมาแห่งจักรวาลนี้ถูกกำหนดกฎเกณฑ์ความเป็นไปอย่างสิ้นเชิง สิ่งต่าง ๆ ปรากฏขึ้นมาจากเหตุที่แน่นอนอันหนึ่ง และนำไปสู่ผลที่แน่นอนเช่นกัน และโดยหลักการแล้ว ความเป็นไปในอนาคตของส่วนใดส่วนหนึ่งในระบบจะสามารถทราบได้ล่วงหน้าอย่างแม่นยำที่สุด หากเราสามารถกำหนดรู้ชัดเจนในรายละเอียดของสภาวะของส่วนนั้นในขณะนั้น ๆ ได้ ความเชื่ออันนี้ได้รับการอธิบายอย่างชัดเจนในคำกล่าวที่มีชื่อเสียง ปิแอร์ ซีโมน ลาปลาซ (Pierre Simon Laplace) นักคณิตศาสตร์ฝรั่งเศสว่า ในขณะใดขณะหนึ่งที่กำหนดให้ปัญญาซึ่งรู้แรงทุกแรงที่กระทำอยู่ในธรรมชาติ  และรู้ตำแหน่งของสิ่งต่าง ๆ ซึ่งประกอบกันขึ้นเป็นโลก สมมติว่าปัญญาดังกล่าวนั้นกว้างขวางพอที่จะนำเอาข้อมูลเหล่านี้ไปวิเคราะห์ มันย่อมจะรวมสูตรการเคลื่อนที่ของก้อนวัตถุที่ใหญ่ที่สุดในจักรวาลและของอะตอมที่เล็กที่สุดเอาไว้ด้วย  ไม่มีสิ่งที่ไม่แน่นอนสำหรับมัน และเช่นเดียวกับอดีต อนาคตจะปรากฏแก่สายตาของมัน (9) พื้นฐานทางปรัชญาของลัทธินิยัตินิยมนี้เป็นรากฐานของความคิดในการแบ่งแยกระหว่างฉันและโลกของเดคาร์ต จากการแบ่งแยกในลักษณะดังกล่าวจึงเชื่อกันว่า เราอาจวิเคราะห์โลกได้อย่างเป็นภาววิสัย นั่นคือ โดยปราศจากการพูดถึงผู้สังเกตการณ์ซึ่งเป็นมนุษย์ และการสามารถอธิบายธรรมชาติอย่างเป็นภาววิสัยนั้นได้กลายมาเป็นอุดมคติของวิทยาศาสตร์ทุกแขนง ในช่วงศตวรรษที่ 18 และ 19 เป็นช่วงเวลาของความสำเร็จของกลศาสตร์แบบนิวตัน นิวตันได้ประยุกต์ทฤษฎีของเขาไปในการอธิบายการโคจรของดาวเคราะห์ และสามารถที่จะอธิบายลักษณะพื้นฐานของระบบสุริยะได้ อย่างไรก็ตาม แบบจำลองของระบบดาวเคราะห์ของนิวตันเป็นการเสนอรูปแบบอย่างง่าย ๆ โดยได้ละเลยหลาย ๆ  สิ่งไป ยกตัวอย่างเช่น แรงโน้มถ่วงซึ่งกระทำระหว่างดาวเคราะห์ด้วยกัน ดังนั้นนิวตันจึงพบว่า มีความผิดแปลกหลายอย่างซึ่งไม่อาจอธิบายได้ เขาได้แก้ปัญหานี้โดยสมมติฐานที่ว่า พระเจ้าทรงดำรงอยู่ในจักรวาลตลอดเวลา และคอยแก้ไขความผิดแปลกเหล่านี้ ลาปลาซนักคณิตศาสตร์เอก ได้ตั้งความมุ่งมั่นที่จะปรับปรุงการคำนวณในสูตรต่าง ๆ ของนิวตันให้สมบูรณ์โดยการแต่งตำราซึ่งจะ “เสนอคำตอบที่สมบูรณ์ต่อปัญหาทางกลศาสตร์เกี่ยวกับระบบสุริยะ และทำให้ทฤษฎีกับการสังเกตการณ์สอดคล้องกัน   จนกระทั่งจะไม่มีที่ว่างสำหรับสมการที่คิดขึ้นจากการสังเกตบนโต๊ะของนักดาราศาสตร์อีกต่อไป”(10) ผลก็คืองานชิ้นสำคัญซึ่งปรากฏเป็นหนังสือ 5 เล่ม ชื่อ Mecanique Celeste ลาปลาซประสบความสำเร็จในการอธิบายการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ ดวงจันทร์ และดาวหาง อย่างละเอียดลออ รวมทั้งการไหลของกระแสน้ำขึ้นน้ำลง และปรากฏการณ์อื่น ๆ ที่เกี่ยวเนื่องกับแรงโน้มถ่วงเขาได้แสดงให้เห็นว่า กฏการเคลื่อนที่ของนิวตันรับรองคงตัวของระบบสุริยะและกระทำต่อจักรวาลในลักษณะที่มันเป็นเครื่องจักรซึ่งควบคุมตัวเองได้อย่างสมบูรณ์ เมื่อลาปลาซเสนอผลงานของเขาแก่นโปเลียน ก็มีเรื่องเล่าว่า นโปเลียน ถามว่า “คุณลาปลาซ พวกเขาบอกผมว่าคุณเขียนหนังสือเล่มใหญ่เกี่ยวกับระบบของจักรวาลพวกนี้โดยที่ไม่ได้เอ่ยถึงพระผู้สร้างเลยหรือ” ลาปลาซตอบอย่างขวานผ่าซากว่า “กระผมไม่ต้องอาศัยสมมติฐานแบบนั้นเลย” ด้วยความสำเร็จอย่างงดงามของกลศาสตร์แบบนิวตันที่สามารถอธิบายกฏเกณฑ์ต่าง ๆ ทางดาราศาสตร์ได้ นักฟิสิกส์ได้ขยายขอบเขตของมันเข้าไปในการอธิบายการเคลื่อนไหวอย่างต่อเนื่องของของไหล และอธิบายการสั่นสะเทือนของวัตถุที่มีความยืดหยุ่น พวกเขาพบว่ามันสามารถใช้ได้ ในที่สุดแม้กระทั่งทฤษฎีของความร้อนก็อาจพิจารณาในแง่กลศาสตร์ เมื่อเป็นที่ทราบกันว่า ความร้อนคือ พลังงานซึ่งเกิดขึ้นจากการสั่นของโมเลกุล เช่นเมื่ออุณหภูมิของน้ำสูงขึ้นการเคลื่อนที่ของโมเลกุลของน้ำจะมากขึ้นจนกระทั่งเอาชนะแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลของมันเอง และระเหยออกไปกลายเป็นไอ ในทางตรงกันข้าม เมื่อการเคลื่อนที่ของโมเลกุลลดลงโดยการลดอุณหภูมิของน้ำ โมเลกุลของน้ำจะจับตัวกันในรูปแบบใหม่ซึ่งแข็งแรงกว่าและกลายเป็นน้ำแข็ง ในทำนองเดียวกันนี้ ปรากฏการณ์อื่น ๆ ที่เกี่ยวกับอุณหภูมิก็อาจจะเป็นที่เข้าใจได้เป็นอย่างดีจากทัศนะในทางกลศาสตร์ล้วน ๆ ความสำเร็จอันใหญ่หลวงของทฤษฏีทางกลศาสตร์ได้ทำให้นักฟิสิกส์ในต้นศตวรรษที่ 19 เชื่อว่าจักรวาลเป็นระบบกลไกอันมหึมาซึ่งเคลื่อนไหวไปตามกฏการเคลื่อนที่ของนิวตันจริง ๆ กฏเกณฑ์เหล่านี้ถือเป็นกฏพื้นฐานของธรรมชาติและก็ถือกันว่ากลศาสตร์ของนิวตันเป็นทฤษฏีที่อธิบายปรากฏการณ์ธรรมชาติที่สัมบูรณ์ เป็นเวลาไม่น้อยกว่าร้อยปีหลังจากนั้น ที่ความจริงในทางฟิสิกส์อันใหม่ถูกค้นพบ ซึ่งได้แสดงให้เห็นข้อจำกัดของแบบจำลองของนิวตัน และได้แสดงให้เห็นว่าไม่มีแง่มุมใดของทฤษฏีนี้ที่ใช้ได้อย่างสมบูรณ์

