เราหลายๆคนคงเคยคิดว่า เออทำไมต้องมี เมื่อวาน วันนี้ และพรุ่งนี้ ใครเป็นคนบอกว่าลำดับต้องเป็นอย่างนี้ ทำไมลำดับไม่สามารถเป็น พรุ่งนี้ วันนี้ เมื่อวาน ได้ จริงๆเรื่องนี้เป็นเรื่องที่น่าคิดมากๆ แต่เราอาจจะไม่ได้ใส่ใจกับคำถามลักษณะนี้หรือเป็นไปได้ว่าเราคุ้นชินกับมันอยู่กับมันทุกวัน บางคนก็อาจจะพูดว่า คิดมากปวดหัว เอาเวลาไปทำมาหากินดีกว่า ฮาาาา อย่างไรก็ตามก็มีคนอยู่กลุ่มหนึ่งที่คิดเพื่อหาคำตอบของคำถามลักษณะนี้ หนึ่งในนั้นก็คือ ลูทวิช บ็อลทซ์มัน (Ludwig Eduard Boltzmann) นักฟิสิกส์ชาวออสเตรีย แอดมั่นใจว่า นักเรียนฟิสิกส์ต้องได้ยินชื่อของบ็อลทซ์มันมาอย่างแน่นอน เพราะผลงานของเขานั้นกระจายอยู่หลายหัวข้อที่ต้องเรียน สำหรับแอดนั้นตอนที่เรียนก็ผ่านชื่อบ็อลทซ์มันหลายครั้ง แต่ก็ไม่ได้รู้สึกว่าผลงานหรือสิ่งที่เขาคิดนั้นสำคัญต่อความเข้าใจธรรมชาติรอบตัวเราได้อย่างลึกซึ้ง และทำให้นักฟิสิกส์ นักวิทยาศาสตร์ในรุ่นต่อๆมานั้นต่อยอดความรู้เพื่อตอบปัญหาที่ลึกลงไปได้อีกมากมาย วันนี้แอดจะลองมาสรุปเล่าความเรื่องราวชีวิตและผลงานชิ้นสำคัญๆของเขา(คงพูดได้เฉพาะชิ้นสำคัญๆ โดยเลือก เอนโทรปี)
ประวัติชีวิต
ลูทวิช บ็อลทซ์มัน เกิดที่ Erdberg ชนบทของ Vienna เขาได้รับการศึกษาที่บ้านโดยพ่อแม่ของเขา และศึกษาต่อ ม ปลายที่เมือง Linz ในปี 1863 บ็อลทซ์มันเลือกที่จะศึกษาต่อทางด้านคณิตศาสตร์และฟิสิกส์ ณ University of Vienna ในปี 1866 เขาได้รับวุฒิปริญญาเอก โดยเขาทำงานกับนักฟิสิกส์ชื่อดัง โจเซฟ สเตฟาน (Josef Stefan)
ปี 1869 บ็อลทซ์มันเข้ารับตำแหน่งศาสตราจารย์สาขาฟิสิกส์เชิงคณิตศาสตร์ ณ University of Graz
ปี 1869 เขาย้ายไปทำงานยัง Heidelberg
ปี 1871 ย้ายไปยัง Berlin
ปี 1873 เขาย้ายกลับมายัง University of Vienna โดยรับตำแหน่งศาสตราจารย์สาขาคณิตศาสตร์ เขาอยู่ที่นี้นานจนถึงปี 1876
ปี 1876 เขาแต่งงานกับ Henriette von Aigentler และมีลูกสาว 3 คน ลูกชาย 1 คน
ปี 1981 เขาย้ายกลับไปทำงานที่ University of Graz ในฐานะประธานส่วนการทดลองฟิสิกส์ เขาอยู่ที่นี้ 14 ปีและในช่วงเวลานี้เองที่ทฤษฎีกลศาสตร์เชิงสถิติได้กำเนิดขึ้นมา โดยเขาพัฒนาอิสระจาก Willard Gibbs
ปี 1890 เขาย้ายไปทำงาน University of Munich
ปี 1894 เขาก็ย้ายกลับมายัง University of Vienna โดยเข้ามาแทนตำแหน่งของอาจารย์เขา สเตฟาน
