/ Science

บ่นยามดึก : วิทยาศาสตร์มันเจ๋งจริง ๆ นะเว่ย

ความสงสัยนั้นเป็นสิ่งที่ติดตัวกับมนุษย์มาตั้งแต่มนุษย์ถือกำเนิด กาลครั้งหนึ่งนานมาแล้วเราเคยเฝ้ามองท้องฟ้าในยามค่ำคืน แล้วตั้งคำถามต่าง ๆ มากมาย เราพยายามทำความเข้าใจถึงปรากฏการต่าง ๆ ทั้งกลางวัน กลางคืน การหายไปของดวงจันทร์ในคืน เดือนมึด และการกลับมาสว่างไสวอีกครั้งในคืนเดือนเพ็ญ ความสงสัยเหล่านี้ทำให้มนุษย์เกิดความกลัว กลัวธรรมชาติจะผิดแปลกไปกว่าที่เคยเป็น เนื่องด้วยความกลัวเหล่านี้มนุษย์จึงไม่อยากที่จะรู้สึกว่าพวกเขาเป็นสิ่งมีชีวิตที่โดดเดี๋ยว พวกเขาต้องสร้างบางสิ่งขึ้นมา เพื่อปกป้องพวกเขา แม้ว่าจะไม่เคยพบเคยเห็นสิ่งนั้นก็ตาม เทพเจ้าองค์ต่าง ๆ มากมายถูกสร้างขึ้นมาโดยอาศัยความสัมพันธ์กับธรรมชาติ จะสังเกตได้ว่าไม่ว่าจะอยู่ ณ จุดใดของโลก พวกเขาพยายามสร้างเทพเจ้าเพื่อคอยเฝ้าดูแลสิ่งต่าง ๆ เสมอไม่ว่าจะเป็นพระแม่ธรณีที่คอย ปกปักษ์แผ่นดินที่อยู่ พระแม่คงคาที่ให้ความชุ่มชื้นด้วยสายน้ำ หรือพระแม่โภสพในข้าวทุกเมล็ดที่เรากิน

Night sky

The lost centuries

อย่างไรก็ดีพวกเขาก็พยายามหาคำตอบของปรากฏการต่าง ๆ ด้วยการอธิบายด้วยเหตุผลนักปราชญ์ได้เกิดขึ้นมากมาย พวกเขา พยายามคำนวนทิศทางการเคลื่อนที่ของดาวต่าง ๆ ทำแผ่นที่ของท้องฟ้า หรือแม้กระทั่งหาเส้นรอบวงของโลก น่าเสียดายที่ศาสตร์พวกนี้ หายไปในช่วงยุคกลางของยุโรป (ช่วง คศ.200-1000) เนื่องด้วยอิทธิพลของศาสนา หากอ่านประวัติศาสตร์ดูแล้วจะพบว่าในช่วงนี้ มนุษย์เราไม่ได้มีผลงาน การค้นพบใหม่ ๆ เลย ช่วงเวลาเหล่านี้เต็มไปด้วยสงคราม และการปกครองที่เข้มงวด เราถึงขนาดเรียกช่วงเวลานี้ว่ายุคมืด หรือ The lost centuries (ศตวรรษที่หายไป) ลองคิดดูว่าหากการพัฒนาการทางวิทยาศาสตร์เป็นไปอย่างต่อเนื่อง ณ ตอนนี้เราอาจจะมีการส่งมนุษย์ไปยังดาวอังคาร หรือมีการตั้งถิ่นฐานบนดาวเคราะห์ด้วยอื่น ๆ แล้วก็เป็นได้ แต่นั่นไม่ใช่เรื่องที่จะมาเสียดาย เพราะมนุษย์ก็ได้เรียนรู้สิ่งต่าง ๆ มากมาย ณ เวลานั้น คนบางคนพยายามทำสิ่งที่คริศตจักรห้าม นั่นคือ “วิทยาศาสตร์”