4.3   ความเข้าใจเรื่องแสง
ความเข้าใจเช่นว่านี้มิได้เกิดขึ้นอย่างกะทันหัน แต่ได้เริ่มขึ้นโดยพัฒนาการในศตวรรษที่ 19 ซึ่งได้แผ้วถางทางสำหรับการปฏิวัติทางวิทยาศาสตร์ในรุ่นของเรา งานชิ้นแรกในกระบวนพัฒนาการนี้คือการค้นพบและศึกษาสำรวจปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าและแม่เหล็ก ซึ่งไม่อาจอธิบายได้อย่างเหมาะสมโดยทฤษฎีทางกลศาสตร์ โดยที่มันเกี่ยวข้องกับแรงชนิดใหม่ ก้าวสำคัญนี้เริ่มโดยไมเคิล ฟาเรเดย์และเคลิร์ก แมกซ์เวลส์ ท่านแรกนั้นเป็นนักทดลองผู้ยิ่งใหญ่ที่สุดคนหนึ่งในประวัติศาสตร์ของวิทยาศาสตร์ และท่านที่สองนั้นเป็นนักทฤษฎีที่ปราดเปรื่อง เมื่อฟาราเดย์ผลิตกระแสไฟฟ้าในขดลวดทองแดงได้โดยการเลื่อนแท่งแม่เหล็กไปมาใกล้ ๆ ขดลวด เขาได้เปลี่ยนงานทางกลศาสตร์ในการเลื่อนแท่งแม่เหล็กเป็นพลังงานไฟฟ้า เขาได้นำวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีทางวิศวกรรมไฟฟ้าอย่างมากมายมหาศาล ในอีกด้านหนึ่งมันได้เป็นพื้นฐานของการคาดการณ์ทางทฤษฏีของเขาและแมกซ์เวลส์ ซึ่งในที่สุดส่งผลเป็นทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าที่สมบูรณ์ ฟาราเดย์และแมกซ์เวลส์มิได้ศึกษาแต่เพียงผลที่เกิดขึ้นจากแรงไฟฟ้าและแม่เหล็ก แต่ได้ศึกษาแรงนั้น ๆ เองโดยตรง พวกเขาได้สร้างความคิดในเรื่องสนามของแรงขึ้นมาแทนความคิดเรื่องแรงดั้งเดิม ในการทำเช่นนั้นพวกเขาได้เป็นคนกลุ่มแรกที่ไปไกลกว่าฟิสิกส์แบบนิวตัน แทนที่จะอธิบายแรงกระทำระหว่างประจุบวกและลบอย่างง่าย ๆ ว่าเป็นแรงดึงดูดระหว่างประจุทั้งสอง เช่นเดียวกับที่มวลสารสองอันกระทำต่อกันในกลศาสตร์แบบนิวตัน ฟาราเดย์และแมกซ์เวลส์พบว่าควรที่จะอธิบายว่า ประจุแต่ละชนิดสร้าง “กระแสรบกวน” หรือ “เงื่อนไข” ขึ้นในที่ว่างรอบ ๆ  ตัวมัน ซึ่งเมื่อมีประจุอื่น ๆ อยู่ด้วย มันจะรู้สึกว่ามีแรงกระทำต่อมัน เงื่อนไขที่เกิดในที่ว่างรอบ ๆ ประจุซึ่งมีศักยภาพแห่งการสร้างแรงขึ้นนี้เรียกว่าสนาม (Field) มันเกิดจากประจุเดี่ยว ๆ อันหนึ่ง และคงอยู่แม้ว่าจะมีหรือไม่มีประจุอื่น ๆ อยู่ก็ตาม                                                                           นี่เป็นการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญในความคิดของมนุษย์ในเรื่องความจริงทางฟิสิกส์ ในทัศนะของนิวตัน แรงเกี่ยวโยงกับวัตถุที่มันกระทำอย่างไม่อาจแยกจากกัน ในปัจจุบัน ความคิดเรื่องแรงถูกแทนที่ด้วยความคิดเรื่องสนามที่ลึกซึ้งกว่า ซึ่งมีความจริงของมันเอง และเราศึกษามันได้โดยไม่ต้องอ้างโยงถึงตัววัตถุ จุดสูงสุดของทฤษฎีนี้คือพลศาสตร์ไฟฟ้า (Electrodynamics) ซึ่งเป็นการเข้าใจชัดเจนว่า แสงมิใช่อะไรอื่นนอกจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งสลับไปมาอย่างรวดเร็ว เคลื่อนที่ผ่านอวกาศในรูปของคลื่น ในปัจจุบันเราทราบว่าคลื่นวิทยุ คลื่นแสง หรือรังสีเอกซ์ ทั้งหมดเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เป็นสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กซึ่งสั่นด้วยความถี่ที่แตกต่างกัน และแสงที่เราสามารถเห็นได้นั้น เป็นเพียงส่วนเล็ก ๆ ส่วนหนึ่งในแถบคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทั้งหมด ถึงแม้จะมีการเปลี่ยนแปลงที่ก้าวหน้ามากถึงเพียงนี้   ในชั้นต้น   กลศาสตร์แบบนิวตันก็ยังเป็นพื้นฐานของวิชาฟิสิกส์ทั้งมวล แมกซ์เวลส์เองพยายามที่จะอธิบายผลการทดลองของเขาในแง่กลศาสตร์   โดยอธิบายว่าสนามแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นความเค้นทางกลศาสตร์    (Mechnical   Stress) ของตัวกลาง   ซึ่งมีความเบามากและครอบคลุมทั่วอวกาศ เรียกว่าอีเทอร์ และคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าก็คือคลื่นแห่งความยืดหยุ่นของอีเทอร์ การอธิบายต้องเป็นไปเช่นนั้นเพราะในความเข้าใจทั่วไป   คลื่นเกิดจากการสั่นสะเทือนของบางสิ่ง   เช่น   คลื่นน้ำเป็นการสั่นสะเทือนของน้ำ   คลื่นเสียงเป็นการสั่นสะเทือนของอวกาศ   เป็นต้น  อย่างไรก็ตาม   แมกซ์เวลส์ใช้คำอธิบายทางกลศาสตร์หลายๆด้านพร้อมกันในการอธิบายทฤษฏีของเขา   และไม่ถือเป็นจริงเป็นจังกับคำอธิบายเหล่านั้น   เขาต้องเข้าใจอย่างลึกซึ้ง    ถึงแม้จะไม่ได้แสดงออกมาอย่างชัดแจ้งว่าความจริงพื้นฐานในทฤษฏีของเขาก็คือสนาม   มิใช่แบบจำลองทางกลศาสตร์    ห้าสิบปีต่อมาไอน์ไสตน์จึงได้ประจักษ์ในความจริงอันนี้   เมื่อเขาประกาศว่า   ไม่มีอีเทอร์   และสนามแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นสิ่งที่มีจริงในทางฟิสิกส์   โดยตัวของมันเองสามารถเคลื่อนที่ผ่านอวกาศอันว่างเปล่า   และไม่อาจอธิบายได้โดยอาศัยกลศาสตร์ ดังนั้นถึงตอนต้นของศตวรรษที่ 20 นักฟิสิกส์จึงได้ค้นพบทฤษฎีที่ประสบความสำเร็จสองทฤษฎีด้วยกัน   ซึ่งสามารถนำไปใช้อธิบายปรากฏการณ์ที่ต่างกัน คือ กลศาสตร์ของนิวตัน   และพลศาสตร์ไฟฟ้าของแมกซ์เวลส์   ดังนั้นแบบจำลองของนิวตันจึงมิได้เป็นพื้นฐานของฟิสิกส์ทั้งมวลอีกต่อไป

4.4   ฟิสิกส์สมัยใหม่
ในช่วงสามทศวรรษแรกของศตวรรษนี้   โฉมหน้าของวิชาฟิสิกส์ได้ถูกเปลี่ยนแปลงอย่างสิ้นเชิง   พัฒนาการสองกระแสคือ   ทฤษฎีสัมพัทธภาพ และวิชาฟิสิกส์ที่ว่าด้วยอะตอม   ได้ป่นทำลายความคิดหลักในโลกทัศน์แบบนิวตันอย่งสิ้นเชิงความคิดเรื่องอวกาศและเวลาที่สัมบูรณ์   อนุภาคพื้นฐานซึ่งไม่อาจแบ่งย่อยลงไปได้ความที่ต้องมีเหตุอย่างตายตัวของปรากฎการณ์ทางฟิสิกส์   และอุดมคติในการอธิบายธรรมชาติเป็นภาววิสัย    ความคิดเหล่านี้ไม่อาจจะขยายตัวเข้าไปในขอบเขตใหม่ของวิชาฟิสิกส์ได้ ในตอนเริ่มต้นของวิชาฟิสิกส์สมัยใหม่ได้อาศัยอาศัยอัจฉริยภาพของบุรุษผู้หนึ่งคือ   อัลเบิร์ต  ไอน์สไตน์    ในเอกสารฉบับซึ่งตีพิมพ์ในปี   พ.ศ. 2448   ไอน์สไตน์   ได้เริ่มแนวคิดสองกระแส  ซึ่งเป็นการปฎิวัติแนวความคิดเดิม   แนวคิดแรกก็คือทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ (Special  Theory of Relativity)   อีกแนวคิดหนึ่งคือวิธีการใหม่ในการศึกษาตีความการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า   ซึ่งได้กลายมาเป็นส่วนสำคัญของทฤษฎีควอนตัม (ทฤษฎีที่ว่าด้วยปรากฏการณ์ของอะตอม)   ทฤษฎีควอนตัมที่สัมบูรณ์สำเร็จลงในอีก   20   ปีต่อมาโดยนักฟิสิกส์กลุ่มหนึ่ง   อย่างไรก็ตาม   ไอน์สไตน์ได้สร้างทฤษฎีสัมพัทธภาพสำเร็จสมบูรณ์ด้วยตนเองเป็นส่วนใหญ่ข้อเขียนทางวิทยาศาสตร์ของไอน์สไตน์เป็นประหนึ่งอนุสาวรีย์แห่งปัญญาในต้นศตวรรษที่   20   เป็นปิรามิดของอารยธรรมยุคใหม่ ไอน์สไตน์มีความเชื่ออย่างลึกซึ้งในความสอดคล้องกลมกลืนโดยตัวของมันเองของธรรมชาติ    และความสนใจอย่างจริงจังตลอดช่วงชีวิตซึ่งเกี่ยวข้องกับวงการวิทยาศาสตร์ก็คือ   การค้นหารากฐานร่วมของวิชาฟิสิกส์    เขาเริ่มมุ่งเข้าสู่เป้าหมายนี้โดยการคิดค้นโครงร่างร่วมกันของพลศาสตร์ไฟฟ้ากับกลศาสตร์   ซึ่งเป็นสองทฤษฎีที่แยกจากกันในฟิสิกส์ดั้งเดิม   โครงร่างนี้ก็คือทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ   ซึ่งทำให้เกิดเอกภาพและความสมบูรณ์แก่โครงสร้างของวิชาฟิสิกส์ดั้งเดิมแต่ในขณะเดียวกัน   ก็ได้ก่อให้เกิดความเปลี่ยนแปลงอย่างรุนแรงในความคิดแบบเดิมเกี่ยวกับเวลา   และได้บ่อนทำลายรากฐานประการหนึ่งของโลกทัศน์แบบนิวตัน ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพ    อวกาศมิได้เป็นสามมิติ    และเวลาก็มิใช่สิ่งที่แยกต่างหากจากอวกาศ   ทั้งอวกาศและเวลาเชื่อมโยงสัมพันธ์กัน   เป็นสภาพสี่มิติที่เรียกว่า   “กาล – อวกาศ” (space – time)  ดังนั้นในทฤษฎีสัมพัทธภาพ   เราไม่อาจกล่าวถึงอวกาศโดยไม่กล่าวถึงเวลา   และในทำนองกลับกันด้วย   ยิ่งไปกว่านั้นไม่มีสิ่งที่เรียกว่าการไหลเลื่อนของเวลาอย่างสม่ำเสมอทั่วจักรวาล    อย่างที่ปรากฏในทฤษฎีของนิวตัน    ผู้สังเกตแต่ละคนจะเรียงลำดับเหตุการณ์ก่อนหลังต่างกันขึ้นอยู่กับความเร็วของผู้สังเกตที่แตกต่างกันเมื่อเทียบจากสิ่งที่ถูกสังเกตในกรณีเช่นนั้น เหตุการณ์ 2 เหตุการณ์ซึ่งผู้สังเกตคน 1 ที่เห็นว่าเกิดขึ้นพร้อมกัน ผู้สังเกตอีก1 คน   อาจเห็นว่าเกิดขึ้นในเวลาไม่พร้อมกัน   ดังนั้นการวัดค่าต่างๆ ที่เกี่ยวกับอวกาศและเวลาจะไม่ใช่ค่าสัมบูรณ์อีกต่อไปในทฤษฏีสัมพันธภาพความคิดของนิวตันเกี่ยวกับอวกาศที่สัมบูรณ์ซึ่งรองรับปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์ต่างๆ ได้ถูกยกเลิกไป เช่นเดียวกับความคิดเรื่องเวลาที่มีสภาพสัมบูรณ์ทั้งอวกาศและเวลากลายเป็นแต่เพียงภาษาพูดซึ่งผู้สังเกตแต่ละคนใช้ในการอธิบายปรากฏการณ์ซึ่งเขาสังเกตเห็น ความคิดในเรื่องอวกาศและเวลาเป็นพื้นฐานอย่างยิ่งสำหรับการอธิบายปรากฏการณ์ธรรมชาติ   ซึ่งเมื่อเกิดการเปลี่ยนแปลงในความคิดเรื่องนี้   ก็ได้กลายเป็นเงื่อนไขในการปรับเปลี่ยนโครงสร้างซึ่งเราใช้ในการอธิบายธรรมชาติเลยทีเดียว ผลที่ติดตามมาจากการปรับเปลี่ยนที่สำคัญ คือความเข้าใจว่า   มวลสารมิใช่อะไรอื่นนอกจากพลังงานรูปหนึ่งเท่านั้น   แม้กระทั่งวัตถุในสภาพสถิตก็มีพลังงานสะสมอยู่ในมวลสารของมันและความสัมพันธ์ระหว่างสสารและพลังงานได้โดยสมการที่มีชื่อเสียงมาก   คือ  E =  mc?  โดยที่  c คือความเร็วของแสง ค่าของ c คือค่าความเร็วของแสงซึ่งเป็นค่าคงที่นี้เป็นสิ่งสำคัญพื้นฐานของทฤษฏีสัมพัทธภาพ   เมื่อใดก็ตามที่เราอธิบายปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์โดยสัมพันธ์กับความเร็วซึ่งเข้าใกล้ความเร็วของแสง   เราต้องใช้ทฤษฏีสัมพัทธภาพในการอธิบายโดยเฉพาะอย่างยิ่งในปรากฏการณ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งแสงเป็นเพียงตัวอย่างของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอันหนึ่งและปรากฏการณ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้านั้นได้นำให้ ไอน์สไตน์   สร้างทฤษฎีของเขาขึ้นมาใน พ.ศ. 2458  ไอน์สไตน์   ได้เสนอทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ( General  Theory  of  Relativity )  เป็นการขยายทฤษฏีสัมพัทธภาพพิเศษของเขาให้คลอบคลุมถึงความโน้มถ่วงซึ่ง   คือการดึงดูดระหว่างกันของวัตถุที่มีมวลสูงเข้าไว้   ในขณะที่ทฤษฏีสัมพัทธภาพพิเศษได้รับการยืนยันโดยการทดลองมากมายนับไม่ถ้วนทฤษฏีสัมพัทธภาพทั่วไปกับยังไม่ได้รับการยืนยันด้วยการทดลองอย่างแน่ชัดอย่างไรก็ตามมันก็เป็นทฤษฏีแรงโน้มถ่วงที่สละสลวยแน่นอนและเป็นที่ยอมรับกันมากที่สุด ถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในวิชาฟิสิกส์ที่ว่าด้วยดวงดาว   ( Astrophysics )   และจักรวาลวิทยา(  Cosmology  )  เพื่ออธิบายภาพของจักรวาล

