บทความ
การพัฒนาอย่างมากมายมหาศาลเกี่ยวกับไฟฟ้าซึ่งเป็นสาขาหนึ่งของวิทยาศาสตร์และเทคนิค เริ่มด้วยการค้นพบกระแสไฟฟ้า ในที่นี้เราได้พบหนึ่งในไม่กี่ตัวอย่างที่ดูเหมือนความบังเอิญเข้าไปมีบทบาทสำคัญในประวัติศาสตร์ของวิทยาศาสตร์ เรื่องราวเกี่ยวกับการกระตุกของขากบได้รับการเล่าขานในลักษณะที่แตกต่างกันในหลายลักษณะ โดยไม่คำนึงถึงความเป็นจริงของข้อมูลรายละเอียดต่าง ๆ ไม่ต้องสงสัยเลยว่า การค้นพบโดยบังเอิญของกัลวานี ทำให้โวลตา สามารถสร้างสิ่งที่รู้จักกันโดยทั่วไปว่า แบตเตอรี่โวลตาอิก ในตอนปลายของศตวรรษที่สิบแปด เราไม่ได้ใช้สิ่งนี้ให้เป็นประโยชน์ในเชิงปฏิบัติอีกต่อไปแล้ว แต่มันยังจัดเป็นตัวอย่างที่ง่ายมากเกี่ยวกับแหล่งกำเนิดของกระแสไฟฟ้าในกรสาธิตในโรงเรียน และการอธิบายในหนังสือเรียน
หลักการของการสร้างนั้นง่าย ๆ มีแก้วน้ำทรงสูงหลายใบ ซึ่งแต่ละใบบรรจุน้ำที่มีกรดกำมะถันผสมอยู่เล็กน้อย ในแก้วแต่ละใบมีแผ่นโลหะสองแผ่น แผ่นหนึ่งเป็นทองแดงและอีกแผ่นหนึ่งเป็นสังกะสี ซึ่งถูกจุ่มอยู่ในสารละลาย เชื่อมต่อแผ่นทองแดงของแก้วใบหนึ่ง กับแผ่นสังกะสีของแก้วถัดไป ดังนั้นจะมีเพียงแผ่นสังกะสีของแก้วใบแรกและแผ่นทองแดงของแก้วใบสุดท้ายเท่านั้นที่ยังไม่ได้ถูกเชื่อมต่อ เราสามารถตรวจหาความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างแผ่นทองแดงในแก้วใบแรกและแผ่นสังกะสีในแก้วใบสุดท้ายได้โดยอิเล็กทรอสโคปที่ไวมาก ถ้าจำนวนของ “องค์ประกอบ” หรืออีกนัยหนึ่งคือแก้วที่มีแผ่นโลหะซึ่งประกอบกันขึ้นเป็นแบตเตอรี่มากพอ
ที่เรานำแบตเตอรี่ที่ประกอบไปด้วยองค์ประกอบหลายองค์ประกอบมาใช้ก็เพียงเพื่อให้ได้อะไรบางอย่างที่สามารถวัดได้ง่าย ๆ โดยใช้อุปกรณ์ที่ได้อธิบายไปแล้ว ในการอภิปรายต่อไป องค์ประกอบเดี่ยวจะใช้ได้ดีพอ ๆ กัน ศักย์ของแผ่นทองแดงปรากฏว่าสูงกว่าศักย์ของแผ่นสังกะสี คำว่า “สูงกว่า” ที่ใช้ในที่นี้ใช้ในความหมายที่ว่า +2 มีค่ามากกว่า -2 ถ้าเชื่อมตัวนำอันหนึ่งเข้ากับแผ่นทองแดงที่ว่างอยู่และเชื่อมตัวนำอีกอันหนึ่งเข้ากับแผ่นสังกะสี ตัวนำทั้งสองจะถูกอัดประจุ ตัวนำอันแรกเป็นชนิดบวกและอีกอันหนึ่งเป็นชนิดลบ จนถึงจุดนี้ดูเหมือนจะไม่มีอะไรที่ใหม่หรือน่าประทับใจเป็นพิเศษเลย และเราอาจจะพยายามที่จะใช้ความคิดก่อนหน้านี้ของเราเกี่ยวกับความต่างศักย์ เราได้เห็นไปแล้วว่าความต่างศักย์ระหว่างตัวนำสองอันเราอาจทำให้เป็นศูนย์ไดอย่างรวดเร็วโดยการเชื่อมมันด้วยสายไฟ เพื่อให้เกิดการไหลของของไหลไฟฟ้าจากตัวนำอันหนึ่งไปยังตัวนำอีกอันหนึ่ง กระบวนการที่คล้ายกับการทำให้อุณหภูมิเท่ากันโดยการไหลของความร้อน แต่สิ่งนี้จะใช้ได้ผลหรือไม่ในกรณีของแบตเตอรี่โวลตาอิก? โวลตาได้เขียนไว้ในรายงานของเขาว่าแผ่นโลหะประพฤติตัวเหมือนเป็นตัวนำ
