จำได้ว่าสมัยเรียนฟิสิกส์ในระดับปริญญาตรี วิชาที่เรียนแล้วสร้างความปวดเศียรให้มากที่สุดวิชาหนึ่งนั่นก็คือ วิชาเทอร์ดมไดนามิคส์ (Thermodynamic) ซึ่งกล่าวถึงความร้อนและกฎต่างๆที่ศึกษาผลของความร้อน เอาประเด็นแรกเลย คำถามที่ว่า ความร้อนคืออะไร? ก็ยากที่จะตอบให้ถูกต้อง ลองตอบตัวเองกันดูสิครับ ความร้อนคืออะไร.... เมื่อตอยเสร็จลองตอบคำถามต่อไปนะครับว่า แล้วในก้อนน้ำแข็ง มีความร้อนหรือไม่? เอาละสิ ของเย็นๆ อย่างน้ำแข็งมีความร้อนอยู่หรือไม่ ยิ่งไปกว่านั้น ถ้าในก้อนน้ำแข็งมีความร้อนอยู่แล้วมันมีอยู่เท่าไหร่ เราจะวัดได้อย่างไร? ถึงตรงนี้หลายคนอาจจะบอกว่าก็ใช้เทอร์โมมิเตอร์สิ วัดอุณหภูมิออกมาก็จะรู้ว่าร้อนเท่าไหร่  แล้วคุณก็จะพบกับคำถามที่รอคุณอยู่ว่า สิ่งที่เทอร์โมมิเตอร์วัดค่าออกมาได้มันคืออะไรใช่ปริมาณความร้อนหรือไม่ และแท้จริงแล้วอุณหภูมิคืออะไร โอ้ยยยยย เชื่อผมรึยังครับว่าปวดเศียรเป็นที่สุด  ผมได้อ่านบทความที่น่าสนใจเกี่ยวกับการวัดความร้อน จึงนำมาแบ่งปันกันครับ

ชายผู้วัดสิ่งที่ไม่น่าวัดได้

ในวันที่ผมก้ำกึ่งจะรีบออกจากบ้าน คือมีนัดแบบกำหนดช่วงเวลานัดไว้หลวมๆ ไม่ได้กำหนดเวลาที่แน่นอนตายตัว เลยมีเวลาสะสางงานบ้านได้เล็กน้อย ซึ่งผมเลือกไปจัดการกับจานชามที่ใช้อย่างเต็มคราบมาเมื่อวาน ขณะที่กำลังล้างจานอยู่ก็อดไม่ได้ที่จะนึกถึงคำสอนของครูสมัยเด็กว่า "เราควรล้างจานชามที่สกปรกน้อยๆ ก่อน..." ใจความของหลักการข้อนี้คือ ให้ล้างภาชนะที่ไม่ได้ใส่ของมันของคาวเป็นอย่างแรก ส่วนหนึ่งเพื่อให้ฟองน้ำที่เราใช้ล้างไม่ติดกลิ่นคาวมามากนัก และน้ำที่เราใช้แล้วจะได้นำไปล้างจานชามที่เปื้อนคราบมันๆ เป็นน้ำแรกได้อีกต่อหนึ่ง

ทว่าวันนั้นผมกลับเลือกล้างจานใส่ข้าวมันไก่ 5-6 ใบที่สกปรกกว่าแก้วน้ำราวๆ 10 ใบที่กองอยู่ เนื่องจากผมมีเวลาจำกัดในการล้างเลยต้องเลือกล้างบางส่วน และเหตุผลที่เลือกล้างแบบขัดกับตำรา เพราะไม่อยากให้ตอนที่กลับถึงบ้านดึกๆ ต้องเห็นภาพจานที่มีไขมันลอยเกรอะกรังหมักหมมทั้งวัน ซึงพอเห็นแบบนั้นแล้วอาจไม่อยากล้างจานอีกเลยตลอดชีวิต

ดังนั้น หลักที่ครูสอนว่าควรล้างจานชามที่สกปรกน้อยๆก่อนคงไม่ได้เหมาะสมตายตัวไปกับทุกสถานการณ์ อย่างเช่นในช่วงเวลาเร่งด่วยของร้านอาหารที่คนมากินข้าวกันเยอะๆ ห้องล้างจานคงต้องเลือกล้างภาชนะที่ต้องนำไปใช้งานก่อนโดยไม่ได้สนใจจะเรียงลำดับความสกปรกสักเท่าไร

คิดมาถึงตรงนี้รู้สึกตลกนิดๆ เพราะจำได้ว่าเคยเห็นคำถามข้อนี้เป็นข้อสอบในวิชาการงานพื้นฐานอาชีพ (กพอ.) ราวกับว่า "การเลือกล้างจานที่สกปรกน้อยไปหาสกปรกมาก" คือข้อเท็จจริงที่ถูกต้องเสมอ 

