ความเสื่อมของทัศนะเชิงกล ตอนที่ 1-ของไหลไฟฟ้าสองชนิด

หน้าต่อ ๆ ไปนี้จะมีรายงานที่จืดชืดหน้าเบื่อของการทดลองที่ง่ายมากจำนวนหนึ่งรวมอยู่ เรื่องราวจะน่าเบื่อหน่าย ไม่ใช่เพียงเพราะการอธิบายเกี่ยวกับการทดลองไม่น่าสนใจเมื่อเทียบกับการทำงานจริง ๆ ของเขาเท่านั้นแต่เป็นเพราะความหมายของการทดลองไม่ได้เริ่มปรากฏชัดเจนจนกระทั่งทฤษฏีทำให้มันเป็นเช่นนั้น จุดมุ่งหมายของเราคือการจัดหาตัวอย่างที่น่าประทับใจเกี่ยวกับบทบาทของทฤษฏีในฟิสิกส์




(1) ท่อนโลหะท่อนหนึ่งถูกยึดไว้กับฐานแก้วอันหนึ่ง และแต่ละปลายของท่อนโลหะนี้ถูกเชื่อมเข้ากับอิเล็กทรอสโคปโดยใช้สายไฟ อิเล็กทรอสโคปคืออะไร? มันเป็นอุปกรณ์อย่างง่ายที่โดยหลักการประกอบด้วยแผ่นทองบาง ๆ สองแผ่นห้อยลงมาจากปลายของชิ้นโลหะสั้น ๆ สิ่งนี้จะอยู่ในขวดโถแก้วโดยชิ้นโลหะจะเชื่อมต่อกับตัวถังที่ไม่ใช่โลหะที่เรียกว่าฉนวนเท่านั้น นอกเหนือจากอิเล็กทรอสโคปและท่อนโลหะแล้ว เรามีแท่งยางแข็งแท่งหนึ่งและฟ้าสักหลาดผืนหนึ่ง
 
 
 

การทดลองนี้กระทำดังต่อไปนี้ : เราคาดหวังที่จะเห็นแผ่นทองที่ห้อยลงมาว่าเข้าใกล้กันหรือไม่ เนื่องจากนี่เป็นตำแหน่งปกติของมัน ถ้าบังเอิญมันไม่เข้าใกล้กันการใช้นิ้วมือแตะลงบนท่อนโลหะจะนำมันมาใกล้กัน เมื่อทำขั้นตอนขั้นต้นเหล่านี้แล้วจะถูแท่นยางอย่างรุนแรงด้วยผ้าสักหลาด และนำมาแตกท่อนโลหะ แผ่นทองจะแยกออกจากกันทันที! มันจะยังคงแยกออกจากกันแม้ว่าจะเอาแท่งยางออกไปแล้ว

(2) เราทำการทดลองอีกการทดลองหนึ่ง ซึ่งใช้อุปกรณ์อย่างเดียวกันกับการทดลองก่อน เริ่มต้นด้วยการทำให้แผ่นทองที่แขวนอยู่เข้ามาอยู่ใกล้กันอีกครั้ง ครั้งนี้เราจะไม่เอาแท่งยางมาแตะกับท่อนโลหะจริง ๆ เพียงแต่นำเข้ามาใกล้มันเท่านั้น แผ่นทองจะแยกออกจากกันอีกครั้ง แต่มีที่ต่างกัน! เมื่อเอาแท่งยางออกไปโดยไม่ได้แตะกับท่อนโลหะ แผ่นทองจะตกลงกลับสู่ตำแหน่งปกติของมันทันที แทนที่จะยังคงแยกออกจากกัน



(3) เราลองเปลี่ยนอุปกรณ์เล็กน้อยสำหรับการทดลองที่สาม สมมติว่าท่อนโลหะนี้ประกอบไปด้วยท่อนโลหะสองชิ้นที่เชื่อติดกัน เราถูแท่นยางด้วยผ้าสักหลาดและนำมันมาอยู่ใกล้ท่อนโลหะอีกครั้ง ปรากฏการณ์

 

