Inspired & Creative Content Creator พื้นที่รวมคอนเทนต์ว่าด้วยความคิดสร้างสรรค์และพลังของคนรุ่นใหม่

ปีศาจแมกซ์เวลล์ : ปริศนาที่นักฟิสิกส์ทั่วโลกยังแก้ไม่ได้

เคยสังเกตไหมว่า ถ้าเราชงกาแฟ แล้วนำแก้วกาแฟร้อนๆ มาวางทิ้งไว้ในห้องรับแขก สักพักกาแฟในแก้วจะค่อยๆ เย็นลงจนมีอุณหภูมิเท่ากับอุณหภูมิห้องในที่สุด

นักฟิสิกส์สังเกตการไหลของความร้อนที่แสนจะธรรมดานี้อย่างละเอียดรอบคอบ แล้วนำมาสร้างเป็นกฎฟิสิกส์ที่แข็งแกร่งในชื่อ ‘กฎข้อที่สองของเทอร์โมไดนามิกส์ (Second Law of Thermodynamics)’ ซึ่งแถลงว่า ความร้อนจะไม่มีทางไหลจากที่อุณหภูมิต่ำมายังที่อุณหภูมิสูงได้เอง นอกเสียจากจะมีการทำงานของเครื่องจักรความร้อนมาช่วย

แน่นอน เราไม่มีทางเห็นว่ากาแฟร้อนในห้องร้อนขึ้นเรื่อยๆ จนเดือดปุดๆ ได้เองเนื่องจากอากาศรอบๆ ที่อุณหภูมิต่ำกว่าถ่ายเทความร้อนให้ และเราไม่มีทางเห็นน้ำเปล่าในแก้วที่อยู่ๆ ครึ่งหนึ่งจะกลายเป็นน้ำแข็งเพราะความร้อนไหลออก ส่วนอีกครึ่งหนึ่งน้ำเดือดเองเนื่องจากความร้อนไหลเข้ามา

แต่ในช่วงปี ค.ศ. 1867 อัจฉริยะนักฟิสิกส์ชาวสก็อต นาม เจมส์ เคลิร์ก แมกซ์เวลล์ (James Clerk Maxwell) เขียนจดหมายเล่าแนวคิดแสนแปลกประหลาดให้เพื่อนนักฟิสิกส์ฟัง โดยแนวคิดนั้นเป็นสถานการณ์ที่ละเมิดกฎข้อสองของเทอร์โมไดนามิกส์!

แนวคิดที่ละเมิดกฎฟิสิกส์นั้นเป็นเรื่องใหญ่มากๆ เพราะทฤษฎีต่างๆ ที่มีล้วนถูกสร้างขึ้นจากกฎฟิสิกส์ทั้งสิ้น ดังนั้นการละเมิดกฎฟิสิกส์จึงเปรียบเหมือนการเห็นรอยแตกที่อาจนำมาซึ่งการพังทลายของทฤษฎีอื่นๆ ตามมา

หลายคนอาจไม่รู้ว่า เจมส์ เคลิร์ก แมกซ์เวลล์ เป็นใคร ทั้งที่จริงๆ แล้วหากไม่นับนักฟิสิกส์ผู้ยิ่งใหญ่อย่างเซอร์ไอแซก นิวตัน (Sir Isaac Newton) และอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) แล้ว เขาก็น่าจะเป็นสุดยอดนักฟิสิกส์ผู้ยิ่งใหญ่ที่สุดคนหนึ่งของโลกเลยทีเดียว

อันที่จริง ทฤษฎีของแมกซ์เวลล์นั้นสร้างแรงบันดาลใจให้ไอน์สไตน์ด้วยซ้ำ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ถึงกับติดรูปของแมกซ์เวลล์ไว้ที่ผนังห้อง แล้วเขียนถึงแมกซ์เวลล์ว่า “นักฟิสิกส์ผู้ส่งผลกระทบที่ยิ่งใหญ่และลึกซึ้งต่อโลกฟิสิกส์นับตั้งแต่ยุคของไอแซก นิวตัน”

ผลงานที่ยิ่งใหญ่ของแมกซ์เวลล์เริ่มมาตั้งแต่สมัยที่แมกซ์เวลล์อายุเพียง 28 ปี เขาใช้ทฤษฎีฟิสิกส์กลศาสตร์แสดงให้เห็นว่าวงแหวนของดาวเสาร์นั้นไม่สามารถเป็นแผ่นราบเรียบเหมือนแผ่นซีดีได้ เพราะถ้าเป็นเช่นนั้น แรงโน้มถ่วงมหาศาลจากดาวเสาร์จะทำให้แผ่นวงแหวนแตกหักและกระจัดกระจายหายไปในที่สุด