ปี 1895 เป็นปีที่ลำบากสำหรับเขา(จริงๆก็น่าจะลำบากมานาน) จากการที่คนดังๆหลายคนไม่เห็นด้วยกับสิ่งที่เขาคิด ไม่ว่าจะเป็น Ernst Mach, Georg Helm, Wilhelm Ostwald
ปี 1900 ย้ายไป University of Leipzig โดยคำเชิญ Wilhelm Ostwald ให้เข้าไปนั่งในตำแหน่งประธานฟิสิกส์
ปี 1902 ย้ายกลับไปยัง Vienna หลังจาก Mach ได้เกษียณเพราะสุขภาพไม่อำนวย
ปี 1906 เขาประสบปัญหาเกี่ยวกับสุขภาพจิต ปัจจุบันเรียกว่า โรคซึมเศร้า อย่างหนักหน่วง เขาจบชีวิตตนเอง(อายุ 62 ปี)ขณะที่ไปพักผ่อนกับครอบครัวที่ Duino เรื่องราวที่ส่งกันต่อมาว่าสาเหตุที่เขาจบชีวิตเป็นปัญหามาจากทฤษฎีของเขาไม่ได้รับการยอมรับจากสมาคมฟิสิกส์ขณะนั้น แต่หากลองวิเคราะห์กันจริงๆ ตรงนี้อาจจะไม่ใช่สาเหตุเพราะในขณะนั้นบ็อลทซ์มันเองก็ได้รับการยอมรับจากการที่เขาเข้ารับตำแหน่งสำคัญๆ ณ มหาวิทยาลัยต่างๆมากมาย ในความเป็นจริงเราอาจจะสรุปเหตุผลไม่ได้ว่าคืออะไร
ผลงาน
ปี 1871 บ็อลทซ์มันได้พัฒนาแนวคิดสำคัญที่ต่อมาเป็นที่รู้จักกันในชื่อ การกระจายตัวแมกซ์เวลล์-บ็อลทซ์มัน (Maxwell-Boltzmann distribution) ซึ่งแมกซ์เวลล์ได้นำเสนอไว้ก่อนหน้าในปี 1860 แต่ไม่ได้ให้เหตุผลทางฟิสิกส์ ต่อมาบ็อลทซ์มันได้เข้ามาศึกษาต่อและให้ภาพฟิสิกส์พื้นหลังของการกระจายตัว สรุปใจความของการกระจายตัวแมกซ์เวลล์-บ็อลทซ์มัน คือ อธิบายการกระจายตัวของความเร็วของก๊าซ(อุดมคติ) ณ อุณหภูมิหนึ่ง กราฟการกระจายตัวที่เราเห็นๆกันคือการวาดระหว่างความเร็ว(แกนนอน)และจำนวนโมเลกุลก๊าซ(ต่อหน่วยความเร็ว) กราฟจะมีลักษณะเป็นทรงระฆังคว่ำที่เบี้ยวโดยมีหางลากยาวไปทางที่มีความเร็วสูงๆ ยอดกราฟจะขยับไปทางขวาและเตี้ยลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น จากความสัมพันธ์นี้เราพบว่าพลังงานจลน์ของระบบขึ้นโดยตรงกับความเร็วของโมเลกุลและทำให้เราได้ว่าอุณหภูมิของระบบนั้นสัมพันธ์กับพลังงานจลน์ของระบบ ตรงนี้ทำให้เราเห็นได้ถึงความสัมพันธ์ของปริมาณมหภาคของระบบอย่างอุณหภูมิกับโครงสร้างภายในของระบบนั้นก็คือการกระจายตัวของความเร็ว
ปี 1884 บ็อลทซ์มันได้แสดงให้เห็นถึงธรรมชาติการแผ่รังสีของวัตถุดำของสเตฟาน(เสนอไว้ในปี 1879)ที่รู้จักกันในชื่อ กฏอุณหภูมิกำลัง 4 นั้นมีรากฐานมาจากอุณหพลศาสตร์ อ่านเพิ่มเติมได้ที่นี้