ลองคิดต่อเล่นๆ ว่า ถ้าเป็นเช่นนั้นโลกเราก็ต้องมีเครื่องมือวัดค่าความสกปรกด้วยจะได้เรียงลำดับการล้างให้ถูกแบบเป๊ะๆ เพราะบางทีจานหลายๆใบที่เลอะต่างกันก็แยกลำบากว่าใบไหนเปื้อนกว่ากัน

แค่แบ่งแยกว่าควาปลาหรือคาวหมูหรือคาวไก่ แบบไหนจะคาวกว่ากัน ก็คิดเห็นไม่ตรงกันแล้ว คุยกันไปคุยกันมาเถียงกันได้ไม่รู้จบ

"นักฟิสิกส์ทำการทดลองด้วยการวัดปริมาณต่างๆ อย่างละเอียดออกมาเป็นตัวเลข ไม่ใช่เพียงแต่"ดู"ว่าร้อนไหม เย็นไหม สูงไหมหรือต่ำไหม" อาจารย์วิทธิพันธุ์   ปรัชญพฤทธิ์ อาจารย์ฟิสิกส์ผู้มากด้วยประสบการณ์การสอนฟิสิกส์กล่าวสอนนักเรียนนักศึกษาไว้แบบนี้

ปริมาณความคาวนั้นสังเกตเห็นได้ง่าย
ปริมาณน้ำหนักก็รับรู้ได้ไม่ยาก
แต่ปริมาณอุณหภูมินั้นวัดได้ลำบาก
ลองนึกดูก็ได้ว่า ถ้าโลกทุกวันนี้ไม่มีเทอร์โมมิเตอร์ เราจะสร้างเครื่องวัดอุณหภูมิอย่างไร?

สมัยก่อนมนุษย์เราไม่รู้ด้วยซ้ำว่าอะไรคือสิ่งที่ทำให้เราเกิดความรู้สึกร้อนหรือเย็นกันแน่ พูดง่ายๆ ว่าตัวตนของอุณหภูมิเป็นเรื่องลึกลับ  

ในแง่ความยาวนหรือน้ำหนัก เราเพียงกำหนดความยาวมาตรฐานหรือน้ำหนักมาตรฐานขึ้นมาสักค่าหนึ่ง จากนั้นปริมาณอื่น ๆ ก็จะถูกวัดโดยการเปรียบเทียบตามมา (เช่น กำหนดความยาวของแท่งอะไรสักอย่างเป็นมาตรฐานว่า 1 เมตร สิ่งของที่ยาวกว่าแท่งมาตรฐานนั้น 2 เท่า ก็เรียกมา 2 เมตร, ส่วนของที่ยาวกว่าแท่งมาตรฐานนั้น 3.5 เท่า ก็เรียก 3.5 เมตร เป็นต้นอออออ

แต่การมองหามาตรฐานของอุณหภูมินั้นไม่ง่าย ในเมื่อเรายังไม่ชัดเจนกับมัน จะถือขันใส่น้ำเดินไปบอกใครๆว่า อุณหภมิของน้ำในขันนี้ถือเป็นมาตรฐานก็มีปัญหา เพราะเราไม่รู้ชัดๆ ว่าอะไรเป็นปัจจัยให้มันเปลี่ยนแปลงไปบ้าง และที่สำคัญคือ เราไม่รู้ว่า "ร้อนกว่านี้ 3 เท่าเป็นอย่างไร"
อออออในแง่หนึ่ง อุณหภูมิก็คล้ายกับความสกปรกของจานที่กำหนดการวัดยากเสียจนบางทีเราอาจถอดใจว่ามันเป็นปริมาณที่ไม่มีทางวัดออกมาได้เลย ดังนั้น คนที่คิดวัดอุณหภูมิคนแรกของโลกจึงไม่น่าจะเป็นคนที่มีความคิดแบบธรรมดา ๆ เอ้า...ลองทายดูครับว่าสิ่งที่เห็นนี้คืออะไร

[ที่มา : http://en.wikipedia.org/wiki/Galileo_thermometer]