อย่างเดียวกันจะเกิดขึ้น คือแผ่นทองจะแยกออกจากกัน แต่ตอนนี้เราลองแยกท่อนโลหะออกเป็นส่วนที่แยกออกจากกันสองส่วน และหลังจากนั้นก็เอาแท่งยางออกไป เราสังเกตเห็นว่าในกรณีนี้แผ่นทองยังคงแยกออกจากกัน แทนที่จะตกลงกลับสู่ตำแหน่งปกติของมัน เหมือนกับในการทดลองที่สอง




มันยากที่จะแสดงความสนใจอย่างกระตือรือร้นกับการทดลองง่าย ๆ และง่าย ๆ ซื่อ ๆ เหล่านี้ ในยุคกลางผู้ทำการทดลองน่าจะถูกวิพากษ์วิจารณ์ในทางไม่ดี และสำหรับเรามันดูเหมือนทั้งไม่น่าสนใจและไม่น่าสมเหตุสมผลเลย หลังจากที่ได้อ่านรายงานนี้เพียงครั้งเดียว คงจะยากมากที่จะทำมันซ้ำโดยไม่เริ่มสับสน ความคิดเชิงทฤษฏีบางอย่างทำใหมันเป็นที่เข้าใจได้ เราอาจพูดได้อีกว่า : แทยจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะนึกภาพการทดลองเช่นนั้นว่าถูกทำขึ้นเหมือนเป็นการเล่นสนุกโดยบังเอิญ โดยไม่มีความคิดที่ชัดเจนแน่นอนเกี่ยวกับความหมายของมันโดยประมาณมาก่อน



ตอนนี้เราชี้ให้เห็นความคิดที่เป็นรากฐานของทฤษฏีที่ง่าย ๆ ซื่อ ๆ และง่ายมากทฤษฏีหนึ่งซึ่งอธิบายข้อเท็จจริงทั้งหมดที่ได้อธิบายไปแล้ว



มีของไหลไฟฟ้าอยู่สองอย่าง อันหนึ่งเรียกว่า บวก (+) และอีกอันหนึ่ง ลบ (-) มันค่อนข้างเหมือนกับสสารตามความหมายที่ได้อธิบายไปแล้ว คือว่าปริมาณอาจขยายให้ใหญ่ขึ้นหรือลดน้อยลงได้ แต่จำนวนทั้งหมดในระบบที่ถูกแยกไว้อยู่โดดเดี่ยวใด ๆ จะอนุรักษ์ อย่างไรก็ตามมีความแตกต่างที่สำคัญที่สุดระหว่างกรณีนี้และกรณีของความร้อนคือเป็นสสารหรือพลังงาน เรามีสสารเชิงไฟฟ้าอยู่สองอย่าง ในที่นี้มันเป็นไปไม่ได้ที่จะใช้การเปรียบเทียบก่อนหน้านี้เกี่ยวกับเงิน เว้นแต่มันจะได้รับการวางหลักเกณฑ์ทั่วไปด้วยวิธีใดวิธีหนึ่ง วัตถุจะเป็นกลางทางไฟฟ้า ถ้าของไหลไฟฟ้าบวกและลบหักลบกันไปพอดี คน ๆ หนึ่งไม่มีอะไรเลยอาจเป็นเพราะเขาไม่มีอะไรเลยจริง ๆ หรือเป็นเพราะปริมาณเงินที่เก็บไว้ในตู้นิรภัยเท่ากับผลรวมของหนี้สินพอดี เราอาจเปรียบเทียบรายการเงินที่หักจากบัญชีกับรายการเงินที่อยู่ในบัญชีธนาคารในสมุดบัญชีแยกประเภทของเขา กับของไหลไฟฟ้าสองอย่างนี้ได้



สมมติฐานต่อไปของทฤษฏีก็คือว่า ของไหลไฟฟ้าสองอันที่เป็นชนิดเดียวกันจะผลักซึ่งกันและกัน ในขณะที่ของไหลไฟฟ้าสองอันที่เป็นชนิดตรงกันข้ามจะดึงดูดกัน เราสามารถแทนสิ่งนี้ได้โดยการใช้ภาพวาดในลักษณะดังต่อไปนี้ :