ยุค 1890 บ็อลทซ์มันได้นำทฤษฏีกลศาสตร์เชิงสถิติของเขาเข้าไปอธิบายกฏข้อที่ 2 ของอุณหพลศาสตร์และนำไปสู่การให้เหตุผลว่าทำไมเวลาถึงไหลทางเดียว ปกติในชีวิตประจำวันแล้วหากเราทำไข่ตกพื้นแตก มันก็จะแตกไปเลย ไม่สามารถเกินเหตุการณ์ที่อยู่ดีไข่กลับขึ้นมาประกอบร่างเองกลับไปเหมือนเดิมก่อนตกพื้น เหตุการณ์ลักษณะนี้ชวนให้เกิดการตั้งคำถาม หากเราลองทำความเข้าใจลงไปอีกหน่อย กฏฟิสิกส์ที่อธิบายความเป็นไปของระบบขนาดใหญ่(ไข่)คือ กฏการเคลื่อนที่ของนิวตัน 3 ข้อ ในมุมมองของนิวตันนั้นเวลาเป็นตัวแปรอิสระไหลอย่างต่อเนื่องสม่ำเสมอทั่วบริเวณและเหมือนกันสำหรับผู้สังเกต ประเด็นคือ กฏของนิวตันนั้นทำงานได้ไม่เฉพาะกรณีที่เวลาไหลไปข้างหน้า หากแต่เวลาย้อนกลับก็ยังเป็นจริงเหมือนกัน ไม่มีความแตกต่าง แต่ทำไมในชีวิตจริงเราถึงไม่เจอเหตุการณ์ลักษณะย้อนกลับอย่างกรณีที่ไข่แตกแล้วกลับไปประกอบร่างเหมือนเดิมเอง! อะไรเป็นตัวกำหนดเงื่อนไขตรงนี้ บ็อลทซ์มันพยายามค้นหาคำตอบตรงนี้อย่างจริงจัง ณ เวลานั้นบ็อลทซ์มันเชื่อว่า “อะตอม” มีอยู่จริง แต่นักฟิสิกส์ส่วนใหญ่นั้นเห็นต่าง สิ่งที่สร้างปัญหากับเขาอย่างมากคือ แนวคิดเรื่องความร้อน(heat)ในเรื่องอุณหพลศาสตร์ ความร้อนจะไหลจากวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงไปยังวัตถุที่มีอุณภูมิต่ำเป็นต้น นักฟิสิกส์ขณะนั้นคิดว่าความร้อนก็คือความร้อนไม่มีอะไรไปมากกว่านั้น แต่บ็อลทซ์มันมองต่าง!! เขามองว่าความร้อนเป็นผลของการเคลื่อนที่แบบสุ่มของอะตอมและอุณหพลศาสตร์ก็เป็นผลมาจากหลักการนี้ กฏข้อที่ 2 ของอุณหพลศาสตร์นั้นกล่าวว่า “เอนโทรปี” จะเพิ่มขึ้นเสมอสำหรับกระบวนการที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ(ผันกลับไม่ได้) เช่น ก้อนน้ำแข็งละลายเองเมื่อเอามาวางในแก้วที่อุณหภูมิห้อง กระบวนการนี้เอนโทรปีของระบบทั้งหมดเพิ่มขึ้น แต่ไม่มีใครตอบได้ว่าทำไมเอนโทรปีต้องเพิ่มขึ้น และนักฟิสิกส์ส่วนใหญ่ ณ ตอนนั้นก็เชื่อว่าไม่สามารถอธิบายได้ว่าทำไมเอนโทรปีต้องเพิ่มขึ้น ลดไม่ได้สำหรับกระบวนการที่เกิดขึ้นได้ บ็อลทซ์มันไม่พอใจสิ่งนี้ เขาพยายามคิดหาคำอธิบายและเขาก็พบกับคำตอบผ่านปริมาณที่เรียกว่า “เอนโทรปี” แต่มาในร่างใหม่จากมุมมองเชิงกลศาสตร์สถิติตามสมการ S=klogW โดย k คือ ค่าคงที่ ส่วน W คือ จำนวนรูปแบบการจัดเรียงของอะตอม(พลังงานที่พวกมันแบกอยู่ด้วย)ในระบบ ดังนั้นค่าเอนโทรปีที่เพิ่มขึ้นนั้นสอดคล้องกับรูปแบบการจัดเรียงตัวของอะตอมในระบบที่มากขึ้น