[มดเอ๊กซ]

4.5   อวกาศโค้ง
ตามทฤษฎีของไอน์สไตน์   แรงโน้มถ่วงมีผลทำให้อวกาศและเวลา   “ โค้ง”   ความหมายของมันก็คือ   เรขาคณิตสามัญของยูคลิดไม่อาจใช้ได้อีกต่อไปในอวกาศซึ่งโค้ง   ดังเช่นที่เรขาคณิต 2 มิติของพื้นผิวราบไม่อาจใช้ได้กับผิวของทรงกลม ยกตัวอย่างเช่น   บนพื้นราบเราอาจจะเขียนรูป 4 เหลี่ยมจตุรัสได้โดยลากเส้นตรงยาว 1 เมตร 1 เส้น  ทำมุม 90 องศาที่ปลายข้างหนึ่งลากเส้นอีก 1 เส้น ยาว 1 เมตรจากนี้โยงปลายเส้นตรงที่เหลือเข้าด้วยกันก็จะได้รูป 4 เหลี่ยมจตุรัส อย่างไรก็ตามบนพื้นผิวของทรงกลมวิธีการเช่นนี้ใช้ไม่ได้   เนื่องจากกฎเกณฑ์ของเรขาคณิตแบบยูคลิดใช้ไม่ได้กับผิวโค้ง   ในทำนองเดียวกัน   เราอาจกล่าวได้ว่าอวกาศซึ่งโค้งเป็น 3 มิตินั้นจะใช้ทฤษฎีเรขาคณิตของยูคลิดกับมันไม่ได้อีกต่อไป ในทฤษฎีของไอน์สไตน์กล่าวว่า อวกาศซึ่งเป็น 3 มิติจะถูกทำให้โค้งโดยสนามความโน้มถ่วงของวัตถุที่มีมวลสูงเมื่อใดก็ตามที่วัตถุมีมวลอยู่สูงเช่น   ดาวฤกษ์  หรือดาวเคราะห์   อวกาศรอบๆ มันจะถูกทำให้โค้งและความโค้งจะมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับมวลของวัตถุนั้นๆ   ในเมื่ออวกาศไม่อาจแยกออกจากเวลาได้ในทฤษฎีสัมพัทธภาพ เวลาก็เช่นเดียวกันถูกอิทธิพลของวัตถุซึ่งปรากฎอยู่ทำให้เวลาเคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่แตกต่างกันในส่วนต่างๆ ของจักรวาล ดังนั้นทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ได้ลบล้างแนวคิดเรื่องอวกาศและเวลาที่สัมบูรณ์ไปอย่างสิ้นเชิง   มิใช่แต่เพียงการวัดค่าต่างๆเกี่ยวกับอวกาศ เวลาขึ้นอยู่กับการกระจายตัวของวัตถุในจักรวาล   และความคิดเรื่อง ”อวกาศที่ว่างเปล่า” ก็เป็นสิ่งที่ไม่มีความหมายด้วย โลกทัศน์เชิงกลจักรของฟิสิกส์ดั้งเดิมนั้นตั้งอยู่บนพื้นฐานของความคิดเรื่องวัตถุแข็งเคลื่อนที่ในอากาศที่ว่างเปล่า   ความคิดนี้ยังคงใช้ได้ในขอบเขตซึ่งถูกเรียกว่า “เขตของมิติกลาง” (zone  of  middle  dimensions)   นั่นคือ   ในอาณาเขตของประสบการณ์ประจำวันของมนุษย์ซึ่งฟิสิกส์แบบดั้งเดิมยังคงเป็นทฤษฎีที่มีประโยชน์   ความคิดทั้งสองประการคือความคิดเรื่องอากาศที่ว่างเปล่า และเรื่องสสารวัตถุซึ่งแข็งนี้   ได้ฝังลึกอยู่ในนิสัยการคิดของเรา ดังนั้นมันจึงเป็นการยากอย่างเหลือเกินที่เราจะจินตนาการถึงความจริงทางฟิสิกส์ที่ไปพ้นขอบเขตของแนวคิดทั้งสอง   และนี่คือสิ่งที่ฟิสิกส์สมัยใหม่ได้บีบบังคับให้เราต้องกระทำ   เมื่อเราก้าวพ้นจากมิติกลางออกมาได้   ความหมายของ ”อากาศที่ว่างเปล่า” ได้สูญสลายไป ในวิชาฟิสิกส์ที่ว่าด้วยดวงดาวและจักรวาลวิทยา   ซึ่งเป็นวิทยาศาสตร์ที่ว่าด้วยจักรวาลอันมหึมา   และความคิดเริ่มวัตถุแข็งตัน  ถูกป่นลงเป็นผุยผงโดยวิชาฟิสิกส์ที่ว่าด้วยอะตอมซึ่งเป็นวิทยาศาสตร์ที่ว่าด้วยของซึ่งเล็ก   เล็กไม่มีที่สุด ในช่วงเปลี่ยนศตวรรษ   มีการค้นพบปรากฏการณ์หลายประการซึ่งเชื่อมโยงกับโครงสร้างอะตอม และไม่อาจอธิบายได้ด้วยวิชาฟิสิกส์ดั้งเดิม   สิ่งที่บ่งชี้ประการแรกที่ว่าด้วยอะตอมประกอบขึ้นมาจากส่วนย่อย   เริ่มมาจากการค้นพบรังสีเอกซ์มิใช่รังสีเพียงอันเดียวซึ่งถูกปลดปล่อยจากอะตอม   หลังจากนั้นไม่นาน   รังสีอื่นๆก็ถูกค้นพบ   ทั้งหมดเป็นการปลดปล่อยจากอะตอมที่เรียกว่าอะตอมประกอบโครงสร้างที่เล็กลงไปอีก   และแสดงให้เห็นว่าอะตอมของสารกัมมันตรังสีมิใช่แต่เพียงปล่อยรังสีต่างๆเท่านั้นแต่ยังเปลี่ยนตัวมันเองไปเป็นอะตอมของธาตุชนิดอื่นได้ด้วย นอกจากที่จะเป็นวัตถุที่ตั้งของการศึกษาแล้ว   ปรากฎการณ์เหล่านี้ได้ถูกใช้อย่างเฉลียวฉลาดเพื่อเป็นเครื่องมือในการเจาะลึกลงไปในวัตถุ มากกว่าที่เคยกระทำมาแต่เดิม   ดังนั้น  วอน ลัว (Max von  Laue)ใช้รังสีเอกซ์ในการศึกษาการจัดเรียงตัวของอะตอมในผลึกชนิดต่างๆและเออร์เนสต์   รัตเทอร์ฟอร์ด ได้ตระหนักว่า สิ่งที่เรียกว่าอนุภาคแอลฟา (Alpha   Particles) ซึ่งสารกัมมันตรังสีปลดปล่อยออกมานั้น เป็นอนุภาคซึ่งเล็กกว่าอะตอม และเป็นประดุจกระสุนความเร็วสูงซึ่งอาจจะนำไปใช้ในการศึกษาสำรวจภายในอะตอมได้   เรายิงมันไปที่อะตอมและผลที่ติดตามต่อมาอาจจะทำให้เราสรุปเกี่ยวกับโครงสร้างอะตอมได้

4.6   การยิงกระสุนของรัตเทอร์ฟอร์ด
เมื่อรัตเทอร์ฟอร์ด   ยิงอะตอมด้วยอนุภาคแอลฟา   เขาได้สังเกตเห็นผลซึ่งน่าตื่นเต้นและไม่น่าคาดคิดมาก่อน อะตอมที่ปรากฏ แตกต่างไปจากความเชื่อแต่โบราณที่ว่ามันเป็นอนุภาคที่แข็งตัน   กลับกลายเป็นว่ามันประกอบด้วยที่ว่างเป็นบริเวณกว้าง อนุภาคที่เล็กมากคืออิเล็กตรอนเคลื่อนที่ผ่านไปรอบๆ นิวเคลียสโดยยึดเกาะด้วยแรงทางไฟฟ้า   มันไม่ง่ายนักที่จะนึกถึงขนาดของอะตอม เนื่องจากมันมีขนาดที่อยู่นอกเหนือขอบเขตของขนาดซึ่งเราใช้กันอยู่   เส้นผ่าศูนย์กลางของอะตอมมีขนาดประมาณหนึ่งในร้อยล้านของเซนติเมตร   เพื่อที่จะให้เห็นภาพของขนาดที่เล็กมากเช่นนี้ ลองจินตนาการถึงผลส้มสมมติว่าเราทำให้มันใหญ่ขึ้นเท่ากับโลก   อะตอมของผลส้มจะมีขนาดเท่ากับผลเชอร์รี่   ผลเชอร์รี่จำนวนหมื่นจำนวนแสนอัดกันแน่นเป็นรูปทรงกลมในขนาดเท่ากับโลกนั่นคือภาพขยายของอะตอมในผลส้ม ดังนั้น อะตอมจึงมีขนาดใหญ่เมื่อเทียบกับนิวเคลียสซึ่งอยู่ตรงกลางของอะตอม   หากอะตอมมีขนาดเท่ากับผลเชอร์รี่ซึ่งเราสามารถสมมติกัน   นิวเคลียสของอะตอมก็จะเล็กมากจนเราไม่อาจมองเห็นได้   ถึงแม้เราขยายอะตอมให้โตเท่ากับลูกฟุตบอล หรือแม้กระทั่งเท่ากับห้องๆหนึ่ง นิวเคลียสก็ยังเล็กเกินไปที่จะมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า   หากเราอยากจะเห็นนิวเคลียส   เราต้องขยายอะตอมให้มีขนาดเท่ากับโดมที่ใหญ่ที่สุดในโลก   คือ โดมของโบสถ์เซนต์ปีเตอร์ในกรุงโรม   ในอะตอมซึ่งมีขนาดเท่านั้น   นิวเคลียสคงจะมีขนาดราวๆ เกลือเม็ดหนึ่ง   เม็ดเกลือหนึ่งตรงใจกลางของโดมของโบสถ์เซนต์ปีเตอร์   และละอองฝุ่นผงซึ่งล่องลอยอยู่รอบๆ ในที่ว่างของโดม   นี่คือภาพของนิวเคลียสและอิเล็กตรอน ซึ่งเราอาจจะจินตนาการถึงได้ หลังจากการค้นพบโครงสร้างของอะตอมซึ่งมีลักษณะเหมือนดาวเคราะห์โคจรรอบดาวอาทิตย์แล้วไม่นาน   ก็ได้มีการค้นพบว่าจำนวนของอิเล็กตรอนในอะตอมเป็นตัวกำหนดธาตุ ธาตุในตารางธาตุ (Periodic Table) เกิดขึ้นโดยการเพิ่มจำนวนโปรตอนและนิวตรอนเข้ากับนิวเคลียสของอะตอมที่เบาที่สุดคือ   อะตอมของไฮโดรเจน (ซึ่งมีโปรตรอน   1  ตัวกับอิเล็กตรอน  1  ตัว) และเพิ่มอิเล็กตรอนอีก (ในจำนวนที่เหมาะสมกับจำนวนโปรตอนหรือนิวตรอนที่เพิ่มเข้าไป) ในชั้นโคจรของอิเล็กตรอนในอะตอม   ปฏิกิริยาระหว่างอะตอมเป็นต้นกำเนิดของปฎิกิริยาทางเคมีหลายประการ ดังนั้นวิชาเคมีทั้งหมดจึงเป็นที่เข้าใจได้ในหลักการ บนพื้นฐานของกฎทางฟิสิกส์ของอะตอม อย่างไรก็ตาม   การค้นพบกฎเกณฑ์เหล่านี้ไม่ใช่เรื่องง่าย มันถูกค้นพบในปี พ.ศ. 2463 โดยกลุ่มนักฟิสิกส์จากหลายประเทศ ได้แก่ นีลส์ บอห์ร จากเดนมาร์ก หลุยส์ เดอ บร็อคลีย์ จากฝรั่งเศส เออร์วิน ชโรดิงเจอร์ และโวลฟ์แกง เพาลี จากออสเตรีย เวอร์เนอร์ ไฮเซนเบิร์ก จากเยอรมันนี และพอล  ดีแร็ก จาก อังกฤษ บุคคลเหล่านี้ได้ร่วมมือกันโดยมิได้ถือเชื้อชาติ และได้เป็นผู้ปั้นแต่งยุคสมัยที่น่าตื่นเต้นในวงการวิทยาศาสตร์สมัย ซึ่งได้นำให้มมนุษย์ชาติสัมผัสกับความจริงที่น่าประหลาดและไม่คาดคิดมาก่อนในโลกของอนุภาคซึ่งเล็กกว่าอะตอมได้เป็นครั้งแรก ทุกครั้งที่นักฟิสิกส์ถามปัญหาต่อธรรมชาติโดยการทดลองเกี่ยวกับอะตอม ธรรมชาติได้ตอบโดยนัยที่ผกผันผิดธรรมดา และยิ่งนักฟิสิกส์พยายามจะทำความชัดเจนมากขึ้นเท่าใด ความผกผันผิดธรรมดายิ่งปรากฏชัดเจนขึ้นเท่านั้น   เป็นเวลานานทีเดียวกว่าที่พวกเขาจะยอมรับความจริงที่ว่า ความผกผันผิดธรรมดานี้สืบเนื่องมาจากโครงสร้างที่เป็นภายในของฟิสิกส์ที่ว่าด้วยอะตอม และที่ตระหนักว่าสภาพดังกล่าวนี้ เกิดขึ้นเมื่อมีผู้พยายามที่จะอธิบายเหตุการณ์ที่เกี่ยวกับอะตอมในวิธีการแบบเดิมของฟิสิกส์   เมื่อสถานการณ์เช่นนี้เป็นที่รับรู้กัน นักฟิสิกส์เริ่มเรียนรู้ที่จะถามคำถามที่ถูกต้องและหลีกเลี่ยงความขัดแย้งได้ ไฮเซนเบิร์กกล่าวว่า ”ในที่สุดพวกเขาก็ได้หยั่งถึงจิตวิญญาณของทฤษฎีควอนตัมจนได้” ในที่พวกเขาได้ค้นพบสูตรคณิตศาสตร์ซึ่งเที่ยงตรงแน่นอนแม่นยำของทฤษฎีนี้   