พัฒนาการด้านวิทยาศาสตร์ของเรากลับมาอีกครั้งในช่วงที่มีการโต้แย้งกันอย่างหนักถึงเรื่องรูปร่างของโลก และ ตำแหน่งของโลกในจักรวาล หลังจากที่นิโคลัส เคอเปอนิคัส ได้เสนอว่าโลกนั้นกลม จากนั้นได้มีการสนับสนุนมากมายจากนักวิทยาศาสตร์ในสมัยนั้น จนทำให้พวกเขาได้รับอิสรภาพทางความคิด และแนวคิดเคร่งศาสนาในสมัยนั้นก็ค่อย ๆ เลือนหายไป การค้นคบต่าง ๆ เกิดขึ้นมากมาย หนังสือและทฤษฏีทั้งหลาย ล้วนแล้วแต่เป็นพื้นฐานของวิทยาศาสตร์ในปัจจุบัน จนปัจจุบันเรายังใช้กฏของนิวตั้นและกฏการเคลื่อนที่ของเคปเลอร์ในการส่งยานอวกาศไปสำรวจดาวต่าง ๆ ในระบบสุริยะ หรือใช้เรื่องของเลนส์เว้า เลนส์นูน ในการศึกษาถึงดาราจักรที่อยู่ห่างออกไปหลายร้อยล้านปีแสง

Open Star Cluster Westerlund 2 & Starforming Region Gum 29

จากเรื่องราวดังกล่าว ทำให้เราสรุปได้ว่าวิทยาศาสตร์มันไม่ใช่วิชาเรียนเพียงวิชาหนึ่งเท่านั้น แต่มันคือคุณสมบัติอย่างหนึ่งของมนุษย์ นั่นคือความสงสัย และความต้องการในการหาคำตอบ นักวิทยาศาสตร์ที่เก่งมากคนนึงชื่อว่า ไอแซก นิวตั้น เคยกล่าวไว้ว่า “ที่ฉันมองเห็นได้ไกลขนาดนี้ ก็เพราะฉันยืนอยู่บนบ่าของยักษ์ใหญ่” นั่นหมายความว่าการค้นพบต่าง ๆ จะเป็นไปไม่ได้เลยหากเขาไม่ได้เริ่มต้นมาจากแนวคิดต่าง ๆ ที่มนุษยชาติทั้งไว้ให้คนรุ่นหลัง ปัจจุบันยักษ์ตนนี้ยังสูงขึ้นเรื่อย ๆ ทำให้เรามองเห็นออกไปไกลขึ้นเรื่อย ๆ เช่นกัน

เราเรียนวิทยาศาสตร์ไปเพื่ออะไร ?

นักเรียนน้อยคนนักในห้องเรียนที่จะสัมผัสถึงเรื่องราวอันน่าทึ่งอันเป็นพื้นฐานของวิชาที่พวกเขากำลังเรียน พวกเขาท่องจำสูตรต่าง ๆ อย่างไม่รู้ที่มาและความหมาย นั่นหมายความว่าพวกเขาใช้มันในการคำนวนเพื่อหาตัวแปร 2-3 ตัว และกาลงในกระดาษคำตอบแบบเดียวกับที่คอมพิวเตอร์ถูกตั้งโปรแกรมเอาไว้ตามอัลกอริทึม ที่โปรแกรมเมอร์ (คุณครู) เขียนไว้ให้ ทว่าสมองของมนุษย์นั้นมีประโยชน์กว่าการจะมาเป็นแค่เครื่องคำนวนตามที่ถูกตั้งโปรแกรมไว้ มันมีอิสระทางความคิด การตั้งคำถาม และความกระหายที่จะหาคำตอบ หากคุณครูสามารถดึงความสามารถส่วนนี้มาใช้ได้การเรียนวิทยาศาสตร์ก็คงไม่น่าเบื่อเหมือนที่หลาย ๆ คนกำลังเผชิญ

