เดอะ พรินซิเปีย The Principia หนังสือพลิกโฉมโลกวิทยาศาสตร์ของนิวตัน

ทุกคนคงเคยผ่านการเรียนวิชาฟิสิกส์และแคลคูลัสในระดับมัธยมศึกษา วิชาที่ฟังดูไม่เข้าใจและไม่รู้จะนำไปใช้อะไร แต่หากเรามองเรื่องราวที่มาของวิชานี้ผ่านหนังสือเล่มหนึ่ง หนังสือของบุรุษเจ้าอารมณ์ สันโดษ และชาญฉลาด คุณจะพบความมหัศจรรย์ของแนวคิดที่ว่าด้วยการเคลื่อนที่ของสิ่งต่าง ๆ สิ่งที่ทุกคนตั้งคำถามคือความรู้เหล่านี้จะนำไปใช้อย่างไร เพียงหนังสือเรื่องนี้เท่านั้นได้ปลูกฝังแนวคิดวิทยาศาตร์ตั้งแต่การเคลื่อนที่ของรถยนต์จนถึงการปล่อยจรวดส่งยานอวกาศ และต่อยอดเป็นทฤษฎีทางฟิสิกส์มากมาย หนังสือเล่มนี้เขียนถึงอะไรบ้าง วันนี้เรามาดูกัน

หากเราย้อนกลับไปในช่วงที่เกิดโรคระบาดทั่วเกาะอังกฤษ เมื่อปี ค.ศ. 1665 ประชาชนทุกคนอยู่แต่ในบ้านและต้องหยุดการติดต่อกับบุคคลอื่น แต่สิ่งที่ไม่เคยหยุดจากวิกฤตครั้งนั้น คือ ความกระหายใคร่รู้ของเด็กหนุ่มไฟแรงอายุ 20 ปีต้น ๆ ผู้ชอบครุ่นคิดกับสิ่งที่เห็นในธรรมชาติ ใครจะไปรู้ว่าในช่วงที่นิวตันกักตัวอยู่ในเรือนหลังเล็ก ๆ งานที่เขาเขียนไว้เพียงเพื่อตอบคำถามในใจของตัวเอง ผ่านลายมืออันยุ่งเหยิงและไร้ระเบียบ จะนำมาซึ่งความรู้ที่พัฒนาโลกได้ไกลจากจุดเริ่มต้นของมันถึงทุกวันนี้ได้ หนังสือเล่มนั้นมีชื่อว่า หลักการทางคณิตศาสตร์ของปรัชญาธรรมชาติ (Philosophiae Naturalis Principia Mathematica) หรือมีชื่อเล่นว่า เดอะ พรินซิเปีย (The Principia)

หนังสือเปิดฉากด้วยการอธิบายถึง การเกริ่นให้เห็นถึงเรื่องราวก่อนหน้า จากความรู้ที่ได้จากนักดาราศาสตร์อย่าง โยฮันเนส เคปเลอร์ ผู้อธิบายการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์ ซึ่งเรื่องนี้เป็นปริศนามายาวนาน ซึ่งหลังจากที่นิวตันได้พูดคุยปรึกษากับ เอ็ดมันต์ ฮัลเลย์ เขาเริ่มเข้าใจเรื่องนี้มากขึ้น เพราะการอธิบายปรากฏการณ์ที่ดาวเคราะห์โคจรรอบดวงอาทิตย์เป็นวงรี ผ่านข้อมูลที่รวบรวมมากมาย ตอนนั้นก็ไม่พอที่จะหาความสัมพันธ์ของสิ่งที่เกิดขั้นได้ ด้วยคำถามและแรงผลักดันของฮัลเลย์นี้เอง เป็นส่วนประกอบสำคัญที่กระตุ้นให้นิวตันได้ครุ่นคิด และตีพิมพ์ผลงานออกมาเป็นละครภาคใหม่ของวงการวิทยาศาสตร์

