ฟิสิกส์น่ารู้

ฟิสิกส์ เชิงทดลอง กับ ฟิสิกส์เชิงทฤษฎี

งานวิจัยทางฟิสิกส์แบ่งออกได้เป็น 2 ประเภทใหญ่ ๆ ที่แตกต่างกันอย่างชัดเจนดังนี้

ฟิสิกส์เชิงทดลอง (experimental physics)

คือการสังเกต, การทดลอง และเก็บรวบรวมข้อมูล มาวิเคราะห์เพื่อทดสอบกฏของฟิสิกส์ที่มีอยู่ ว่าถูกต้องหรือไม่

ในปัจจุบันโฉมหน้าของการทดลองทางฟิสิกส์แตกต่างจากการทดลองของนักฟิสิกส์ ในอดีตเมื่อร้อยกว่าปีที่แล้วมาก ในสมัยก่อนนับตั้งแต่กาลิเลโอเป็นต้นมา การทดลองเพื่อแสวงความรู้ใหม่ๆที่สามารถพลิกโฉมความรู้เดิมที่มีอยู่อาจทำ ได้โดยการทดลองที่ไม่ซับซ้อนมากอาจดำเนินการทดลองได้โดยคนเพียงคนเดียว แม้กระทั่งช่วงระหว่างปี ค.ศ. 1840 - 1900 ซึ่งเป็นช่วงบุกเบิกเรื่องแรงแม่เหล็กไฟฟ้าอุปกรณ์ของไมเคิล ฟาราเดย์ก็สามารถสร้างได้อย่างง่ายๆ ด้วยตนเอง แม้กระทั่งอุปกรณ์ที่นำไปสู่การค้นพบอิเล็กตรอนซึ่งก็คือหลอดรังสีแคโทดก็ไม่ได้ซับซ้อน เมื่อเทียบกับหลอดภาพของจอคอมพิวเตอร์ในปัจจุบัน

ในยุคปัจจุบันการสร้างเครื่องมือเพื่อบุกเบิกพรมแดนใหม่ในฟิสิกส์ โดยเฉพาะในส่วนของวิชาฟิสิกส์อนุภาคและจักรวาลวิทยาเป็นเรื่องที่ สลับซับซ้อนมาก บางโครงการอย่าง Gravity Probe B[1] ซึ่งเป็นดาวเทียมทำหน้าที่ตรวจสอบทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ก็ต้องใช้เวลาในการ ดำเนินโครงการถึง 40 กว่าปี (ตั้งแต่เสนอโครงการโดย Leonard Schiff เมื่อปี ค.ศ. 1961 ซึ่งเพิ่งจะได้ปล่อยดาวเทียมสู่วงโคจรเมื่อปี ค.ศ. 2004 ซึ่งตัว Schiff เองก็ถึงแก่กรรมไปก่อนหน้านั้นแล้ว) โครงการบางโครงการก็ต้องอาศัยการร่วมมือกันในระดับนานาชาติที่ต้องสนับสนุน ทั้งกำลังคนและงบประมาณ เช่น โครงการเครื่องเร่งอนุภาค Large Hadron Collider (LHC) [2] ที่ CERN (เป็นศูนย์วิจัยที่ปรากฏในตอนต้นของนิยาย เทวากับซาตาน ของ แดน บราวน์) ก็ต้องใช้อุโมงค์ใต้ดินเป็นวงแหวนที่มีเส้นรอบวงถึง 27 กิโลเมตร ซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่แพงเกินกว่าที่จะเป็นโครงการที่สร้างโดยประเทศเดียว ในการที่จะเสนอขออนุมัติโครงการเพื่อสร้างการทดลองใหญ่โตที่แสนแพงเช่นนี้ ต้องอาศัยความรู้ทางด้านฟิสิกส์เชิงทฤษฎีช่วยเป็นอย่างมาก หลายครั้งก่อนที่จะเสนอโครงการจะต้องมีการสร้างแบบจำลองที่ละเอียดและซับ ซ้อนเพื่อที่จะทำนายล่วงหน้าว่าเครื่องมือที่สร้างขึ้นจะวัดอะไรได้บ้างและ ผลการทดลองจะออกมาในลักษณะใด ตัวอย่างเช่น เครื่องเร่งอนุภาค LHC ก็ต้องมีการคำนวณมาก่อนว่ามวลของอนุภาคฮิกส์ ทำนายจากแบบจำลองSuper Symmetryจะอยู่ในระดับพลังงานใด จะตรวจวัดได้ไหมเป็นต้น ซึ่งแน่นอนว่า มวลของอนุภาคฮิกส์ จากแบบจำลองต่างๆ ก็เป็นเพียงหนึ่งในอีกหลายๆ ปรากฏการณ์ที่ฟิสิกส์ทฤษฎีทำทายไว้ล่วงหน้าให้ได้ก่อนสร้างเครื่อง เร่งอนุภาคอย่าง LHC นั่นคือ นักฟิสิกส์ในปัจจุบันต้องมั่นใจถึงระดับหนึ่งว่าผลการทดลองจากโครงการต่างๆ จะต้องคุ้มค่ากับเงินที่ลงทุนไป

