ปีที่แล้ว 2014 เป็นปีที่เราฉลองครบรอบ 150 ปี กำเนิดสมการ Maxwell ค่ะ ทางวารสาร Nature เลยเขียนบทความกำเนิดสมการ Maxwell ขึ้นมา เห็นว่าน่าสนใจดี เลยเอามาแปล
James Clerk Maxwell เป็นนักวิทยาศาสตร์ชาวสก๊อต (สก๊อตอยู่ตอนเหนือของเกาะอังกฤษนะ) ผู้คิดค้นความสัมพันธ์ระหว่างระหว่างแม่เหล็กและไฟฟ้า ต้องบอกก่อนว่าสมการMaxwellไม่ได้ถูกคิดค้นขึ้นแบบรวดเดียวจบ แต่ถ้าให้เลือกบทความที่สำคัญที่สุดก็คงเป็น
'A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field' ตีพิมพ์ใน Royal Society วันที่ 27 ตุลาคม 1864
ก่อนปี 1820 นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าไฟฟ้าและแม่เหล็กเป็นปรากฎการณ์ที่เกิดขึ้นแยกกัน แต่เมื่อฮานส์ คริสเตียน เออร์สเตด(Hans Christian Ørsted) รายงานผลการวิจัยว่า
"เมื่อเอาเข็มทิศไปวางใกล้ๆกับลวดตัวนำที่มีกระแสไหล เข็มทิศนั้นเบนไปในแนวตั้งฉากกับลวด" หลังจากการค้นพบนี้นักวิทยาศาสตร์หลายคนก็หันมาสนใจหาความสัมพันธ์ระหว่างแม่เหล็กกับไฟฟ้า
หนึ่งในนักวิทยาศาสตร์สมัยนั้นที่สนใจการค้นพบของเออร์สเตดคือ อังเดร-มารี แอมแปร์(André-Marie Ampère) ซึ่งหลังจากที่เออร์สเตดรายงานผล แอมแปร์ก็ไปทดลองลองต่อจนคิดสมการได้ภายในเวลาไม่กี่เดือน แอมแปร์กล่าวว่า "กระแสที่ไหลเป็นวงรอบ จะมีแรงแม่เหล็กรอบๆวงนั้น" ทฤษฎีของแอมแปร์ถูกสร้างต่อยอดมาจากทฤษฏีแรงโน้มถ่วงของนิวตันคล้ายๆกับทฤษฎีของคูลอมป์ ทฤษฏีคูลอมป์กล่าวไว้ว่า "แรงแม่เหล็กและแรงไฟฟ้าเกิดขึ้นพร้อมกันเป็นแนวเส้นตรงระหว่างประจุไฟฟ้าและขั้วแม่แหล็ก และมีปฎิภาคผกผันกับระยะทางกำลังสอง" แอมแปร์เอาทฤษฎีนี้มาขยายต่อโดยใช้แคลคูลัสมาช่วย คือสมมติให้แรงเป็นจุดๆเล็กๆแล้วนำแรงทั้งหมดมาintegrate ก็จะได้แรงรวม (เหมือนไม่ได้ทำอะไรเลยแฮะ มิน่าถึงคิดได้ภายในไม่กี่เดือน -_-")
ไมเคิล ฟาราเดย์ ตอนอายุ29 ทำงานที่ Royal Institution กับนักเคมีชื่อดัง ฮัมฟรี เดวี (Humphry Davy) ฟาราเดย์ใช้เวลาว่างจากงานประจำมาทดลองเรื่องแม่เหล็กและไฟฟ้า ฟาราเดย์เป็นคนความรู้น้อย (เป็นลูกช่างตีเหล็ก เลยไม่มีโอกาสได้เรียนสูงๆ) เลยไม่สามารถคิดสมการหรูหราได้ แต่เนื่องจากฟาราเดย์ไม่ได้ถูกจำกัดกรอบความคิดด้วยสมการ จึงคิดค้นการทดลองที่ไม่มีใครคาดถึงขึ้นมา ฟาราเดย์รู้สึกว่าการทดลองของเออร์สเตดมันแปลกๆ เค้าคิดว่าจริงๆแล้วกระแสในเส้นลวดน่าจะเหนี่ยวนำได้แรงเป็นวงกลมมากกว่า (คือก่อนหน้านี้เค้าคิดกันว่าแรงมันต้องตั้งฉากเป็นเส้นตรง) ฟาราเดย์ก็เลยเอาแท่งแม่เหล็กมาตั้งลงในอ่างเล็กๆแล้วเทปรอทลงไปจนเกือบมิด แล้วก็เอาลวดตัวนำไปจุ่มในปรอทวางอยู่ข้างๆแท่งเหล็ก พอใส่กระแสไฟเข้าไป เค้าค้นพบว่าปลายของลวดตัวนำส่วนที่จุ่มอยู่ในปรอทนั้นมันเคลื่อนที่เป็นวงกลมรอบแท่งแม่เหล็ก จึงกล่าวได้ว่า ฟาราเดย์เป็นคนคิดค้นมอเตอร์คนแรกของโลก
หลังจากการค้นพบสมการของแอมแปร์ มันก็น่าจะเป็นจุดเริ่มต้นให้สามารถผลิตกระแสไฟจากแม่เหล็กได้ แต่ผ่านไป10ปีก็ยังไม่มีใครทำได้ ในปี 1831 ฟาราเดย์คิดว่าสมการของแอมแปร์มันเข้าใจยาก การจะทำให้มีกระแสไหลในลวดตัวนำต้องมีการย้ายตำแหน่งของแม่เหล็กรอบๆลวดนั้น สิ่งต้องทำก็แค่ขยับแม่เหล็ก แต่ว่าหน้าตาของสนามแม่เหล็กในอากาศล่ะเป็นยังไง? ฟาราเดย์จำการทดลองที่เอาผงเหล็กมาโรยบนกระดาษแล้วเอาแม่เหล็กไปวางจะเกิดลวดลายเส้นแรงแม่เหล็กขึ้นได้และคิดว่านั่นไม่ใช่เพียงเพราะแม่เหล็กแสดงคุณสมบัติพิเศษกับลวดตัวนำ แต่เป็นศูนย์กลางของระบบที่มีเส้นแรงกระจายอยู่ในอากาศ และฟาราเดย์ยังสังเกตุว่าลวดลายนี้ไม่ได้เกิดเฉพาะกับแท่งแม่เหล็ก แต่เกิดกับลวดตัวนำที่มีกระแสไฟด้วย
แล้วฟาราเดย์ก็ทดลองต่อกับวัตถุที่มีประจุไฟฟ้าแล้วสรุปว่า ในขณะที่เส้นแรงแม่เหล็กที่วิ่งเป็นวงกลม คือไม่ได้สิ้นสุดที่ขั้วเหนือหรือใต้แต่วิ่งต่อไปในแท่งแม่เหล็กด้วย เส้นแรงจากสนามไฟฟ้าจะวิ่งจากประจุบวกไปประจุลบ แล้วยังสังเกตุอีกว่าผลจากแรงแม่เหล็กและไฟฟ้าไม่ได้เกิดขึ้นทันทีแต่ใช้เวลาระยะหนึ่งในการรวมตัวให้เกิดเป็นเส้นแรง ในสมัยนั้นนักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆก็คิดคล้ายกันโดยสรุปรวมว่า แรงแม่เหล็กและแรงไฟฟ้าเกิดจากวัตถุ2ชนิดกระทำต่อกันที่ระยะทางหนึ่ง ในสมัยนั้นแม้ฟาราเดย์จะถูกยกย่องว่าเป็นนักทดลองที่เก่งกาจแต่ด้วยความที่เรียนน้อยจึงถูกมองว่าไม่มีความสามารถพอที่จะสรุปการทดลองมาเป็นทฤษฏีได้
ฟาราเดย์ก็รู้ตัวดี เลยไม่ค่อยกล้าตีพิมพ์ความคิดแปลกๆของตัวเอง แต่ว่าวันหนึ่งในปี 1846 เพื่อนร่วมงาน Charles Wheatstone จะต้องขึ้นบรรยายที่ Royal Institution แต่เกิดตื่นเวทีขึ้นมาในนาทีสุด ฟาราเดย์ก็เลยตัดสินใจขึ้นเวทีเอง บรรยายเกี่ยวกับสิ่งที่เค้าตีพิมพ์ไปแล้ว แต่เวลามันเหลือไม่รู้จะพูดอะไรต่อ ฟาราเดย์ก็เลยหลุดแสดงความเห็นไปว่า ในอากาศ(หรืออวกาศ)ประกอบไปด้วยแรงแม่เหล็กและแรงไฟฟ้าที่สั่นตามยาวเมื่อถูกรบกวนและส่งพลังงานออกไปที่ความเร็วสูง และแสงก็เกิดจากการสั่นของคลื่นนี้
