ประวัติศาสตร์ฟิสิกส์: เรื่องราวของแลปคาเวนดิช มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์

             แลปคาเวนดิช (Cavendish Laboratory) สถานที่ที่อยู่เบื้องหลังการค้นพบครั้งสำคัญทางฟิสิกส์ ตั้งแต่การค้นพบอนุภาคเล็กๆ อย่างอิเล็กตรอน คิดค้นโครงสร้างดีเอ็นเอ และอื่นๆ อีกมากมาย แลปคาเวนดิชนี้เป็นส่วนหนึ่งของมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ มหาวิทยาลัยเก่าแก่ของประเทศอังกฤษ ก่อตั้งเมื่อปีค.ศ. 1874 โดยได้รับเงินสนับสนุนจาก วิลเลียม คาเวนดิช (William Cavendish) ซึ่งในตอนนั้นดำรงตำแหน่งเป็นอธิการบดีของมหาวิทยาลัย จึงตั้งชื่อเพื่อเป็นเกียรติกับเขาและญาติของเขาที่เป็นนักฟิสิกส์ชื่อ เฮนรี คาเวนดิช (Henry Cavendish) ผู้ที่สร้างประโยชน์ให้กับวงการฟิสิกส์มาก่อน ^[1]


          แลปคาเวนดิชเดิมตั้งอยู่ใจกลางเมืองเคมบริดจ์ ด้านหน้าเป็นตรอกเล็กๆ ชื่อว่า Free School Lane ตัวอาคารเก่าแก่สไตล์วิคตอเรีย มีสามชั้น ประกอบด้วยห้องเรียนขนาดใหญ่ ห้องแลปที่ใช้ทดลองฟิสิกส์เรื่องต่างๆ จัดเป็นสัดส่วน ในช่วงแรกที่นักเรียนน้อยๆ ไม่ถึง 20 คน อาคารดูกว้างขวางและโล่งมาก ^[2] ต่อมาภายหลังได้มีการต่อเติมเพื่อรองรับนักเรียนที่เพิ่มมากขึ้นและในที่สุดต้องย้ายออกไปนอกเมืองที่มีพื้นที่มากกว่า ถึงแม้ว่าปัจจุบันอาคารนี้จะถูกใช้สำหรับภาควิชาอื่นแล้ว แต่ก็ยังมีคนแวะเวียนมาชื่นชมความสำคัญทางประวัติศาสตร์ของที่นี่กันไม่ขาดสาย 
            ความสำคัญของแลปนี้เริ่มตั้งแต่เป็นการจัดการเรียนการสอนฟิสิกส์เชิงทดลองอย่างเป็นระบบที่แรกๆ ของโลก พร้อมๆ กับแลปคลาเรนดอน (Clarendon Laboratory) ของมหาวิทยาลัยออกฟอร์ด ก่อนหน้านี้การศึกษาฟิสิกส์นั้นจะหมายถึงแค่การเรียนทางทฤษฎี และถูกจัดเป็นส่วนหนึ่งของสาขาวิชาคณิตศาสตร์ ส่วนผลงานทางฟิสิกส์ทดลองของนักฟิสิกส์ที่มีมาก่อนๆ นั้น มักเกิดขึ้นในพื้นที่ส่วนตัวของพวกเขาเอง ไม่ได้มีพื้นที่ในมหาวิทยาลัยหรือสถาบันใดๆ ให้พวกเขาได้มาทำการทดลองได้ ถ้าเป็นนักฟิสิกส์ที่มีทุนเยอะหน่อย ก็จะสร้างห้องแลปส่วนตัวที่บ้าน เช่น จูล (James Prescott Joule) หรือ เฮนรี คาเวนดิชเองก็ตาม หรือไม่เช่นนั้น ถ้าเป็นนักฟิสิกส์ในมหาวิทยาลัยก็อาจทำการทดลองในห้องพักส่วนตัว เช่น ไอแซค นิวตัน ที่ทำงานในห้องพัก ณ วิทยาลัยทรินนิตี (ส่วนหนึ่งของมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์) ที่เขาอาศัยอยู่ เป็นต้น และวิธีการเดียวที่จะได้เริ่มต้นเรียนรู้เทคนิคการทดลองในสมัยนั้นคือ ต้องไปเป็นผู้ช่วยของนักฟิสิกส์ที่มีประสบการณ์และมีห้องแลปเป็นของตัวเอง อย่างที่เราเห็นในประวัติของนักฟิสิกส์หลายคน ที่เริ่มต้นอาชีพจากการช่วยงานนักฟิสิกส์ชื่อดังคนอื่นๆ จนกระทั่งมีหลายฝ่ายเห็นตรงกันว่าควรจะมีการสร้างห้องแลปในมหาวิทยาลัยและหลักสูตรการศึกษาฟิสิกส์เชิงทดลองนี้ขึ้นมาอย่างจริงจัง เพื่อเปิดโอกาสให้คนมาศึกษามากขึ้น ทำให้หลังจากนั้นเกิดองค์ความรู้ทางฟิสิกส์ใหม่ๆ ขึ้นมาอย่างรวดเร็ว 