..ถูกอัดประจุอย่างอ่อน ๆ ซึ่งกระทำอย่างไม่หยุด หรือเพื่อให้ประจุของมันหลังการปล่อยประจุไฟฟ้าออกมาแต่ละครั้ง สร้างตัวประจุเองขึ้นอีกครั้ง ; พูดสั้น ๆ ก็คือซึ่งให้ประจุอย่างไม่จำกัดปริมาณหรือทำให้มีกิริยาต่อเนื่องกันไปตลอด หรือการกระตุ้นของของไหลไฟฟ้า
ผลการทดลองที่น่าทึ่งของเขาก็คือความต่างศักย์ระหว่างแผ่นทองแดงและแผ่น สังกะสีไม่ได้กลายเป็นศูนย์เหมือนกรณีของตัวนำที่ถูกอัดประจุสองอันที่ถูก เชื่อมโดยสายไฟ ความแตกต่างนี้ยังมีอยู่และตามทฤษฏีของไหลมันจะต้องทำให้เกิดการไหลของของ ไหลไฟฟ้าอยู่ตลอดเวลาจากศักย์ที่มีระดับสูงกว่า (แผ่นทองแดง) ไปยังระดับที่ต่ำกว่า (แผ่นสังกะสี) ในความพยายามที่จะรักษาทฤษฏีของไหลไว้ เราอาจจะต้องสมมติว่ามีแรงบางอย่างที่มีอยู่ตลอดเวลากระทำเพื่อให้เกิดความ ต่างศักย์ขึ้นมาใหม่ และทำให้เกิดการไหลของของไหลไฟฟ้าขึ้น แต่จากมุมมองของพลังงาน ปรากฏการณ์ทั้งหมดนี้น่าทึ่ง มีปริมาณความร้อนที่สังเกตได้เกิดขึ้นในสายไฟที่มีกระแสไฟฟ้า และถึงขนาดละลายสายไฟได้ถ้าเป็นสายไฟบาง ๆ ดังนั้นมีพลังงาน - ความร้อนถูกสร้างขึ้นในสายไฟ แต่แบตเตอรี่โวลตาอิกทั้งรวมตัวกับเป็นระบบที่ถูกแยกไว้อยู่โดดเดี่ยวเนื่อง จากไม่มีการจัดส่งพลังงานภายนอกเข้ามาเลย ถ้าเราต้องการที่จะรักษากฎของการอนุรักษ์พลังงานไว้ เราจะต้องหาว่าการเปลี่ยนรูปเกิดขึ้นที่ไหน และต้องสูญเสียเท่าไรในการสร้างความร้อนขึ้นมา ไม่ยากที่จะเข้าใจว่ากระบวนการเชิงเคมีที่ซับซ้อนกำลังเกิดขึ้นในแบตเตอรี่ ซึ่งเป้นกระบวนการที่แผ่นทองแดงและแผ่นสังกะสีที่จุ่มอยู่และตัวของเหลวเอง มีส่วนร่วมอย่างแข็งขัน จากมุมมองของพลังงานนี่เป็นห่วงโซ่ของการเปลี่ยนรูที่กำลังเกิดขึ้น : พลังงานเคมี --> พลังงานของของไหลไฟฟ้าที่ไหล นั่นคือกระแสไฟฟ้า --> ความร้อน แบตเตอรี่โวลตาอิกไม่ได้คงอยู่ตลอดไป ; การเปลี่ยนแปลงทางเคมีที่เกี่ยวข้องกับการไหลของไฟฟ้าจะทำให้แบตเตอรี่ใช้ ไม่ได้หลังเวลาหนึ่ง
การทดลองนี้ซึ่งอันที่จริงได้เผยให้เห็นเรื่องยุ่งยากเป็นพิเศษในการประยุกต์ใช้ความคิดเชิงกล ไม่ว่าใครเมื่อได้ยินเป็นครั้งแรก จะต้องฟังดูว่าแปลก เออร์สเตด ได้กระทำขึ้นเมื่อประมาณหนึ่งร้อยยี่สิบปีที่แล้ว เขารายงานว่า :