ฟาราเดย์คิดว่าความคิดของตัวเองเข้าใกล้ความจริงแล้ว แต่สำหรับนักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆกลับคิดว่าเป็นเรื่องเพ้อฝัน ฟาราเดย์ก็เลยทิ้งความคิดนี้ไป จนเวลาล่วงเลยไปอีก 40 ปีถึงได้มีนักวิทยาศาสตร์ที่ชื่อ แมกเวลส์ มาสานความคิดของฟาราเดย์ต่อ
ในช่วงเวลาชีวิตสั้นๆของแม็กซ์เวลล์ (เสียชีวิตเมื่ออายุ 48 ปี) การค้นพบที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของแม็กซ์เวลล์คือการอธิบายความสัมพันธ์ระหว่างไฟฟ้าและแม่เหล็ก แม็กซ์เวลล์เกิดในครอบครัวที่มีหน้ามีตา เรียนจบที่โรงเรียนชั้นนำใน Edinburgh ก่อนจะต่อป.ตรีที่ Cambridge แมกซ์เวลล์อ่านงานของฟาราเดย์แล้วเกิดชื่นชอบในความคิดนอกกรอบ และสำหรับแมกซ์เวลล์ ความคิดที่ว่ามีเส้นแรงแม่เหล็กและไฟฟ้าอยู่ในอากาศไม่ใช่เรื่องเพ้อฝัน และคิดว่าความคิดของฟาราเดย์น่าจะนำมาเขียนเป็นสมการได้
แมกซ์เวลล์เป็นคนมีพรสวรรค์ในการคิดเชิงเปรียบเทียบ ในปี 1856 แมกซ์เมลล์นำการไหลของของเหลวมาเปรียบเทียบกับการเกิดเส้นแรงแม่เหล็กและไฟฟ้า โดยคิดว่าความเร็วและทิศทางการไหลของของเหลวที่พื้นที่หน้าตัดน้อยเปรียบเสมือนความหนาแน่นและทิศทางของเส้นแรง ด้วยความคิดนี้แมกซ์เวลล์ก็เขียนสมการเส้นแรงแม่เหล็กไปไฟฟ้าในกรณีที่สนามคงที่ขึ้นมา แต่จนแล้วจนรอดแมกซ์เวลล์ก็ยังคิดไม่ออกอยู่ดีว่าจะเขียนสมการที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงของเส้นแรงยังไง ก็เลยหันไปทำงานอื่น
6ปีต่อมา แมกซ์เวลล์ได้ไอเดียใหม่ โดยสมมติว่าในอากาศประกอบไปด้วยลูกบอลทรงกลมเล็กๆต่อกัน (คล้ายๆเอาลูกแก้วใส่ถัง) โดยที่ลูกบอลเล็กๆนี้มีความยืดหยุ่นประมาณหนึ่ง จากไอเดียนี้แมกซ์เวลลก็คิดว่าเส้นแรงแม่เหล็กและไฟฟ้าส่งทอดพลังงานโดยการเหนี่ยวนำของลูกบอลอันที่อยู่ติดกันไปเรื่อยๆ จากสมมติฐานนี้แมกล์เวลล์คำนวนความเร็วการเคลื่อนที่ของแม่เหล็กและไฟฟ้าได้ที่ 1.5% ของความเร็วแสง แต่ผลตอบรับจากนักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆกลับไม่ดีนัก ทุกคนก็หวังว่าแมกซ์เวลล์คงพยายามพัฒนาสมการนี้ต่อในภายหลัง แต่เปล่า แมกซ์เวลล์ทิ้งสมมติฐานนี้ไปเลยแล้วเริ่มคิดใหม่ตั้งแต่ต้น