4.7   ธรรมชาติกับตัวเรา
ไม่ใช่เรื่องง่ายที่จะเกิดการยอมรับความคิดของทฤษฎีควอนตัม แม้ว่าจะมีสูตรทางคณิตศาสตร์ที่สมบูรณ์แล้วก็ตาม ผลของมันต่อจินตนาการของนักฟิสิกส์ก็คือทำให้ความคิดแตกทำลายลง การทดลองของรัตเทอร์ฟอร์ดได้แสดงให้เห็นว่า อะตอมมิใช่สิ่งที่แข็งและทำลายไม่ได้ แต่อะตอมประกอบด้วยที่ว่างอันกว้างขวางซึ่งมีอนุภาคที่เล็กมากเคลื่อนที่อยู่   และเดี๋ยวนี้ทฤษฎีควอนตัมได้ให้ความกระจ่างว่า อนุภาคเหล่านี้เองก็มิใช่วัตถุตันอย่างในแนวคิดของฟิสิกส์ดั้งเดิม หน่วยที่เล็กกว่าอะตอมของสสารวัตถุก็เป็นสิ่งที่เข้าใจยาก มีลักษณะที่ตรงกันข้ามกันสองลักษณะอยู่ในตัวมัน โดยขึ้นอยู่กับวิธีการที่เราศึกษา บางครั้งมันปรากฏเป็นอนุภาค และบางครั้งเป็นคลื่น ลักษณะตรงกันข้ามเช่นนี้มีปรากฎในแสงด้วย ซึ่งแสงอาจจะอยู่ในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า หรืออยู่ในรูปอนุภาคก็ได้ คุณสมบัติเช่นนี้ของวัตถุและแสงเป็นสิ่งที่น่าประหลาดมาก ดูเหมือนจะเป็นไปไม่ได้ที่จะยอมรับว่า สิ่งหนึ่งจะเป็นทั้งอนุภาค นั่นคือสิ่งที่จำกัดตัวอยู่ในปริมาตรที่เล็กมาก และเป็นทั้งคลื่น ซึ่งมีคุณสมบัติแผ่กระจายไปในอวกาศในขณะเดียวกัน ความขัดแย้งนี้ก่อให้เกิดสภาพผกผันผิดธรรมดาซึ่งมีลักษณะเหมือน โกอันซึ่งในที่สุดนำไปสู่การสร้างสูตรคณิตศาสตร์ของทฤษฎีควอนตัม   พัฒนาการทั้งหมดเริ่มขึ้นเมื่อ แมกซ์   พลังก์ (Max Planck) ค้นพบว่าพลังงานของการแผ่รังสีความร้อนไม่ได้ถูกปล่อยออกมาอย่างสม่ำเสมอ แต่ถูกปล่อยออกมาเป็น “กลุ่มพลังงาน” ไอน์สไตน์เรียกกลุ่มพลังงานนี้ว่า “ควอนตา” (Quanta) และถือว่ามันเป็นลักษณะพื้นฐานของธรรมชาติ ไอน์สไตน์กล้าพอที่จะสันนิษฐานว่า แสงและรังสีแม่เหล็กไฟฟ้ารูปอื่นๆ ปรากฏเป็นได้ทั้งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและในรูปของ “ควอนตา” ควอนตาแสงซึ่งเป็นที่มาของชื่อทฤษฎีควอนตัมได้ถูกยอมรับอย่างสุจริตใจว่าเป็นอนุภาคตั้งแต่นั้นมา โดยในปัจจุบันมีชื่อเรียกว่า โฟตอน (Photon) อย่างไรก็ตามโฟตอนเป็นอนุภาคชนิดพิเศษ ไม่มีมวลและเคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสงเสมอ ความขัดแย้งที่ปรากฏระหว่างภาวะความเป็นคลื่น ถูกแก้ไขโดยวิธีการซึ่งไม่คาดฝันอย่างสิ้นเชิง ซึ่งก่อให้เกิดคำถามต่อรากฐานของโลกทัศน์เชิงกลจักร ความคิดเรื่องความจริงของวัตถุ ในระดับของอนุภาคที่เล็กกว่าอะตอม สสารมิได้ปรากฏที่ใดที่หนึ่งโดยเฉพาะอย่างแน่นอนตายตัว แต่มี ”ความโน้มเอียงที่จะคงอยู่” ณ ที่นั้น เหตุการณ์ที่เกี่ยวข้องกับอะตอมมิได้เกิดขึ้นในเวลาใดเวลาหนึ่งและโดยวิธีการใดวิธีหนึ่งอย่างแน่นอนเป็นแต่มี ”ความโน้มเอียงที่จะเกิดขึ้น” ในสูตรของทฤษฎีควอนตัม ความโน้มเอียงนี้ถูกแสดงออกในค่าความอาจเป็นไปได้ (probability  waves) อันเป็นปริมาณย่อสรุปทางคณิตศาสตร์ซึ่งประกอบด้วยคุณสมบัติของคลื่น ซึ่งสัมพันธ์กับความเป็นไปได้นี้เราไม่อาจทำนายเหตุการณ์ที่เกี่ยวข้องกับอะตอมได้ด้วยความแน่นอน   เราอาจทำได้แต่เพียงกล่าวว่า มันอาจเกิดขึ้นได้มากน้อยเพียงใด ทฤษฎีควอนตัมได้ทำลายแนวคิดดั้งเดิมเกี่ยวกับวัตถุตัน และแนวคิดเกี่ยวกับกฎเกณฑ์ของธรรมชาติซึ่งมีลักษณะที่มีการกำหนดตายตัว ในระดับอนุภาคที่เล็กกว่าอะตอม   สสารวัตถุ ในแนวคิดฟิสิกส์ดั้งเดิมได้ละลายลงกลายเป็นแบบแผนแห่งความอาจเป็นไปได้   ซึ่งมีลักษณะเป็นคลื่นและแบบแผนดังกล่าวโดยความหมายที่ลึกซึ้งที่สุด มิใช่ความอาจเป็นไปได้ของสิ่งต่างๆ แต่เป็นความอาจเป็นไปได้ในการเกี่ยวเนื่องกันของสิ่งต่างๆ มากกว่า การวิเคราะห์กระบวนการในการสังเกตในวิชาฟิสิกส์ที่ว่าด้วยอะตอมอย่างละเอียดรอบคอบได้แสดงให้เห็นว่าอนุภาคที่เล็กกว่าอะตอมมิได้เป็นสิ่งที่แยกอยู่โดยลำพังได้ แต่เราจะเข้าใจมันได้ก็เฉพาะแต่ในความสัมพันธ์ระหวางการเตรียมการทดลอง และการตรวจวัดผลเท่านั้น ทฤษฎีควอนตัมจึงได้เปิดเผยความเป็นหนึ่งเดียวของจักรวาล มันได้แสดงให้เห็นว่าเราไม่อาจย่อยโลกออกเป็นหน่วยที่เล็กที่สุดซึ่งอยู่แยกจากกัน เมื่อเราเจาะลึกลงไปในสสารวัตถุ ธรรมชาติมิได้แสดงให้เราเห็นว่ามันมี “หน่วยพื้นฐาน” แต่กลับปรากฏแก่เราว่า เป็นข่ายโยงใยอันสลับซับซ้อนของความสัมพันธ์ระหว่างส่วนต่างๆ ของมนุษย์ผู้สังเกตเป็นสิ่งเชื่อมโยงอันสุดท้ายในสายสัมพันธ์ของกระบวนการการสังเกตและคุณสมบัติใดๆ ของวัตถุในระดับอะตอม จะเป็นที่เข้าใจได้ก็แต่ในปฎิกิริยาระหว่างวัตถุและผู้สังเกตการณ์เท่านั้น นั่นหมายความว่าความคิดดั้งเดิมในการอธิบายธรรมชาติอย่างเป็นภาวะวิสัยนั้นเป็นสิ่งที่เป็นไปไม่ได้   สิ่งกั้นขวางระหว่างฉันและโลกตามแนวคิดของเดคาร์ต ระหว่างผู้สังเกตและสิ่งที่ถูกสังเกต ไม่อาจจะมีได้เมื่อต้องเกี่ยวข้องกับเรื่องของอะตอม  ในวิชาฟิสิกส์ที่ว่าด้วยอะตอม เราไม่อาจกล่าวถึงธรรมชาติโดยไม่กล่าวถึงตัวเราด้วยในขณะเดียวกัน