หากของสิ่งนี้ไม่ปรากฎในการการเกมโชว์คงมีคนทายผิดกันเยอะเลย บอกไว้ก่อนว่ามันไม่ได้ถูกสร้างมาเพื่อตั้งโชว์สวยงามเป็นหลัก แต่มันเป็นเครื่องวัดอุณหภูมิแบบโบราณที่คิดค้นโดยยอดอัจฉริยะหลายร้อยปีก่อนแห่งอิตาลี เขาคือกาลิเลโอ กาลิเลอี (Galileo Galilei) นักฟิสิกส์ผู้มีผลงานมากมาย จนแม้แต่คนที่เรียนด้านฟิสิกส์โดยตรงยังยากจะรู้ครบถ้วนว่ากาลิเลโอคิดค้นอะไรออกมาบ้าง หนึ่งในสิ่งที่ไม่ค่อยมีคนรู้คือ เขาเปฌนคนแรกที่ประดิษฐ์เครื่องวัดความต่างของอุณหภูมิขึ้น

จริง ๆ แล้วจะเรียกสิ่งประดิษฐ์ของกาลิเลโอว่าเทอร์โมมิเตอร์ก็ไม่เชิงนักเพราะมันไม่ได้บอกอุณหภูมิออกมาเป็นปริมาณตัวเลขเป๊ะ ๆ อย่างเทอร์โมมิเตอร์ในปัจจุบัน แต่มันเพียงบอกว่าอุณหภูมิของอากาศรอบ ๆ สูงขึ้นหรือต่ำลงกว่าเดิมประมาณไหน เครื่องที่เห็นในรูปนี้ถูกสร้างขึ้นมาในยุคปัจจุบัน แต่หลักการทำงานของมันไม่ต่างจากเมื่อหลายร้อยปีก่อนเลย ลองมาดูก่อนดีกว่าว่ามันใช้งานอย่างไร 

หากมองผ่านกระบอกแก้วใสๆ ขนาดใหญ่เข้าไป เราจะเห็นว่ามีกระเปาะเล็กๆ สีสันต่างๆ ลอยอยู่ในของเหลวอย่างสวยงามแฟนตาซี ในสภาพห้องปกติที่อุณหภูมิไม่ค่อยเปลี่ยนแปลง กระเปาะสีๆ เหล่านี้จะลอยนิ่งๆ ไม่ขยับไปไหน แต่ถ้าอุณหภูมิอากาศรอบๆ เครื่องนี้เย็นลง กระเปาะสีเล็ก ๆ ที่อยู่ด้านล่าง จะค่อยๆลอยสูงขึ้นด้านบนทีละใบๆ และในทางกลับกัน ถ้าอุณหภูมิอากาศรอบๆร้อนขึ้น กระเปาะที่ลอยอยู่ด้านบนจะค่อยๆจมลงสู่เบื้องล่าง (ดังนั้น ถ้าเราเอามันไปใส่ในตู้เย็น กระเปาะสีจะค่อยๆลอยสูงขึ้น และถ้าเราเอาไดร์เป่าผมมาเป่า กระเปาะสีเหล่านี้จะค่อยๆจมลง) ใช้งานง่ายจริงๆ เพียงแค่ดูว่ากระเปาะข้างในลอยขึ้นหรือจมลงเท่าไหร่

แต่ของที่ใช้งานง่าย ๆ อาจไม่ได้เข้าใจหลักการทำงานได้ง่าย ๆ เช่นเดียวกับที่ทุกคนรู้ว่าโทรศัพท์มือถือใช้งานอย่างไร แต่ไม่ใช่ง่าย ๆ เลย ที่จะเรียนรู้ว่าโทรศัพท์มือถือทำงานอย่างไร
หลักการพื้นฐานของอุปกรณ์บอกอุณหภูมินี้มี 2 อย่าง คือ

1. เรื่องแรงลอยตัว 
หากของที่จมอยู่ในของเหลวมีความหนาแน่นน้อยกว่าของเหลวนั้น มันจะลอยขึ้นมา

หากของที่จมอยู่ในของเหลวมีความหนาแน่นมากกว่าของเหลวนั้น มันจะจมลง

2. ของเหลวโดยทั่วไปเมื่อมีอุณหภูมิสูงขึ้นจะเกิดการขยายตัว ซึ่งการขยายตัวนี้ทำให้ความหนาแน่นของมันลดลง (และในทางกลับกัน ของเหลวที่มีอุณหภูมิต่ำลงจะหดตัวและมีความหนาแน่นมากขึ้น)
"หลักการ 2 ข้อ นี้แหละที่เป็นหัวใจของเครื่องวัดอุณหภูมิแบบกาลิเลโอ"

การทำงานของเครื่องวัดอุณหภูมิโบราณสามารถเข้าใจได้ไม่ยาก ดังนี้ แก้วนั้นมีความหนาแน่นมากกว่าน้ำ ดังนั้น เมื่อแก้วอยู่ในน้ำแก้วจะจมลงไปเรื่อยๆ  แต่หากเราใส่อากาศเข้าไปในกระเปาะแก้วอย่าง "พอเหมาะ" กระเปาะแก้วจะสามารถลอยค้างอยู่ใต้น้ำได้โดยไม่จมลงไป (เพราะอากาศมีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำ อากาศในกระเปาะจึงพยายามลอยขึ้น แต่กระเปาะแก้วพยายามจมลง เมื่อแรงทั้งสองส่วนหักล้างกัน มันจึงลอยนิ่งๆ ในน้ำได้) 