ตรงนี้ทำให้เรามองได้สำหรับน้ำนั้นโมเลกุลมีรูปแบบในการจัดเรียงได้มากมายมหาศาลกว่าเมื่อเทียบกับกรณีน้ำแข็งร่วมถึงการกระจายพลังงานของระบบ เราอาจพูดอีกอย่างได้ว่ารูปแบบที่ระบบจะเลือกวิวัฒน์ไปจะเป็นรูปแบบที่ระบบจะมีการกระจายพลังงานมากที่สุดซึ่งสอดคล้องกับทิศการเพิ่มขึ้นของเอนโทรปี และเมื่อเข้าสู่สมดุลเอนโทรปีจะไม่เปลี่ยน ดูเพิ่มเติมได้ที่นี้ https://www.facebook.com/PhysicsDogDog/photos/699922460591959
ดังนั้นในมุมมองของบ็อลทซ์มัน เอนโทรปีคือ ปริมาณที่บ่งถึงความเป็นไปได้ ฟังแล้วต้องมีเรื่องของสถิติเข้ามาเกี่ยวข้อง ระบบจะขยับไปยังเงื่อนไขที่มีรูปแบบการจัดเรียงตัวได้หลากหลายที่สุดด้วยความน่าจะเป็นสูงสุด ถามว่ารูปแบบอื่นมีโอกาศที่ระบบจะขยับไปมั้ย คำตอบคือ มี แต่โอกาศต่ำมากๆ เราต้องเข้าใจว่ายิ่งจำนวนอะตอมเยอะเท่าไรเงื่อนไขสถิติยิ่งชัดเจนมากขึ้น ถึงตรงนี้บ็อลทซ์มันได้ชี้ประเด็นเบื้องหลังว่าทำไมเอนโทรปีต้องเพิ่มขึ้นด้วยฟิสิกส์ในระบบจุลภาคและแน่่นอนว่ายังอธิบายด้วยว่าทำไมกระบวนการที่เกิดขึ้นเองทำไมเอนโทรปีต้องเพิ่มขึ้นอันนำไปสู่การนิยามทิศทางของเวลาว่าทำไมต้องมีทิศเดินหน้าไม่สามารถถอยหลังได้(เพราะทิศถอยหลังเอนโทรปีจะลดลง) ถึงตรงนี้เราตอบคำถามได้แล้วว่าจากกฏของนิวตันที่ไม่สามารถแยกความแตกต่างของทิศทางเวลาได้ แต่ทำไมเราถึงต้องมุ่งหน้าไปยังอนาคต เพราะอนาคตนั้นแตกต่างจากปัจจุบัน และปัจจุบันนั้นแตกต่างจากอดีต ด้วยเงื่อนไขของเอนโทรปีที่เพิ่มขึ้น ถึงแม้เขาจะสามารถหาคำอธิบายได้เรื่องทิศทางของเวลาผ่านการเพิ่มขึ้นของเอนโทรปี อย่างไรก็ตาม ณ เวลานั้นเข้าใจว่าจักรวาลไม่ได้มีจุดกำเนิด เกิดมาอย่างที่มันเป็นเลย “นิ่ง” ดังนั้นมุมมองในระดับจักรวาลนั้นดูจะเป็นปัญหา อย่างไรก็ตามปัจจุบันเราเข้าใจ(หลักฐานทางการสังเกตเหมือนจะชี้นำไปว่าจักรวาลมีจุดกำเนิดที่เรียกว่า บิ๊กแบง) ดังนั้นตามแนวคิดของบ็อลทซ์มันในอดีตอันไกลโพ้นจักรวาลอยู่ในสถานะที่มีเอนโทรปีต่ำ แต่อย่างไรก็ดีจุดนี้สร้างปัญหาใหม่ว่าทำไมเอนโทรปีต้องต่ำเมื่อจุดเริ่มต้นของจักรวาลนั้นยังไม่มีคำตอบ
ยังมีผลงานอื่นๆของบ็อลทซ์มันที่ไม่ได้กล่าวถึงอีกเช่น สมการบ็อลทซ์มันหรือไม่ว่าจะเป็นส่วนร่วมในทฤษฎีเออร์กอดิก เป็นต้น
เกร็ด บ็อลทซ์มันได้รับการเสนอชื่อเพื่อเข้าชิงรางวัลโนเบล 3 ครั้งในปี 1903 1905 และ 1906
- 2
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2025 Blockdit
