ภาค 1 กลศาสตร์
บทที่ 1 ฟิสิกส์ และการวัด
ฟิสิกส์ก็เหมือนกับวิทยาศาสตร์สาขาอื่น ๆ คือ หลักของมันจะต้องตั้งอยู่บนการทดลองทางวิทยาศาสตร์ที่ได้จากการสังเกต และการวัดปริมาณ
1.1 มาตรฐานของความยาว, มวล และเวลา
เพื่ออธิบายปรากฏการณ์ทางธรรมชาติ เราต้องทำการตรวจสอบแง่มุมต่าง ๆ ของธรรมชาติ อย่างหนึ่งก็คือการวัด ซึ่งการวัดแต่ละครั้งจะมีความสัมพันธ์กับปริมาณทางกายภาพ เช่น ความยาวของวัตถุ โดยกฎทางฟิสิกส์จะแสดงความสัมพันธ์กันระหว่างปริมาณทางกายภาพ
ในความรู้ทางด้านกลศาสตร์มีปริมาณที่เป็นพื้นฐานอยู่สามตัว ก็คือ ความยาว (Length), มวล (Mass) และเวลา (Time) ส่วนปริมาณอื่น ๆ ในทางกลศาสตร์ในทั้งหมดนั้น เกิดจากการผสมผสานของปริมาณทั้งสามเหล่านี้
รูปการวัดเกี่ยวกับความยาว
รูปการวัดเกี่ยวกับมวล
รูปการวัดเกี่ยวกับเวลา
ถ้าหากมีการวัดสิ่งหนึ่งแล้วทำรายงานเพื่อเก็บบันทึก ก็เพื่อทำเป็นบรรทัดฐานของการวัด เพื่อที่จะเป็นการกำหนดเป็นมาตรฐาน แต่มันจะไม่มีความหมายเลยถ้ามีผู้มาจากดาวดวงอื่น แล้วมาคุยกับเราเกี่ยวกับตัวเลข และหน่วยของการวัด ซึ่งจะคุยกันคนละภาษา นี้จะเกิดความบกพร่องขึ้นถ้าเราไม่ทราบความหมายของหน่วยเหล่านี้
แต่ถ้ามีคนในโลกที่มีความรู้เดียวกัน การพูดคุยก็จะไปในแนวทางเดียวกัน คุยกันรู้เรื่องจะทำให้เป็นสิ่งที่ง่าย สิ่งที่ได้จะมีความน่าเชื่อถือ ดังนั้น สิ่งที่ดีที่สุด มาตรฐานของการวัดไม่ว่าใครจะเป็นผู้วัด ไม่ว่าจะเป็นสถานที่ที่แตกต่างกัน ในจักรวาล การวัดต้องให้ผลเหมือนกัน นอกจากนี้มาตรฐานที่ใช้สำหรับการวัดต้องไม่เปลี่ยนแปลงไปตามกาลเวลา
ในปี พ.ศ. 2503 คณะกรรมการระหว่างประเทศ ได้ทำการกำหนดมาตรฐานสำหรับปริมาณพื้นฐานทางวิทยาศาสตร์ ที่เรารู้จักกันว่า หน่วยเอสไอ (Système International: SI) และหน่วยพื้นฐานของมันก็คือ ความยาว หน่วยเป็น เมตร (Meter), มวล หน่วยเป็น กิโลกรัม (Kilogram) และเวลา หน่วยเป็น วินาที (Second)
ส่วนหน่วยอื่น ๆ ของหน่วยเอสไอ ได้แก่ อุณหภูมิ หน่วยเป็น เคลวิน (Kelvin), กระแสไฟฟ้า หน่วยเป็น แอมแปร์ (Ampere), การส่องสว่าง หน่วยเป็น แคนเดลา (Candela) และปริมาณของสาร หน่วยเป็น โมล (Mole)
1.1.1 ความยาว
เราสามารถกล่าวถึงความยาวว่า เป็นระยะห่างระหว่างจุดสองจุดในพื้นที่ ในปี พ.ศ. 1663 กษัตริย์ของอังกฤษมีคำสั่งว่ามาตรฐานของความยาวในประเทศของเขาเรียกว่า หลา (Yard) และวัดได้จากปลายจมูกของกษัตริย์ไปยังปลายแขนที่ยื่นออกมาสุด
ในทำนองเดียวกัน มาตรฐานเริ่มต้นของความยาวสมัยนั้น จะวัดได้จากความยาวของพระบาทของกษัตริย์ หลุยส์ ที่ 14 (King Louis XIV) ประเทศฝรั่งเศส เมื่อกษัตริย์ หลุยส์ กำหนดเป็นมาตรฐานแล้ว กษัตริย์ที่จะมาสืบทอดอำนาจจะความยาวพระบาทเหมือนกันหรือ? แน่นอนจะมีการเปลี่ยนไปแน่! ทำให้ไม่นานมาตรฐานแบบนี้ก็ถูกยกเลิกการใช้งาน