soon to be apple pie

สรุปแล้วเราจะพัฒนาวิทยาศาสตร์ไปเพื่ออะไร ? "ถ้าคุณคิดจะทำ พายแอปเปิ้ลตั้งแต่แรกจริง ๆ ละก็ คุณคงต้องสร้างจักรวาลก่อน" คำพูดโด่งดังของนักฟิสิกส์ นักเขียน และนักสื่อสารวิทยาศาตร์ชื่อดัง Carl Sagan ที่อธิบายให้เราเห็ว่าทุกสิ่งล้วนแล้วแต่ถูกสร้างขึ้นมาจากอีกสิ่งหนึ่ง หากย้อนกลับไปว่าเราจะทำพายแอปเปิ้ลอย่างไร เมื่อคุณพยายามตอบคำถามนี้ลึกไปเรื่อย ๆ จนถึงต้นตอ คุณอาจจะต้อง ปลูกแอปเปิ้ลขึ้นมาซักลูกเสียก่อน ซึ่งขาดไม่ได้เลยที่จะมีต้นแอปเปิ้ล ซึ่งเกิดจากเมล็ด อันเกิดจากการแบ่งตัวของเซลล์ ลงไปเรื่อย ๆ ในระดับสารชีวโมเลกุลต่าง ๆ ลึกลงไปถึงระดับอะตอม ถึงอนุภาคมูลฐานทั้งหลายที่ถูกสร้างขึ้นมาเมื่อเอกภพถือกำเนิด แต่ถ้าเราลองเปลี่ยนคำถามเป็น คุณจะทำพายแอปเปิ้ลจาก แอปเปิ้ลหนึ่งลูกพร้อมกับส่วนผสมที่ซื้อมาจาก Supermarket ได้อย่างไร คำถามนี้คงตอบได้ง่ายมาก เพียงแค่สูตรการทำพายแอปเปิ้ล จากหนังสือหรืออินเทอร์เน็ต

The Theory of Everything (1)

ปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์พยายามค้นหาสมการที่จะอธิบายการทำงานของเอกภพ ซึ่งนั่นหมายถึงการอธิบายปรากฏการทุกอย่างด้วยสมการเพียงสมการเดียว เรียกแนวคิดนี้ว่า "Theory of Everything" หรือทฤษฏีแห่งสรรพสิ่ง ซึ่งเหนือกว่าสมการ Standard Model ที่เรากำลังศึกษาอยู่ ณ ทุกวันนี้ ดังนั้นหากจะอนุมานว่า เรากำลังค้นการสูตรการทำพายแอปเปิ้ลที่ละเอียดที่สุดที่เคยมีมาก็ว่าได้

ความน่าทึ่งของวิทยาศาสตร์

ผมมองว่าความน่าทึ่งของวิทยาศาสตร์นั้นแบ่งได้เป็น 2 อย่าง คือส่วนของ Front-tier หรือการค้นพบใหม่ ๆ ซึ่งเป็นเรื่องราวในกระแส ที่ทำให้สำนักข่าวทั่วโลกพร้อมกันประโคมข่าว ผู้คนในโลกโซเชียลต่างกดไลค์และแชร์กันแม้ว่าจะไม่รู้ว่ามันคืออะไรก็ตาม ไม่ว่าจะเป็นการค้นพบอนุภาคฮิกส์ของ CERN ในปี 2012 , การเดินทางถึงดาวพลูโตของยาน New Horizons ในปี 2015, การค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงในปี 2016 ของ LIGO

Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory
(ภาพของ Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory ใน Livingston)

และที่มีการพูดถึงในประเทศไทยของเราล่าสุดก็คือ Chachiyo's formula' Density Functional Theory หรือ สมการของชาชิโย นักฟิสิกส์ชาวไทยที่ได้สร้างสมการอธิบายกลศาสตร์ควอนตั้ม และได้รับการยอมรับจากทั่วโลก ซึ่ง front-tier นั้นพูดขยายเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ (push the front-tier)