ผลคือ อีก2ปีต่อมา แมกซ์เวลล์ได้ตีพิมพ์งานที่ชื่อ 'A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field' โดยมีไอเดียที่ต่างจากก่อนหน้านี้โดยการแทนที่ลูกบอลด้วยตัวกลางที่มีความเฉื่อยและความยืดหยุ่นแต่ไม่มีคำอธิบายการทำงานของตัวกลางนี้ แมกซ์เวลล์ใช้เทคนิคของ Lagrange โดยคิดว่าการทำงานของระบบเป็นกล่องดำและกำหนดให้มีลักษณะจำเพาะอย่างหนึ่ง เมื่อใส่ input เข้าไปอย่างหนึ่ง จะได้ output ออกมาอีกอย่าง โดยที่ไม่สนว่าการทำงานในกล่องดำนั้นเป็นอย่างไร ด้วยวิธีนี้ แมกซ์เวลล์ก็ได้คิดทฤษฎีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา (-_- คนแปลก็อ่านไปเพลียไปเช่นกัน) เมื่อบทความถูกตีพิมพ์นักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆก็ไม่รู้จะวิจารณ์ยังไง คือ...ทฤษฏีที่มาจากโมเดลประหลาดๆก็แย่ละ นี่เล่นเขียนทฤษฎีจากความว่างเปล่า
จนแมกซ์เวลล์เสียชีวิตในปี 1879 และหลังจากนั้นอีกหลายปี ก็ไม่มีใครเข้าใจสมการของแมกซ์เวลล์ จวบจนมีอดีตพนักงานส่งโทรเลขที่ชื่อ Oliver Heaviside มาเรียบเรียงทฤษฏีของแมกซ์เวลล์เป็น 4 สมการ maxwell ที่ได้เรียนกันในปัจจุบัน
เฮอร์วิไซด์ย่อยทฤษฏีของแมกซ์เวลล์โดยใช้การวิเคราะห์แบบเวกเตอร์ใน3มิติ เมื่อ ไฮน์ริค เฮิรตซ์ (Heinrich Hertz) ค้นพบคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในปี 1888 คนก็หันมาให้ความสนใจกับทฤษฏีแมกซ์เวลล์อีกครั้ง แต่ไม่มีใครอ่านบทความของแมกซ์เวลล์หรอกนะ เค้าไปอ่านบทความรวบยอดของเฮอร์วิไซด์กัน
มี3อย่างที่ควรกล่าวถึง
1. แมกซ์เวลล์จะสรุปรวบยอดทฤษฎีของตัวเองก็ได้ แต่ไม่ทำ เพราะอยากเปิดโอกาสให้มีการต่อยอดไปทำทฤษฎีอื่น หลายปีต่อมา Richard Fyneman และคนอื่น ก็ได้นำทฤษฏีของแมกซ์เวลล์ไปต่อยอดเป็นทฤษฎี quantum electrodynamics ซึ่งใช้ปริมาณพื้นฐานที่เฮอร์วิไซต์ละทิ้งไป
2. แมกซ์เวลล์เป็นคนคิด divergence และ curl ที่ใช้ในการคำนวนเวกเตอร์ขึ้นมา
3. แมกซ์เวลล์ใช้เวกเตอร์ในบทความต่อๆมา แต่เสนอแค่ป็นวิธีคำนวนทางเลือก รูปแบบเวกเตอร์ของแมกซ์เวลล์ในสมัยนั้นยังซับซ้อนและเข้าใจยากอยู่
และสุดท้าย แม้แมกซ์เวลล์จะไม่เคยคิดไปจนถึงจุดนั้น แต่สมการmaxwellสามารถเขียนต่อไปได้ว่า ความเร็วแสงเท่ากับ 1/√(με) ซึ่งเมื่อนำไปคิดต่อก็จะได้เป็นสมการ E = mc^2 เพราะงั้นสมการชื่อดังนี้ก็น่าจะมีชื่อของmaxwellอยู่ด้วยเนอะ (...คนแปล no comment ค่ะ...)