เมื่อเราเอาไดร์เป่าผมมาเป่าด้านนอก"กระบอกแก้ว" ทำให้"กระบอกแก้ว"ร้อนขึ้น ส่งผลให้น้ำที่อยู่ใน"กระบอกแก้ว"ร้อนขึ้นตามไปด้วย เมื่อน้ำใน"กระบอกแก้ว"ร้อนขึ้น มันจะขยายตัวจนมีปริมาตรมากขึ้น ทำให้ความหนาแน่นของมันลดลง   เอาละ มาถึงตรงนี้บางคนอาจสงสัยว่า ทำไมของที่มีปริมาตรเพิ่มขึ้นจึงมีความหนาแน่นลดลง? ลองนึกถึงเด็กนักเรียนที่ยืนเข้าแถวในสนามหน้าเสาธงแบบเบียดชิดกันจนไหล่แทบจะชนไหล่เพื่อนข้างๆ(อย่างอึดอัด) ทันใดนั้นเมื่อครูบอกให้ขยายแถวด้วยการเหยียดแขนแตะไหล่เพื่อนข้างๆ พวกเข้าย่อมยืนกันอย่างสบายมากขึ้น เพราะการขยายแถวทำให้ความหนาแน่นของเด็กๆลดลงนั่นเอง

เมื่อน้ำใน"กระบอกแก้ว" ขยายตัวจนมีความหนาแน่นลดลง กระเปาะแก้วที่อยู่ในนั้นค่อยๆจมลงไป เพราะกระเปาะแก้วมีความหนาแน่นเท่าเดิม เนื่องจากมันไม่ได้เปลี่ยนแปลงปริมาตรตามไปด้วย ทำไมกระเปาะแก้วที่จมอยู่ในน้ำจึงไม่ขยายตัว? เพราะกระเปาะแก้วเป็นของแข็ง มันจึงขยายตัวเนื่องจากความร้อนเยอะมาก (พูดง่ายๆ ว่า ถึงแม้น้ำในกระเปาะแก้วจะเกิดการขยายตัวไปบ้างก็ไม่ทำให้ปริมาตรโดยรวมเปลี่ยนแปลง ดังนั้น ความหนาแน่นของกระเปาะแก้วจึงเท่าเดิม)

สรุปสั้นๆ ว่า เมื่ออากาศด้านนอก"กระบอกแก้ว"ร้อนขึ้น ของเหลวใน"กระบอกแก้ว" ก็จะค่อยๆ ร้อนขึ้น และขยายตัวทำให้กระเปาะสีๆค่อยๆจมลงมาทีละกระเปาะๆ (กระเปาะสีๆจะมีความหนาแน่นไล่เรียงกันไป โดยกระเปาะบนสุดจะมีความหนาแน่นน้อยที่สุด จึงจมลงมาหลังสุด) ส่วนเมื่ออุณหภูมิรอบๆ กระบอกแก้วลดลง การทำงานก็เป็นไปในทางตรงกันข้าม คือ ของเหลวในกระบอกแก้วหดตัวลงและมีความหนาแน่นมากขึ้น จนกระเปาะภายในค่อยๆ ถูกดันให้ลอยขึ้นทีละกระเปาะๆ 

เบื้องหลังอุปกรณ์อันน่าทึ่ง มีหลักการอันน่าทึ่งไม่แพ้กันแฝงอยู่ และเบื้องหลังหลักการอันน่าทึ่งยังมีแนวคิดที่น่าทึ่งสุดๆ แฝงไว้
อะไรทำให้คนคนหนึ่งคิดจะสร้างเครื่องมือวัดอุณหภูมิ? ทั้งที่มันอาจไม่ได้ทำเงินให้เขาเป็นกอบเป็นกำ ทั้งที่มันอาจไม่ได้ทำให้เขามีชื่อเสียงเลื่องลือ ทั้งที่มันอาจไม่ได้ทำให้เขามีอำนาจยิ่งใหญ่ บางทีสำหรับคนที่พยายามตอบคำถามของธรรมชาติ คำถามเหล่านี้อาจไม่ได้น่าสนนักก็ได้ 

ที่มา : หนังสือเรื่องลึกลับธรรมดา, อาจวรงค์  จันทมาศ  สำนักพิมพ์มติชน