อย่างที่สองคือส่วนของ History Science หรือการค้นพบที่ผ่านมาแล้ว เป็นพื้นฐานของการค้นพบใหม่ ๆ front-tier อาจจะกลายเป็น history ภายใน 2-3 ปีหากไม่มีการพูดถึง หรือมีการค้นพบใหม่ ๆ ที่มีความหมายยิ่งกว่า แต่นั่นก็ไม่ได้ทำให้ความสำคัญของ History Science ลดลงเลย กลับเป็นการทำให้มันมีคุณค่ามากขึ้นและยิ่งเป็นการย้ำว่า “มันสามารถใช้งานได้”

น่าเสียดายที่หลายคนไม่ได้เข้าถึงความน่าทึ่งของทั้งในสองส่วนนี้ อย่างไรก็ดีหากเราสามารถนำเสนอความน่าทึ่งและเรื่องราวของวิทยาศาสตร์อันน่าสนใจนี้ได้ คนที่มองวิทยาศาสตร์เป็นเพียงสมการ และหลักการที่ยุ่งยาก ก็คงจะเกิดความสงสัยและอยากที่จะศึกษาถึงเรื่องราวต่อไปไม่น้อย เหมือนกับการที่ได้อ่านบทต่อไปของหนังสือในขณะที่เรื่องราวกำลังดำเนินไปอย่างน่าสนใจ

ทำไมนาย A จะกระโดดตึก 20 เมตร ให้เราหาอัตราเร็ว

Physics

คุณครูในห้องเรียน มีโอกาสที่จะได้ทำให้นักเรียนได้เข้าถึงในส่วนนี้ด้วยการนำเข้าสู่บทเรียนที่น่าสนใจ ตัดเรื่องของสมการและหลักการที่ดูยุ่งยากออกไปไกล ๆ และเริ่มต้นด้วยคำถามหรือความสงสัย กระตุ้นให้อยากหาคำตอบ ซึ่งเป็นแนวคิดพื้นฐานของวิทยาศาสตร์อยู่แล้ว

ใคร ๆ ก็รู้ว่าดาวเคราะห์ต่าง ๆ หมุนรอบดาวฤกษ์ และดาวกฤกษ์ก็หมุนรอบศูนย์กลางของดาราจักร ทำให้เราได้มาเป็นสมการแรงโน้มถ่วงที่ทุกคนต้องเรียนในชั้น ม.ปลาย สมการนี้อาจจะทำให้เรารู้ว่าความเร็วหลุดพ้นของดาวเทียมมีค่าเท่าไหร่ หรือนานแค่ไหนที่นาย A จะกระโดดจากตึกสูง 20 เมตร ลงมาถึงพื้นด้านล่าง ซึ่งสิ่งเหล่านี้อาจจะไม่ช่วยให้นักเรียนอยากรู้ซักเท่าไหร่ อาจจะสงสัยมากกว่าว่าทำไมนาย A ต้องกระโดดลงมาจากตึก 20 เมตร เขาเบื่อกับชีวิตหรืออย่างไร

ดวงจันทร์ที่ทำจากผลแอปเปิ้ล

Isaac Newton apple[1]