เนื้อหาในหนังสือ บทเกริ่นเริ่มจากนิยามทั้งสามคือ แรงสู่ศูนย์กลาง (Centripetal Force) แรงธรรมชาติ (Inherent Force) และแรงต้าน (Resistance) สมมติฐานเกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของวัตถุ รวมไปถึงทฤษฎีทางคณิตศาสตร์และเรขาคณิตอีกมากมาย แม้งานเขียนอันน่าทึ่งนี้จะสามารถตอบคำถามที่ค้างคาใจฮัลเลย์ได้ แต่สิ่งนี้กลับเป็นชนวนความไม่ลงรอยกันระหว่างนิวตัน และโรเบิร์ต ฮุก เเนวคิดอันแปลกประหลาดที่ใช้อธิบายมันดูไม่เข้าท่าในสายตาของฮุก ทั้งสองมีการเขียนโต้ตอบกันบ่อยครั้ง ซึ่งทวีความรุนแรงขึ้นเรื่อย ๆ จนเกิดประโยคสุดคลาสสิกของนิวตันขึ้นมาว่า ” ถ้าฉันสามารถมองได้ไกล นั่นก็เพราะฉันยืนอยู่บนไหล่ของยักษ์ ” ซึ่งมีความหมายว่า ความรู้ที่ทำให้ฉันพัฒนาได้ถึงทุกวันนี้ ก็มาจากความรู้ที่สั่งสมต่อยอดกันมานาน จากคนรุ่นก่อน ๆ ด้วย เช่น กาลิเลโอ และ เคปเลอร์ เป็นต้น

ถึงจะมีแรงต้านจากหลายฝ่าย เกี่ยวกับแนวคิดและการอธิบายแบบใหม่ของนิวตัน แต่แรงผลักดันจากความทะเยอทะยานกลับส่งให้เขายิ่งต้องการเอาชนะแรงต้าน เขารวบรวมงานเขียนมากมายในช่วงโรคระบาดแล้วเรียบเรียงมันออกมา ในคราวแรกเขาเตรียมไว้เพียงสองตอน แต่ความรู้อันพรั่งพรูของเขาทำให้ต้องมีการตีพิมพ์หนังสือเพิ่มมาเป็น สามตอน ดังนี้

ตอนที่ 1 – 2 ว่าด้วย การเคลื่อนที่ของวัตถุ (On the Motion of Bodies) สองตอนนี้สำคัญมากเพราะเป็นต้นกำเนิดของวิชาแคลคูลัส วิชาที่ว่าด้วยการคำนวณการเปลี่ยนแปลงของปริมาณต่าง ๆ ในช่วงเวลาสั้น ๆ ซึ่งคงไม่แคล้วที่จะอธิบายเพิ่มเติมจากบทนำ แต่มีการลงรายละเอียดทางคณิตศาสตร์ ตอนเเรกของหนังสือเหมือนเป็นการเสนอแนวคิดของตัวเองผ่านคณิตศาสตร์รูปแบบใหม่ที่นิวตันคิดค้นเอง ตอนสองเป็นการเขียนเพื่อหักล้างแนวคิดของ เรอเน เดการ์ตส์ ผู้ที่วางรากฐานทางปรัชญาที่ว่าด้วยการเคลื่อนที่ของสิ่งต่าง ๆ

ตอนที่ 3 ว่าด้วย ระบบของโลก (On the System of the World) ตอนนี้เน้นย้ำและอธิบายเรื่องทฤษฎีแรงโน้มถ่วงจากมุมมองของนิวตัน เกี่ยวกับระบบสุริยะที่มีดวงอาทิตย์เป็นศูนย์กลาง และต่อยอดแนวคิดจากสองตอนแรก พร้อมกับคำถามอันน่าสงสัยที่นิวตันนำมาลองท้าทายกับความรู้ที่ผ่านมา เช่น ทำไมลูกแอปเปิ้ลจึงตกลงสู่พื้นดิน ในขณะที่ดวงจันทร์หรือดวงดาวต่าง ๆ ที่โคจรบนท้องฟ้ากลับไม่ตกลงมา คำอธิบายประกอบการสังเกตการณ์นำมาซึ่ง กฎแรงโน้มถ่วงสากล (Universal Law of Gravitation) นิวตันบ่งชี้ว่า วัตถุสองก้อนที่มีระยะห่างระหว่างกัน มีอำนาจบางอย่างที่ดึงวัตถุทั้งสองให้เข้าหากัน โดยอำนาจนั้นเรียกว่า แรงดึงดูดระหว่างมวล คำอธิบายนี้ถูกเสริมขึ้นมาจากแนวคิดที่ กาลิเลโอ กาลิเลอิ เคยเสนอไว้ ว่าสรรพสิ่งต่าง ๆ ล้วนเป็นไปตามกฎผกผันกำลังสอง

