คริสเตียน ฮอยเกนส์ นักฟิสิกส์ทฤษฎีคนแรกของโลกผู้คิดค้นทฤษฎีคลื่นแสง

คริสเตียน ฮอยเกนส์ (Christiaan Huygens) เป็นนักคณิตศาสตร์ นักฟิสิกส์ นักดาราศาสตร์ และนักประดิษฐ์ผู้ได้รับการยกย่องว่าเป็นหนึ่งในนักวิทยาศาสตร์ที่ยิ่งใหญ่ที่สุดตลอดกาลและเป็นบุคคลสำคัญในการปฏิวัติทางวิทยาศาสตร์ เขาเป็นคนวางพื้นฐานของวิชาความน่าจะเป็นอย่างเป็นระบบ เป็นผู้คิดค้นทฤษฎีคลื่นแสง เป็นผู้ค้นพบดวงจันทร์ไททันของดาวเสาร์และอธิบายลักษณะของวงแหวนดาวเสาร์ได้ถูกต้องเป็นคนแรก เป็นผู้ประดิษฐ์นาฬิกาลูกตุ้ม รวมทั้งผลงานอื่นอีกมากมาย และยังได้รับการยกย่องเป็น “นักฟิสิกส์ทฤษฎี” คนแรกของโลก

 
หนุ่มน้อยฉายา “อาร์คิมิดีสคนใหม่”

christiaan-huygens-02

คริสเตียน ฮอยเกนส์ เป็นชาวดัชต์ เกิดเมื่อปี 1629 ที่กรุงเฮก ประเทศเนเธอร์แลนด์ เป็นลูกชายของนักการทูตและที่ปรึกษาของราชวงศ์ออเรนจ์ผู้ปกครองของเนเธอร์แลนด์ในสมัยนั้น ฮอยเกนส์ได้รับการศึกษาจากทั้งครูพิเศษและพ่อของเขาเองอยู่ที่บ้านจนถึงอายุ 16 ปีจึงถูกส่งไปเรียนต่อวิชากฎหมายและคณิตศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยไลเดินซึ่งอยู่ไม่ไกลจากกรุงเฮก ฮอยเกนส์ได้เรียนคณิตศาสตร์อย่างกว้างขวางทั้งคณิตศาสตร์ดั้งเดิมและคณิตศาสตร์สมัยใหม่ของนักคณิตศาสตร์ชื่อดังหลายคน นอกจากนี้เขายังได้เขียนจดหมายติดต่อกับ Marin Mersenne นักวิทยาศาสตร์ชั้นนำของฝรั่งเศสที่เป็นเพื่อนกับพ่อ ทั้งสองคนได้ถกปัญหาคณิตศาสตร์กันและฮอยเกนส์ก็ได้แสดงพรสวรรค์ด้านคณิตศาสตร์ของเขาจน Mersenne ถึงกับตั้งฉายาให้เขาว่า “อาร์คิมิดีสคนใหม่”

ฮอยเกนส์เรียนที่มหาวิทยาลัยไลเดินอยู่สองปีจากนั้นย้ายไปเรียนต่อที่ Orange College ที่เพิ่งจัดตั้งขึ้นใหม่จนกระทั่งจบการศึกษาในปี 1649 พ่อของฮอยเกนส์อยากให้เขาทำงานเป็นนักการทูตตามรอยของตัวเอง แต่ไม่สบโอกาสเหมาะเพราะราชวงศ์ออเรนจ์เริ่มอ่อนแออีกทั้งลูกชายก็ไม่มีความสนใจ พอเรียนจบแล้วฮอยเกนส์กลับมาอยู่ที่บ้านแล้วเริ่มต้นทำการศึกษาวิจัยในเรื่องที่ตัวเองสนใจโดยได้รับความช่วยเหลือด้านการเงินจากครอบครัว ตลอดระยะเวลากว่า 15 ปีที่เขาทำงานวิจัยด้วยตัวเองอยู่ที่บ้านฮอยเกนส์มีผลงานความสำเร็จมากมายทั้งด้านคณิตศาสตร์ ฟิสิกส์ และดาราศาสตร์จนกลายเป็นนักวิทยาศาสตร์ที่มีชื่อเสียง ปี 1666 ฮอยเกนส์ได้รับเชิญไปทำงานที่สถาบันวิทยาศาสตร์ฝรั่งเศส (Académie des sciences) ที่เพิ่งจัดตั้งขึ้นและกลายเป็นนักวิจัยคนสำคัญของที่นั่นอย่างยาวนาน