ที่มา:
http://www.nature.com/nphoton/journal/v9/n1/full/nphoton.2014.306.html
[บทความแปล] กำเนิดสมการ Maxwell (ฉลอง 150 ปี)
James Clerk Maxwell เป็นนักวิทยาศาสตร์ชาวสก๊อต (สก๊อตอยู่ตอนเหนือของเกาะอังกฤษนะ) ผู้คิดค้นความสัมพันธ์ระหว่างระหว่างแม่เหล็กและไฟฟ้า ต้องบอกก่อนว่าสมการMaxwellไม่ได้ถูกคิดค้นขึ้นแบบรวดเดียวจบ แต่ถ้าให้เลือกบทความที่สำคัญที่สุดก็คงเป็น 'A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field' ตีพิมพ์ใน Royal Society วันที่ 27 ตุลาคม 1864
ก่อนปี 1820 นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าไฟฟ้าและแม่เหล็กเป็นปรากฎการณ์ที่เกิดขึ้นแยกกัน แต่เมื่อฮานส์ คริสเตียน เออร์สเตด(Hans Christian Ørsted) รายงานผลการวิจัยว่า "เมื่อเอาเข็มทิศไปวางใกล้ๆกับลวดตัวนำที่มีกระแสไหล เข็มทิศนั้นเบนไปในแนวตั้งฉากกับลวด" หลังจากการค้นพบนี้นักวิทยาศาสตร์หลายคนก็หันมาสนใจหาความสัมพันธ์ระหว่างแม่เหล็กกับไฟฟ้า
หนึ่งในนักวิทยาศาสตร์สมัยนั้นที่สนใจการค้นพบของเออร์สเตดคือ อังเดร-มารี แอมแปร์(André-Marie Ampère) ซึ่งหลังจากที่เออร์สเตดรายงานผล แอมแปร์ก็ไปทดลองลองต่อจนคิดสมการได้ภายในเวลาไม่กี่เดือน แอมแปร์กล่าวว่า "กระแสที่ไหลเป็นวงรอบ จะมีแรงแม่เหล็กรอบๆวงนั้น" ทฤษฎีของแอมแปร์ถูกสร้างต่อยอดมาจากทฤษฏีแรงโน้มถ่วงของนิวตันคล้ายๆกับทฤษฎีของคูลอมป์ ทฤษฏีคูลอมป์กล่าวไว้ว่า "แรงแม่เหล็กและแรงไฟฟ้าเกิดขึ้นพร้อมกันเป็นแนวเส้นตรงระหว่างประจุไฟฟ้าและขั้วแม่แหล็ก และมีปฎิภาคผกผันกับระยะทางกำลังสอง" แอมแปร์เอาทฤษฎีนี้มาขยายต่อโดยใช้แคลคูลัสมาช่วย คือสมมติให้แรงเป็นจุดๆเล็กๆแล้วนำแรงทั้งหมดมาintegrate ก็จะได้แรงรวม (เหมือนไม่ได้ทำอะไรเลยแฮะ มิน่าถึงคิดได้ภายในไม่กี่เดือน -_-")
ไมเคิล ฟาราเดย์ ตอนอายุ29 ทำงานที่ Royal Institution กับนักเคมีชื่อดัง ฮัมฟรี เดวี (Humphry Davy) ฟาราเดย์ใช้เวลาว่างจากงานประจำมาทดลองเรื่องแม่เหล็กและไฟฟ้า ฟาราเดย์เป็นคนความรู้น้อย (เป็นลูกช่างตีเหล็ก เลยไม่มีโอกาสได้เรียนสูงๆ) เลยไม่สามารถคิดสมการหรูหราได้ แต่เนื่องจากฟาราเดย์ไม่ได้ถูกจำกัดกรอบความคิดด้วยสมการ จึงคิดค้นการทดลองที่ไม่มีใครคาดถึงขึ้นมา ฟาราเดย์รู้สึกว่าการทดลองของเออร์สเตดมันแปลกๆ เค้าคิดว่าจริงๆแล้วกระแสในเส้นลวดน่าจะเหนี่ยวนำได้แรงเป็นวงกลมมากกว่า (คือก่อนหน้านี้เค้าคิดกันว่าแรงมันต้องตั้งฉากเป็นเส้นตรง) ฟาราเดย์ก็เลยเอาแท่งแม่เหล็กมาตั้งลงในอ่างเล็กๆแล้วเทปรอทลงไปจนเกือบมิด แล้วก็เอาลวดตัวนำไปจุ่มในปรอทวางอยู่ข้างๆแท่งเหล็ก พอใส่กระแสไฟเข้าไป เค้าค้นพบว่าปลายของลวดตัวนำส่วนที่จุ่มอยู่ในปรอทนั้นมันเคลื่อนที่เป็นวงกลมรอบแท่งแม่เหล็ก จึงกล่าวได้ว่า ฟาราเดย์เป็นคนคิดค้นมอเตอร์คนแรกของโลก
หลังจากการค้นพบสมการของแอมแปร์ มันก็น่าจะเป็นจุดเริ่มต้นให้สามารถผลิตกระแสไฟจากแม่เหล็กได้ แต่ผ่านไป10ปีก็ยังไม่มีใครทำได้ ในปี 1831 ฟาราเดย์คิดว่าสมการของแอมแปร์มันเข้าใจยาก การจะทำให้มีกระแสไหลในลวดตัวนำต้องมีการย้ายตำแหน่งของแม่เหล็กรอบๆลวดนั้น สิ่งต้องทำก็แค่ขยับแม่เหล็ก แต่ว่าหน้าตาของสนามแม่เหล็กในอากาศล่ะเป็นยังไง? ฟาราเดย์จำการทดลองที่เอาผงเหล็กมาโรยบนกระดาษแล้วเอาแม่เหล็กไปวางจะเกิดลวดลายเส้นแรงแม่เหล็กขึ้นได้และคิดว่านั่นไม่ใช่เพียงเพราะแม่เหล็กแสดงคุณสมบัติพิเศษกับลวดตัวนำ แต่เป็นศูนย์กลางของระบบที่มีเส้นแรงกระจายอยู่ในอากาศ และฟาราเดย์ยังสังเกตุว่าลวดลายนี้ไม่ได้เกิดเฉพาะกับแท่งแม่เหล็ก แต่เกิดกับลวดตัวนำที่มีกระแสไฟด้วย
แล้วฟาราเดย์ก็ทดลองต่อกับวัตถุที่มีประจุไฟฟ้าแล้วสรุปว่า ในขณะที่เส้นแรงแม่เหล็กที่วิ่งเป็นวงกลม คือไม่ได้สิ้นสุดที่ขั้วเหนือหรือใต้แต่วิ่งต่อไปในแท่งแม่เหล็กด้วย เส้นแรงจากสนามไฟฟ้าจะวิ่งจากประจุบวกไปประจุลบ แล้วยังสังเกตุอีกว่าผลจากแรงแม่เหล็กและไฟฟ้าไม่ได้เกิดขึ้นทันทีแต่ใช้เวลาระยะหนึ่งในการรวมตัวให้เกิดเป็นเส้นแรง ในสมัยนั้นนักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆก็คิดคล้ายกันโดยสรุปรวมว่า แรงแม่เหล็กและแรงไฟฟ้าเกิดจากวัตถุ2ชนิดกระทำต่อกันที่ระยะทางหนึ่ง ในสมัยนั้นแม้ฟาราเดย์จะถูกยกย่องว่าเป็นนักทดลองที่เก่งกาจแต่ด้วยความที่เรียนน้อยจึงถูกมองว่าไม่มีความสามารถพอที่จะสรุปการทดลองมาเป็นทฤษฏีได้
ฟาราเดย์ก็รู้ตัวดี เลยไม่ค่อยกล้าตีพิมพ์ความคิดแปลกๆของตัวเอง แต่ว่าวันหนึ่งในปี 1846 เพื่อนร่วมงาน Charles Wheatstone จะต้องขึ้นบรรยายที่ Royal Institution แต่เกิดตื่นเวทีขึ้นมาในนาทีสุด ฟาราเดย์ก็เลยตัดสินใจขึ้นเวทีเอง บรรยายเกี่ยวกับสิ่งที่เค้าตีพิมพ์ไปแล้ว แต่เวลามันเหลือไม่รู้จะพูดอะไรต่อ ฟาราเดย์ก็เลยหลุดแสดงความเห็นไปว่า ในอากาศ(หรืออวกาศ)ประกอบไปด้วยแรงแม่เหล็กและแรงไฟฟ้าที่สั่นตามยาวเมื่อถูกรบกวนและส่งพลังงานออกไปที่ความเร็วสูง และแสงก็เกิดจากการสั่นของคลื่นนี้
