เรื่องโดย ภาณุ ตรัยเวช
ไม่มีใครรู้ต้นกำเนิดของคำว่า “magnitismos” (แม่เหล็กในภาษากรีก) ทฤษฎีหนึ่งบอกว่ามันมาจากชื่อเมืองแมกเนเซีย สถานที่ประหลาดเต็มไปด้วยหินแร่วิเศษ สามารถดึงดูดเหล็กได้ อีกทฤษฎีหนึ่งบอกว่ามาจากชื่อ แมกเนส ของเด็กเลี้ยงแกะที่กำลังเดินในทุ่งหญ้าอยู่ดี ๆ ตะปูรองเท้าก็ยึดติดกับหินแม่เหล็กจนเขาก้าวเท้าไปไหนไม่ได้ แมสเนสเลยกลายเป็นผู้ค้นพบหินวิเศษนี้
อารยธรรมกรีกเต็มไปด้วยนักปราชญ์ ถึงกระนั้นไม่มีใครอธิบายคุณสมบัติของแม่เหล็ก เหตุใดหินชนิดนี้ถึงดึงดูดเหล็กได้ ทาเลส (Thales) นักปราชญ์กรีกยุคแรก อธิบายว่าในแม่เหล็กมีจิตวิญญาณ ดึงดูดจิตวิญญาณของหินก้อนอื่นให้เข้ามาใกล้ เพลโต (Plato) เปรียบเทียบแม่เหล็กว่าเหมือนกับกวี บทกวีที่เอ่ยออกมาจากผู้แต่งเองจะมีพลังดึงดูดใจผู้ฟัง คนที่จำบทกวีไปท่องต่อยังพอดึงดูดผู้ฟังได้เหมือนกันแต่ด้วยพลังอันน้อยกว่า เช่นเดียวกับเหล็กที่ถูกแม่เหล็กดูดจะกลายเป็นแม่เหล็กเสียเองและดูดเหล็กเบา ๆ ต่อเนื่องกันไปได้
อริสโตเติล (Aristotle) อธิบายแม่เหล็กแบบกึ่งวิทยาศาสตร์ ผิวแม่เหล็กพ่นไอละอองผลักอากาศรอบข้างให้กระจายตัว เกิดเป็นสุญญากาศขนาดเล็ก เหล็กเบาถูกสุญญากาศดูดเข้าไป อริสโตเติลใช้คำอธิบายเดียวกันนี้กับอีกปรากฏการณ์หนึ่ง เมื่อเอาแท่งอำพันมาถูด้วยผ้า มันจะดูดกระดาษแผ่นเล็ก ๆ ได้ ความร้อนบนแท่งอำพันผลักให้อากาศไหลเวียนออก เกิดเป็นสุญญากาศเช่นกัน ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า “electricks” (ไฟฟ้า) ไม่เหมือนคำว่า “magnitismos” นักประวัติศาสตร์รู้ว่า “อิเล็กตริก” มาจาก “อิเล็กตรัม” ที่แปลว่าแท่งอำพันนั่นเอง
แต่คำอธิบายของอริสโตเติลไม่สามารถเอามาใช้อธิบายได้ว่าเหตุใดแม่เหล็กชี้ไปทางทิศเหนือเสมอ ถ้าเอาแท่งแม่เหล็กมาแขวนไว้กับเส้นด้าย ปล่อยให้มันหมุนโดยอิสระ สุดท้ายปลายหนึ่งจะชี้ไปทางเหนือ ในศตวรรษที่ 7 ชาวจีนรู้ว่าถ้าเอาเหล็กอะไรก็ตามมาถูกกับแม่เหล็ก มันจะกลายเป็นแม่เหล็กตามไปด้วย พวกเขาหลอมเหล็กเป็นรูปช้อน ถูจนช้อนกลายเป็นแม่เหล็ก วางปลายตักลงกับพื้นให้หมุนอย่างอิสระ ด้ามช้อนจะชี้ไปทางทิศเหนือเสมอ นี่คือเข็มทิศในยุคแรก
เข็มทิศรูปช้อนของจีนโบราณ
ที่มาภาพ : CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons
ชาวยุโรปเริ่มรู้จักใช้เข็มทิศในศตวรรษที่ 12 แทนที่จะหลอมเหล็กเป็นรูปช้อน พวกเขานิยมทำเป็นเข็มขนาดเล็กและเบา เข็มทิศมีประโยชน์อย่างมากในการเดินเรือ กัปตันเรือนอกจากจะพกเข็มทิศแล้ว ยังต้องพกแม่เหล็กไปด้วย เพราะเข็มทิศเสื่อมสภาพระหว่างการเดินทางได้ ต้องเอาแม่เหล็กไปถูเพิ่มเติมถึงจะชี้บอกทิศทางได้อย่างแม่นยำ
แต่จนป่านนั้นก็ยังไม่มีใครรู้ว่าทำไมเข็มทิศชี้ไปทางทิศเหนือ ในศตวรรษที่ 13 อัศวินชาวอิตาลี เพทรุส เพเรกรินุส (Petrus Peregrinus) ระหว่างทำสงครามปิดล้อมเมือง เกิดเบื่อขึ้นมาเลยหลอมแม่เหล็กเป็นรูปทรงกลม ความสนใจจริง ๆ ของเขาไม่ใช่แม่เหล็ก แต่เป็นกงล้อนิรันดร (perpetual motion machines) ในศตวรรษที่ 13 พระราชาประกาศรางวัลอย่างงามแก่คนที่สามารถสร้างเครื่องจักรนิรันดร กงล้อที่หมุนด้วยตัวเองไปเรื่อย ๆ ได้โดยไม่มีวันหยุด ไม่มีใครทำสำเร็จ แม้แต่อัจฉริยะอย่างลีโอนาร์โด ดาวินชี (Leonardo da Vinci) ยังล้มเหลวกับกงล้อนิรันดรมาแล้ว บางคนถึงขนาดเจาะช่องเล็ก ๆ ให้คนมุดเข้าไป คอยหมุนกงล้อเพิ่ม เวลาไม่มีใครสังเกต
กงล้อนิรันดรของลีโอนาร์โด ดาวินชี
ที่มาภาพ : Togrul Safarov, Public Domain via Wikimedia Commons
กงล้อนิรันดรของเพเรกรินุสใช้หลักการอีกแบบ เขาเชื่อว่าสาเหตุที่แม่เหล็กชี้ไปทางทิศเหนือเพราะมันถูกดึงดูดด้วยพลังวิเศษบางอย่าง พลังวิเศษนี้จะมาจากที่ไหนได้ถ้าไม่ใช่สรวงสวรรค์หรือท้องฟ้า ท้องฟ้าทิศเหนือมีดาวเหนือ เพเรกรินุสเชื่อว่าดาวเหนือนั่นเองที่ดึงดูดแม่เหล็ก และเนื่องจากดาวเหนือไม่ได้ค้างอยู่กับที่เสียทีเดียว และโคจรเป็นวงขนาดเล็ก ถ้าทำแม่เหล็กออกมาเป็นทรงกลม มันย่อมหมุนไปตามวงโคจรดาวเหนือ กลายเป็นกงล้อนิรันดร ปัจจุบันเรารู้แล้วว่าทฤษฎีนี้ผิด แต่เพเรกรินุสได้เครดิตในฐานะคนแรกที่หลอมแม่เหล็กเป็นรูปทรงกลม และเชื่อมโยงแม่เหล็กกับท้องฟ้า สิ่งนี้จะมีความสำคัญต่อไป
การค้นพบถัดมาเกิดในประเทศอังกฤษช่วงศตวรรษที่ 16 รอเบิร์ต นอร์แมน (Robert Norman) เป็นนักทำเข็มทิศ ใคร ๆ ก็รู้ว่าพอเหลาเข็มทิศออกมาแล้ว เข็มจะปักลงพื้นนิดหนึ่งซึ่งน่าจะเกิดจากน้ำหนักไม่สมดุลกันระหว่างด้านหน้ากับด้านหลังเข็ม นอร์แมนมั่นใจว่าตัวเองหลอมเหล็กมาดีแล้ว เข็มไม่ได้ปักลงพื้นเพราะน้ำหนัก แต่เพราะบางอย่างดึงดูดแม่เหล็กต่างหาก เขาสร้างแม่เหล็กชนิดพิเศษที่หมุนขึ้นลงในแนวดิ่ง หลังจากทำการทดลองซ้ำหลายครั้ง เขามั่นใจว่าแม่เหล็กไม่ได้ถูกดูดไปทางทิศเหนือ แต่ยังถูกดูดลงพื้นด้วย อะไรเล่าจะดูดแม่เหล็กลงพื้นได้ ไม่ใช่สรวงสวรรค์หรือดาวเหนือหรอกที่ดึงดูดแม่เหล็ก หากแต่เป็นโลก