แต่จริง ๆ แล้วเรื่องพวกนี้เกิดจากคำถามเพียงแค่ว่า “ทำไมผลแอปเปิ้ลถึงได้ตกลงมาที่โคนต้น แต่ดาวบนท้องฟ้ากลับสว่างไสวและไม่ตกลงมาเหมือนผลแอปเปิล ?” นี่คือสิ่งที่ไอแซก นิวตั้น ถามหาคำตอบเมื่อหลายร้อยปีก่อนก่อนที่เขาจะอธิบายเรื่องแรงโน้มถ่วง (ก่อนหน้านั้นเคปเลอร์ได้อธิบายการโคจรคร่าว ๆ ไว้แล้ว แต่เป็นในเชิง Pattern ทางคณิตศาสตร์ ไม่ใช่หลักการทางฟิสิกส์) หากเราสังเกตเราจะพบว่าวัตถุที่มวลเล็กกว่าจะถูกดึงดูดเข้าหาวัตถุที่มวลใหญ่กว่าเสมอ ไม่ว่าจะเป็นผลแอปเปิ้ลที่ถูกดูดลงสู่โลก และโลกที่ถูกดวงอาทิตย์ดึงดูดเอาไว้ไม่ให้ลอยไปอย่างอิสระในจักรวาล เพียงเท่านี้ก็สรุปได้ว่าแรงโน้มถ่วงนั้นขึ้นอยู่กับมวลของวัตถุนั่นเอง คำถามต่อไปก็คือทำไมผลแอปเปิ้ลที่หลุดออกมาจากต้นไม่โคจรรอบโลกเหมือนที่ดวงจันทร์โคจรรอบโลก เราสามารถสังเกตเรื่องนี้ได้จากการที่เราพยายามปาผลแอปเปิลลูกเดิมไป (ไม่ว่าจะด้วยเหตุผลอะไรก็ตาม) ผลแอปเปิ้ลจะไปตกห่างออกไปหากเราออกแรงไปในทางตั้งฉากกับแรงโน้มถ่วงของโลก และความโค้งของวิถีลูกแอปเปิ้ลจะมากขึ้นเรื่อย ๆ จนเราสามารถอนุมานได้อีกว่า หากเราปาออกไปด้วยแรง ณ จุด ๆ หนึ่ง ลูกแอปเปิ้ลลูกนั้นจะโคจรรอบโลกและกลายเป็นดวงจันทร์ดวงที่สองของโลกก็ได้

Hubble in orbit

การเอาลูกแอปเปิ้ลมาเป็นดวงจันทร์นั้นอาจจะถูกโง่ ๆ และไร้ประโยชน์ไปซักหน่อย หลายร้อยปีต่อมามนุษย์ถึงได้ประสบความสำเร็จในการส่งสิ่งที่เรียกว่า “ดาวเทียม” ปัจจุบันมีดาวเทียมหลายพันดวงโคจรอยู่รอบโลกทำให้เรา สามารถขับรถได้โดยไม่หลงทางด้วย GPS หรือดูถ่ายทอดสดฟุตบอลนัดชิงแชมป์ที่เตะกันอยู่อีกฝากนึงของโลกได้ จนไปถึงการทำงานทางวิทยาศาสตร์อย่างพยากรอากาศ หรือติดตามการเปลี่ยนแปลงของโลกอันเนื่องมาจากภาวะโลกร้อน

แรงโน้มถ่วงไม่ได้แข็งแรงอย่างที่คิด

แรงโน้มถ่วงนั้น “อ่อนแอมาก” คำ ๆ นี้อาจจะฟังดูขัด ๆ เพราะในเมื่อมันสามารถดึงดูดดาวฤกษ์มวลมหาศาลได้ ทำไมแรงโน้มถ่วงจึงถูกจัดอยู่ในแรงที่เรียกว่า Weak Force จริง ๆ แล้วอำนาจของแรงมันไม่ได้ขึ้นอยู่กับว่ามันสามารถทำสิ่งใหญ่ ๆ ได้มากเพียงใด แต่ขึ้นอยู่กับว่า มันมีอำนาจที่จะจัดการกับ “สิ่งเล็ก ๆ” ได้เล็กสุดแค่ไหน ซึ่งแรงโน้มถ่วงนั้นทำทให้อะตอมของไฮโดรเจนไม่หลุดออกไปจากชั้นบรรยากาศได้