4.8   คลื่นยืน
ทฤษฎีเกี่ยวกับอะตอมทฤษฎีใหม่นี้สามารถแก้ปัญหาข้องใจหลายปัญหาเกี่ยวกับโครงสร้างอะตอม ซึ่งไม่อาจอธิบายได้โดยแบบจำลองของรัตเทอร์ฟอร์ดที่ให้ภาพอะตอมเป็นเหมือนดาวเคราะห์โคจรรอบดาวอาทิตย์ ประการแรก การทดลองของรัตเทอร์ฟอร์ดได้แสดงให้เห็นว่า อะตอมซึ่งรวมกันเป็นวัตถุแข็งนั้นประกอบด้วยที่ว่างเป็นส่วนใหญ่เหตุใดเราจึงไม่อาจเดินทะลุประตูที่ปิดไปได้ กล่าวอีกนัยหนึ่งว่า อะไรที่ทำให้สสารคุมรูปร่างของตัวมันเอง ปัญหาประการที่สองก็คือ ความคงตัวเป็นพิเศษในกลศาสตร์ของอะตอมยกตัวอย่างเช่น ในอากาศ อะตอมปะทะกันเป็นล้านๆ ครั้งทุกๆ วินาที โดยที่มันยังคงกลับสู่สภาพเดิมได้หลังจากการปะทะกันแต่ละครั้งอะตอมตามการอธิบายแบบดาวเคราะห์ซึ่งเป็นไปตามกฎกลศาสตร์แบบดั้งเดิม ตัวใดๆ เมื่อชนกันจะไม่อาจคงอยู่ในสภาพเดิมได้ แต่อะตอมของออกซิเจนสามารถรักษาการจัดเรียงตัวของอิเล็กตรอนของมันไว้ได้เสมอ ไม่ว่ามันจะชนกับอะตอมอื่นมาแล้วกี่ครั้ง ยิ่งไปกว่านั้น การจัดเรียงตัวของอิเล็กตรอนของอะตอมแต่ละชนิดจะมีลักษณะเช่นเดียวกันทุก ๆ อะตอม อะตอมของเหล็กสองอะตอมและเหล็กบริสุทธิ์ชิ้นเล็ก ๆ สองชิ้นจะมีลักษณะเหมือนกัน ไม่ว่ามันจะมาจากแหล่งใด หรือไม่ว่าจะเคยถูกกระทำมาอย่างไรก็ตาม ทฤษฏีควอนตัมได้แสดงให้เห็นว่า คุณสมบัติของอะตอมที่น่าประหลาดทั้งหมดนี้ เกิดจากลักษณะการเป็นคลื่นของอิเล็กตรอนของมัน ลักษณะการเป็นของแข็งตันของสสารวัตถุเป็นผลสืบเนื่องจาก “ควอนตัม เอฟเฟก” (Quantum Effect) ซึ่งเกี่ยวโยงกับลักษณะที่เป็นได้ทั้งคลื่นและอนุภาคของวัตถุ อันเป็นคุณสมบัติของอนุภาคที่เล็กกว่าอะตอม ซึ่งไม่อาจจะหาอะไรในระดับใหญ่ ๆ มาเปรียบให้เข้าใจได้ เมื่อใดก็ตามที่อนุภาคถูกจำกัดให้อยู่ในพื้นที่เล็ก ๆ มันจะมีปฏิกิริยาตอบสนองโดยการหมุนไปรอบ ๆ ยิ่งพื้นที่เล็กลงเท่าใด มันจะยิ่งหมุนด้วยความเร็วสูงขึ้น ในอะตอมมีแรงสองแรงที่พยายามเอาชนะซึ่งกันและกัน ในด้านหนึ่งอิเล็กตรอนถูกดึงดูดโดยนิวเคลียสด้วยแรงไฟฟ้า ซึ่งพยายามที่จะรั้งให้อิเล็กตรอนเข้ามาใกล้ที่สุดเท่าที่จะทำได้ ในอีกด้านหนึ่งอิเล็กตรอนแสดงปฏิกิริยาต่อการจำกัดขอบเขตของมันโดยการหมุนไปรอบ ๆ ยิ่งนิวเคลียสดึงดูดมันแรงมากเท่าไร มันยิ่งหมุนเร็วขึ้นเท่านั้น โดยข้อเท็จจริงแล้ว การจำกัดขอบเขตของอิเล็กตรอนในอะตอม ทำให้มันหมุนไปรอบ ๆ นิวเคลียสด้วยความเร็วประมาณ 600 ไมล์ต่อวินาที ความเร็วที่สูงมากเช่นนี้เองที่ทำให้อะตอมดูเหมือนเป็นทรงกลมที่แข็งแรง เช่นเดียวกับที่เราเห็นใบพัดที่หมุนเร็วมากเป็นเหมือนจาน เป็นเรื่องยากมากที่จะอัดอะตอมให้เล็กลงไปอีก และนี่คือเหตุผลที่ทำให้สสารวัตถุมีลักษณะที่ปรากฏเป็นของแข็งตัน ดังนั้นในอะตอม อิเล็กตรอนถูกจัดให้อยู่ในวงโคจรที่มีความสมดุลพอดีระหว่างแรงดึงดูดของนิวเคลียสและความอึดอัดในการถูกจำกัดเขตของมัน อย่างไรก็ตาม วงโคจรของอิเล็กตรอนในอะตอมต่างไปจากวงโคจรของดาวเคราะห์ในระบบจักรวาลมาก ทั้งนี้ เนื่องจากธรรมชาติการเป็นคลื่นของอิเล็กตรอน เราไม่อาจจะคิดว่าอะตอมเป็นเหมือนระบบสุริยะได้ แทนที่จะคิดว่าอิเล็กตรอนในรูปอนุภาค หมุนไปรอบ ๆ นิวเคลียส เราต้องจินตนาการถึงคลื่นของความอาจเป็นไปได้ในวงโคจรต่าง ๆ กัน เมื่อใดก็ตามที่เราทำการตรวจวัด เราจะพบอิเล็กตรอนได้ที่ใดที่หนึ่งในวงโคจรเหล่านี้ แต่เราไม่อาจกล่าวได้ว่า มันกำลัง “หมุนรอบนิวเคลียส” ในความหมายอย่างในกลศาสตร์ดั้งเดิม ในวงโคจร   คลื่นของอิเล็กตรอนต้องจัดตัวมันเองให้ปลายของคลื่นบรรจบกันนั่นคือเป็นแบบคลื่นยืน (standing waves) รูปแบบดังกล่าวจะปรากฏขึ้นในทุกที่ที่คลื่นถูกจำกัดให้อยู่ในขอบเขตที่ตายตัวอันหนึ่งเช่นเดียวกับเคลื่นที่เกิดขึ้นในสายกีตาร์หรือคลื่นอากาศในลำขลุ่ย จากตัวอย่างนี้ เป็นที่ทราบกันดีว่า คลื่นยืน อาจจะมีรูปร่างได้จำกัดเพียงไม่กี่รูปแบบ ในกรณีคลื่นของอิเล็กตรอนภายในอะตอม มันหมายความว่าอิเล็กตรอนจะอยู่ในวงโคจรที่แน่นอนอันหนึ่งซึ่งมีเส้นผ่าศูนย์กลางที่ตายตัว ตัวอย่างเช่น อิเล็กตรอนของไฮโดรเจนอะตอม จะอยู่ได้ในวงโคจรชั้นที่หนึ่ง สอง หรือสามเท่านั้น และไม่มีการอยู่ในระหว่างชั้นดังกล่าวในสภาพปรกติอิเล็กตรอนจะอยู่ในชั้นที่ต่ำที่สุดซึ่งเรียกว่า “สถานะพื้นฐาน” (ground state) ของอะตอม จากสภาพนั้นอิเล็กตรอนอาจกระโดดขึ้นไปยังวงโคจรชั้นสูงขึ้นไป หากว่ามันได้รับพลังงานที่เพียงพอจำนวนหนึ่ง อะตอมนั้นจะอยู่ในสภาพที่เรียกว่า “สถานะถูกกระตุ้น” (excited state) ซึ่งหลังจากนั้นระยะหนึ่งอิเล็กตรอนก็จะกลับสู่สถานะพื้นฐานดังเดิม โดยปลดปล่อยพลังงานที่ได้รับเข้าไปออกมาในรูปรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าหรือโฟตอน สภาวะของอะตอมหนึ่ง ๆ คือรูปร่างและระยะห่างระหว่างอิเล็กตรอนของมัน มีลักษณะเหมือนกันทุกอย่างกับอะตอมที่มีจำนวนอิเล็กตรอนเท่ากันนั่นคือเหตุผลว่าทำไมออกซิเจนสองอะตอมจึงเหมือนกันทุกอย่าง มันอาจจะอยู่ในสถานะถูกกระตุ้นในระดับต่าง ๆ กัน ซึ่งอาจเนื่องมาจากการชนกับอะตอมอื่นในอากาศ แต่หลังจากนั้นระยะหนึ่งมันก็จะกลับลงสู่สถานะพื้นฐานที่เหมือนกัน คุณลักษณะการเป็นคลื่นของอิเล็กตรอนจึงทำให้อะตอมมีเอกลักษณ์ของตัว และทำให้อะตอมมีความคงตัวมากในทางกลศาสตร์

[มดเอ๊กซ]

