ฟิสิกส์อิเล็กทรอนิกส์ตอนที่8 ความเหมือนที่แตกต่างระหว่างสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก

จากฟิสิกส์อิเล็กทรอนิกส์ตอนที่2 : แม่เหล็กและการควบคุมจักรกล ท่านผู้อ่านได้เห็นแล้วว่า เราสามารถสร้างอำนาจแม่เหล็กขึ้นมาจากไฟฟ้าได้อย่างไร ดังรูปที่ 1 

ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของไอน์สไตน์ตั้งอยู่บนสัจพจน์ 2 ข้อคือ

    1. กฎทางฟิสิกส์เหมือนกัน(เป็นจริง)ในทุกกรอบอ้างอิงเฉื่อย(กรอบอ้างอิงที่ไม่มีความเร่ง)

    2. อัตราเร็วของแสงในสุญญากาศมีค่าคงที่เสมอ (สำหรับผู้สังเกตุในทุกกรอบอ้างอิงเฉื่อย) ไม่ขึ้นกับการเคลื่อนที่


จากสัจพจน์ทั้ง 2 ข้อ นำเราไปสู่ข้อสังเกตุที่ว่า “อำนาจแม่เหล็กเป็นผลสืบเนื่องมาจากการหดสั้นลงของความยาว” ซึ่งสามารถพิจารณาได้ดังนี้


          เราเริ่มต้นพิจารณาการนำรูปที่ 3 มาวาดใหม่ โดยให้ลวดตัวนำ(ที่เดิมมีประจุสุทธิเป็นศูนย์ คือมีความหนาแน่นของประจุบวกและลบอยู่เท่าๆกัน) ที่มีทิศทางการไหลของกระแสไฟฟ้าไปทางขวาและมีประจุไฟฟ้าทดสอบประจุหนึ่งภายนอกลวดตัวนำกำลังเคลื่อนที่ไปในทิศทางขวามือด้วยความเร็ว(v)ที่เท่ากันซึ่งเป็นดังรูปที่ 4           จากมุมมองนี้ เราอาจกล่าวได้ว่าสนามแม่เหล็กก็คือสนามไฟฟ้าที่มองจากคนละกรอบอ้างอิงกันนั่นเอง และจากสัจพจน์ข้อที่ 1 ของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของไอน์สไตน์ที่ว่า กฎทางฟิสิกส์เหมือนกันในทุกกรอบอ้างอิงเฉื่อย ดังนั้น เราอาจมองได้อีกว่าจริงๆแล้ว สนามแม่เหล็กกับสนามไฟฟ้านั้นเท่าเทียมกัน ซึ่งหากมองจากมุมมองของทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าของแมกซ์เวลล์ร่วมด้วย ทั้งสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า ต่างก็เป็นสนามพื้นฐานมาจากสิ่งเดียวกัน นั่นก็คือสนามแม่เหล็กไฟฟ้า

          จะเห็นได้ว่า สิ่งที่ดูจะแตกต่างกันในตอนแรก ดั่งเช่นสนามแม่เหล็กกับสนามไฟฟ้า หรือแม้กระทั่งแรงแม่เหล็กกับแรงทางไฟฟ้า ที่ครั้งหนึ่งมนุษย์เคยมองว่าเป็นปริมาณทางฟิสิกส์คนล่ะอย่างกัน แต่ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษกลับกำลังบอกเราว่า ทั้งสองเป็นสิ่งเดียวกัน สมมูลกันทุกประการ ถึงแม้ว่าผู้สังเกตุแต่ละคนจะเห็นแตกต่างกัน นี่เป็นอีกหนึ่งในความงดงามทางทฤษฏี ที่ธรรมชาติได้แสดงออกมาผ่านทางทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของไอน์สไตน์


          ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของไอน์สไตน์เป็นทฤษฎีที่ต่อยอดความคิดต่อมาจากทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าของแมกซ์เวลล์ เดิมในทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าของแมกซ์เวลล์ สนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าสามารถรวมกันเป็นสนามเดียวคือสนามแม่เหล็กไฟฟ้าได้ แต่ตัวของทฤษฎีเอง ไม่ได้บ่งชี้หรือสามารถอธิบายได้ว่า สนามแม่เหล็กกับสนามไฟฟ้า แท้จริงแล้วเป็นสนามเดียวกัน(โดยไม่จำเป็นต้องนำมารวมกันเป็นสนามแม่เหล็กไฟฟ้าเดียว) สาเหตุที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษสามารถอธิบายสิ่งนี้ได้ ก็เพราะทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษได้รวมแนวคิดของหลักสัมพัทธภาพของกาลิเลโอเข้ามาด้วย ที่มองว่าการเคลื่อนที่ใดๆที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่จะเป็นเพียงการเคลื่อนที่สัมพัทธ์กันระหว่างผู้สังเกตุเท่านั้น เมื่อนำมารวมกับสัจพจน์ที่ว่าอัตราเร็วของแสงในสุญญากาศมีค่าคงที่เสมอ(ซึ่งได้มาจากทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าของแมกซ์เวลล์โดยตรง) ผลลัพธ์ก็แสดงให้เห็นว่า “เวลา” ไม่ใช่สิ่งสมบูรณ์ แต่เป็นสิ่งสัมพัทธ์ สิ่งที่ตามมาก็คือ ระยะทางสามารถยืด-หดได้ เวลาสามารถเดินช้าลงได้ หรือแม้กระทั่ง มวลและพลังงาน ก็สามารถมองเป็นสิ่งเดียวกันได้!


          อย่างไรก็ดี มุมมองที่ว่าเวลาไม่ใช่สิ่งสมบูรณ์นี้ จะไปขัดแย้งอย่างรุนแรงกับฟิสิกส์กลศาสตร์ของนิวตันที่มองว่าเวลาเป็นสิ่งสมบูรณ์ หากรวมทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของไอน์สไตน์กับฟิสิกส์กลศาสตร์ของนิวตันเข้าไว้ด้วยกัน ทฤษฎีใหม่ที่ได้จะยิ่งสามารถอธิบายปรากฏการณ์อันแปลกประหลาดต่างๆในธรรมชาติได้มากกว่าเดิมอย่างมากมายนัก ซึ่งปัจจุบันเราเรียกทฤษฎีใหม่นั้นว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์


          จะเห็นได้ว่าการที่เรานำ 2 ทฤษฏีทางฟิสิกส์มารวมกัน ผลลัพธ์ที่ได้นั้น ไม่เหมือนกับการบวกเลขทางคณิตศาสตร์ ดั้งเช่น 1+1=2 หากแต่เป็น 1+1>>2 (สัญลักษณ์ >> ในที่นี้แปลว่ามากกว่ามากๆ) เพราะตัวทฤษฏีใหม่ที่ได้ สามารถอธิบายปรากฏการณ์ต่างๆในธรรมชาติได้มากกว่าแค่ผลรวมของจำนวนปรากฏการณ์ที่ทั้งสองทฤษฏีเดิมเคยอธิบายได้ ดังนั้น เราอาจจะกล่าวได้ว่า การสร้างสรรค์ทฤษฏีทางฟิสิกส์ใหม่ๆนั้น นอกจากเราจะต้องเข้าใจวิธีคิดตามอย่างทฤษฏีเดิมแล้ว เราอาจจะยังต้องใส่ “จินตนาการ” หรือความคิดเฉพาะของเราลงไปในงานด้วย 


          จากที่ได้กล่าวมาทั้งหมดในบทความนี้ จะเห็นได้ว่า ทุกครั้งที่ท่านผู้อ่านสร้างอำนาจแม่เหล็กขึ้นมาจากไฟฟ้า หรือใช้งานอุปกรณ์ที่มีความเกี่ยวข้องกับแม่เหล็ก-ไฟฟ้า เช่นมอเตอร์ไฟฟ้า หรือแม้กระทั่งลำโพงที่เล่นเสียงเพลงต่างๆให้เราได้ยิน เหล่านี้ก็คือท่านกำลังใช้งานทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของไอน์สไตน์อยู่นั่นเอง! 

   

อ้างอิง
[1] https://www.ck12.org/physics/discovery-of-electromagnetism/lesson/Discovery-of-
     Electromagnetism-MS-PS/ (สืบค้นเมื่อวันที่ 24 ธันวาคม พ.ศ. 2563)

[2] https://engineering4kids.org/2019/01/26/crystal-radio/ (สืบค้นเมื่อวันที่ 24 ธันวาคม พ.ศ. 2563) 

[3] http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/magnetic/wirfor.html 
     (สืบค้นเมื่อวันที่ 31 มกราคม พ.ศ. 2564)

[4] http://physics.weber.edu/schroeder/mrr/MRRnotes.pdf (สืบค้นเมื่อวันที่ 31 มกราคม พ.ศ. 2564)

[5] http://physics.weber.edu/schroeder/mrr/MRRtalk.html (สืบค้นเมื่อวันที่ 31 มกราคม พ.ศ. 2564)

[6] Edward M. Purcell, Electricity and Magnetism (Berkeley Physics Course, Vol. 2) 2nd Edition, 
     McGraw-Hill, 1985