 
วางพื้นฐานของวิชาความน่าจะเป็น

christiaan-huygens-03

ฮอยเกนส์มีความสามารถด้านคณิตศาสตร์โดดเด่นมาตั้งแต่สมัยเรียนหนังสือ ช่วงที่เขาติดต่อทางจดหมายกับ Marin Mersenne ได้เคยแสดงให้เห็นว่าเส้นโค้งของสายโซ่ที่ถูกขึงปลายทั้งสองด้านนั้นไม่ใช่เส้นโค้งพาราโบลาแต่เป็นเส้นโค้ง Catenary พอมาเริ่มต้นทำงานวิจัยเขาก็มุุ่งไปที่คณิตศาสตร์ก่อน ผลงานชิ้นแรกของเขาก็เป็นงานทางคณิตศาสตร์ซึ่งตีพิมพ์ในปี 1651 คือ Theoremata de quadratura ซึ่งเป็นทฤษฎีเกี่ยวกับการประมาณพื้นที่ของรูปทรงต่างๆให้อยู่ในรูปของสี่เหลี่ยมจัตุรัสซึ่งเป็นเรื่องที่นักคณิตศาสตร์สมัยนั้นให้ความสนใจและยังเป็นเรื่องพื้นฐานอย่างหนึ่งที่นำไปสู่การพัฒนาวิชาแคลคูลัส

ราวปี 1656 ฮอยเกนส์ได้รับการบอกเล่าถึงการวิเคราะห์ปัญหาเชิงคณิตศาสตร์ของPierre de Fermat และ Blaise Pascal ที่ถูกหยิบยกมาจากโต๊ะพนันของผู้เล่มเกมแห่งโอกาส (Game of chance) ที่เกิดขึ้นเมื่อสองปีก่อน เขาจึงได้เสนอแนวคิดเชิงทฤษฎีที่สอดคล้องที่สุดในเกมแห่งโอกาสผ่านผลงานในชื่อ On Reasoning in Games of Chance ซึ่งเป็นการรวบรวมแนวคิดเรื่องความน่าจะเป็นอย่างเป็นระบบและตีพิมพ์ในปี 1657 ผลงานชิ้นนี้กลายเป็นพื้นฐานสำคัญของวิชาความน่าจะเป็นที่เป็นสาขาหนึ่งของวิชาคณิตศาสตร์ในปัจจุบัน

 
พบดาวไททันและวงแหวนดาวเสาร์

christiaan-huygens-04

Galileo เป็นคนแรกที่สังเกตเห็นวงแหวนของดาวเสาร์ในปี 1610 แต่เนื่องจากกล้องโทรทรรศน์ของเขายังมีกำลังขยายไม่มากพอเขาจึงคิดว่าวงแหวนของดาวเสาร์เป็นดวงจันทร์สองดวงประกบอยู่สองข้างคล้ายกับเป็นหูจับของดาวเสาร์ ลักษณะพิเศษที่ยังไม่มีคำอธิบายของดาวเสาร์นี่เองที่เป็นแรงบันดาลใจให้ฮอยเกนส์ต้องการไขปริศนาวงแหวนของดาวเสาร์ ราวปี 1654 ฮอยเกนส์จึงเริ่มสนใจการประดิษฐ์กล้องโทรทรรศน์ เขากับพี่ชาย Constantijn Huygens Jr. ช่วยกันคิดค้นวิธีฝนเลนส์แบบใหม่ทำให้ได้เลนส์ที่มีคุณภาพสูง จากนั้นได้ประดิษฐ์กล้องโทรทรรศน์โดยใช้หลักการเดียวกับของ Johannes Kepler ซึ่งเป็นกล้องโทรทรรศน์ชนิดหักเหแสงที่ใช้เลนส์วัตถุและเลนส์ใกล้ตาเป็นเลนส์นูนทั้งคู่ แตกต่างจากกล้องโทรทรรศน์ของ Galileo ที่เลนส์ใกล้ตาเป็นเลนส์เว้า และเขาได้ปรับปรุงจนได้กำลังขยายสูงถึง 50 เท่าซึ่งมากกว่ากำลังขยายของกล้องโทรทรรศน์ของ Galileo กว่าเท่าตัว

