เฮนรี คาเวนดิช: มนุษย์ผู้ทำการทดลองชั่งโลก
เมื่อพูดถึงห้องปฏิบัติการทางฟิสิกส์ หลายคนอาจจะคุ้นดูกับเครื่องเร่งอนุภาคใหญ่โตของเซิร์น(CERN) แต่หลายคนอาจไม่เคยได้ยินชื่อห้องปฏิบัติการคาเวนดิช (Cavendish Laboratory) แห่งมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ ประเทศอังกฤษ ทั้งที่จริงๆแล้วในวงการฟิสิกส์ ห้องปฏิบัติการคาเวนดิชนั้นมีความเป็นมาที่ยาวนาน มีผลงานเป็นที่ประจักษ์มากมายและมีนักวิจัยได้รางวัลโนเบลมากถึงสามสิบคน
ชื่อของห้องปฏิบัติการนี้มาจากนักเคมีและนักฟิสิกส์ผู้เก่งกาจ เฮนรี คาเวนดิช (Henry Cavendish) ผู้ทำการทดลองจนค้นพบธาตุไฮโดรเจนและทำการหาความหนาแน่นของโลกได้สำเร็จ ซึ่งหากเรานำความหนาแน่นของโลกที่ได้มาคำนวณร่วมกับรัศมีของโลก ย่อมได้มวลของโลกออกมาในที่สุด จนหลายคนกล่าวว่า คาเวนดิชคือผู้ทำการทดลองชั่งน้ำหนักของโลกทั้งใบได้
เฮนรี คาเวนดิช
เฮนรี คาเวนดิช เกิดในตระกูลขุนนาง พ่อของเขามีบทบาทในราชสมาคมวิทยาศาสตร์แห่งลอนดอนและได้ชักนำเขาเข้าสู่สมาคมนี้ และเนื่องจากเฮนรี คาเวนดิช มีความเชี่ยวชาญการใช้งานอุปกรณ์ทางวิทยาศาสตร์เป็นอย่างดีส่งผลให้ตัวเขาเองก็มีผลงานด้านต่างๆในราชสมาคมด้วย แม้ว่าผลงานของเขาจะเป็นที่ประจักษ์ต่อวงการ แต่บุคคลิกส่วนกลับตรงข้าม คาเวนดิชนั้นเป็นคนที่อาย พูดน้อย ไม่ชอบเข้าสังคมและหาทางเลี่ยงการเข้าสังคมเสมอ ไม่ผูกสัมพันธ์กับใครสักเท่าไหร่ (อินโทรเวิธ?)
เอาเถอะ ในบทความนี้เราจะละเลยบุคลิกของเฮนรี คาเวนดิช ไว้เพียงเท่านี้ แต่จะเล่าให้เห็นถึงความสุดยอดเกี่ยวกับผลงานของเขาให้ฟัง
ทุกวันนี้เรารู้กันดีว่าไอแซก นิวตันเป็นผู้ค้นพบกฎแห่งความโน้มถ่วงในรูปแบบคณิตศาสตร์ที่ชัดเจนและใช้อธิบายธรรมชาติการโคจรของดาวเคราะห์ ตลอดจนการเกิดน้ำขึ้นน้ำลงได้เป็นอย่างดี แต่ในยุคนั้นไม่มีใครรู้ว่าโลกมีมวลเท่าไหร่ ซึ่งการรู้มวลของโลกนั้นจะนำมาซึ่งข้อมูลอื่นๆที่สำคัญอย่างยิ่งในทางฟิสิกส์และดาราศาสตร์
ปัญหาคือการจะทดลองเพื่อหามวลของโลกนั้นไม่ใช่เรื่องง่ายๆ
กฎแห่งความโน้มถ่วง
คาเวนดิชในวัย 67 ปีทำการทดลองอันละเอียดอ่อนที่เรียกว่า Torsion balance โดยเขาได้ไอเดียสำหรับออกแบบการทดลองมาจากนักบวชอัจฉริยะ John Michell ผู้พยายามทำการทดลองก่อนหน้า แต่ดันมาเสียชีวิตไปเสียก่อนที่การทดลองจะสำเร็จ
หลักการคือ แขวนคานไม้ไว้ด้วยเชือกที่ปลายไม้ทั้งสองด้านแขวนบอลตะกั่วทรงกลมขนาดเล็กไว้ แรงเพียงเล็กน้อยก็เพียงพอจะทำให้เชือกเกิดการบิดเป็นมุมเล็กๆที่สังเกตได้ บริเวณบอลตะกั่วเล็กๆทั้งสองลูกมีบอลตะกั่วขนาดใหญ่วางอยู่ ซึ่งบอลตะกั่วขนาดใหญ่นี้จะส่งแรงโน้มถ่วงไปดึงดูดบอลลูกเล็กและส่งผลให้เชือกที่แขวนคานเกิดการบิด
ภาพนี้แสดงหัวใจการทดลองของคาเวนดิชให้เข้าใจง่าย โดยคงหลักการทดลองของเขาไว้อย่างครบถ้วน
แม้ตะกั่วลูกเล็กจะหนักเกือบ 1 กิโลกรัม (1.61 ปอนด์) ส่วนตะกั่วลูกใหญ่จะหนักเกือบ 158 กิโลกรัม (348 ปอนด์) แต่เนื่องจากแรงโน้มถ่วงเป็นแรงที่อ่อนมาก แรงที่ดึงดูดจนคานเกิดการบิดจึงมีค่าเพียง 1 ใน 50 ล้านของน้ำหนักบอลลูกเล็ก หรือเปรียบได้กับทรายเม็ดใหญ่ๆเพียงเม็ดเดียว!