สมมติฐานเชิงทฤษฏีสุดท้ายที่จำเป็นก็คือมีวัตถุอยู่สองประเภทวัตถุที่ของไหลสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระเรียกว่า ตัวนำ และวัตถุที่มันไม่สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระเรียกว่า ฉนวน อย่างที่เป็นจริงเสมอ ในกรณีเช่นนั้นก็คือการแบ่งนี้ไม่ได้จะถือให้เป็นจริงเป็นจังนัก ตัวนำและฉนวนที่สมบูรณ์เป็นสิ่งที่สมมติขึ้นซึ่งไม่อาจทำให้เกิดขึ้นจริงได้ เลย โลหะโลก ร่างกายของคน ทั้งหมดเป็นตัวอย่างของตัวนำ ถึงแม้จะไม่ดีพอ ๆ กันก็ตาม แก้ว ยาง เครื่องเคลือบดินเผา แลอื่น ๆ เป็นฉนวน อากาศเป็นเพียงฉนวนที่ไม่สมบูรณ์เท่านั้น อย่างที่ทุกคนที่ได้ดุการทดลองที่ได้อธิบายไปแล้วรู้ มันเป็นข้อแก้ตัวที่ดีเสมอที่จะอ้างเหตุที่ผลลัพธ์ของการทดลองเกี่ยวกับ ไฟฟ้าสถิตออกมาไม่ดีว่าเป็นเพราะความชื้นของอากาศซึ่งจะทำให้ความนำของมัน เพิ่มขึ้น

สมมติฐานเชิงทฤษฏีเหล่านี้เพียงพอที่จะใช้อธิบายการทดลองตามการทดลองที่ได้อธิบายไปแล้ว เราจะพูดถึงมันอีกครั้งตามลำดับเดิม แต่พิจารณาในแง่มุมของทฤษฏีของไหลไฟฟ้า



(1) แท่งยางก็เหมือนกับวัตถุอื่น ๆ ทั้งหมด คือในสภาวะปกติจะเป็นกลางทางไฟฟ้า ทันมีของไหลสองชนิดคือบวกและลบในปริมาณที่เท่ากัน เมื่อถูด้วยผ้าสักหลาดเราจะแยกมันออกจากกัน สิ่งที่กล่าวนี้เป็นเพียงข้อตกลงเท่านั้น เนื่องจากมันเป็นการประยุกต์ใช้ระบบคำศัพท์ซึ่งถูกสร้างโดยทฤษฏีเพื่อจะอธิบายเกี่ยวกับกระบวนการของการถู ไฟฟ้าชนิดที่แท่งยางมีเกินมาในภายหลังเรียกว่าลบ ซึ่งเป็นชื่อที่ความจริงเป็นเพียงเรื่องของข้อตกลงเท่านั้น ถ้าการทดลองใช้แท่งแก้วถูกับขนแมว เราควรต้องเรียกไฟฟ้าส่วนที่เกินมาว่า บวก เพื่อให้สอดคล้องกับข้อตกลงที่เป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไป เพื่อดำเนินการทดลองต่อไป เราจะย้ายของไหลไฟฟ้าที่เป็นตัวนำโลหะโดยแตกมันกับแท่งยาง ในที่นี้มันจะเคลื่อนที่อย่างอิสระและกระจายไปทั่วโลหะทั้งท่อนรวมทั้งแผ่นทองด้วย เนื่องจากกิริยาของลบกับลบเป็นแรงผลัก แผ่นทองทั้งสองแผ่นพยายามที่จะออกห่างจากกันให้มาทกี่สุดเท่าที่จะมากได้ และผลก็คือการแยกออกจากกันที่เราสังเกตเห็น โลหะวางอยู่บนแก้วหรือฉนวนอื่น ๆ เพื่อให้ของไหลยังคงอยู่บนตัวนำได้นานที่สุดเท่าที่ความนำของอากาศจะยอมได้ ตอนนี้เราเข้าใจแล้วว่าทำไมเราต้องแตะโลหะก่อนเริ่มทำการทดลอง ในกรณีนี้โลหะร่างกายของคนและโลกเป็นตัวนำขนาดใหญ่มหึมา ซึ่งของไหลไฟฟ้าจะเจือจางเสียจนกระทั่งในทางปฏิบัติถือว่าไม่มีอะไรเหลืออยู่บนอิเล็กทรอสโคปเลย