ฟาราเดย์คิดว่าความคิดของตัวเองเข้าใกล้ความจริงแล้ว แต่สำหรับนักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆกลับคิดว่าเป็นเรื่องเพ้อฝัน ฟาราเดย์ก็เลยทิ้งความคิดนี้ไป จนเวลาล่วงเลยไปอีก 40 ปีถึงได้มีนักวิทยาศาสตร์ที่ชื่อ แมกเวลส์ มาสานความคิดของฟาราเดย์ต่อ
ในช่วงเวลาชีวิตสั้นๆของแม็กซ์เวลล์ (เสียชีวิตเมื่ออายุ 48 ปี) การค้นพบที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของแม็กซ์เวลล์คือการอธิบายความสัมพันธ์ระหว่างไฟฟ้าและแม่เหล็ก แม็กซ์เวลล์เกิดในครอบครัวที่มีหน้ามีตา เรียนจบที่โรงเรียนชั้นนำใน Edinburgh ก่อนจะต่อป.ตรีที่ Cambridge แมกซ์เวลล์อ่านงานของฟาราเดย์แล้วเกิดชื่นชอบในความคิดนอกกรอบ และสำหรับแมกซ์เวลล์ ความคิดที่ว่ามีเส้นแรงแม่เหล็กและไฟฟ้าอยู่ในอากาศไม่ใช่เรื่องเพ้อฝัน และคิดว่าความคิดของฟาราเดย์น่าจะนำมาเขียนเป็นสมการได้
แมกซ์เวลล์เป็นคนมีพรสวรรค์ในการคิดเชิงเปรียบเทียบ ในปี 1856 แมกซ์เมลล์นำการไหลของของเหลวมาเปรียบเทียบกับการเกิดเส้นแรงแม่เหล็กและไฟฟ้า โดยคิดว่าความเร็วและทิศทางการไหลของของเหลวที่พื้นที่หน้าตัดน้อยเปรียบเสมือนความหนาแน่นและทิศทางของเส้นแรง ด้วยความคิดนี้แมกซ์เวลล์ก็เขียนสมการเส้นแรงแม่เหล็กไปไฟฟ้าในกรณีที่สนามคงที่ขึ้นมา แต่จนแล้วจนรอดแมกซ์เวลล์ก็ยังคิดไม่ออกอยู่ดีว่าจะเขียนสมการที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงของเส้นแรงยังไง ก็เลยหันไปทำงานอื่น
6ปีต่อมา แมกซ์เวลล์ได้ไอเดียใหม่ โดยสมมติว่าในอากาศประกอบไปด้วยลูกบอลทรงกลมเล็กๆต่อกัน (คล้ายๆเอาลูกแก้วใส่ถัง) โดยที่ลูกบอลเล็กๆนี้มีความยืดหยุ่นประมาณหนึ่ง จากไอเดียนี้แมกซ์เวลลก็คิดว่าเส้นแรงแม่เหล็กและไฟฟ้าส่งทอดพลังงานโดยการเหนี่ยวนำของลูกบอลอันที่อยู่ติดกันไปเรื่อยๆ จากสมมติฐานนี้แมกล์เวลล์คำนวนความเร็วการเคลื่อนที่ของแม่เหล็กและไฟฟ้าได้ที่ 1.5% ของความเร็วแสง แต่ผลตอบรับจากนักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆกลับไม่ดีนัก ทุกคนก็หวังว่าแมกซ์เวลล์คงพยายามพัฒนาสมการนี้ต่อในภายหลัง แต่เปล่า แมกซ์เวลล์ทิ้งสมมติฐานนี้ไปเลยแล้วเริ่มคิดใหม่ตั้งแต่ต้น