          เมื่อเกิดแลปคาเวนดิชขึ้นมา ก็ต้องมีนักฟิสิกส์ที่มาเป็นหัวหน้าดูแลงานด้านการทดลองนี้โดยเฉพาะ จึงได้ตั้งตำแหน่ง คาเวนดิชโปรเฟสเซอร์ (Cavendish Professor) ขึ้นมา ตำแหน่งนี้มีความสำคัญอย่างมากในการผลักดันและกำหนดทิศทางการศึกษาวิจัยภายในแลป ตั้งแต่ก่อตั้งจนถึงปัจจุบัน มีคาเวนดิชโปรเฟสเซอร์มาทั้งหมด 9 คน แต่ละคนล้วนเป็นนักฟิสิกส์ชื่อดังและในแต่ละช่วงนั้น ก็เกิดการเปลี่ยนแปลงต่างๆ ที่ส่งผลต่อวงการฟิสิกส์อย่างมาก


          เริ่มตั้งแต่ผู้ที่มาดำรงตำแหน่งนี้คนแรก เจมส์ คลาร์ก แมกซ์เวลล์ (James Clerk Maxwell) นักฟิสิกส์คนสำคัญผู้คิดค้นทฤษฎีว่าด้วยการแผ่รังสีของแม่เหล็กไฟฟ้า ^[3] ในช่วงแรกที่มีการแต่งตั้งแมกซ์เวลล์มาดำรงตำแหน่งนี้ สร้างความผิดหวังเล็กๆ ให้หลายๆ คน เพราะตอนนั้นเขาไม่มีชื่อเสียงเท่าคนอื่นๆ เขาใช้ชีวิตอย่างเงียบๆ ที่บ้านพักในสกอตแลนด์ หนังสือและผลงานส่วนใหญ่ก็ยังไม่ได้ตีพิมพ์ แต่ด้วยความสามารถที่เขามี ก็ทำให้ได้รับการยอมรับในเวลาต่อมา ในช่วงเริ่มต้นเขามีส่วนอย่างมากในการออกแบบและควบคุมการก่อสร้างอาคารแลปนี้ รวมถึงจัดหาเครื่องมือต่างๆ มาใช้ในการเรียน แต่ในยุคของเขาการทดลองฟิสิกส์นั้นจะทำไปตามความสนใจของนักเรียนเอง ไม่ได้มีการจัดหลักสูตรอย่างจริงจังเหมือนในยุคต่อมาของลอร์ดเรย์ลี (John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh) ที่มาดำรงตำแหน่งเป็นคนที่สอง นักฟิสิกส์คนนี้มีผลงานมากมาย เช่น ศึกษาการกระเจิงของแสง (Rayleigh scattering) ที่ให้คำตอบว่าทำไมท้องฟ้าจึงมีสีฟ้า และยังมีส่วนในการค้นพบธาตุอาร์กอน ทำให้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปีค.ศ. 1904 ^[4] ในยุคของเขามีการจัดการหลักสูตรอย่างชัดเจน นักเรียนต้องทำแลปตามเรื่องที่กำหนดไว้ในแต่ละสัปดาห์และส่งรายงานเมื่อทำเสร็จ เป็นต้นแบบของการจัดหลักสูตรแลปฟิสิกส์ที่ใช้กันในปัจจุบัน อีกหนึ่งความเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นในยุคของเรย์ลีคือมีการเปิดให้ผู้หญิงเข้ามาเรียนอย่างเท่าเทียมกับผู้ชาย หลังจากที่ในยุคของแมกซ์เวลล์นั้น เปิดให้ผู้หญิงเข้ามาเรียนได้แค่ในช่วงวันหยุดยาวฤดูร้อน (ซึ่งเป็นช่วงที่เขาจะไม่อยู่เพราะไปพักผ่อนที่บ้านในสกอตแลนด์เท่านั้น!!) จึงเพิ่มโอกาสให้ผู้หญิงเข้ามามีบทบาทมากขึ้นในวงการฟิสิกส์            ต่อมาเป็นยุคของ เจ เจ ทอมสัน (J. J. Thomson) นักฟิสิกส์ผู้ค้นพบอิเล็กตรอน เขาสามารถวัดค่าประจุต่อมวลของอิเล็กตรอนจากการทดลองในหลอดรังสีแคโทดได้ (โนเบลสาขาฟิสิกส์ปีค.