แมกซ์เวลล์เสนอแนวคิดแหวกแนวว่าวงแหวนของดาวเสาร์น่าจะประกอบด้วยอนุภาคเล็กมากๆ เรียงรายจนเมื่อสังเกตจากระยะไกลแล้วมีลักษณะเหมือนแผ่นวงแหวน

36 ปีต่อมา เจมส์ คีเลอร์ (James Keeler) นักฟิสิกส์ชาวอเมริกันใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่า สเปกโตรสโคป (spectroscope) ศึกษาวงแหวนดาวเสาร์จนพบว่าสิ่งที่แมกซ์เวลล์เคยทำนายไว้เป็นความจริง

ทุกวันนี้ ช่องว่างระหว่างวงแหวนดาวเสาร์ช่องหนึ่งถูกตั้งชื่อว่า ช่องว่างแมกซ์เวลล์ และช่องว่างคีเลอร์

นอกจากนี้แมกซ์เวลล์ยังมีผลงานฟิสิกส์เชิงทฤษฎีอีกมากมาย และเขาเป็นผู้ถ่ายภาพสีได้เป็นคนแรกของโลก (เป็นภาพริบบิ้น) แต่ผลงานที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของแมกซ์เวลล์คือ สมการของแมกซ์เวลล์ (Maxwell’s Equations) ซึ่งใช้อธิบายปรากฏการณ์เกี่ยวกับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้อย่างครอบคลุม ตั้งแต่แสงอาทิตย์จนถึงคลื่นโทรศัพท์มือถือ

อย่างไรก็ตาม น้อยคนนักจะรู้ว่าแมกซ์เวลล์ได้จินตนาการถึงแนวคิดที่อาจทำลายกฎข้อสองของเทอร์โมไดนามิกส์ให้พังราบคาบลงได้ แนวคิดดังกล่าวถูกลอร์ดเคลวิน (Lord Kelvin) นักฟิสิกส์ผู้มีชื่อเสียง เรียกว่า ปีศาจของแมกซ์เวลล์ (Maxwell’s Demon) โดยแนวคิดดังกล่าวเริ่มต้นจากกล่อง 2 ใบ

มีกล่องอยู่ 2 ใบ แก๊สในกล่องทั้ง 2 กล่องมีอุณหภูมิเท่ากัน หมายความว่าโดยเฉลี่ยแล้วโมเลกุลแก๊สในกล่องทั้ง 2 ใบมีอัตราเร็วพอๆ กัน

จากนั้นนำกล่องทั้งสองมาวางติดกัน เจาะช่องเล็กๆ พอให้โมเลกุลของแก๊สสามารถเคลื่อนผ่านไปมาระหว่างกล่องได้

ตามปกติ โอกาสที่แก๊สวิ่งเร็วจะเคลื่อนจากกล่องซ้ายมายังกล่องขวานั้นจะพอๆ กัน และโอกาสที่แก๊สวิ่งช้าจะเคลื่อนที่จากฝั่งซ้ายมายังฝั่งขวาก็พอๆ กัน ทำให้ทั้ง 2 กล่องอยู่ในสมดุล

แต่แมกซ์เวลล์จินตนาการว่าถ้าตรงช่องเปิดมีบานเลื่อนที่สามารถปิดกั้นไม่ให้โมเลกุลแก๊สเคลื่อนที่ผ่าน หรือจะเลื่อนออกให้แก๊สเคลื่อนที่ผ่านช่องนั้นก็ได้ โดยการเลื่อนเปิดปิดบานเลื่อนนั้นแทบไม่ต้องใช้พลังงานเลยเพราะบานเลื่อนนั้นเบามากๆ

คำถามคือ ถ้าบานเลื่อนนั้นถูกเลื่อนเปิด-ปิดในจังหวะที่เหมาะสม กล่าวคือจะเลื่อนปิดทุกครั้งที่โมเลกุลความเร็วสูงจากฝั่งซ้ายพุ่งมา แต่จะเปิดทุกครั้งที่โมเลกุลความเร็วสูงจากฝั่งขวาพุ่งมา และทำแบบนี้ในลักษณะตรงข้ามกับโมเลกุลที่วิ่งช้า