จากขนาดของข้อมูลที่ได้ในแต่ละการทดลองใหญ่ๆในปัจจุบัน ทำให้นักฟิสิกส์ไม่สามารถทำอย่างสมัยก่อน เช่น Heinrich R. Hertz (ผู้ค้นพบคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า) ซึ่งสามารถทำการทดลอง นำผลการทดลองไปวิเคราะห์และสร้างทฤษฎีที่อธิบายได้ด้วยตนเองเพียงคนเดียว ในปัจจุบันการวิเคราะห์ข้อมูลที่มาจากการทดลองขนาดใหญ่ๆ เช่น เครื่องเร่งอนุภาค หรือ ดาวเทียมสำรวจอวกาศต่างๆ ต้องอาศัยความร่วมมือกัน ของสถาบันวิจัยหลายๆแห่งทั่วโลก ดังนั้นจึงไม่ใช่เรื่องแปลกในปัจจุบันที่นักฟิสิกส์บางคนอาจอุทิศเวลาทั้ง หมดให้กับการวิเคราะห์ข้อมูลด้วยคอมพิวเตอร์เพียงอย่างเดียว ซึ่งนับเป็นขั้นตอนที่สำคัญมากก่อนที่นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎี (ซึ่งโดยมากจะไม่ทราบรายละเอียดของวิธีการทดลอง) จะนำข้อมูลที่ย่อยแล้วไปตรวจสอบแบบจำลองที่ได้จากทฤษฎีเดิมที่มีอยู่ว่าสอด คล้องหรือแตกต่างอย่างไร ซึ่งจะนำไปสู่การปรับปรุงหรือค้นพบทฤษฎีฟิสิกส์ใหม่ในที่สุด

อย่างไรก็ดีกระแสหลักฟิสิกส์เชิงทดลองใน ปัจจุบันได้เปลี่ยนแนวทางจากการแสวงหาสุดเขตุแดนของทฤษฎีพื้นฐาน มาเป็นการนำเอาทฤษฎีพื้นฐานมาประยุกต์เป็นเทคโนโลยีที่สัมผัสได้ในชีวิต ประจำวันมากกว่า ดังจะเห็นได้จากหัวข้อวิจัย Carbon nanotubes เป็นหัวข้อที่ได้รับการวิจัยอย่างกว้างขวาง และมีคนให้ความสนใจมากที่สุด เมื่อประเมินจาก h index [3] ในการทดลองที่มีขนาดย่อมลงมา เช่นในสาขาสสารควบแน่น หรือ นาโนเทคโนโลยี นักทดลองส่วนใหญ่สามารถวิเคราะห์ข้อมูลได้เองว่าเป็นไปตามทฤษฎีหรือไม่ และในบางครั้งก็อาจเสนอแบบจำลองใหม่ได้เองด้วย หน้าที่ของนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีจะเป็นผู้เชื่อมโยงข้อเท็จจริงที่ได้จากในแต่ ละการทดลองที่หลากหลายเข้าด้วยกัน และหาแบบจำลองหลักที่สามารถอธิบายการทดลองได้ครอบคลุมกว้างขวางที่สุด ซึ่งรวมถึงการทดลองใหม่ๆที่จะตามมาในอนาตค

ฟิสิกส์เชิงทฤษฎี (theoretical physics)

คือการสร้างแบบจำลองทางความคิดโดยหลักการทางคณิตศาสตร์ นำไปสู่การสร้างทฤษฎีทางฟิสิกส์ โดยมีการทดลองทดสอบความถูกต้องของทฤษฎีในภายหลัง

นักฟิสิกส์ในยุคปัจจุบัน หาได้ยากมากที่จะมีความชำนาญและเชี่ยวชาญในฟิสิกส์ทั้งสองประเภท (โดยนักฟิสิกส์รุ่นหลังที่มีความสามารถสูงทั้งสองด้าน ที่พอจะยกตัวอย่างได้คือ เอนริโก แฟร์มี) ซึ่งตรงกันข้ามกับนักทฤษฎีเคมีหรือนักทฤษฎีชีววิทยาที่ มักจะเก่งด้านทดลองด้วย