(2) การทดลองนี้เริ่มในลักษณะเดียวกันกับการทดลองก่อนหน้านี้ แต่แทนที่จะเอาแท่งยางมาแตกท่อนโลหะ ตอนนี้จะเอามาอยู่ใกล้มันเท่านั้น ของไหลสองชนิดในตัวนำซึ่งเป็นอิสระในการเคลื่อนที่จะถูกแยกออกจากกัน โดยที่ชนิดหนึ่งถูกดูดและอีกชนิดหนึ่งถูกผลัก มันจะมาอยู่รวมกันอีกครั้งเมื่อเรานำแท่งยางออกไป เนื่องจากของไหลชนิดตรงกันข้ามกันจะดูดกัน



(3) ตอนนี้เราแยกท่อนโลหะออกเป็นสองส่วน และหลังจากนั้นก็เอาแท่งยางออกไป ในกรณีนี้ของไหลสองชนิดจะไม่สามารถอยู่รวมกันได้ ดังนั้นแผ่นทองจะมีส่วนเกินของของไหลไฟฟ้าชนิดหนึ่งอยู่และยังคงแยกออกจากกัน



เมื่อมีทฤษฏีง่าย ๆ นี้ข้อเท็จจริงทั้งหมดที่ได้กล่าวถึงในที่นี้ดูท่าว่าจะเข้าใจได้ ทฤษฏีเดียวกันนี้ทำอะไรได้มากกว่า คือช่วยให้เราสามารถเข้าใจ ไม่เพียงสิ่งเหล่านี้เท่านั้น แต่ข้อเท็จจริงอื่น ๆ อีกมากในขอบข่ายของ “ไฟฟ้าสถิต” ด้วย จุดประสงค์ของทฤษฏีทุกทฤษฏีคือเพื่อนำทางเราไปสู่ข้อเท็จจริงใหม่ ๆ เสนอการทดลองใหม่ ๆ และนำไปสู่การค้นพบปรากฏการณ์ใหม่ ๆ และกฎใหม่ ๆ ตัวอย่าง ๆ หนึ่งจะทำให้สิ่งนี้กระจ่างชัดเจน นึกภาพว่ามีการเปลี่ยนแปลงการทดลองที่สอง สมมติว่าฉันเอาแท่งยางไปไว้ใกล้ท่อนโลหะ และในเวลาเดียวกันก็แตะตัวนำด้วยนิ้วมือของฉัน ตอนนี้จะเกิดอะไรขึ้น? ทฤษฏีตอบว่า : ของไหลที่ถูกผลัก (-) ตอนนี้สามารถ


 
 

เมื่อมีทฤษฏีง่าย ๆ นี้ข้อเท็จจริงทั้งหมดที่ได้กล่าวถึงในที่นี้ดูท่าว่าจะเข้าใจได้ ทฤษฏีเดียวกันนี้ทำอะไรได้มากกว่า คือช่วยให้เราสามารถเข้าใจ ไม่เพียงสิ่งเหล่านี้เท่านั้น แต่ข้อเท็จจริงอื่น ๆ อีกมากในขอบข่ายของ “ไฟฟ้าสถิต” ด้วย จุดประสงค์ของทฤษฏีทุกทฤษฏีคือเพื่อนำทางเราไปสู่ข้อเท็จจริงใหม่ ๆ เสนอการทดลองใหม่ ๆ และนำไปสู่การค้นพบปรากฏการณ์ใหม่ ๆ และกฎใหม่ ๆ ตัวอย่าง ๆ หนึ่งจะทำให้สิ่งนี้กระจ่างชัดเจน นึกภาพว่ามีการเปลี่ยนแปลงการทดลองที่สอง สมมติว่าฉันเอาแท่งยางไปไว้ใกล้ท่อนโลหะ และในเวลาเดียวกันก็แตะตัวนำด้วยนิ้วมือของฉัน ตอนนี้จะเกิดอะไรขึ้น? ทฤษฏีตอบว่า : ของไหลที่ถูกผลัก (-) ตอนนี้สามารถ