ผลลัพธ์ที่เกิดขึ้นคือ แก๊สกล่องฝั่งซ้ายจะมีอุณหภูมิสูงขึ้นเรื่อยๆ ส่วนแก๊สกล่องฝั่งขวาจะเย็นลงๆ โดยไม่ต้องใช้พลังงานอะไรเลย เพียงแค่อาศัยการเลื่อนเปิดปิดของบานเลื่อนเท่านั้น

ผู้ที่ควบคุมบานเลื่อนนี้อาจจะเป็นปรากฏการณ์ธรรมชาติบางอย่าง เป็นเครื่องจักร เป็นคนที่รู้ความเร็วของโมเลกุลแก๊สทั้งหมด หรือจะเป็นปีศาจเล็กๆ ที่ก่อกวนกฎฟิสิกส์ของเอกภพ ก็ได้

จะเป็นอะไรไม่ใช่เรื่องสำคัญ

ประเด็นสำคัญอยู่ที่ ไม่มีกฎฟิสิกส์ข้อไหนห้ามไม่ให้เกิดการคัดเลือกความเร็วของโมเลกุลแก๊สในลักษณะนี้ ดังนั้น บานเลื่อนประหลาดนี้ย่อมละเมิดกฎการไหลของความร้อนอย่างแน่นอน

ความขัดแย้งนี้เองที่เรียกว่า “ปีศาจของแมกซ์เวลล์”

เชื่อหรือไม่ว่าคำตอบของปัญหาข้อนี้ยังเป็นสิ่งที่นักฟิสิกส์ถกเถียงกันมาจนถึงทุกวันนี้ แต่คำตอบโดยทั่วไปที่นักฟิสิกส์ยอมรับคือ เมื่อปีศาจแมกซ์เวลล์ทำการวัดความเร็วของโมเลกุลแก๊สทั้ง 2 กล่องจะทำให้เกิดปฏิสัมพันธ์ระหว่างปีศาจแมกซ์เวลล์และโมเลกุล ยกตัวอย่างเช่น ปีศาจแมกซ์เวลล์อาจต้องใช้แสงส่องไปดูโมเลกุลของแก๊สทีละโมเลกุล ซึ่งปฏิสัมพันธ์ดังกล่าวต้องการพลังงานในปริมาณที่สูงมาก และผลจากการวัดจะทำให้เกิดความร้อนขึ้นมากมายมหาศาล

พูดง่ายๆ ว่าปีศาจแมกซ์เวลล์ที่ดูเหมือนจะไม่ต้องใช้พลังงานในการคัดเลือกโมเลกุล แต่แท้จริงแล้วยังต้องใช้พลังงานไม่ต่างจากเครื่องจักรอย่างตู้เย็น แต่ที่เจ๋งไปมากกว่านั้นคือ แนวคิดนี้ทำให้เกิดความเชื่อมโยงระหว่าง ‘ข้อมูล’ ซึ่งเป็นสิ่งที่ดูไม่มีตัวตนกับปริมาณทางฟิสิกส์ที่สามารถตรวจวัดได้

ไม่น่าเชื่อว่าคำถามเล็กๆ บางคำถามที่ถูกตั้งขึ้นมาเมื่อร้อยปีก่อนจะก่อให้เกิดความคิดและคำตอบต่อยอดตามมามากมายขนาดนี้

อ้างอิง history.mcs.st-andrews.ac.uk, maxwellyear2006.org, adsabs.harvard.edu

Author

อาจวรงค์ จันทมาศ

เจ้าหน้าที่สถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน) ผู้ใช้เวลาว่างในการสื่อสารวิทยาศาสตร์ด้วยการบรรยายและเขียนอยู่เสมอ โด่งดังจากการเป็นแฟนพันธุ์แท้นักวิทยาศาสตร์เอกของโลก มีผลงานพ็อกเก็ตบุ๊ก จริงตนาการ และ ดอกไม้ไฟในเอกภพ เขายังเป็นพิธีกรรายการแนววิทยาศาสตร์ จัดรายการวิทยุออนไลน์ Witcast เล่าเรื่องวิทยาศาสตร์แนวตลกโปกฮาร่วมกับ แทนไท ประเสริฐกุล และอัพเดทเรื่องสนุกๆ ในสายตาเด็กวิทย์เป็นประจำ

Related Posts

x

ขอบคุณที่สมัครใช้บริการ
E-Newsletter ของ a day
กรุณาเช็คอีเมลของคุณ
เพื่อเปิดใช้งานได้เลย :-)

Thank you for joining our community.
Please check your e-mail
to activate our E-Newsletter.
Enjoy! :-)