ดังนั้นอุปกรณ์ต่างๆจึงจะต้องถูกชั่งตวงวัดด้วยความแม่นยำสูงมาก นำมาประกอบกันด้วยความแม่นยำสูงมาก และ ทั้งหมดนี้ถูกทดลองในห้องปิดทึบเพื่อไม่ให้ลมแม่เพียงเล็กน้อยรบกวนผลการทดลอง คาเวนดิชใช้กล้องส่องทางไกลทำการสังเกตการณ์จากด้านนอก ออกแบบระบบรอกให้สามารถควบคุมได้จากด้านนอก
เมื่อแรงดึงดูดระหว่างลูกตะกั่วดูดให้คานบิดไปถึงจุดหนึ่ง เชือกที่แขวนจะเกิดแรงต้านการบิด (คล้ายกับตอนที่เราบิดผ้าเปียกๆ พอบิดไปถึงจุดหนึ่งผ้าจะบิดได้ยากขึ้น) คราวนี้คานจะเกิดการแกว่งไปมาเป็นมุมเล็กมากๆ เมื่อคาเวนดิชจับเวลาของการแกว่งไปกลับของคานได้ ก็จะนำมาคำนวณหาแรงบิดได้ และนำมาซึ่งการหาค่าความหนาแน่นของโลกได้
เขาพยายามกำจัดความคลาดเคลื่อนที่อาจจะเกิดขึ้นด้วยการเอาลูกบอลตะกั่วออกเพื่อดูการบิดของคานเปล่าว่ามีมากน้อยแค่ไหน , หมุนบอลตะกั่วแล้วทดลองหลายๆมุมเพื่อดูว่าลูกบอลมีสภาพแม่เหล็กมารบกวนหรือไม่ รวมทั้งเปลี่ยนชนิดของเชือกที่ทำการทดลอง
สุดท้ายแล้วคาเวนดิชได้ค่าความหนาแน่นของโลกทั้งใบได้ 5.48 เท่าของน้ำ (ค่าที่ยอมรับในปัจจุบันคือ 5.52) แต่ความน่าทึ่งจริงๆคือ การออกแบบการทดลองและความสามารถในการทำการทดลองอันละเอียดอ่อนนี้ในสมัยนั้น นักฟิสิกส์ในยุคถัดจากคาเวนดิชก็ยังใช้หลักการของการทดลองไม่ต่างจากที่คาเวนดิชได้บุกเบิกไว้
นักฟิสิกส์ยังทำการทดลองของคาเวนดิชมาจนถึงทุกวันนี้ แต่มีอุปกรณ์ต่างๆช่วยเพื่อให้ละเอียดอ่อนแม่นยำยิ่งขึ้น
อย่างไรก็ตาม ปัจจุบันมักจะมองว่าการทดลองของคาเวนดิชนั้น คือการหาค่าความแรงของแรงโน้มถ่วง หรือ ค่าคงที่ของความโน้มถ่วงสากล (G) แม้ว่าสมัยนี้จะมีการทดลองรูปแบบอื่นๆในการหาค่าคงที่ของความโน้มถ่วงสากล แต่หลายๆการทดลองยังคงใช้หลักการเดิม อีกทั้งห้องเรียนตามมหาวิทยาลัยต่างๆก็นิยมใช้หลักการของคาเวนดิชมาสาธิตให้ผู้เรียนได้เห็นถึงความน่าทึ่งของการทดลองนี้ทั้งสิ้น
จึงไม่น่าแปลกใจที่นักประวัติศาสตร์หลายคนมองว่าการทดลองของคาเวนดิชเป็นหนึ่งในการทดลองที่สวยงามและยอดเยี่ยมที่สุดที่โลกเคยมี สมแล้วที่มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์นำชื่อของเขามาตั้งเป็นชื่อห้องปฏิบัติการ
อ้างอิง
** เฮนรี คาเวนดิชเกิดหลังจากไอแซค นิวตัน เสียชีวิตได้ราว 4 ปี
- 11
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2025 Blockdit