4.9   เลขควอนตัม
ลักษณะสำคัญอีกประการหนึ่งของสภาวะต่าง ๆ ของอะตอมก็คือความเป็นจริงที่ว่า เราอาจชี้เฉพาะสภาวะของอะตอมในระดับต่าง ๆ ได้อย่างสมบูรณ์ โดยอาศัยกลุ่มตัวเลขที่เรียกว่าเลขควอนตัม (quantum numbers) ซึ่งเป็นเครื่องบ่งชี้ตำแหน่งและรูปร่างของวงโคจรของอิเล็กตรอน เลขควอนตัมตัวแรกแสดงจำนวนวงโคจรและกำหนดระดับพลังงานของอิเล็กตรอนในวงโคจรแต่ละวง เลขควอนตัมอีกสองตัวกำหนดรูปร่างของคลื่นอิเล็กตอนในวงโคจรสัมพันธ์กับความเร็วและ สภาพการหมุนของอิเล็กตรอน* ข้อเท็จจริงที่ว่าเลขควอนตัมเหล่านี้เป็นจำนวนเต็ม ย่อมหมายความว่า อิเล็กตรอนไม่อาจเปลี่ยนการหมุนของมันได้อย่างต่อเนื่อง แต่จะต้องกระโดดจากเลขควอนตัมค่าหนึ่งไปยังอีกค่าหนึ่งเหมือนกับที่มันจะต้องกระโดดจากวงโคจรหนึ่งไปยังอีกวงโคจรหนึ่ง เลขควอนตัมที่มีค่าสูงแสดงว่าอะตอมอยู่ในภาวะถูกกระตุ้น และสถานะพื้นฐานของอะตอมก็คือสภาพที่อิเล็กตรอนของอะตอมอยู่ในวงโคจรชั้นล่างสุด และมีการหมุนน้อยที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ * การหมุนของอิเล็กตรอนในวงโคจรของมัน มิใช่การหมุนตามความหมายของฟิสิกส์ดั้งเดิม มันถูกกำหนดโดยรูปลักษณะของคลื่นอิเล็กตรอน ในรูปของค่าความอาจเป็นไปได้สำหรับการปรากฏของอนุภาคในส่วนใดส่วนหนึ่งของวงโคจร รอยของอนุภาคในบับเบิลแชมเบอร์ ความโน้มเอียงที่จะปรากฏ ณ ที่ใดที่หนึ่ง ในเวลาใดเวลาหนึ่ง กับการที่อนุภาคมีปฏิกิริยาต่อการจำกัดขอบเขตของมันโดยการเคลื่อนที่ ตลอดจนการที่อะตอมสลับจาก “สภาพควอนตัม” หนึ่งไปยังอีกอันหนึ่งอย่างทันทีทันใด และความเกี่ยวโยงสัมพันธ์อย่างมีนัยสำคัญของปรากฏการณ์ทั้งมวลนั้น สิ่งเหล่านี้ล้วนเป็นคุณลักษณะซึ่งไม่เคยรู้กันมาก่อนในแวดวงของอะตอม ในทางตรงกันข้าม แรงกระทำพื้นฐานซึ่งก่อให้เกิดปรากฏการณ์เกี่ยวกับอะตอมเป็นที่รู้จักกันดี และอาจจะสัมผัสรู้สึกได้ในสภาพธรรมดาของชีวิตมันเป็นแรงดึงดูดทางไฟฟ้าระหว่างนิวเคลียสของอะตอมซึ่งมีประจุบวก กับอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุลบ ความสัมพันธ์กันของแรงดังกล่าวนี้ กับคลื่นอิเล็กตรอนเป็นบ่อเกิดของความหลากหลายในโครงสร้างและปรากฏการณ์ในสภาพแวดล้อมของเรา มันเป็นตัวกำหนดปฏิกิริยาทางเคมีทั้งหมดและการรวมตัวเป็นโมเลกุลของอะตอมต่าง ๆ ดังนั้นปฏิกิริยาระหว่างอิเล็กตรอนและนิวเคลียสของอะตอมจึงเป็นพื้นฐานของของแข็ง ของเหลว และก๊าซ ทั้งหมดของสิ่งมีชีวิต และกระบวนการทางชีววิทยาที่เกี่ยวข้องกับมันทั้งหมด ในโลกซึ่งเต็มไปด้วยปรากฏการณ์เกี่ยวกับอะตอมนี้ นิวเคลียสมีบทบาทสำคัญในการเป็นจุดศูนย์กลางที่เล็กและคงตัว ซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดของแรงไฟฟ้าและเป็นโครงของโมเลกุลชนิดต่าง ๆ ในการที่จะเข้าใจโครงสร้างของโมเลกุลเหล่านี้ และปรากฏการณ์ต่าง ๆ ส่วนใหญ่รอบ ๆ ตัวเรา เราจำเป็นต้องรู้เกี่ยวกับนิวเคลียสเพียงเฉพาะแต่ค่าประจุและมวลของมันเท่านั้น อย่างไรก็ตาม ในการที่จะเข้าใจธรรมชาติของสสาร การที่จะเข้าใจว่าโดยแท้จริงแล้วสสารประกอบด้วยอะไรนั้น เราจะต้องศึกษานิวเคลียสซึ่งเป็นมวลเกือบทั้งหมดของอะตอม ในปี พ.ศ. 2473 หลังจากที่ทฤษฎีควอนตัมได้เปิดเผยเกี่ยวกับโลกของอะตอมแล้ว นักฟิสิกส์จึงถือเป็นงานสำคัญที่จะทำความเข้าใจโครงสร้างของนิวเคลียส ส่วนประกอบของมัน และแรงที่ทำให้มันเกาะกุมกันอย่างแข็งแรงแน่นหนา ก้าวแรกที่นำไปสู่ความเข้าใจโครงสร้างของนิวเคลียสคือ การค้นพบนิวตรอนซึ่งถือเป็นองค์ประกอบอันที่สองซึ่งมีมวลเท่า ๆ กับโปรตอน (องค์ประกอบอันแรกของนิวเคลียส) มีมวลประมาณสองพันเท่าของมวลของอิเล็กตรอน แต่ไม่มีประจุไฟฟ้า การค้นพบอันนี้ไม่ได้หมายความว่านิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนเท่านั้น แต่ยังได้แสดงให้เห็นว่าแรงดึงดูดในนิวเคลียส ซึ่งดึงดูดอนุภาคทั้งสองเกาะกุมกันอยู่ เป็นปรากฏการณ์ใหม่ที่ไม่เคยรับรู้มาก่อนเลย มันไม่ใช่แรงแม่เหล็กไฟฟ้า เนื่องจากนิวตรอนเป็นกลางทางไฟฟ้า นักฟิสิกส์เริ่มตระหนักว่าพวกเขาได้เผชิญกับแรงชนิดใหม่ในธรรมชาติ ซึ่งไม่ได้แสดงตัวมันเองในที่อื่นใดนอกจากภายในนิวเคลียส นิวเคลียสมีขนาดเล็กกว่าอะตอมประมาณหนึ่งแสนเท่า ในขณะที่เป็นมวลสารของอะตอมเกือบทั้งหมด นั่นหมายความว่าสสารที่อยู่ภายในนิวเคลียสต้องหนาแน่นมากเมื่อเทียบกับรูปร่างของสสารวัตถุที่เราคุ้นเคย โดยแท้จริงแล้ว หากเราจะบีบอัดร่างกายของมนุษย์ลงให้มีความหนาแน่นเท่านิวเคลียส มันคงจะมีขนาดเพียงเท่าหัวเข็มหมุดเท่านั้น อย่างไรก็ตาม ความหนาแน่นที่สูงมากเช่นนี้มิใช่คุณสมบัติเพียงประการเดียวของนิวเคลียสซึ่งผิดไปจากธรรมดา โปรตอนและนิวตรอน ซึ่งมักเรียกรวมกันว่า “นิวคลีออน” (Nucleons) ยังแสดงคุณลักษณะในทางควอนตัมเช่นเดียวกับอิเล็กตรอน นั่นคือมีการตอบสนองต่อการจำกัดขอบเขตของมันด้วยการเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงมาก และในเมื่อมันถูกบีบให้อยู่ภายในประมาตรที่เล็กมาก ๆ ปฏิกิริยาของมันจึงรุนแรงมากตามไปด้วย มันเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ ในนิวเคลียสด้วยความเร็วประมาณ 40,000 ไมล์ต่อวินาที ดังนั้นสสารของนิวเคลียสจึงไม่เหมือนกับสิ่งใดซึ่งเราเคยประสบในสภาพแวดล้อมปรกติของเราบางทีเราอาจได้ภาพที่ดีที่สุดที่จะอธิบายมัน โดยการนึกถึงของเหลวหยดเล็ก ๆ ที่มีความหนาแน่นสูงมาก โดยได้รับความร้อนและกำลังเดือดปุดด้วยความรุนแรง ลักษณะสำคัญของสสารของนิวเคลียส ทำให้นิวเคลียสมีคุณสมบัติที่ผิดธรรมดาก็คือมีแรงดึงดูดอันมหาศาลภายในนิวเคลียส และข้อที่แรงชนิดนี้ไม่เหมือนกับแรงชนิดอื่น ๆ ก็คือ ระยะทางระหว่างอนุภาคที่ดึงดูดกันนั้นสั้นมาก มันจะเกิดแรงกระทำก็ต่อเมื่อนิวคลีออนต่างเข้ามาใกล้กันมาก เมื่อระยะห่างระหว่างนิวคลีออนเป็นประมาณ 2-3 เท่าของเส้นผ่าศูนย์กลางของมัน ในระยะห่างขนาดนั้น แรงดึงดูดจะสูงมาก แต่เมื่อระยะสั้นลงไปกว่านั้นจะกลายเป็นแรงผลักที่สูงมากเช่นกัน ดังนั้นนิวคลีออนจึงไม่อาจเข้าใกล้กันได้มากไปกว่านั้น โดยวิธีการเช่นนี้ แรงกระทำภายในจึงทำให้นิวเคลียสมีสภาพคงตัวสูง ถึงแม้ว่าจะอยู่ในสภาพสมดุลทางพลศาสตร์สูงมากก็ตาม ภาพของวัตถุซึ่งเกิดขึ้นจากการศึกษาอะตอมและนิวเคลียสได้แสดงให้เห็นว่ามันรวมตัวกันอยู่ในหยดเล็ก ๆ และอยู่ห่างจากกันเป็นระยะทางมหาศาล ในช่องว่างระหว่างมวลซึ่งกำลังเดือดปุดของหยดนิวเคลียสนั้น มีอิเล็กตรอนเคลื่อนไหวอยู่ นี่เป็นส่วนเล็ก ๆ ของมวลสารทั้งหมด แต่ทำให้มันมีลักษณะแข็งแรง และทำให้เกิดการเชื่อมต่อกันขึ้นเป็นโครงสร้างของโมเลกุล มันยังเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาเคมี และเป็นตัวกำหนดคุณสมบัติทางเคมีของวัตถุ ในทางตรงกันข้าม ปฏิกิริยานิวเคลียร์โดยทั่วไปไม่เกิดขึ้นเองโดยธรรมชาติในรูปลักษณ์ของวัตถุเช่นนี้ เนื่องจากพลังงานในธรรมชาติไม่สูงพอที่จะทำลายสมดุลในนิวเคลียสได้

4.10   ภายในนิวเคลียส
อย่างไรก็ตาม รูปร่างของวัตถุซึ่งมีลักษณะต่าง ๆ กัน และโครงสร้างของโมเลกุลที่ซับซ้อนของมันนั้น จะคงรูปอยู่ในสภาพเงื่อนไขที่พิเศษเท่านั้น เช่นเมื่ออุณหภูมิไม่สูงเกินไปจนทำให้โมเลกุลของมันสั่นมากเกินไป เมื่อพลังงานความร้อนเพิ่มมากขึ้นประมาณร้อยเท่า เช่น ในดาวฤกษ์ ส่วนใหญ่ โครงสร้างของอะตอมและโมเลกุลทั้งหมดถูกทำลายลง โดยแท้จริงแล้วสสารวัตถุในจักรวาลคงอยู่ในสภาพที่แตกต่างไปจากที่ได้กล่าวมาแล้ว ในศูนย์กลางของดวงดาวต่าง ๆ มีการสะสมสสารวัตถุของนิวเคลียสเป็นจำนวนมหาศาล และปฏิกิริยานิวเคลียร์ซึ่งแทบไม่เกิดขึ้นบนพื้นโลกกลับเป็นปฏิกิริยาส่วนใหญ่ที่เกิดขึ้นในดวงดาว ปฏิกิริยาดังกล่าวเป็นตัวการสำคัญที่กำหนดปรากฏการณ์ของดวงดาวต่างๆ ซึ่งสังเกตได้ในวิชาดาราศาสตร์ ส่วนใหญ่เกิดขึ้นจากอิทธิพลของปฏิกิริยานิวเคลียสและแรงความโน้มถ่วง สำหรับโลกของเรานั้นปฏิกิริยานิวเคลียร์ในศูนย์กลางของดวงอาทิตย์เป็นสิ่งสำคัญมาก เนื่องจากมันก่อให้เกิดพลังงานสำหรับสภาวะแวดล้อมบนโลกนับเป็นชัยชนะอันยิ่งใหญ่ของวิชาฟิสิกส์สมัยใหม่ที่ได้ค้นพบว่า พลังงานซึ่งถูกปล่อยมาจากดวงอาทิตย์อย่างสม่ำเสมอ อันเป็นพลังงานสำหรับชีวิตบนโลกนั้น เป็นผลมาจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ในอาณาจักรของสิ่งที่เล็กอย่างไม่มีที่สุด ในประวัติศาสตร์ของการศึกษาสำรวจของมนุษย์ลึกลงไปในอาณาจักรของสิ่งที่เล็กยิ่งกว่าอะตอมนั้น ได้มาถึงภาวะหนึ่งที่นักวิทยาศาสตร์คิดว่า ในที่สุดพวกเขาก็ได้ค้นพบ “หน่วยพื้นฐาน” ของวัตถุแล้ว ในต้นทศวรรษของปี 2473 เป็นที่ทราบกันดีว่าวัตถุทั้งมวลล้วนประกอบด้วยอะตอม และอะตอมประกอบด้วย โปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอน “อนุภาคพื้นฐาน” เหล่านี้ถูกถือว่าเป็นหน่วยของวัตถุซึ่งไม่อาจแบ่งแยกอีกต่อไป เท่ากับเป็นอะตอมในทัศนะของเดโมคริตัส ถึงแม้ทฤษฎีควอนตัมจะอธิบายดังที่ได้กล่าวมาแล้วว่า เราไม่อาจย่อยโลกออกเป็นหน่วยอิสระซึ่งเล็กที่สุดได้ แต่ความข้อนี้ก็ยังไม่เป็นที่ยอมรับกันอย่างกว้างขวางในขณะนั้น ความเคยชินในการคิดแบบดั้งเดิมยังคงอยู่อย่างเหนียวแน่น จนกระทั่งว่านักฟิสิกส์ส่วนใหญ่พยายามที่จะเข้าใจวัตถุในรูปของ “หน่วยพื้นฐาน” และโดยแท้จริงแล้วแนวโน้มของความคิดเช่นนี้ก็ยังมีอิทธิพลอยู่มากในปัจจุบัน อย่างไรก็ตาม พัฒนาการอีก 2 ประการที่เกิดขึ้นในวิชาฟิสิกส์สมัยใหม่ได้แสดงให้เห็นว่า ความคิดเรื่องอนุภาคพื้นฐานซึ่งเป็นหน่วยแรกของวัตถุนั้นจำต้องถูกยกเลิกไป พัฒนาการทั้งสองนี้มีทั้งส่วนที่เป็นการทดลองและส่วนที่เป็นทฤษฏีทั้งสองเริ่มขึ้นหลังปี พ.ศ. 2472 ในด้านการทดลองนั้น ได้มีการค้นพบอนุภาคใหม่ ๆ หลังจากที่นักฟิสิกส์ได้ปรับปรุงเทคนิคการทดลองและได้สร้างเครื่องมือชนิดใหม่ในการตรวจวัดอนุภาค ดังนั้นจำนวนของอนุภาคจึงเพิ่มขึ้นจากสามเป็นหกในปี พ.ศ. 2478 และเป็นสิบแปดในปี พ.ศ. 2498 ในปัจจุบันเรารู้จักอนุภาคมากกว่าสองร้อยชนิด นั่นแสดงให้เห็นว่า คำวิเศษณ์ว่า “พื้นฐาน” นั้นไม่อาจเป็นสิ่งดึงดูดใจได้อีกต่อไปในสภาวการณ์เช่นนี้ ในเมื่อได้มีการค้นพบอนุภาคชนิดต่าง ๆ เพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ในแต่ละปี มันก็เป็นสิ่งที่ชัดเจนว่า อนุภาคทั้งหมดจะถูกเรียกว่าหน่วยพื้นฐานไม่ได้ ในปัจจุบัน มีความเชื่ออย่างกว้างขวางในหมู่นักฟิสิกส์ว่าไม่มีอนุภาคใดที่ควรจะเรียกด้วยชื่อนี้ได้เลย ความเชื่อดังกล่าวข้างต้นได้รับการเน้นย้ำจากพัฒนาการทางทฤษฏีซึ่งเกิดคู่ขนานไปกับการค้นพบอนุภาคเพิ่มมากขึ้น ไม่นานหลังจากสร้างทฤษฏีควอนตัมได้สำเร็จก็เป็นที่เข้าใจกันอย่างชัดเจนว่า ทฤษฎีควอนตัมมิใช่ทฤษฎีเกี่ยวกับปรากฏการณ์ทางนิวเคลียร์ที่สมบูรณ์ แต่ต้องนำทฤษฎีสัมพัทธภาพมาสัมพันธ์ด้วยเป็นส่วนมาก ทั้งนี้เพราะอนุภาคซึ่งมีขอบเขตอยู่ในขนาดของนิวเคลียส มักจะเคลื่อนที่เร็วมากจนเกือบใกล้ความเร็วของแสง ความจริงข้อนี้เป็นสิ่งสำคัญสำหรับการอธิบายพฤติกรรมของมัน เพราะคำอธิบายทุกประการที่เกี่ยวกับปรากฏการณ์ธรรมชาติซึ่งเกี่ยวข้องกับความเร็วใกล้ความเร็วของแสง จะต้องนำทฤษฎีสัมพัทธภาพมาพิจารณาด้วย มันจะต้องเป็นคำอธิบายเชิง “สัมพัทธ์” ดังที่เราเรียกกันดังนั้นสิ่งที่เราต้องการเพื่อความเข้าใจที่สมบูรณ์เกี่ยวกับนิวเคลียสก็คือ ทฤษฎีซึ่งรวมเอาทั้งทฤษฎีควอนตัม และทฤษฎีสัมพัทธภาพไว้ด้วยกัน ทฤษฎีดังกล่าวยังไม่มีใครค้นพบ ดังนั้นเราจึงยังไม่สามารถสร้างทฤษฏีที่สมบูรณ์เกี่ยวกับนิวเคลียสได้ ถึงแม้ว่าเราจะมีความรู้มากพอสมควรเกี่ยวกับโครงสร้างของนิวเคลียสและปฏิกิริยาระหว่างอนุภาคภายในของนิวเคลียส แต่เรายังไม่เข้าใจธรรมชาติและลักษณะความซับซ้อนของแรงนิวเคลียร์ในระดับพื้นฐานเลย ยังไม่มีทฤษฏีที่สมบูรณ์เกี่ยวกับอนุภาคในนิวเคลียสเมื่อเทียบกับที่เรามีทฤษฏีควอนตัมสำหรับอะตอม เรามีแบบจำลอง “ควอนตัม-สัมพัทธ์” หลายอัน ซึ่งใช้อธิบายบางแง่ของอาณาจักรของอนุภาคได้เป็นอย่างดี แต่การหลอมรวมกันของทฤษฏีควอนตัมและทฤษฏีสัมพัทธภาพจนเป็นทฤษฏีสมบูรณ์เกี่ยวกับอาณาจักรของอนุภาค ยังคงเป็นปัญหาสำคัญที่เป็นแกนกลาง และเป็นการท้าทายที่สำคัญต่อฟิสิกส์พื้นฐานสมัยใหม่