จนกระทั่ง ปี พ.ศ. 2342 เมื่อกฎของความยาวมาตรฐานในฝรั่งเศส กลายเป็น เมตร (m) โดยกำหนดให้เป็นหนึ่งในสิบล้าน (1/106) ของระยะทางจาก เส้นศูนย์สูตร (Equator) ไปยัง ขั้วโลกเหนือ (North Pole) ตามความยาว เส้นแวง (Longitude) โดยเฉพาะอย่างยิ่งลากผ่านปารีส สังเกตจะพบว่าเป็นเพียงค่ามาตรฐานของโลกที่ใช้ แต่ไม่สามารถนำมาใช้ได้ตลอดทั้งจักรวาล
เมื่อไม่นานมานี้ในปี พ.ศ. 2503 ความยาวที่ถูกกำหนดให้เป็นเมตร ซึ่งหมายถึง ระยะห่างของ แท่งทองคำขาว (Platinum) –อิริเดียม (Iridium) ถูกเก็บไว้ในห้องที่มีการควบคุมสภาวะในฝรั่งเศส
รูปแท่งทองคำขาว-อิริเดียมวัดความยาวเป็นเมตรมาตรฐาน
แต่ความต้องการในปัจจุบันของวิทยาศาสตร์ และเทคโนโลยี ยังคงมีความจำเป็นที่ต้องมีความแม่นยำมากกว่าการใช้วัดจากแท่งบาร์ ดังนั้นระหว่างปี พ.ศ. 2503 – 2513 ความยาวเมตรถูกกำหนดให้มีค่าเท่ากับ 1,650,763.73 ความยาวคลื่น (Wavelengths) ของแสงสีส้ม-แดงที่ปล่อยออกมาจากหลอดไฟ คริบตอน (Krypton) – 86
รูปหลอดไฟคริบตอน
รูปแถบสเปกตรัมแสงของแสงคริบตอน
ต่อมาในเดือนตุลาคม พ.ศ. 2526 ความยาวเมตรได้มีคำนิยามใหม่นั่นก็คือ ความยาว 1 เมตร เป็นระยะการเดินทางของแสงในสุญญากาศ เป็นเวลา 1/ 299,792,458 วินาที ในความหมายล่าสุดนี้ ถูกกำหนดตามความเร็วของแสงที่วิ่งผ่านสุญญากาศ โดยแสงจะมีความเร็ว 299,792,458 เมตร/วินาที ซึ่งคำนิยามนี้ใช้ได้ตลอดในปัจจุบัน ที่มีความถูกต้องตลอดทั้งจักรวาล โดยขึ้นอยู่กับข้อสมมติฐานของเราว่าแสงจะมีสภาวะเหมือนกันทุกที่
|
ระยะความยาวต่าง ๆ
|
ขนาด (เมตร)
|
|
ระยะทางจากโลกไปยังส่วนที่ไกลที่สุดของดวงดาว (Quasar: ดวงดาวที่ห่างจากโลก410 พันปีแสง) ที่ตรวจพบไกลสุด
|
1.4 ´ 1026
|
|
ระยะทางจากโลกไปยังส่วนที่ไกลที่สุดของกาแล็กซีที่พบ
|
9 ´ 1025
|
|
ระยะทางจากโลกไปยังกาแล็กซีขนาดใหญ่ที่ใกล้สุด (กาแล็คซีอันโดรเมด้า (Andromeda))
|
2 ´ 1022
|
|
ระยะทางจากดวงอาทิตย์ไปถึงดวงดาวที่ใกล้ที่สุด (พรอกซิมา เซนทัวรี (Proxima centauri))
|
4 ´ 1016
|
|
1 ปีแสง (Light-year) (ระยะทางที่แสงเดินทางหนึ่งปี)
|
9.46 ´ 1015
|
|
รัศมีวงโคจรเฉลี่ยของโลกรอบดวงอาทิตย์
|
1.50 ´ 1011
|
|
ระทางเฉลี่ยจากโลกถึงดวงจันทร์
|
3.84 ´ 108
|
|
ระยะทางจากเส้นศูนย์สูตรไปยังขั้วโลกเหนือ
|
1.00 ´ 107
|
|
รัศมีเฉลี่ยของโลก
|
6.37 ´ 106
|
|
ระดับความสูง (เหนือพื้นผิวโลก) ทั่วไปจากพื้นโลกไปถึงดาวเทียมที่โคจรรอบโลก
|
2 ´ 105
|
|
ความยาวของสนามฟุตบอล
|
9.1 ´ 101
|
|
ความยาวของแมลงวันบ้าน (Housefly)
|
5 ´ 10-3
|
|
ขนาดของอนุภาคฝุ่นที่เล็กที่สุด
|
1 ´10-4
|
|
ขนาดของเซลล์ของสิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่
|
1 ´10-5
|
|
เส้นผ่านศูนย์กลางของอะตอมไฮโดรเจน
|
1 ´10-10
|
|
เส้นผ่านศูนย์กลางของนิวเคลียสของอะตอม
|
1 ´10-14
|
|
เส้นผ่านศูนย์กลางของโปรตอน
|
1 ´10-15
|
ตารางที่ 1.1 แสดงความยาวของสิ่งต่าง ๆ
ตารางที่ 1.1 แสดงระยะค่าความยาวบางอย่าง โดยควรจะศึกษาเอาไว้ทั้งตารางนี้ และตารางต่อ ๆ ไป และเริ่มต้นตามสัญชาติญาณในการคิด ยกตัวอย่าง ความยาว 20 เซนติเมตร, มวล 100 กิโลกรัม หรือช่วงเวลา 3.2 ´ 107 วินาที