ศ. 1906) ในยุคนี้ได้มีการเปิดให้นักเรียนจากภายนอก ที่ไม่ได้จบมาจากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์มาศึกษาต่อในระดับปริญญาเอกได้ ทำให้นักเรียนเพิ่มจำนวนขึ้นมาก นักเรียนหนึ่งในนั้นก็คือ เออเนสท์ รัทเทอร์ฟอร์ด (Ernest Rutherford) ที่มาจากประเทศนิวซีแลนด์ และภายหลังเขาก็มารับตำแหน่งคาเวนดิชโปรเฟสเซอร์ต่อจากทอมสัน รัทเทอร์ฟอร์ดสร้างผลงานหลากหลาย ทั้งศึกษาการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี (โนเบลสาขาเคมีปีค.ศ. 1908) และการทดลองอันโด่งดังของเขา แผ่นทองคำบาง จนเกิดเป็นแบบจำลองอะตอมที่มีนิวเคลียสอยู่ที่ใจกลาง งานส่วนใหญ่ของเขา ในขณะที่ดำรงตำแหน่งที่นี่คือการศึกษาด้านฟิสิกส์นิวเคลียร์ เขาสร้างเครื่องมือทดลองการแตกตัวของอะตอม โดยมีอนุภาคแอลฟา (จากการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสีเรเดียม) เข้าไปทำปฏิกิริยากับนิวเคลียสของไนโตรเจน และปลดปล่อยอนุภาคโปรตรอนออกมา ซึ่งมีพลังงานมากกว่าอนุภาคแอลฟาตั้งต้น และเขาก็ยังได้ผลักดันงานด้านฟิสิกส์นิวเคลียร์อีกมาก รวมไปถึงงานของ เจมส์ แชดวิค (James Chadwick) ที่ได้ค้นพบนิวตรอนตามคำแนะนำของรัทเทอร์ฟอร์ด (โนเบลสาขาฟิสิกส์ปีค.ศ. 1935) นอกจากนั้นในยุคนี้ได้มีการสร้างอาคารใหม่ชื่อ Mond Laboratory ส่วนใหญ่ใช้สำหรับงานทดลองฟิสิกส์ที่อุณหภูมิต่ำและงานที่ใช้สนามแม่เหล็กความเข้มสูงของนักฟิสิกส์ชาวรัสเซียชื่อ คาพิตซา (Pyotr Kapitsa) ไฮไลต์ของอาคารนี้อยู่ที่การแกะสลักรูปจระเข้บนผนังด้านนอกขนาดใหญ่มาก ซึ่งคาพิตซาได้สั่งให้ทำขึ้นมาเพื่อสื่อถึงรัทเทอร์ฟอร์ด เพราะในสมัยเรียนเขาจะเรียกรัทเทอร์ฟอร์ดอย่างเล่นๆ ว่า ‘The Crocodile’ หรือจระเข้นั่นเอง อาจจะเป็นเพราะความน่ากลัวหรือจะหมายถึงเสียงของรัทเธอร์ฟอร์ดที่ดังนำมาก่อน เตือนถึงการมาเยือนของเขา เหมือนตัวการ์ตูนจระเข้ในนิทานเรื่องปีเตอร์ แพน รัทเทอร์ฟอร์ดยินยอมแต่โดยดีและในปัจจุบันรูปจระเข้นี้ก็ถูกนำมาใช้เป็นสัญลักษณ์ของแลปในหลายๆ โอกาส 