การทดลองเหล่านี้ดูเหมือนจะแสดงให้เห็นว่าอุปกรณ์กัลวานิก * ทำให้เข็มแม่เหล็กขยับไปจากตำแหน่งของมัน เมื่อวงจรกัลวานิกปิด แต่ไม่ใช่เมื่อเปิด เหมือนกับที่นักฟิสิกส์ที่มีชื่อเสียงและเป็นที่นิยมชมชื่นมากคนหนึ่งได้พยายามทำแต่ไม่สำเร็จเมื่อสองสามปีที่แล้ว
สมมติว่าเรามีแบตเตอรี่โวลตาอิกและสายไฟที่ใช้ส่งผ่านกระแสไฟฟ้า ถ้าเชื่อมสายไฟเข้ากับแผ่นทองแดง แต่ไม่ใช่กับแผ่นสังกะสี จะมีความต่างศักย์อยู่ แต่กระแสไฟฟ้าไม่สามารถไหลได้ เราลองสมมติว่าสายไฟถูกงอเป็นรูปวงกลม ซึ่งที่จุดศูนย์กลางเราวางเข็มแม่เหล็กไว้ โดยที่ทั้งสายไฟและเข็มแม่เหล็กอยู่ระนาบเดียวกัน ตราบใดที่สายไฟไม่ได้สัมผัสสังกะสี จะไม่มีอะไรเกิดขึ้นเลย ไม่มีแรงกระทำ ความต่างศักย์ที่มีอยู่ ไม่ได้มีอิทธิพลอะไรต่อตำแหน่งของเข็มเลย ดูเหมือนยากที่จะเข้าใจว่าทำไม “นักฟิสิกส์ที่มีชื่อเสียงและเป็นที่นิยมชมชื่นมาก” ตามที่เออร์สเตดเรียก คาดหวังว่าจะมีอิทธิพลเช่นนั้น
แต่ตอนนี้เราลองเชื่อมสายไฟติดกับแผ่นสังกะสี ทันทีนั้นสิ่งแปลกประหลาดก็เกิดขึ้น เข้มแม่เหล็กหันเหออกไปจากตำแหน่งก่อนหน้านี้ของมัน ตอนนี้ขั้วหนึ่งชี้ไปที่ผู้อ่าน ถ้าหน้ากระดาษของหนังสือเล่มนี้แทนระนาบของวงกลม ผลก็คือมีแรงที่ตั้งฉากกับระนาบกระทำต่อขั้วแม่เหล็ก เมื่อต้องเผชิญกับข้อเท็จจริงเกี่ยวกับการทดลองเราแทบจะไม่อาจหลีกเลี่ยงที่จะสรุปลงความเห็นเช่นนั้นเกี่ยวกับทิศทางของแรงที่กระทำ
การทดลองนี้น่าสนใจ อันดับแรก เพราะว่ามันแสดงให้เห็นความสัมพันธ์ระหว่างปรากฏการณ์ที่แตกต่างกันมาก นั่นคือแม่เหล็กและกระแสไฟฟ้าอย่างเห็นได้ชัด มีอีกแง่หนึ่งทีสำคัญมากยิ่งขึ้นไปอีก แรงระหว่างขั้วแม่เหล็กและส่วนเล็ก ๆ ของสายไฟ ซึ่งกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน ไม่ได้อยู่ในแนวเส้นที่เชื่อมสายไฟกับเข็มหรืออนุภาคของไหลไฟฟ้าที่ไหลกับไดโพลแม่เหล็กมูลฐาน แรงมีทิศทางตั้งฉากกับเส้นนี้! เป็นครั้งแรกที่ดูเหมือนว่ามีแรงที่ต่างออกไปมากจากแรงซึ่งตามทัศนะเชิงกลของเรา เราตั้งใจจะลดแรงกิริยาทั้งมวลในโลกภายนอก เราจำได้ว่าแรงโน้มถ่วง แรงไฟฟ้าสถิตและแรงแม่เหล็กซึ่งเป็นไปตามกฎนิวตันและกฎของคูลอมบ์กระทำไปตามแนวเส้นที่เชื่อมวัตถุสองวัตถุที่ดูดกันหรือผลักกัน
เรื่องยุ่งยากนี้ได้รับการเน้นย้ำมากยิ่งขึ้นไปอีก โดยการทดลองที่โรว์แลนด์ ได้กระทำด้วยความชำนาญมากเมื่อเกือบหกสิบปีที่แล้ว ถ้าทิ้งรายละเอียดทางเทคนิคไป เราสามารถอธิบายการทดลองนี้ได้ดังต่อไปนี้นึกภาพทรงกลมเล็ก ๆ ที่ถูกอัดประจุอันหนึ่ง นึกภาพต่อไปนี้ว่าทรงกลมนี้เคลื่อนที่อย่างรวดเร็วมากในแนววงกลม ซึ่งที่จุดศูนย์กลางคือเข็มแม่เหล็ก โดยหลักการนี่เป็นทดลองเดียวกันกับการทดลองของเออร์สเตด ความแตกต่างเพียงอย่างเดียวก็คือว่าแทนที่จะเป็นกระแสไฟฟ้าธรรมดา เรามีการเคลื่อนที่เกิดขึ้นอย่างเชิงกลของประจุไฟฟ้า โรว์แลนด์พบว่าจริง ๆ แล้วคล้ายกับผลลัพธ์ที่สังเกตเห็นเมื่อกระแสไฟฟ้าไหลอยู่สายไฟรูปวงกลม แรงเชิงตั้งฉากที่ทำให้แม่เหล็กเปลี่ยนทิศทางไป
ตอนนี้เราลองเคลื่อนประจุให้เร็วขึ้น ผลก็คือแรงที่กระทำต่อขั้วแม่เหล็กมากขึ้น การเบี่ยงเบนไปจากตำแหน่งแรกเมจะมากขึ้น การ
สังเกตนี้ก่อให้เกิดปัญหาที่ร้ายแรงอีกปัญหาหนึ่ง ไม่เพียงแรงไม่ได้อยู่ในแนวเส้นที่เชื่อมประจุกับแม่เหล็กเท่านั้น แต่ความแรงของแรงกลับขึ้นอยู่กับความเร็วของประจุ ทรรศนะเชิงกลทั้งหมดอิงกับความเชื่อที่ว่าเราสามารถอธิบายปรากฏการณ์ทั้งมวลในพจน์ของแรงที่ขึ้นอยู่กับระยะทางเท่านั้น และไม่ใช่ขึ้นอยู่กับความเร็ว ผลการทดลองของโรว์แลนด์ทำให้ความเชื่อนี้สั่นสะเทือนอย่างแน่นอน แต่อย่างไรก็ตามเราอาจจะเลือกที่จะเป็นผู้ที่มีแนวคิดแบบอนุรักษ์นิยม และพยายามหาวิธีการแก้ปัญหาภายในกรอบของความคิดเก่า ๆ
เรื่องยุ่งยากประเภทนี้ซึ่งเป็นอุปสรรคที่เกิดขึ้นอย่างกะทันหันและคาดไม่ ถึง ในการพัฒนาที่ประสบความสำเร็จอย่างงดงามของทฤษฏีเกิดขึ้นบ่อยครั้งในทาง วิทยาศาสตร์ บางครั้งการวางหลักการทั่วไปที่ง่าย ๆ ของความคิดเก่า ๆ ดูเหมือนว่าจะเป็นทางออกที่ดี อย่างน้อยก็ชั่วคราว ในกรณีที่กำลังพิจารณาอยู่ มันจะดูเหมือนว่าเพียงพอ ตัวอย่างเช่น ที่จะทำให้ทรรศนะก่อนหน้านี้กว้างขึ้นและนำเอาแรงระหว่างอนุภาคมูลฐานที่ ทั่วไปมากขึ้นมาใช้ แต่บ่อยมากที่ทฤษฏีเก่าแก้ไขไม่ได้ และเรื่องยุ่งยากต่าง ๆ ก็จบลงด้วยความพินาศของมัน และการกำเนิดขึ้นของทฤษฏีใหม่ ในที่นี้มันไม่ใช่เพียงพฤติกรรมของเข็มแม่เหล็กขนาดเล็กนิดเดียวที่ได้ทำลาย ทฤษฏีเชิงกลที่ดูเหมือนว่ามีเหตุผลสนับสนุนพอเพียงและประสบความสำเร็จ มีการโจมตีอีกอย่างหนึ่งที่เหี้ยมโหดยิ่งขึ้นไปอีกที่มาจากมุมมองที่แตกต่าง กันโดยสิ้นเชิง แต่นี่เป็นคนละเรื่องกัน และเราจะเล่าให้ฟังภายหลัง
0 ความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น