Gravity

แสดงว่าแรงโน้มถ่วงนั้นกระทำต่ออะตอมได้ ลองลงลึกไปอีก หากเราทดลองยิงอิเล็กตรอน หรือเร่งอิเล็กตรอนด้วยสนามไฟฟ้า จะสังเกตว่าหากไม่มีสนามไฟฟ้าที่ดันด้านล่างเอาไว้ อิเล็กตรอนก็จะโค้งลงสัมผัสกับท่อของเครื่องเร่งอนุภาคเช่นกัน สรุปได้อีกว่า แม้กระทั่งเสกลเล็ก ๆ อย่างขนาดของอิเล็กตรอน แรงโน้มถ่วงยังสามารถจัดการกับมันได้ สรุปได้ว่าแรงโน้มถ่วงนั้นส่งผลในระดับที่เล็กมาก ๆ ปัจจุบันนักฟิสิกส์ทราบว่าจุดเล็กที่สุดที่แรงโน้มถ่วงจะส่งผลกระทบได้อยู่ในระดับที่เรียกว่า Planck Scale ซึ่งในระดับที่เล็กไปกว่านี้อาจจะมีอีกมิติหนึ่งก็ได้ แต่เราไม่สามารถเข้าถึงได้ เนื่องจากเรานั้นใหญ่เกินไป!

เรื่องราวทั้งหมดนี้เป็นเพียงไม่กี่คำถามที่เราจะตั้งข้อสงสัยได้จากสมการแรงโน้มถ่วง ที่ถ้าเราหากอธิบายไม่ดีแล้ว มันอาจจะเป็นเพียงสมการที่ใช้ตัดสินผลการสอบปลายภาคของนักเรียนเท่านั้น

เราจะเรียนวิทย์กันแบบนี้จริง ๆ เหรอเนี่ย

ก็ต้องยอมรับกันไปว่าระบบการศึกษาของเรา มันแย่ แย่ที่พยายามจะตัดสินคนและเพิ่มอำนาจให้กับผู้สอนมากจนเกินไป เช่นเดียวกับนักเรียน คุณครูบางคนก็ตกเป็นเหยื่อของระบบการศึกษาเช่นเดียวกัน บางคนขาด Passion ในการสอน ขาดความหลงใหลในเรื่องที่ตัวเองสอน มันอาจจะไม่เป็นอุปสรรค์เลยซะทีเดียว แต่นั่นก็หมายความว่าหากคุณครูนั้นสอนไปจนถึงจุดจุดหนึ่งและอิ่มตัว ครูจะเริ่มหยุดหาความรู้และกลายเป็นการอ่านหนังสือหรือ Slide ให้เด็กฟัง ณ จุดนี้เด็กที่มีความสนใจในเรื่องราวนั้น ๆ อาจจะพยายามไปต่อ แต่เด็กบางคนที่เขาไม่เห็นความสำคัญของมันเขาก็จะหยุด ดังนั้นปัจจัยสำคัญของการที่เราจะช่วยกันผลักดันคลาสวิทยาศาสตร์ของเราต่อไปเลยก็คือ ไม่ว่าจะครูหรือนักเรียนไม่ควรหยุดหาความรู้ หรือหยุดติดตามข่าวสารต่าง ๆ ซึ่งมันจะเป็นการหล่อเลี้ยงความอยากรู้ และความสนใจในเรื่องราวที่สอนหรือเรียน ให้ยังคงอยู่

TELESCOPE

ง่วงนอน ขอตัดจบ

ครั้งหนึ่ง Enrico Fermi ซึ่งภายหลังถูกนำชื่อมาตั้งเป็น Fermilab ได้เคยถูกถามว่า "การลงทุนด้านวิทยาศาสตร์ของคุณจะเอามาช่วยปกป้องประเทศได้อย่างไร" เขายิ้มแล้วตอบไปว่า "ท่านเข้าใจผิดแล้ว งานพวกนี้ไม่ได้ช่วยปกป้องประเทศ แต่มันทำให้ประเทศควรค่าแก่การปกป้อง"

ขอให้สนุกกับวิทยาศาสตร์ กดไลค์เพจด้วย