            ต่อจากรัทเทอร์ฟอร์ดก็เป็น วิลเลียม ลอว์เรนซ์ แบรกก์ (Sir William Lawrence Bragg) ที่มารับช่วงต่อ เขาและพ่อของเขาได้พัฒนาเทคนิคการวิเคราะห์ผลึก โดยใช้การเลี้ยวเบนของรังสีเอ็กซเรย์ (โนเบลสาขาฟิสิกส์ปีค.ศ. 1915) เป็นเครื่องมือสำคัญในงานศึกษาทางด้านวัสดุและชีววิทยา และก็เป็นเทคนิคที่ โรซาลิน แฟรงคลิน (Rosalind franklin) ใช้ถ่ายภาพ DNA ยืนยันแนวคิดของ เจมส์ วัตสัน และ ฟรานซิส คริก (James Watson and Francis Crick) ที่อธิบายโครงสร้างแบบสายคู่บิดเกลียวคล้ายบันไดเวียน หรือ double helix นั่นเอง (โนเบลสาขาสรีรวิทยาหรือการแพทย์ปีค.ศ. 1962) นี่ก็เป็นจุดสำคัญที่ทำให้เริ่มเกิดการศึกษาชีววิทยาด้วยวิธีการทางฟิสิกส์มากขึ้น


          คาเวนดิชโปรเฟสเซอร์คนถัดมา คือ เนวิล มอตต์ (Nevill Mott) เขาเชี่ยวชาญทางด้านวัสดุ โดยการศึกษาสมบัติทางแม่เหล็กและอิเล็กทรอนิกส์ของวัสดุที่ไม่เป็นผลึก ทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปีค.ศ. 1977 นอกจากนั้นในยุคนี้ยังมีการก่อตั้งสาขาวิจัยทางดาราศาสตร์วิทยุ (Radio Astronomy) ขึ้นมา จนทำให้เกิดการค้นพบครั้งสำคัญของ Jocelyn Bell Burnell นักศึกษาปริญญาเอกและเป็นผู้หญิงคนหนึ่งในไม่กี่คนที่ศึกษาฟิสิกส์ในขณะนั้น เขาร่วมสร้างกล้องโทรทรรศน์และตรวจพบ พัลซาร์ (Pulsar) ซึ่งมีความสำคัญทางดาราศาสตร์และจักรวาลวิทยาเป็นอย่างมาก เขาและอาจารย์ที่ปรึกษาของเขา Antony Hewish ร่วมกันตีพิมพ์ผลงานนี้และได้รับการพูดถึงอย่างมาก และยิ่งมากขึ้นไปอีกเมื่อรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปีค.ศ. 1974 ประกาศให้รางวัลกับ Antony Hewish สำหรับการค้นพบครั้งนี้ ร่วมกับ Martin Ryle นักฟิสิกส์อีกคน!   


          การศึกษาฟิสิกส์เชิงทดลองนี้ได้รับความนิยมอย่างมาก จนพื้นที่คับแคบไป ในยุคต่อมาของ ไบรอัน ปิปาร์ด (Brian Pippard) ได้มีการย้ายออกไปทางตะวันตกของเมืองและเป็นที่ตั้ง ณ ปัจจุบัน อาคารต่างๆ ที่สร้างขึ้นและถนนโดยรอบบริเวณนั้นถูกตั้งชื่อตามคาเวนดิชโปรเฟสเซอร์คนก่อนๆ และนักฟิสิกส์คนสำคัญๆ ทั้งหมด ด้วยพื้นที่ที่กว้างขวางขึ้น ขนาดของแลปจึงขยับขยายมากขึ้นไปอีก พร้อมๆ กับการศึกษาวิจัยในสาขาใหม่ๆ ที่เกิดขึ้นเพิ่มเติมตั้งแต่สาขาดาราศาสตร์ วัสดุสารกึ่งตัวนำ ควอนตัมเซนเซอร์ ชีวฟิสิกส์ ฟิสิกส์พลังงานสูง และอื่นๆ อีกมากมาย ปัจจุบันผู้ที่ดำรงตำแหน่งคาเวนดิชโปรเฟสเซอร์ คือ ริชาร์ด เฟรนด์ (Richard Friend) และเขาก็กำลังก่อสร้างแลปคาเวนดิชโครงการใหม่เฟสสาม (Cavendish III) ให้ใหญ่ยิ่งขึ้นไปอีก   

อ้างอิง

• [1]    “The History of the Cavendish.” [Online]. Available: https://www.phy.cam.ac.uk/history.
• [2]    “the Cavendish Laboratory.” [Online]. Available: http://www.cambridgephysics.org/laboratory/laboratory6_1.htm.
• [3]    “The History of the Cavendish Laboratory.” [Online]. Available: https://www.phy.cam.ac.uk/alumni/files/Cavendish_History_Alumni.pdf.
• [4]    “The Nobel Prize.” [Online]. Available: https://www.nobelprize.org/.
• [5]    “The Cavendish Museum.” [Online]. Available: https://www.phy.cam.ac.uk/outreach/museum.