หนังสือเดอะพรินซิเปีย มีแนวคิดมากมายที่น่าสนใจ ส่วนใหญ่เป็นการอธิบายธรรมชาติด้วยปรัชญาและแนวคิดผ่านการสังเกตการณ์ เพราะในอดีตกระบวนการที่จะได้มาซึ่งความรู้มักผ่านการคิดและการทดลองเพื่ออธิบายธรรมชาติ ซึ่งในยุคนั้นเรียกว่า ปรัชญาธรรมชาติ (Natural Philosophy) และเป็นที่มาของชื่อหนังสือเล่มนี้ อีกหนึ่งความรู้ที่เปลี่ยนแปลงโลกของหนังสือเล่มนี้คือ กฎการเคลื่อนที่ (The Laws of Motion) ทั้งสามข้อของนิวตัน ที่ใช้ในการอธิบายการเปลี่ยนสภาพของวัตถุ

กฎข้อที่ 1 : กฎของความเฉื่อย (The Law of Inertia) กฎข้อนี้เริ่มแรกคิดค้นโดย กาลิเลโอ กาลิเลอี และพัฒนาต่อยอดโดย เรอเน เดการ์ตส์ โดยในมุมของนิวตัน เขามองกฎข้อนี้ผ่านสิ่งที่เรียกว่า ระบบอ้างอิงเฉื่อย เป็นกรอบที่ใช้อ้างอิงวัตถุที่อยู่ในระบบโดยผู้สังเกตที่อยู่นอกกรอบนั้น กฎของความเฉื่อยอธิบายว่า วัตถุจะรักษาสภาพหยุดนิ่ง หรือสภาวะที่วัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ในแนวในตรง จนกว่าจะมีแรงมากระทำให้เปลี่ยนสภาวะ คุณสมบัติที่สื่อถึงความเฉื่อยคือ มวลเฉื่อย คือสรรพสิ่งที่มีมวลมักไม่อยากเคลื่อนที่ วัตถุที่มีมวลมากก็จะมีสภาพต้านการเคลื่อนมาก นี่คือเหตุผลที่การผลักช้างตัวใหญ่จึงยากกว่าการผลักหนูตัวเล็ก

กฎข้อที่ 2 : กฎของแรง (The Law of Force) อธิบายความสัมพันธ์ของแรงและการเคลื่อนที่ แต่ก่อนอื่นเราต้องมารู้จักว่าแต่ละสิ่งคืออะไร สิ่งแรกคือ แรง (Force) หมายถึงการกระทำต่อวัตถุเพื่อเปลี่ยนสภาวะการเคลื่อนที่ของวัตถุ ซึ่งแรงที่ว่ามาจากไหนกัน ? นิวตันมองเห็นการเปลี่ยนของปริมาณที่เรียกว่า โมเมนตัม (Momentum) เป็นสิ่งที่บอกสภาพการเคลื่อนที่ว่า เคลื่อนที่ได้มากน้อยอย่างไร แรงที่นิวตันกล่าวถึงคือ การเปลี่ยนแปลงของสภาพการเคลื่อนที่นั่นเอง ซึ่งแรงนี้เองคือปริมาณที่กฎข้อหนึ่งกล่าวถึง