วิลเลียม กิลเบิร์ต (William Gilbert) เป็นนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ ยุคเดียวกับนอร์แมน คนยุคปัจจุบันไม่ค่อยรู้จักชื่อเขา แต่เขาเป็นยอดนักคิดผู้ยิ่งใหญ่ไม่แพ้โคเปอร์นิคัส เคปเลอร์ หรือว่ากาลิเลโอเลย กิลเบิร์ตผสมผสานแนวคิดของทั้งเพเรกินุสและนอร์แมน ทางหนึ่งเขาเห็นด้วยกับนอร์แมนว่า โลกต่างหากที่ดึงดูดแม่เหล็ก เพื่อพิสูจน์สิ่งนั้น เขาสร้างเทอเรลลา (terrella) ขึ้นมา มันคือแม่เหล็กทรงกรมแบบเพเรกินุส กิลเบิร์ตเอาแม่เหล็กขนาดเล็กมาวางคู่กับเทอเรลลา แสดงให้เห็นว่าแม่เหล็กถูกดูดไปทางขั้วเหนือ พิสูจน์ว่าโลกทั้งใบก็คือเทอเรลลาขนาดใหญ่นี่เอง
ปรัชญาแม่เหล็กของกิลเบิร์ตไปไกลยิ่งกว่านี้อีก กิลเบิร์ตเกิดในวันที่ 24 พฤษภาคม ค.ศ. 1544 ครบรอบหนึ่งปีวันเสียชีวิตของโคเปอร์นิคัส ผลงานยิ่งใหญ่สุดของโคเปอร์นิคัสคือทฤษฎีที่ว่าไม่ใช่ดวงดาวหรอกที่หมุนรอบโลก แต่โลกต่างหากที่หมุนรอบตัวเองและโคจรรอบดวงอาทิตย์อีกที รวมไปถึงดวงดาวด้วยที่โคจรรอบดวงอาทิตย์ กิลเบิร์ตเห็นด้วยกับโคเปอร์นิคัส เขาเสนอว่าแรงแม่เหล็กดึงให้ดวงดาวต่าง ๆ โคจรรอบกันและกัน นอกจากนี้การหมุนรอบตัวเองของโลกยังสัมพันธ์กับขั้วแม่เหล็กโลกด้วย
การเคลื่อนที่ของเหล็กร้อนใต้ผิวโลกทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก
ที่มาภาพ : Andrew Z. Colvin, CC BY-SA 4.0 via Wikimedia Commons
ปัจจุบันเรารู้แล้วว่าข้อเสนอแรกของกิลเบิร์ตผิด แต่นั่นเป็นแรงบันดาลใจสำคัญที่ช่วยให้ไอแซก นิวตัน (Isaac Newton) ค้นพบแรงโน้มถ่วง แรงที่แท้จริงที่ช่วยให้ดวงดาวโคจรรอบกันและกันได้ ส่วนข้อเสนอที่สองของกิลเบอร์ตใกล้เคียงกับความจริงมาก ๆ