ในปี 1655 ฮอยเกนส์ใช้กล้องโทรทรรศน์ของเขาสำรวจดาวเสาร์และได้ค้นพบดวงจันทร์ดวงแรกของดาวเสาร์ที่ต่อมาถูกเรียกว่าไททัน (Titan) ซึ่งเป็นดวงจันทร์ที่ใหญ่เป็นอันดับสองในระบบสุริยะเป็นรองแค่ดาวแกนีมีด (Ganymede) ที่ถูกค้นพบโดย Galileo ฮอยเกนส์สังเกตวงแหวนดาวเสาร์อยู่นานจนในปีถัดมาจึงสรุปได้ว่าวงแหวนของดาวเสาร์มีลักษณะเป็นแผ่นวงแหวนเรียบบางคล้ายกับแผ่นดิสก์ล้อมรอบอยู่แต่ไม่สัมผัสกับดาวเสาร์ และในปี 1659 เขาได้ตีพิมพ์หนังสือ The System of Saturn อธิบายการค้นพบดวงจันทร์และวงแหวนของดาวเสาร์ ซึ่งเขาคำนวณว่าไททันใช้เวลาน้อยกว่า 16 วันเล็กน้อยในการโคจรรอบดาวเสาร์ (ค่าปัจจุบันคือ 15.945 วัน) และนำเสนอหลักฐานสำหรับทฤษฎีของเขาที่ว่าดาวเสาร์ล้อมรอบด้วยวงแหวนที่เอียงราว 20 องศากับระนาบวงโคจรของดาวเสาร์

 
ประดิษฐ์นาฬิกาเที่ยงตรงมากที่สุด

christiaan-huygens-05

การทำงานด้านดาราศาสตร์จำเป็นต้องมีอุปกรณ์บอกเวลาที่แม่นยำ ฮอยเกนส์จึงคิดประดิษฐ์นาฬิกาที่มีความเที่ยงตรงมากกว่าที่มีอยู่ในขณะนั้น เขาได้รับแรงบันดาลใจในการประดิษฐ์นาฬิกาจากผลงานของ Galileo เมื่อหลายสิบปีก่อนที่ได้ค้นพบกฎเพนดูลัม (Pendulum) ซึ่งระบุว่าคาบการแกว่งของลูกตุ้มไม่ได้ขึ้นอยู่กับน้ำหนักของลูกตุ้มหรือการแกว่งมากแกว่งน้อย แต่จะแปรผันตามรากที่สองของความยาวของเชือกหรือความยาวแขนของลูกตุ้ม คุณสมบัติข้อนี้ของลูกตุ้มสามารถนำไปใช้เป็นเครื่องมือจับเวลาได้ Galileo ยังได้ให้ลูกชายประดิษฐ์นาฬิกาลูกตุ้มแต่เขาเสียชีวิตไปก่อนที่จะทำสำเร็จ ฮอยเกนส์ได้ออกแบบและพัฒนานาฬิกาลูกตุ้มจนสำเร็จในปี 1656

ฮอยเกนส์จดสิทธิบัตรนาฬิกาลูกตุ้มจากการออกแบบและพัฒนาของเขาในปี 1657 แต่บางประเทศไม่ยอมรับสิทธิบัตรบางรายก็ก๊อปปี้เอาดื้อๆ นาฬิกาลูกตุ้มได้รับความนิยมแพร่หลายไปทั่วยุโรปและถูกพัฒนาอย่างต่อเนื่องจนกลายเป็นนาฬิกาเที่ยงตรงมากที่สุดยาวนานเกือบ 300 ปี นอกจากการประดิษฐ์นาฬิกาแล้วฮอยเกนส์ยังศึกษาเรื่องเพนดูลัมในเชิงทฤษฎีต่อไปอีกและได้ตีพิมพ์ผลงานเรื่อง Horologium Oscillatorium ในปี 1673 อธิบายทฤษฎีการเคลื่อนที่ของลูกตุ้ม เขาเป็นคนแรกที่ค้นพบสูตรสำหรับคำนวณคาบการแกว่งของลูกตุ้มในอุดมคติที่สัมพันธ์กับความยาวแขนลูกตุ้มและค่าแรงโน้มถ่วงของโลก นอกจากนี้เขายังออกแแบบและพัฒนานาฬิกาสปริงแบบสมดุลรวมทั้งนาฬิกาพกอีกด้วย

 
เปิดมุมมองใหม่ด้วยทฤษฎีคลื่นแสง

christiaan-huygens-06

มนุษย์สนใจศึกษาเรียนรู้และทำความเข้าใจในธรรมชาติของแสงมาตั้งแต่สมัยโบราณ มีแนวคิดและทฤษฎีเกี่ยวกับแสงโดยนักปรัชญาและนักวิทยาศาสตร์ชั้นนำมากมายในแต่ละยุคสมัย จนกระทั่งถึงช่วงครึ่งหลังของศตวรรษที่ 17 ความเข้าใจในธรรมชาติของแสงมีความก้าวหน้าอย่างมากเมื่อ Isaac Newton ค้นพบว่าแสงสีขาวเมื่อผ่านปริซึมจะเกิดแถบสี 7 สี (สีรุ้ง) และสามารถรวมกลับเป็นแสงสีขาวด้วยเลนส์และปริซึมอันที่สอง Newton ได้เสนอทฤษฎีอนุภาคแสงในปี 1675 ว่าแสงประกอบด้วยอนุภาคซึ่งปล่อยออกมาจากแหล่งกำเนิดแสงในทุกทิศทางซึ่งสามารถใช้อธิบายปรากฏการณ์ของแสงหลายอย่างได้สมเหตุสมผลแม้จะไม่ทั้งหมด