กฎข้อที่ 3 : ทุกแรงกิริยา (Action) จะมีแรงปฏิกิริยา (Reaction) ที่มีขนาดเท่ากัน กระทำกลับในทิศตรงข้ามกับแรงกิริยาเสมอ ตัวอย่างใกล้ตัว เช่น เวลาเราตกจากที่สูงแล้วรู้สึกเจ็บจากการถูกกระแทก เหตุเกิดจากเมื่อเราตกกระทบถึงพื้น น้ำหนักจากตัวเราจะออกแรงกระทำกับพื้น ทำให้พื้นออกแรงกระทำกลับกับตัวเรา หรือเมื่อเราตีเพื่อน ทั้งเพื่อนและเราก็รู้สึกเจ็บเนื่องจากมือกระทำกับร่างกายเช่นเดียวกับร่างกายกระทำกลับกับมือเรา หลักการถูกนำมาใช้ในการปล่อยจรวดด้วย เพราะจรวดจะออกเเรงดันพื้นเพื่อส่งแรงขับดันให้ตัวจรวดพุ่งสู่อวกาศโดยแรงนั้นต้องมากพอที่จะต้านแรงโน้มถ่วงของโลกได้ กฎข้อนี้ดูเหมือนจะนำไปใช้ได้มากที่สุดและมองเห็นได้ตามธรรมชาติเพราะเป็นบทสรุปของกฎสองข้อที่ผ่านมา

ความรู้ทั้งหมดที่นิวตันสะสมและตีพิมพ์เผยแพร่ออกมานั้น ได้ขับเคลื่อนโลกมาตั้งแต่ศตวรรษที่ 17 จนถึงปัจจุบัน และจะส่งต่อไปจนถึงในอนาคต ความรู้เหล่านี้ นอกจากจะอธิบายปรากฏการณ์ทางธรรมชาติได้แล้ว ยังเอาไว้พัฒนาชีวิตมนุษย์ อาคาร การขนส่ง ไปจนถึงยานอวกาศ หลายสิ่งหลายอย่างล้วนแล้วแต่มีรากฐานมาจากความรู้ของนิวตัน แม้ว่าหลังยุคนิวตันจะมีทฤษฎีวิทยาศาสตร์ออกมาใหม่ เช่น ทฤษฎีสัมพัทธภาพ (Relativity Theory) ของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ซึ่งเป็นทฤษฎีที่อธิบายแรงโน้มถ่วงว่าเกิดจากการโค้งงอของกาลอวกาศ หลายคนคงมองว่าทฤษฎีใหม่นี้สามารถหักล้างทฤษฎีของนิวตันได้ แต่หากเรามองอย่างลึกซึ้งจะพบว่าความรู้ต่าง ๆ นั้นไม่ได้หักล้างกัน แต่กลับเติมเต็มกันและกันให้มีความชัดเจนมากขึ้น และทำให้วิทยาศาสตร์มีความสมบูรณ์แบบมากขึ้น จนเราสามารถนำความรู้มาต่อยอใช้ได้มากมายจนถึงปัจจุบัน นับได้ว่าการที่มนุษย์เราสามารถมีคุณภาพชีวิตที่ดีขึ้นได้อย่างก้าวกระโดดในปัจจุบัน มีส่วนมาจากความรู้ที่สั่งสมต่อยอดมาจากบรรพบุรุษหลายคนอย่าง ไอแซก นิวตัน โดยแท้จริง

อ้างอิง

BYJU’s The Learning App. 2019. Laws of Motion. www.byjus.com/lakhmir-singh-solutions-class-9-physics-chapter-2-force-and-laws-of-motion/

Digital Commonwealth. 2018. The Principia. www.digitalcommonwealth.org/search/commonwealth-oai:gm80mw20h

The Royal Society: Science in the Making. 2019. Isaac Newton. www.makingscience.royalsociety.org/s/rs/people/fst01801333

NASA. 2017. Newton’s Laws. www.nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/stemonstrations_newtons-third-law.pdf

Stanford University. 2017. Newton and the Principia. www.plato.stanford.edu/entries/newton-principia/

Science Photo Library. 2016. Newton’s Laws of Motion. www.sciencephoto.com/media/594576/view/newton-s-laws-of-motion

The Great Course Daily. 2018. Newton’s Gravity Equation. www.thegreatcoursesdaily.com/the-gravitational-constant-in-newtons-gravity-equation/

Trinity College Cambridge. 2017. Principia Mathematica. www.trin.cam.ac.uk/news/principa-mathematica/