บทความ
(1) เรามีแท่งแม่เหล็กยาวสองแท่ง แท่งหนึ่งถูกแขวนไว้อย่างอิสระที่จุดศูนย์กลางของมัน อีกแท่งหนึ่งถูกถือไว้ในมือ แล้วนำปลายของแม่เหล็กสองแท่งนี้มาอยู่ร่วมกันในลักษณะที่เราสังเกตเห็นแรงดึงดูดที่รุนแรงระหว่างมัน เราสามารถทำย่างนี้ได้เสมอ ถ้าไม่มีแรงดึงดูดเกิดขึ้น เราจะต้องกลับแม่เหล็กและลองใช้อีกปลายหนึ่ง อะไรบางอย่างจะเกิดขึ้น ถ้าเมื่อไรก็ตามแท่งนี้ถูกทำให้เป็นแม่เหล็ก ปลายของแม่เหล็กเราเรียกว่า
“ขั้ว” เพื่อทำการทดลองต่อไป เราจะเลื่อนขั้วของแม่เหล็กที่ถืออยู่ในมือไปตามแนวของแท่งแม่เหล็กอีกแท่งหนึ่ง เราจะสังเกตเห็นว่าแรงดึงดูดลดลง และเมื่อขั้วนี้ไปถึงตรงกลางของแม่เหล็กที่แขวนอยู่จะไม่มีสิ่งบ่งชี้ของแรงใด ๆ เลย ถ้าเลื่อนขั้วนี้ต่อไปอีกในทิศทางเดิม จะสังเกตเห็นแรงผลัก และจะมีความแรงมากที่สุดที่ขั้วทั้งสองของแม่เหล็กที่แขวนอยู่
(2) การทดลองที่กล่าวมาข้างต้นทำให้นึกถึงการทดลองอีกการทดลองหนึ่ง แม่เหล็กแต่ละแท่งมีสองขั้ว เราไม่สามารถแยกแม่เหล็กแท่งหนึ่งออกได้ใช่หรือไม่? ความคิดนั้นง่ายมาก : ก็แค่หักแม่เหล็กออกเป็นสองส่วนเท่า ๆ กันเท่านั้น เรารู้แล้วว่าไม่มีแรงระหว่างขั้วของแม่เหล็กแท่งหนึ่ง กับตรงกลางของอีกแท่งหนึ่ง แต่ผลของการหักแม่เหล็กจริง ๆ นั้นน่าประหลาดใจและคาดไม่ถึง ถ้าเราทำการทดลองที่ได้อธิบายไปใน (1) ซ้ำ โดยใช้แม่เหล็กที่แขวนไว้ที่ยาวเพียงครึ่งหนึ่งเท่านั้น ผลลัพธ์จะเหมือนกับผลลัพธ์อันก่อนอย่างไม่ผิดเพี้ยน! บริเวณที่ไม่มีสิ่งบ่งชี้ของแรงแม่เหล็กเลยก่อนหน้านี้ ตอนนี้มีขั้วที่แรง
จะอธิบายข้อเท็จจริงเหล่านี้อย่างไร? เราอาจพยายามที่จะจำลองทฤษฏีเชิงแม่เหล็กตามแบบอย่างทฤษฏีเชิงของไหลไฟฟ้าได้ สิ่งนี้ได้รับการเสนอโดยข้อเท็จจริงที่ว่าในที่นี้เหมือนในปรากฏการณ์เชิงไฟฟ้าสถิตคือเรามีแรงดูดและแรงผลัก นึกภาพตัวนำทรงกลมสองลูกที่มีประจุเท่ากันลูกหนึ่งบวก และอีกลูกหนึ่งลบ ในที่นี้คำว่า “เท่ากัน” หมายความว่ามีค่าสัมบูรณ์ค่าเดียวกัน ตัวอย่างเช่น +5 และ -5 มีค่าสัมบูรณ์ค่าเดียวกัน เราลองสมมติว่าเราเชื่อมทรงกลมเหล่านี้ด้วยฉนวนอย่างเช่นแท่งแก้ว ในรูปแบบของแผนภาพ เราอาจแทนการจัดนี้ได้โดยใช้ลูกศรที่ชี้จากตัวนำที่ถูกอัดด้วยประจุลบไปยังตัวนำที่