4.11   วัตถุคู่ตรงข้าม
ทฤษฏีสัมพัทธภาพได้มีอิทธิพลอย่างสำคัญต่อภาพของวัตถุในความคิดของเรา โดยทำให้เราจำเป็นต้องปรับเปลี่ยนแนวคิดเกี่ยวกับอนุภาคในวิชาฟิสิกส์ดั้งเดิม เมื่อพูดถึงมวลของวัตถุ มันมักจะโยงเอาความหมายของสสารวัตถุซึ่งไม่อาจทำลายได้ อยู่กันเป็น “ก้อน” และประกอบกันขึ้นเป็นวัตถุ ทฤษฎีสัมพัทธภาพได้แสดงให้เห็นว่ามวลไม่มีอะไรเกี่ยวข้องกับวัตถุ หากแต่เป็นพลังงานรูปหนึ่ง อย่างไรก็ตามพลังงานเป็นปริมาณทางพลศาสตร์ซึ่งสัมพันธ์กับกิจกรรมหรือกระบวนการ ข้อเท็จจริงที่ว่า มวลของอนุภาคหนึ่ง ๆ เท่ากับพลังงานจำนวนหนึ่ง หมายความว่าเราไม่อาจถือว่าอนุภาคเป็นวัตถุสถิตได้อีกต่อไป แต่ต้องรับรู้มันในลักษณะที่เป็นแบบแผนทางพลศาสตร์ เป็นกระบวนการซึ่งเกี่ยวข้องกับพลังงาน ซึ่งแสดงตัวมันเองออกมาในรูปของมวลของอนุภาค ดีแร็ก (Dirac) เป็นผู้เสนอทัศนะใหม่เกี่ยวกับอนุภาคนี้ ในเมื่อเขาสร้างสมการสัมพัทธ์สมการหนึ่งเพื่ออธิบายพฤติกรรมของอิเล็กตรอน ทฤษฎีของดีแร็กประสบความสำเร็จอย่างมาก ไม่เพียงแต่ในการอธิบายรายละเอียดของโครงสร้างของอะตอม แต่ยังเปิดเผยถึงสมมาตร (Symmetry) พื้นฐานระหว่างวัตถุและวัตถุคู่ตรงข้าม ( matter and anti – matter) ทฤษฎีของเขาได้ทำนายว่ามีอนุภาคคู่ตรงข้ามของอิเล็กตรอน (anti – electron) ซึ่งมีมวลเท่ากับอิเล็กตรอนแต่มีประจุต่างกัน นั่นคือประจุบวก อนุภาคนี้เรียกว่า โพซิตรอน (Positron) ได้ถูกค้นพบสองปีต่อมาหลังจากการทำนายของดีแร็ก สมมาตรระหว่างวัตถุและวัตถุคู่ตรงข้ามมีความหมายว่าสำหรับอนุภาคทุกชนิด จะมีอนุภาคคู่ตรงข้ามของแต่ละชนิดซึ่งมีมวลเท่ากันแต่มีประจุตรงกันข้าม อนุภาคและอนุภาคคู่ตรงข้ามอาจถูกสร้างขึ้นได้ด้วยพลังงานที่เพียงพอ และอาจถูกเปลี่ยนกลับเป็นพลังงานได้ในกระบวนการทำลายล้าง (annihilation) กระบวนการสร้างและทำลายอนุภาคนี้ได้ถูกทำนายโดยทฤษฎีของดีแร็ก ก่อนที่มันจะถูกค้นพบจริง ๆ ในธรรมชาติ และนับจากนั้นก็สังเกตพบได้นับเป็นล้าน ๆ ครั้ง การสร้างอนุภาคของวัตถุจากพลังงานบริสุทธิ์เป็นผลอันน่าตื่นเต้นที่สุดจากทฤษฏีสัมพัทธภาพ และจะเข้าใจมันได้ก็โดยอาศัยทัศนะเรื่องอนุภาคดังกล่าวข้างต้น ก่อนหน้าวิชาฟิสิกส์แห่งอนุภาคสัมพัทธ์นี้ องค์ประกอบของวัตถุมักถูกพิจารณาในแง่ที่เป็นหน่วยพื้นฐานซึ่งไม่แตกทำลายและไม่เปลี่ยนแปลง หรือไม่ก็เป็นสิ่งซึ่งอาจแบ่งแยกออกต่อไปได้อีก และปัญหาพื้นฐานก็คือว่า เราอาจที่จะแบ่งวัตถุซ้ำแล้วซ้ำอีกได้หรือไม่ หรือว่าในที่สุดเราจะต้องมาหยุดที่หน่วยเล็กที่สุดซึ่งไม่อาจแบ่งแยกได้อีกต่อไป หลังจากการค้นพบของดีแร็ก ปัญหาเรื่องการแบ่งแยกวัตถุทั้งหมดก็ปรากฏในลักษณะใหม่ เมื่ออนุภาคสองตัวชนกันด้วยพลังงานสูง โดยทั่วไปมันจะแตกออกเป็นส่วน ๆ แต่แต่ละส่วนเหล่านี้มิได้เล็กไปกว่าอนุภาคเดิมมันก็ยังคงเป็นอนุภาคและถูกสร้างจากพลังงานที่ใช้ในการเคลื่อนที่ (พลังงานจลน์) ซึ่งเกี่ยวข้องในกระบวนการชนกันของอนุภาค ปัญหาเรื่องการแบ่งย่อยอนุภาคจึงถูกแก้ตกไปในทางซึ่งไม่เคยคิดกันมาก่อน วิธีเดียวที่จะแบ่งอนุภาคที่เล็กกว่าอะตอมออกไปอีกก็คือต้องยิงมันด้วยอนุภาคซึ่งมีพลังงานสูง ๆ โดยวิธีการเช่นนี้เราอาจที่จะแบ่งวัตถุออกซ้ำแล้วซ้ำอีก แต่เราจะไม่เคยได้ชิ้นส่วนที่เล็กลงไปอีกเนื่องจากเราได้สร้างอนุภาคขึ้นมาใหม่จากพลังงานซึ่งใช้ในกระบวนการ อนุภาคซึ่งเล็กกว่าอะตอมจึงเป็นทั้งสิ่งที่ทำลายได้และทำลายไม่ได้ในขณะเดียวกัน

[มดเอ๊กซ]