ตลอดระยะเวลาสองพันกว่าปีที่มนุษย์รู้จักทั้งไฟฟ้าและแม่เหล็ก บางคนเชื่อว่ามันมีความสัมพันธ์กันบางอย่าง แต่บางคนก็บอกว่ามันไม่เกี่ยวกันเลย ในศตวรรษที่ 18 ชาร์ล ออกุสแต็ง เดอ กูลง (Charles-Augustin de Coulomb) หรือคูลอมบ์ (ที่เราคุ้นหู) นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส พิสูจน์ว่าขนาดของแรงไฟฟ้า ลดลงตามส่วนกลับระยะทางกำลังสอง เนื่องจากแรงดึงดูดแม่เหล็กไม่มีส่วนกลับกำลังสองตรงนี้ชั่วระยะเวลาหนึ่ง คนเลยเชื่อว่าแม่เหล็กและไฟฟ้าเป็นคนละอย่างกัน ประมาณอีกยี่สิบปีถัดมานักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส อังเดร มารี แอมแปร์ (Andre Marie Ampere) พิสูจน์ว่า ถ้าให้ประจุไฟฟ้าเคลื่อนตัวในเส้นลวดจะเกิดแรงแม่เหล็กขึ้นมาจริง ๆ ผลักเข็มแม่เหล็กให้เบนไปในทิศทางอื่นได้
เทอเรลลาเพื่อใช้ศึกษาแสงเหนือแสงใต้
ที่มาภาพ : Public Domain via Wikimedia Commons
แอมแปร์ประกาศต่อไปอีกว่าภายใต้ผิวโลกน่าจะมีบางอย่างทำหน้าที่เป็นเหมือนเส้นลวดขนาดใหญ่ และสานต่อปรัชญาแม่เหล็กของกิลเบิร์ต โดยอธิบายว่าการหมุนรอบตัวเองของโลกพาให้ประจุไฟฟ้าใต้โลกเคลื่อนที่ไปในทิศทางหนึ่งเกิดเป็นแม่เหล็กโลก นี่คือจุดเริ่มต้นของทฤษฎีไดนาโม (Dynamo Theory) ที่ใช้อธิบายสนามแม่เหล็กโลก ในระยะแรกไม่มีใครรู้ว่าประจุไฟฟ้าไปอยู่ใต้ผิวโลกได้อย่างไร ต่อมาพอคนเริ่มรู้จักหินหลอมเหลว รู้จักแผ่นเปลือกโลก นักวิทยาศาสตร์ก็เริ่มเข้าใจองค์ประกอบต่าง ๆ ที่ก่อให้เกิดสนามแม่เหล็กโลกมากยิ่งขึ้น
บทบาทของเทอเรลลายังไม่จบเพียงเท่านี้ ในปี ค.ศ. 1895 นักวิทยาศาสตร์ชาวนอร์เวย์ คริสเตียน บิร์เคอลานด์ (Kristian Birkeland) สงสัยว่าทำไมเฉพาะแต่ในบ้านเกิดของเขาเท่านั้นที่มีปรากฏการณ์แสงเหนือแสงใต้บนท้องฟ้า นักวิทยาศาสตร์ตั้งสมมติฐานว่าแสงเหนือแสงใต้น่าจะเกิดจากอิเล็กตรอนเคลื่อนตัวมาจากดวงอาทิตย์ แต่ที่พวกเขาไม่เข้าใจคือเหตุใดประจุดังกล่าวถึงไปรวมตัวกันบริเวณขั้วโลก เบิร์กลานด์สร้างเทอเรลลาก้อนแม่เหล็กทรงกลมขึ้นมาเป็นตัวแทนของแม่เหล็กโลก ฉายรังสีอิเล็กตรอนไปยังก้อนแม่เหล็ก และพบว่าอิเล็กตรอนส่วนใหญ่เบี่ยงเบนไปแถบขั้วแม่เหล็กจริง ๆ
ยังมีปริศนาอีกมากมายเกี่ยวกับสนามแม่เหล็กโลกที่นักวิทยาศาสตร์ยังไม่เข้าใจ เช่น เหตุใดสนามแม่เหล็กโลกถึงกลับทิศทางได้ ขณะที่การหมุนของโลกอยู่ในทิศทางเดียวกันเสมอ แต่อย่างน้อยเรื่องราวของแม่เหล็กที่มีจุดเริ่มต้นมาจากยุคโบราณก็ช่วยให้เราเข้าใจธรรมชาติของพื้นพิภพมากยิ่งขึ้น
About Author