 
 

แต่การเปรียบเทียบนี้จะต้องไม่ถูกผลักดันมากเกินไป ตัวอย่างหนึ่งแสดงให้เห็นความแตกต่างและความคล้ายคลึงกัน ถ้านำวัตถุที่ร้อนมาสัมผัสกับวัตถุที่เย็นความร้อนจะไหลจากวัตถุที่ร้อนกว่าไปยังวัตถุที่เย็นกว่าในทางตรงกันข้าม สมมติว่าเรามีตัวนำที่ถูกหุ้มด้วยฉนวนสองอันที่มีประจุชนิดตรงกันข้ามกันแต่มีปริมาณเท่ากัน ประจุหนึ่งคือบวกและอีกประจุหนึ่งคือลบ วัตถุทั้งสองมีศักย์ไฟฟ้าที่แตกต่างกัน โดยข้อตกลงเราถือว่าศักย์ที่สอดคล้องกับประจุบวก ถ้านำตัวนำสองอันนี้มาสัมผัสกัน หรือเชื่อมต่อกันด้วยสายไฟ สรุปจากทฤษฏีของไหลไฟฟ้าได้ว่ามันจะแสดงว่าไม่มีประจุไฟฟ้าเลย และจึงไม่มีความแตกต่างของศักย์ไฟฟ้า เราจะต้องนึกภาพว่ามี “การไหล” ของประจุไฟฟ้าจากตัวนำหนึ่งไปยังอีกตัวนำหนึ่งในช่วงเวลาสั้น ๆ ที่ความต่างศักย์ถูกทำให้เท่ากัน แต่โดยวิธีใดล่ะ? ของไหลชนิดบวกไหลไปสู่วัตถุชนิดลบ หรือของไหลชนิดลบไหลไปสู่วัตถุชนิดบวก?

ในเนื้อหาที่เสนอไปในที่นี้ เราไม่มีหลักการสำหรับการตัดสินระหว่างทางเลือกสองทางนี้ เราอาจสมมติว่าเป็นอันใดอันหนึ่งในความเป็นไปได้สองอย่างนี้ หรือว่าการไหลเกิดขึ้นพร้อมกันในทั้งสองทิศทางได้ มันเป็นเรื่องของการยอมรับข้อตกลงเท่านั้น และไม่อาจมีนัยสำคัญที่ผูกพันอยู่กับการเลือกได้เลย เนื่องจากเราไม่รู้วิธีการของการตัดสินปัญหานี้ในเชิงการทดลองเลย การพัฒนาอื่น ๆ ที่นำไปสู่ทฤษฏีเชิงไฟฟ้าที่ลึกซึ้งมากขึ้นได้ให้คำตอบของปัญหานี้ ซึ่งไม่ค่อยมีความหมายนัก เมื่อถูกกำหนดในพจน์ของทฤษฏีเชิงของไหลไฟฟ้าที่ค่อนข้างเก่าและง่าย ๆ ในที่นี้เราจะใช้วิธีการสื่อต่อไปนี้เท่านั้น ของไหลไฟฟ้าไหลจากตัวนำสองอันของเราไฟฟ้าจะไหลจากบวกไปลบ นิพจน์นี้เป็นเรื่องของข้อตกลงเท่านั้นและ

 
 

 
 
 
พอถึงจุดนี้ไม่ค่อยเจาะจงนัก ความยุ่งยากทั้งหมดบ่งชี้ว่าการเปรียบเทียบระหว่างความร้อนและไฟฟ้าไม่ได้สมบูรณ์เลย








เราได้เห็นความเป็นไปได้ของการใช้ทัศนะเชิงกลในการอธิบายข้อเท็จจริงขั้นพื้นฐานต่าง ๆ เกี่ยวกับไฟฟ้าสถิต สิ่งเดียวกันนี้ก็อาจเกิดขึ้นได้ในกรณีของปรากฏการณ์เชิงแม่เหล็ก