4.12   บับเบิลแชมเบอร์
ทฤษฏีสัมพัทธภาพไม่เพียงแต่กระทบความคิดในเรื่องอนุภาคของเราอย่างรุนแรงเท่านั้น แต่ยังส่งผลถึงความคิดในเรื่องแรงระหว่างอนุภาคเหล่านี้ ในการอธิบายเชิงสัมพัทธ์ในเรื่องปฏิกิริยาระหว่างอนุภาค แรงกระทำระหว่างอนุภาคนั่นคือแรงดึงดูดหรือแรงผลักระหว่างกันของอนุภาคสองอนุภาคนั้น เกิดขึ้นโดยการแลกเปลี่ยนอนุภาคชนิดอื่นระหว่างอนุภาคทั้งสอง ความคิดนี้ยากที่จะนึกให้เห็นภาพได้ มันเป็นผลเนื่องมาจากลักษณะสี่มิติแห่งกาล อวกาศของอาณาจักรของอนุภาค ทั้งญาณและภาษาของเราไม่อาจใช้กับภาพพจน์ อันนี้ได้อย่างเหมาะสม ทว่าประเด็นนี้เป็นสิ่งสำคัญสำหรับการเข้าใจปรากฏการณ์ต่าง ๆ ของอนุภาคที่เล็กกว่าอะตอม มันเชื่อมโยงแรงกระทำระหว่างองค์ประกอบของวัตถุเข้ากับคุณสมบัติขององค์ประกอบอันอื่นของวัตถุ และได้หลอมรวมสองแนวคิดคือแรงและวัตถุ ซึ่งดูเหมือนจะแตกต่างกันโดยพื้นฐานตั้งแต่สมัยของนักศึกษาเรื่องอะตอมชาวกรีก ทั้งแรงและวัตถุถูกถือว่ามีจุดกำเนิดร่วมกันจากแบบแผนอันเป็นพลวัต (Dynamic Pattern) ซึ่งในปัจจุบันเราเรียกว่าอนุภาค ข้อเท็จจริงที่ อนุภาคมีปฏิกิริยาต่อกันโดยผ่านแรง ซึ่งก็คือการแลกเปลี่ยนอนุภาคชนิดอื่น นับเป็นอีกเหตุผลหนึ่งที่ทำให้ไม่อาจย่อยสลายอาณาจักรของอนุภาคที่เล็กกว่าอะตอมออกเป็นส่วนประกอบต่าง ๆ เมื่อมองจากระดับใหญ่ลงไปสู่ระดับเล็กจนถึงนิวเคลียส แรงซึ่งยึดเหนี่ยวสิ่งต่าง ๆ เข้าด้วยกันเป็นแรงอย่างอ่อนและเราอาจจะถือได้ว่าสิ่งต่าง ๆ ประกอบด้วยหน่วยย่อย ๆ ลงไป ดังนั้น เราอาจกล่าวว่าผลึกเกลือผลึกหนึ่งประกอบด้วยโมเลกุลของเกลือ โมเลกุลของเกลือประกอบด้วยอะตอมสองชนิด อะตอมดังกล่าวประกอบด้วยนิวเคลียสและอิเล็กตรอน นิวเคลียสก็ประกอบไปด้วยโปรตอนและนิวตรอน อย่างไรก็ตามเมื่อถึงระดับอนุภาคแล้ว เราไม่อาจมองสิ่งต่าง ๆ ในลักษณะนั้นได้ เมื่อเร็ว ๆ นี้ มีหลักฐานปรากฏเพิ่มเติมขึ้นอีกมากมายที่สนับสนุนความเข้าใจที่ว่า ทั้งโปรตอนและนิวตรอนต่าง ก็เป็นสิ่งที่ประกอบขึ้นจากสิ่งอื่น แต่แรงยึดเหนี่ยวระหว่างองค์ประกอบเหล่านั้นสูงมาก หรืออยู่ในปริมาณเดียวกัน ความเร็วที่องค์ประกอบเหล่านั้นมีอยู่สูงมาก จนเราต้องใช้ทฤษฏีสัมพัทธภาพเข้าไปประยุกต์ใช้กล่าวคือแรงที่เป็นตัวแรงยึดเหนี่ยวจึงเลอะเลือนไม่ชัดเจน และข้อประมาณที่ว่าวัตถุประกอบด้วยหน่วยย่อยเป็นอันใช้ไม่ได้ โลกของอนุภาคจะแบ่งย่อยเป็นส่วนประกอบพื้นฐานไม่ได้ ในวิชาฟิสิกส์สมัยใหม่ จักรวาลจึงเป็นองค์รวม มีลักษณะเคลื่อนไหว และไม่อาจแบ่งแยกได้ ซึ่งได้รวมเอาผู้สังเกตเข้าไว้ด้วยเสมอ ในประสบการณ์เช่นนี้ความคิดแบบเดิมที่ยึดถือกันมาในเรื่องของอวกาศและเวลา ในเรื่องวัตถุเดี่ยว ๆ ในเรื่องเรื่องเหตุและผล ได้สูญเสียความหมายของมันไป อย่างไรก็ตาม ประสบการณ์เช่นนี้คล้ายคลึงเป็นอย่างยิ่งกับประสบการณ์ของศาสนิกชาวตะวันออก ความคล้ายคลึงนี้ปรากฏชัดในทฤษฎีควอนตัมและทฤษฎีสัมพัทธภาพ และยิ่งชัดเจนมากขึ้นในแบบจำลอง “ ควอนตัม-สัมพัทธ์” ของวิชาฟิสิกส์ที่ว่าด้วยอนุภาคที่เล็กกว่าอะตอมซึ่งทั้งสองทฤษฏีได้รวมกัน และก่อให้เกิดแนวขนานที่ชัดเจนกับศาสนาตะวันออก ก่อนที่จะได้แสดงความคล้ายคลึงดังกล่าวโดยละเอียด ข้าพเจ้าจะนำเสนออย่างคร่าว ๆ เกี่ยวสำนักนิกายต่าง ๆ ของปรัชญาตะวันออก ที่จะมีส่วนสัมพันธ์กับการเปรียบเทียบของเรา (ต่อผู้อ่านซึ่งไม่คุ้นเคย) อันได้แก่ ฮินดู พุทธ และเต๋า ในอีกห้าบทต่อไปนี้ จะได้อธิบายถึงภูมิหลังทางประวัติศาสตร์ ลักษณะสำคัญและแนวคิดทางปรัชญาของศาสนาเหล่านี้ โดยจะเน้นในแง่มุมหรือความคิดซึ่งจะเป็นส่วนสำคัญในการเปรียบเทียบกับวิชาฟิสิกส์

4.13   ควอนตัมสัมพัทธ์
ทฤษฏีสัมพัทธภาพไม่เพียงแต่กระทบความคิดในเรื่องอนุภาคของเราอย่างรุนแรงเท่านั้น แต่ยังส่งผลถึงความคิดในเรื่องแรงระหว่างอนุภาคเหล่านี้ ในการอธิบายเชิงสัมพัทธ์ในเรื่องปฏิกิริยาระหว่างอนุภาค แรงกระทำระหว่างอนุภาคนั่นคือแรงดึงดูดหรือแรงผลักระหว่างกันของอนุภาคสองอนุภาคนั้น เกิดขึ้นโดยการแลกเปลี่ยนอนุภาคชนิดอื่นระหว่างอนุภาคทั้งสอง ความคิดนี้ยากที่จะนึกให้เห็นภาพได้ มันเป็นผลเนื่องมาจากลักษณะสี่มิติแห่งกาล อวกาศของอาณาจักรของอนุภาค ทั้งญาณและภาษาของเราไม่อาจใช้กับภาพพจน์ อันนี้ได้อย่างเหมาะสม ทว่าประเด็นนี้เป็นสิ่งสำคัญสำหรับการเข้าใจปรากฏการณ์ต่าง ๆ ของอนุภาคที่เล็กกว่าอะตอม มันเชื่อมโยงแรงกระทำระหว่างองค์ประกอบของวัตถุเข้ากับคุณสมบัติขององค์ประกอบอันอื่นของวัตถุ และได้หลอมรวมสองแนวคิดคือแรงและวัตถุ ซึ่งดูเหมือนจะแตกต่างกันโดยพื้นฐานตั้งแต่สมัยของนักศึกษาเรื่องอะตอมชาวกรีก ทั้งแรงและวัตถุถูกถือว่ามีจุดกำเนิดร่วมกันจากแบบแผนอันเป็นพลวัต (Dynamic Pattern) ซึ่งในปัจจุบันเราเรียกว่าอนุภาค ข้อเท็จจริงที่ อนุภาคมีปฏิกิริยาต่อกันโดยผ่านแรง ซึ่งก็คือการแลกเปลี่ยนอนุภาคชนิดอื่น นับเป็นอีกเหตุผลหนึ่งที่ทำให้ไม่อาจย่อยสลายอาณาจักรของอนุภาคที่เล็กกว่าอะตอมออกเป็นส่วนประกอบต่าง ๆ เมื่อมองจากระดับใหญ่ลงไปสู่ระดับเล็กจนถึงนิวเคลียส แรงซึ่งยึดเหนี่ยวสิ่งต่าง ๆ เข้าด้วยกันเป็นแรงอย่างอ่อนและเราอาจจะถือได้ว่าสิ่งต่าง ๆ ประกอบด้วยหน่วยย่อย ๆ ลงไป ดังนั้น เราอาจกล่าวว่าผลึกเกลือผลึกหนึ่งประกอบด้วยโมเลกุลของเกลือ โมเลกุลของเกลือประกอบด้วยอะตอมสองชนิด อะตอมดังกล่าวประกอบด้วยนิวเคลียสและอิเล็กตรอน นิวเคลียสก็ประกอบไปด้วยโปรตอนและนิวตรอน อย่างไรก็ตามเมื่อถึงระดับอนุภาคแล้ว เราไม่อาจมองสิ่งต่าง ๆ ในลักษณะนั้นได้ เมื่อเร็ว ๆ นี้ มีหลักฐานปรากฏเพิ่มเติมขึ้นอีกมากมายที่สนับสนุนความเข้าใจที่ว่า ทั้งโปรตอนและนิวตรอนต่าง ก็เป็นสิ่งที่ประกอบขึ้นจากสิ่งอื่น แต่แรงยึดเหนี่ยวระหว่างองค์ประกอบเหล่านั้นสูงมาก หรืออยู่ในปริมาณเดียวกัน ความเร็วที่องค์ประกอบเหล่านั้นมีอยู่สูงมาก จนเราต้องใช้ทฤษฏีสัมพัทธภาพเข้าไปประยุกต์ใช้กล่าวคือแรงที่เป็นตัวแรงยึดเหนี่ยวจึงเลอะเลือนไม่ชัดเจน และข้อประมาณที่ว่าวัตถุประกอบด้วยหน่วยย่อยเป็นอันใช้ไม่ได้ โลกของอนุภาคจะแบ่งย่อยเป็นส่วนประกอบพื้นฐานไม่ได้ ในวิชาฟิสิกส์สมัยใหม่ จักรวาลจึงเป็นองค์รวม มีลักษณะเคลื่อนไหว และไม่อาจแบ่งแยกได้ ซึ่งได้รวมเอาผู้สังเกตเข้าไว้ด้วยเสมอ ในประสบการณ์เช่นนี้ความคิดแบบเดิมที่ยึดถือกันมาในเรื่องของอวกาศและเวลา ในเรื่องวัตถุเดี่ยว ๆ ในเรื่องเรื่องเหตุและผล ได้สูญเสียความหมายของมันไป อย่างไรก็ตาม ประสบการณ์เช่นนี้คล้ายคลึงเป็นอย่างยิ่งกับประสบการณ์ของศาสนิกชาวตะวันออก ความคล้ายคลึงนี้ปรากฏชัดในทฤษฏีควอนตัมและทฤษฎีสัมพัทธภาพ และยิ่งชัดเจนมากขึ้นในแบบจำลอง “ ควอนตัม-สัมพัทธ์” ของวิชาฟิสิกส์ที่ว่าด้วยอนุภาคที่เล็กกว่าอะตอมซึ่งทั้งสองทฤษฏีได้รวมกัน และก่อให้เกิดแนวขนานที่ชัดเจนกับศาสนาตะวันออก ก่อนที่จะได้แสดงความคล้ายคลึงดังกล่าวโดยละเอียด ข้าพเจ้าจะนำเสนออย่างคร่าว ๆ เกี่ยวสำนักนิกายต่าง ๆ ของปรัชญาตะวันออก ที่จะมีส่วนสัมพันธ์กับการเปรียบเทียบของเรา (ต่อผู้อ่านซึ่งไม่คุ้นเคย) อันได้แก่ ฮินดู พุทธ และเต๋า ในอีกห้าบทต่อไปนี้ จะได้อธิบายถึงภูมิหลังทางประวัติศาสตร์ ลักษณะสำคัญและแนวคิดทางปรัชญาของศาสนาเหล่านี้ โดยจะเน้นในแง่มุมหรือความคิดซึ่งจะเป็นส่วนสำคัญในการเปรียบเทียบกับวิชาฟิสิกส์
 
               
คัดลอกจาก ::
http://www.rit.ac.th/homepage-sc/charud/scibook/tao%20of%20physics

[แก้วจ๋าหน้าร้อน]

  ขอบคุณครับพี่มด
เรื่องนี้เคยมีหลายคนวิจารณ์ในโต๊ะสนทนาเล็กๆนะครับ ว่าผู้เขียนใส่ความรู้สึกในงานเขียนมากไปจนล้นแก้วนะครับในบางบทบางตอน
ส่วนตัวผมถือเป็นทัศนคติที่ส่งเสริม พระพุทธศาสนาในทางที่ดีครับ น่าอนุโมทนาครับ