ถูกอัดด้วยประจุบวก เราจะเรียกทั้งหมดนี้ว่า ไดโพลไฟฟ้า มันชัดเจนว่าไดโพลแบบนี้สองไดโพลประพฤติตัวเหมือนกับแท่งแม่เหล็กในการทดลอง (1) อย่างไม่ผิดเพี้ยน ถ้าเราคิดว่าสิ่งประดิษฐ์ของเราเป็นแบบจำลองสำหรับแม่เหล็กจริง ๆ เราอาจจะพูดได้ว่าถ้าสมมติว่าของไหลแม่เหล็กมีอยู่จริง แม่เหล็กก็ไม่ใช่อะไรอื่นนอกจาก ไดโพลแม่เหล็ก ที่มีของไหลที่แตกต่างกันสองชนิดอยู่ที่ปลายต่าง ๆ ของมัน ทฤษฏีง่าย ๆ ซึ่งลอกเลียนทฤษฏีเชิงไฟฟ้านี้เพียงพอสำหรับอธิบายการทดลองแรก จะมีแรงดูดที่ปลายข้างหนึ่ง แรงผลักที่ปลายอีกข้างหนึ่ง และมีสมดุลของแรงที่มีขนาดเท่ากัน แต่มีทิศทางตรงกันข้ามกันที่ตรงกลาง แต่การทดลองที่สองล่ะ? เมื่อหักแท่งแก้วในกรณีของไดโพลไฟฟ้า เราจะได้ขั้วเดี่ยวสองขั้ว อย่างเดียวกันนี้ควรจะใช้ได้สำหรับแท่งเหล็กของไดโพลแม่เหล็ก ซึ่งขัดแย้งกับผลของการทดลองที่สอง ดังนั้นความขัดแย้งนี้บังคับเราให้นำทฤษฏีที่ค่อนข้างละเอียดอ่อนกว่ามาใช้ แทนที่จะใช้แบบจำลองอันก่อนของเรา เราอาจจะนึกภาพว่าแม่เหล็กประกอบด้วยไดโพลแม่เหล็ก มูลฐานที่เล็กมาก ซึ่งเราไม่สามารถหักออกเป็นขั้วที่แยกออกจากกันได้ ความเป็นระเบียบเกิดขึ้นทั่วแม่เหล็กทั้งแท่ง เนื่องจากไดโพลมูลฐานทุก ๆ ไดโพลจะชี้ไปในทิศทางเดียวกัน เราก็เข้าใจในทันทีว่าทำไมการตัดแม่เหล็กทำให้เกิดขั้วใหม่สองขั้วปรากฏขึ้นที่ปลายใหม่ และทำไมทฤษฏีที่ได้รับ
การปรับแต่งให้ดีขึ้นนี้ จึงอธิบายข้อเท็จจริงเกี่ยวกับการทดลอง (1) และ (2) ได้
มีข้อเท็จจริงจำนวนมากที่ทฤษฏีที่ง่ายกว่าอธิบายได้และดูเหมือนว่าไม่จำเป็นต้องมีการปรับแต่งให้ดีขึ้น เราลองยกตัวอย่าง : เรารู้ว่าแม่เหล็กดูดเศษเหล็ก ทำไมล่ะ? ในเศษเหล็กธรรมดาของไหลแม่เหล็กจะอยู่รวมกัน ดังนั้นจะไม่เกิดผลลัพธ์สุทธิขึ้น การนำขั้วบวกเข้ามาใกล้ทำหน้าที่เหมือนเป็น “คำสั่งให้แบ่งแยก” กับของไหล คือจะดูดของไหลชนิดลบของเหล็ก และจะผลักชนิดบวก ตามมาด้วยการดึงดูดระหว่างเหล็กและแม่เหล็ก ถ้าเอาแม่เหล็กออกไป โดยทั่วไปของไหลจะกลับไปสู่สภาวะเดิม ซึ่งขึ้นอยู่กับว่ามันจดจำเสียงคำสั่งของแรงภายนอกได้มากเพียงใด
มีความจำเป็นเล็กน้อยที่เราต้องพูดเกี่ยวกับแง่มุมเชิงปริมาณของปัญหา โดยใช้แท่งโลหะที่ถูกทำให้เป็นแม่เหล็กที่ยาวมากสองแท่ง เราสามารถตรวจสอบแรงดึงดูด (หรือแรงผลัก) ของขั้วของมันได้เมื่อนำมาใกล้กัน ผลกระทบของอีกปลายหนึ่งของแท่งโลหะจะน้อยมากจนตัดออกไปได้ถ้าแท่งโลหะยาวพอ แรงดึงดูดและแรงผลักขึ้นอยู่กับระยะทางระหว่างขั้วอย่างไร? คำตอบที่ได้จากการทดลองของคูลอมบ์ก็คือว่า การขึ้นอยู่กับระยะทางนี้เหมือนในกฎของความโน้มถ่วงของนิวตันและกฎของไฟฟ้าสถิตของคูลอมบ์
เราได้เห็นการประยุกต์ใช้ทรรศนะทั่วไปอีกครั้งในทฤษฏีนี้ ; แนวโน้มที่จะอธิบายปรากฏการณ์ทุกปรากฏการณ์โดยใช้แรงดึงดูดและแรงผลัก ซึ่งขึ้นอยู่กับระยะทางเท่านั้น และกระทำระหว่างอนุภาคต่าง ๆ ที่เปลี่ยนแปลงไม่ได้
เราควรจะกล่าวถึงข้อเท็จจริงที่เป็นที่รู้จักกันดีอันหนึ่ง เนื่องจากเราจะใช้ประโยชน์จากมันในภายหลัง โลกเป็นไดโพลแม่เหล็กขนาดใหญ่ ไม่มีหลักฐานเกี่ยวกับการอธิบายเรื่องที่ว่าสิ่งนี้เป็นจริงเลยแม้แต่น้อย ขั้วเหนือเป็นขั้วแม่เหล็กโลกชนิดลบ (-) โดยประมาณ และขั้วใต้เป็นขั้วแม่เหล็กโลกชนิดบวก (+) ชื่อบวกและลบเป็นเพียงเรื่องของข้อตกลงเท่านั้น แต่เมื่อพอถูกกำหนดไปแล้วก็จะช่วยให้เราสามารถระบุขั้วต่าง ๆ ในกรณีอื่นๆได้ เข็มแม่เหล็กที่ถูกยึดไว้กับแกนในแนวตั้งจะปฏิบัติตามคำสั่งของแรงแม่เหล็กโลก มันจะชี้ขั้ว (+) ของมันไปทางขั้วเหนือ หรืออีกนัยหนึ่งคือไปทางขั้วแม่เหล็กโลกชนิด (-)
ถึงแม้ว่าเราสามารถนำเอาทัศนะเชิงกลในขอบข่ายของปรากฏการณ์เชิงไฟฟ้าและแม่เหล็กที่ได้เสนอไปในที่นี้ไปปฏิวัติอย่างสอดคล้องกัน ไม่มีเหตุผลอะไรที่จะภูมิใจหรือพอใจเป็นพิเศษ ลักษณะสำคัญบางอย่างของทฤษฏีนี้ไม่น่าพอใจเอาจริง ๆ ถ้าไม่ท้อใจ จะต้องคิดค้นสสารชนิดใหม่ ๆ ขึ้นมา ; ของไหลไฟฟ้าสองชนิด และไดโพลแม่เหล็กมูลฐาน สสารจำนวนมากมายเริ่มที่จะท่วมท้น
แรงต่าง ๆ นั้นง่าย ๆ มันสามารถแสดงได้ในลักษณะที่คล้ายกันสำหรับแรงโน้มถ่วง แรงไฟฟ้าและแรงแม่เหล็ก แต่การแลกเปลี่ยนสำหรับความง่ายนี้สูง : การนำเสนอสสารที่ไม่มีน้ำหนักใหม่ ๆ สิ่งเหล่านี้เป็นแนวความคิดที่ค่อนข้างไม่เป็นธรรมชาติ และไม่ค่อยเกี่ยวข้องกับสสารพื้นฐานคือมวลนัก
0 ความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น