ผลคือ อีก2ปีต่อมา แมกซ์เวลล์ได้ตีพิมพ์งานที่ชื่อ 'A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field' โดยมีไอเดียที่ต่างจากก่อนหน้านี้โดยการแทนที่ลูกบอลด้วยตัวกลางที่มีความเฉื่อยและความยืดหยุ่นแต่ไม่มีคำอธิบายการทำงานของตัวกลางนี้ แมกซ์เวลล์ใช้เทคนิคของ Lagrange โดยคิดว่าการทำงานของระบบเป็นกล่องดำและกำหนดให้มีลักษณะจำเพาะอย่างหนึ่ง เมื่อใส่ input เข้าไปอย่างหนึ่ง จะได้ output ออกมาอีกอย่าง โดยที่ไม่สนว่าการทำงานในกล่องดำนั้นเป็นอย่างไร ด้วยวิธีนี้ แมกซ์เวลล์ก็ได้คิดทฤษฎีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา (-_- คนแปลก็อ่านไปเพลียไปเช่นกัน) เมื่อบทความถูกตีพิมพ์นักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆก็ไม่รู้จะวิจารณ์ยังไง คือ...ทฤษฏีที่มาจากโมเดลประหลาดๆก็แย่ละ นี่เล่นเขียนทฤษฎีจากความว่างเปล่า
จนแมกซ์เวลล์เสียชีวิตในปี 1879 และหลังจากนั้นอีกหลายปี ก็ไม่มีใครเข้าใจสมการของแมกซ์เวลล์ จวบจนมีอดีตพนักงานส่งโทรเลขที่ชื่อ Oliver Heaviside มาเรียบเรียงทฤษฏีของแมกซ์เวลล์เป็น 4 สมการ maxwell ที่ได้เรียนกันในปัจจุบัน
เฮอร์วิไซด์ย่อยทฤษฏีของแมกซ์เวลล์โดยใช้การวิเคราะห์แบบเวกเตอร์ใน3มิติ เมื่อ ไฮน์ริค เฮิรตซ์ (Heinrich Hertz) ค้นพบคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในปี 1888 คนก็หันมาให้ความสนใจกับทฤษฏีแมกซ์เวลล์อีกครั้ง แต่ไม่มีใครอ่านบทความของแมกซ์เวลล์หรอกนะ เค้าไปอ่านบทความรวบยอดของเฮอร์วิไซด์กัน
มี3อย่างที่ควรกล่าวถึง
1. แมกซ์เวลล์จะสรุปรวบยอดทฤษฎีของตัวเองก็ได้ แต่ไม่ทำ เพราะอยากเปิดโอกาสให้มีการต่อยอดไปทำทฤษฎีอื่น หลายปีต่อมา Richard Fyneman และคนอื่น ก็ได้นำทฤษฏีของแมกซ์เวลล์ไปต่อยอดเป็นทฤษฎี quantum electrodynamics ซึ่งใช้ปริมาณพื้นฐานที่เฮอร์วิไซต์ละทิ้งไป
2. แมกซ์เวลล์เป็นคนคิด divergence และ curl ที่ใช้ในการคำนวนเวกเตอร์ขึ้นมา
3. แมกซ์เวลล์ใช้เวกเตอร์ในบทความต่อๆมา แต่เสนอแค่ป็นวิธีคำนวนทางเลือก รูปแบบเวกเตอร์ของแมกซ์เวลล์ในสมัยนั้นยังซับซ้อนและเข้าใจยากอยู่
และสุดท้าย แม้แมกซ์เวลล์จะไม่เคยคิดไปจนถึงจุดนั้น แต่สมการmaxwellสามารถเขียนต่อไปได้ว่า ความเร็วแสงเท่ากับ 1/√(με) ซึ่งเมื่อนำไปคิดต่อก็จะได้เป็นสมการ E = mc^2 เพราะงั้นสมการชื่อดังนี้ก็น่าจะมีชื่อของmaxwellอยู่ด้วยเนอะ (...คนแปล no comment ค่ะ...)
ที่มา: http://www.nature.com/nphoton/journal/v9/n1/full/nphoton.2014.306.html