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
ขอบคุณครับพี่มด