ฮอยเกนส์สนใจศึกษาและทำงานเกี่ยวข้องกับแสงมาตลอดตั้งแต่เริ่มคิดสร้างกล้องโทรทรรศน์ แต่แนวคิดของเขาแตกต่างจาก Newton โดยสิ้นเชิงเพราะเขาเชื่อว่าธรรมชาติของแสงเป็นคลื่น ฮอยเกนส์ได้เสนอแนวคิดทฤษฎีคลื่นแสงครั้งแรกต่อสถาบันวิทยาศาสตร์ฝรั่งเศสในปี 1678 และตีพิมพ์ทฤษฎีคลื่นแสงของเขาภายใต้ชื่อ Treatise on Light ในปี 1690 ฮอยเกนส์เสนอว่าแสงถูกปล่อยออกมาเป็นชุดของคลื่นในทุกทิศทาง ประกอบด้วยคลื่นสั่นสะเทือนขึ้นและลงในแนวตั้งฉากกับทิศทางการแพร่กระจายคลื่น ทฤษฎีคลื่นแสงของฮอยเกนส์สามารถใช้อธิบายบางปรากฏการณ์ของแสงได้ดีกว่าทฤษฎีอนุภาคแสงของ Newton แต่อาจจะด้วยความสำเร็จและอิทธิพลของ Newton ทำให้คนส่วนใหญ่เชื่อทฤษฎีอนุภาคแสงมากกว่า จนกระทั่งเวลาผ่านไปกว่าร้อยปีเมื่อมีงานค้นคว้าวิจัยใหม่เพิ่มทฤษฎีคลื่นแสงของฮอยเกนส์กลับมาได้รับความเชื่อถือแทนจนผู้คนแทบจะลืมทฤษฎีอนุภาคแสง แต่ในปัจจุบันเป็นที่ยอมรับว่าแสงมีคุณสมบัติเป็นทั้งคลื่นและอนุภาค

 
ผลงานยอดเยี่ยมในหลายสาขาวิชา

ด้านคณิตศาสตร์

ฮอยเกนส์เป็นนักคณิตศาสตร์ที่เก่งกาจคนหนึ่งแต่เขาไม่ได้พัฒนาทฤษฎีทางคณิตศาสตร์ใหม่อย่างสมบูรณ์ ความยอดเยี่ยมในเชิงคณิตศาสตร์ของเขาอยู่ที่การปรับปรุงวิธีการที่มีอยู่และการประยุกต์ใช้วิธีการเหล่านี้กับปัญหาทางฟิสิกส์ อย่างไรก็ตามเขาก็มีผลงานสำคัญด้านคณิตศาสตร์หลายอย่างได้แก่

– วางพื้นฐานของวิชาความน่าจะเป็นผ่านทางผลงาน On Reasoning in Games of Chance

– งานศึกษาการประมาณพื้นที่ของรูปทรงต่างๆให้อยู่ในรูปของสี่เหลี่ยมจัตุรัสผ่านทางผลงาน Theoremata de quadratura

– งานศึกษาเส้นโค้ง Catenary

ด้านฟิสิกส์

ฮอยเกนส์มีผลงานด้านฟิสิกส์อย่างมากมายและครอบคลุมในหลายสาขา ผลงานด้านนี้ของเขามีส่วนสำคัญต่อการพัฒนาวิทยาศาสตร์อย่างมาก ผลงานสำคัญด้านฟิสิกส์บางส่วนของเขาได้แก่

– คิดค้นทฤษฎีคลื่นแสง

– คิดค้นทฤษฎีเพนดูลัมและสูตรคำนวณคาบการแกว่งของลูกตุ้ม

– คิดค้นกฎแรงเหวี่ยงสำหรับการเคลื่อนที่เป็นวงกลม

– คิดค้นทฤษฎีการชนกันของวัตถุ

ฯลฯ

ด้านดาราศาสตร์

ผลจากการประดิษฐ์กล้องโทรทรรศน์กำลังขยายสูงและความสามารถอันยอดเยี่ยมด้านดาราศาสตร์ทำให้ฮอยเกนส์มีผลงานการค้นพบด้านดาราศาสตร์มากมายดังนี้

