เจมส์ แมกซ์เวลล์ ผู้คิดค้นทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าเปิดทางให้โลกเข้าสู่ยุคใหม่

เจมส์ แมกซ์เวลล์ (James Maxwell) เป็นนักฟิสิกส์ผู้คิดค้นทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งเป็นการนำเอาคุณสมบัติของไฟฟ้า, แม่เหล็ก และแสงมารวมไว้ในสูตรคณิตศาสตร์อันเดียวกัน ทำให้ฟิสิกส์มีการพัฒนาก้าวหน้าไปอย่างมาก อีกทั้งนำไปสู่การทำนายการมีอยู่ของคลื่นวิทยุและมีส่วนสำคัญที่ทำให้เกิดทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ เขาเป็นผู้พัฒนาทฤษฎีจลน์ของก๊าซและความร้อน รวมทั้งเป็นผู้คิดค้นเทคนิคการถ่ายภาพสีได้เป็นครั้งแรก นอกจากนี้แมกซ์เวลล์ยังรับตำแหน่งศาสตราจารย์ควบคุมห้องทดลองและก่อตั้งห้องทดลองคาเวนดิชอันโด่งดัง ด้วยผลงานสำคัญทางฟิสิกส์มากมายทำให้แมกซ์เวลล์ได้รับการยกย่องเป็นนักฟิสิกส์ทฤษฎีชั้นนำแห่งศตวรรษผู้มีส่วนสำคัญต่อการนำพาให้โลกเข้าสู่ยุคใหม่

 
อัจฉริยะทางคณิตศาสตร์ชนิดหาตัวจับยาก

james-maxwell-02

เจมส์ แมกซ์เวลล์ เป็นชาวสกอตแลนด์ เกิดเมื่อปี 1831 ที่เมืองเอดินบะระในครอบครัวฐานะดี แมกซ์เวลล์เป็นเด็กที่อยากรู้อยากเห็นชอบสำรวจสิ่งต่างๆและมีความจำเป็นเลิศ เขาท่องบทสวดมนต์ที่ยาวมากอย่าง Psalm 119 ได้ทั้งหมดตั้งแต่อายุยังน้อย แม่ซึ่งเป็นผู้ดูแลด้านการศึกษาของเขาเสียชีวิตด้วยโรคมะเร็งในช่องท้องตอนเขาอายุ 8 ขวบ แมกซ์เวลล์เริ่มต้นการเรียนได้ไม่ดีนักเนื่องจากเขาเข้ากับครูที่พ่อจ้างให้มาสอนที่บ้านไม่ได้จนครูถูกเลิกจ้าง ช่วงก่อนจะเข้าโรงเรียนมัยธยมพ่อของเขาพาเขาไปชมการสาธิตของ Robert Davidson เรื่องการขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าและแรงแม่เหล็ก สิ่งนี้เป็นประสบการณ์ที่มีความหมายลึกซึ้งต่อเขาอย่างมาก

แมกซ์เวลล์เข้าเรียนชั้นมัธยมที่ Edinburgh Academy ซึ่งเป็นโรงเรียนเอกชนชื่อดังของเมือง เขาชอบวิชาคณิตศาสตร์โดยเฉพาะเรขาคณิต พออายุ 13 ปีก็เริ่มแสดงความเก่งกาจให้เห็นเมื่อเขาได้รับเหรียญรางวัลวิชาคณิตศาสตร์ของโรงเรียน ความสนใจด้านคณิตศาสตร์ของแมกซ์เวลล์ไปไกลกว่าหลักสูตรของโรงเรียนมาก เขาเขียนบทความวิชาการครั้งแรกตอนอายุ 14 ปีเกี่ยวกับการสร้างเส้นโค้งรูปไข่และวงรี งานของเขาถูกนำเสนอต่อสมาคมวิทยาศาสตร์ Royal Society of Edinburgh โดยศาสตราจารย์จากมหาวิทยาลัยเอดินบะระเนื่องจากเขายังเด็กเกินไปที่จะนำเสนอด้วยตัวเอง ถึงแม้ว่าผลงานนั้นเขาไม่ได้ค้นพบเป็นคนแรกแต่วิธีการของเขามีพัฒนาการกว่าเดิมซึ่งถือว่าเป็นความอัจริยะเกินวัยของเด็กนักเรียนมัธยมต้น นอกจากนี้ด้วยอายุเพียงแค่นี้เขายังจำคัมภีร์ไบเบิลได้ทั้งหมดอีกด้วย

แมกซ์เวลล์ในวัย 16 ปีเข้าเรียนต่อที่มหาวิทยาลัยเอดินบะระในปี 1847 ในสาขาคณิตศาสตร์และปรัชญาธรรมชาติ หลักสูตรของมหาวิทยาลัยไม่ได้สร้างความยุ่งยากใดแก่เขาเลย เขามีเวลาเหลือไปทำงานวิจัยและเขียนบทความวิชาการเผยแพร่อย่างต่อเนื่องในช่วงที่เรียน พออายุ 19 ปีแมกซ์เวลล์ไปเรียนต่อที่มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ เขาสร้างผลงานได้อย่างสุดยอดได้รับรางวัล Smith’s Prize ที่มอบให้กับนักศึกษาที่มีผลงานวิจัยยอดเยี่ยมในสาขาคณิตศาสตร์และฟิสิกส์ทฤษฎี และได้เป็นสมาชิกของวิทยาลัยตรีนิตี้ (Trinity College) ในปี 1855 ขณะมีอายุ 24 ปี ในปีถัดมาเขาได้รับรางวัล Straiton Gold Medal ซึ่งเป็นรางวัลสูงสุดด้านคณิตศาสตร์ของเอดินบะระ และปีเดียวกันนั้นเขาได้รับแต่งตั้งเป็นศาสตราจารย์ปรัชญาธรรมชาติที่วิทยาลัย Marischal College ที่เมืองแอเบอร์ดีนในวัยเพียง 25 ปี

 
ศาตราจารย์หนุ่มผู้ไขปริศนาวงแหวนดาวเสาร์

james-maxwell-03

ที่ Marischal College แมกซ์เวลล์ผู้เป็นศาตราจารย์ที่อายุน้อยที่สุดนอกจากทำงานในหน้าที่เตรียมหลักสูตรและบรรยายแก่นักศึกษาแล้วเขายังให้ความสนใจกับปริศนาวงแหวนของดาวเสาร์ที่ถูกตรวจพบตั้งแต่เมื่อเกือบ 200 ปีก่อนว่ามีลักษณะเป็นแผ่นแข็งบางเรียบล้อมรอบดาวเสาร์อยู่หลายชั้น แมกซ์เวลล์ทำการศึกษาวิจัยเรื่องนี้นานสองปีใช้คณิตศาสตร์ที่เขาเชี่ยวชาญวิเคราะห์ลักษณะวงแหวนจนได้ข้อสรุปแล้วเขียนบทความเผยแพร่แสดงให้เห็นว่าวงแหวนที่มีลักษณะเป็นแผ่นแข็งรวมทั้งวงแหวนเหลวจะถูกทำลายไม่สามารถคงรูปอยู่ได้ วงแหวนของดาวเสาร์จะต้องประกอบด้วยวัตถุและอนุภาคขนาดเล็กจำนวนมากซึ่งแต่ละก้อนโคจรรอบดาวเสาร์อย่างอิสระ ผลงานนี้ทำให้เขาได้รับรางวัล Adams Prize และได้รับการยกย่องว่าเป็นการประยุกต์ใช้คณิตศาสตร์กับฟิสิกส์ที่โดดเด่นที่สุดชิ้นหนึ่ง หลังจากนั้นอีก 120 ปีต่อมาสิ่งที่เขาทำนายไว้ก็ได้รับการพิสูจน์ว่าเป็นจริงโดยยานวอยเอเจอร์ 2 ที่บินเฉียดผ่านดาวเสาร์ในปี 1981

แมกซ์เวลล์ทำงานอยู่ที่ Marischal College ได้เพียง 4 ปีก็ต้องบอกลาเนื่องจากวิทยาลัยได้รวมเข้ากับ King’s College เพื่อจัดตั้งเป็นมหาวิทยาลัยแอเบอร์ดีนทำให้ตำแหน่งศาสตราจารย์ปรัชญาธรรมชาติเกิดการซ้ำซ้อนกันขึ้นและเขาถูกปลดออกจากตำแหน่ง แต่แมกซ์เวลล์ยังได้รับตำแหน่งเดิมที่วิทยาลัย King’s College, London ดังนั้นในปี 1860 เขาจึงย้ายไปอยู่ที่กรุงลอนดอนที่ซึ่งเขาได้สร้างผลงานออกมาอย่างมากมาย

 
คิดค้นเทคนิคภาพถ่ายสีภาพแรกของโลก

james-maxwell-04

ช่วงเวลา 5 ปีระหว่างปี 1860 – 1865 ที่ทำงานที่ King’s College, London แมกซ์เวลล์มีผลงานวิจัยสำคัญเป็นจำนวนมาก เรื่องหนึ่งที่เขาสนใจคือเรื่องสีและการมองเห็นซึ่งมีการพัฒนามาเป็นลำดับตั้งแต่ยุคของ Isaac Newton และ Thomas Young เขาได้ทำการทดลองจนสรุปได้ว่าตัวรับแสงในดวงตามนุษย์นั้นสามารถมองเห็นสีเพียง 3 สีคือสีแดง เขียว และน้ำเงิน ซึ่งต่อมานำไปสู่แนวคิดของการถ่ายภาพสีโดยวิธีถ่ายภาพขาวดำ 3 ภาพผ่านตัวกรองแสงสีแดง เขียว และน้ำเงิน แล้วฉายภาพทั้งสามซ้อนทับกันบนจอภาพเดียวกันจะได้ภาพสีที่ตามนุษย์มองเห็น และในปี 1861 แมกซ์เวลล์ได้ทดลองภาพถ่ายสีภาพแรกของโลกเป็นภาพของผ้าลายสก๊อต (Tartan) ด้วยเทคนิคดังกล่าวเป็นผลสำเร็จ

 
พัฒนาทฤษฎีจลน์ของก๊าซและความร้อน

james-maxwell-05


แมกซ์เวลล์ใช้การที่เขาเป็นทั้งนักทดลองและนักคณิตศาสตร์ในการพัฒนาทฤษฎีจลน์ของก๊าซและความร้อนให้ก้าวหน้ากว่าเดิมไปมาก เขาได้พิสูจน์ว่าอุณหภูมิของก๊าซขึ้นอยู่กับความเร็วของอะตอมหรือโมเลกุลของมันแต่ละตัว อนุภาคของก๊าซไม่ได้เคลื่อนที่ด้วยความเร็วเดียวกันแต่มีการกระจายความเร็วในลักษณะที่แตกต่างขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ และเขาได้พัฒนาทฤษฎีการกระจายตัวของความเร็วของอนุภาคก๊าซที่ต่อมาเรียกว่า Maxwell–Boltzmann Distribution

นอกเหนือจากผลงานวิจัยอีกจำนวนมากในเรื่องเกี่ยวกับความร้อนและเทอร์โมไดนามิกส์ แมกซ์เวลล์ยังได้เสนอหัวข้อการทดลองทางความคิดที่ต่อมาเรียกกันว่าปีศาจของแมกซ์เวลล์ (Maxwell’s Demon) ซึ่งมีการละเมิดกฎข้อที่ 2 ของเทอร์โมไดนามิกส์ การทดลองทางความคิดนี้กระตุ้นให้เกิดการถกเถียงและงานทางทฤษฎีเกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่างเทอร์โมไดนามิกส์และทฤษฎีข้อมูลเรื่อยมาจนถึงปัจจุบัน

 
ศาสตราจารย์แห่งห้องทดลองคาเวนดิช

james-maxwell-06

ปี 1865 แมกซ์เวลล์ลาออกจากตำแหน่งศาสตราจารย์ที่ King’s College, London กลับไปอยู่ที่บ้านเดิมของครอบครัวที่เขาเติบโตในวัยเด็กที่เมือง Glenlair เป็นเวลา 6 ปี ระหว่างนี้เขาได้ทำงานวิจัยอย่างเต็มที่ไม่ต้องถูกรบกวนโดยงานอื่นและภาระทางสังคม เขาได้สานต่องานวิจัยเกี่ยวกับแม่เหล็กไฟฟ้าที่ได้เริ่มมาตั้งแต่สมัยอยู่ที่วิทยาลัย King’s College, London รวมทั้งมีผลงานวิจัยเรื่องอื่นๆอีกหลายชิ้นทั้งด้านเทอร์โมไดนามิกส์ คณิตศาสตร์ และทฤษฎีระบบควบคุม

ปี 1871 แมกซ์เวลล์กลับไปที่มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์เพื่อรับตำแหน่งศาสตราจารย์ห้องทดลองคาเวนดิชคนแรก เขาใช้เวลา 3 ปีในการกำกับดูแลการก่อสร้างและจัดซื้ออุปกรณ์เครื่องมือของห้องทดลองคาเวนดิชจนเสร็จสมบูรณ์ ห้องทดลองแห่งนี้กลายเป็นสถาบันวิจัยชั้นนำของโลกมีนักวิจัยของที่นี่ได้รับรางวัลโนเบลถึง 29 คน แมกซ์เวลล์ทำงานอยู่ที่นี่ไปตลอดชีวิตและผลงานชิ้นสำคัญที่สุดในชีวิตของเขาก็ถูกตีพิมพ์ในช่วงที่เขาเป็นศาสตราจารย์ห้องทดลองคาเวนดิชนี่เอง

 
ผลงานยิ่งใหญ่ : ทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า

james-maxwell-07

แมกซ์เวลล์ศึกษาและวิจัยเกี่ยวกับไฟฟ้าและแม่เหล็กมาตั้งแต่สมัยเริ่มทำงานใหม่ๆ เขาตีพิมพ์บทความเกี่ยวกับเรื่องนี้ออกมาอย่างต่อเนื่อง ความรู้ความเข้าใจในพฤติกรรมของไฟฟ้าและแม่เหล็กมีความก้าวหน้าเป็นลำดับ แมกซ์เวลล์ได้พิสูจน์ว่าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเดินทางด้วยความเร็วเท่ากับแสง ซึ่งอันที่จริงแสงก็เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า รวมถึงรังสีเอ็กซ์ รังสีอินฟราเรด และรังสีอื่นๆล้วนเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ปี 1873 แมกซ์เวลล์ได้ตีพิมพ์ผลงานชื่อ A Treatise on Electricity and Magnetism ซึ่งส่วนใหญ่มาจากผลการศึกษาวิจัยอย่างหนักในช่วง 6 ปีที่เขาอยู่ที่เมือง Glenlair ทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าจากผลงานชิ้นนี้ทำให้วิชาฟิสิกส์มีความก้าวหน้าอย่างมาก

แมกซ์เวลล์ได้สร้างสมการอันเป็นพื้นฐานสำคัญของทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าเรียกว่า สมการของแมกซ์เวลล์ (Maxwell’s equations) ซึ่งประกอบด้วยสมการ 4 สมการ ดังนี้

james-maxwell-08

สมการทั้งสี่ใช้อธิบายถึงพฤติกรรมของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กรวมถึงปฏิกิริยาที่มีต่อสารต่างๆ สองสมการแรกบอกเราเกี่ยวกับผลกระทบและปรากฏการณ์ของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก ส่วนอีกสองสมการทำให้เห็นว่าทั้งสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กนั้นเป็นสิ่งๆเดียวกัน จึงทำให้สามารถเขียนรวมกันเป็นคำว่า “แม่เหล็กไฟฟ้า”

สมการของแมกซ์เวลล์เป็นการผสมผสานทางฟิสิกส์ที่ยิ่งใหญ่ครั้งที่ 2 ถัดจากครั้งแรกที่ไอแซก นิวตันได้ทำไว้ ผลงานการคิดค้นทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าของแมกซ์เวลล์นำไปสู่การทำนายการมีอยู่ของคลื่นวิทยุ และมีส่วนสำคัญที่ทำให้เกิดทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์โดยไอน์สไตน์เป็นคนยืนยันเรื่องนี้ด้วยตัวเอง

 
นักฟิสิกส์อัจฉริยะผู้เปิดทางโลกเข้าสู่ยุคใหม่

james-maxwell-09

แมกซ์เวลล์เป็นนักฟิสิกส์อัจฉริยะที่สามารถนำคณิตศาสตร์มาประยุกต์ใช้ในการแก้ปัญหาด้านฟิสิกส์ได้อย่างยอดเยี่ยมที่สุดอีกคนหนึ่ง น่าเสียดายที่เขาอายุค่อนข้างสั้น เขาเสียชีวิตเมื่อปี 1879 ในวัย 48 ปีด้วยโรคมะเร็งในช่องท้องที่เคยคร่าชีวิตแม่ของเขามาก่อน แต่ผลงานที่เขาได้สร้างไว้ถือได้ว่ามีส่วนสำคัญอย่างยิ่งต่อการเกิดขึ้นของนวัตกรรมและเทคโนโลยีใหม่ที่มีพื้นฐานมาจากทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าของเขา วิทยุ โทรทัศน์ ไมโครเวฟ รวมถึงโทรศัพท์มือถือเป็นตัวอย่างของการใช้ประโยชน์จากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทั้งสิ้น เรียกได้ว่าแมกซ์เวลล์เป็นผู้เปิดทางนำโลกเข้าสู่ยุคใหม่ที่ทันสมัยสะดวกสบายแบบในปัจจุบัน ด้วยผลงานสำคัญทางฟิสิกส์มากมายทำให้แมกซ์เวลล์ได้รับการยกย่องเป็นนักฟิสิกส์ทฤษฎีชั้นนำแห่งศตวรรษที่ 19 ที่มีอิทธิพลมากที่สุดต่อวงการฟิสิกส์ในศตวรรษที่ 20

james-maxwell-10

 

ข้อมูลและภาพจาก  wikipedia, famousscientists, clerkmaxwellfoundation


Leave a Reply

Your email address will not be published.