– ค้นพบดวงจันทร์ไททันของดาวเสาร์

– เป็นคนแรกที่อธิบายลักษณะของวงแหวนดาวเสาร์ได้ถูกต้อง

– เป็นคนแรกที่ศึกษาเนบิวลานายพราน (Orion Nebula) อย่างละเอียด

– เป็นคนแรกที่ค้นพบที่ราบภูเขาไฟ Syrtis Major บนดาวอังคาร

ฯลฯ

ด้านสิ่งประดิษฐ์

ฮอยเกนส์ถือเป็นนักประดิษฐ์คนสำคัญอีกคนหนึ่งของโลก เขาประดิษฐ์อุปกรณ์ต่างๆขึ้นมาเพื่อใช้ในงานวิจัยทางวิทยาศาสตร์ของตัวเอง แต่อุปกรณ์ที่เขาประดิษฐ์ขึ้นมีประโยชน์ต่อชาวโลกอย่างมาก ผลงานการประดิษฐ์ของฮอยเกนส์มีดังนี้

– ประดิษฐ์นาฬิกาลูกตุ้มซึ่งเป็นนาฬิกาเที่ยงตรงมากที่สุดยาวนานเกือบ 300 ปี

– ประดิษฐ์กล้องโทรทรรศน์ชนิดหักเหแสงกำลังขยายสูง

– ประดิษฐ์เลนส์ใกล้ตาแบบมีเลนส์นูน 2 เลนส์ที่เรียกว่า Huygenian eyepiece

– ประดิษฐ์นาฬิกาสปริงแบบสมดุลและนาฬิกาพก

ฯลฯ

 
“นักฟิสิกส์ทฤษฎี” คนแรกของโลก

christiaan-huygens-07

หลังจากทำงานวิจัยอยู่ที่บ้าน 15 ปีฮอยเกนส์ได้ย้ายไปทำงานที่สถาบันวิทยาศาสตร์ฝรั่งเศสอีก 15 ปี ก่อนจะกลับมาทำงานวิจัยอยู่ที่บ้านอีกครั้งตั้งแต่ปี 1681 จนกระทั่งเสียชีวิตในปี 1695 มีอายุ 66 ปี ฮอยเกนส์ไม่เคยแต่งงาน เขาเป็นนักวิทยาศาสตร์ที่ทุ่มเทให้กับการทำงานอย่างเต็มที่ และด้วยความสามารถอันยอดเยี่ยมเขาจึงเป็นนักวิทยาศาสตร์ที่ประสบความสำเร็จและมีผลงานมากที่สุดคนหนึ่งในศตวรรษที่ 17 เป็นรองแค่ Isaac Newton เพียงคนเดียวเท่านั้น เขาจึงได้รับการยกย่องว่าเป็นหนึ่งในนักวิทยาศาสตร์ที่ยิ่งใหญ่ที่สุดตลอดกาลและเป็นบุคคลสำคัญในการปฏิวัติทางวิทยาศาสตร์

ด้วยผลงานยอดเยี่ยมด้านวิทยาศาสตร์ที่ครอบคลุมในหลายสาขาวิชาฮอยเกนส์จึงได้รับการยกย่องเป็นนักวิทยาศาสตร์คนสำคัญของโลก รวมทั้งได้รับเลือกเป็นสมาชิกของราชสมาคมแห่งลอนดอน (The Royal Society of London) นอกจากนี้ฮอยเกนส์ยังเป็นนักคณิตศาสตร์และนักฟิสิกส์ที่มีความสามารถพิเศษ เขาเป็นคนแรกที่จัดการปัญหาทางฟิสิกส์ให้อยู่ในรูปของพารามิเตอร์จากนั้นวิเคราะห์ปัญหาด้วยคณิตศาสตร์ (ในผลงาน Horologium Oscillatorium) และเป็นคนแรกที่อธิบายปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์ที่ไม่สามารถสังเกตได้อย่างเต็มที่ด้วยคณิตศาสตร์ (ในผลงาน Treatise on Light) ดังนั้นเขาจึงได้รับการยกย่องเป็น “นักฟิสิกส์ทฤษฎี” คนแรกของโลก และเป็นหนึ่งในผู้ก่อตั้งฟิสิกส์เชิงคณิตศาสตร์สมัยใหม่อีกด้วย

christiaan-huygens-08

 

ข้อมูลและภาพจาก wikipedia, encyclopedia, findbiographies

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *