|
|
|
| ฟิสิกส์ของแก้ว บ้านผู้เขียนที่อยู่ในประเทศฝรั่งเศสนั้นเป็นบ้านเก่าที่สร้างขึ้นในสมัยศตวรรษที่ 16 บ้านนี้มีกระจกหน้าต่างที่ค่อนข้างเก่าแก่ คาดว่าจะเป็นของที่ติดตั้งมาแต่ดั้งเดิม คอยส่องสะท้อนเงาผู้คนที่เดินผ่านไปมา เป็นริ้วคลื่นพลิ้วไหวราวกับว่า ผู้คนเหล่านั้นกำลังจะเดินเข้ามาในตัวบ้าน ความผิดเพี้ยนในแนวตั้งที่เกิดขึ้น ทำให้ฉุกคิดขึ้นมาว่า กระจกที่เปราะบางและแตกได้นี้ ความจริงแล้วมันมีการเคลื่อนไหว เพราะมันเป็นของเหลวที่ไหลได้ ดังเช่นกระจกหน้าต่างของโบสถ์ที่สร้างมาตั้งแต่ยุคกลาง ที่แสนเก่าแก่นั้น จะเห็นได้ว่าฐานกระจกตอนล่างนั้นจะหนากว่าส่วนอื่นๆ เล่ากันมาว่า การที่เป็นเช่นนั้นเป็นเพราะเนื้อกระจกไหลมากองรวมกัน จากนั้นความคิดทั้งหลายก็ เริ่มรวมตัวกันจนเห็นรางๆ ว่า “หากเวลาคือสายน้ำ ... กระจกนั้นก็เป็นดังเช่นสายน้ำจเดียวกัน” ความคิดที่ว่ากระจกนั้นเป็นของเหลวที่ไหลได้ เป็นแนวคิดที่แพร่หลายขจรขจายไปอย่างกว้างขวาง แต่ วอนน์ สโตคส์ นักคณิตศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยอะเดเลด ประเทศออสเตรเลีย ได้ทำลายความสนุกสนานของตำนานเรื่องนี้ เธอบอกว่า เธอเองก็เคยได้ยินเรื่องทำนองนี้จาก อาจารย์ที่ปรึกษาของเธอเช่นเดียวกัน มันดูเป็นเรื่องจริงจัง จนครั้งหนึ่งมีคณะนักเรียนเข้าเยี่ยมชม ห้องปฏิบัติการ แล้วนักเรียนคนหนึ่งได้พูดถึงเรื่องนี้อีก วอนน์อธิบายว่า “ถ้าหากจะมองลึกลงไปในระดับโมเลกุล มันก็ถูกที่เราจะบอกว่า กระจกเป็นของที่ไหลได้ แต่คนทั่วไปมักจะคิดว่าอะไรก็ตามที่เป็นของไหล มันจะต้องไหลได้ซะทั้งนั้น อันนี้แหละที่เป็นความคิดที่ไม่ถูก” สโตคส์จึงได้ทำการพิสูจน์โดยวิธีการคำนวณอย่างละเอียด และพบว่ากระจกหน้าต่างที่เก่าแก่เหล่านั้นไม่มีการไหลใดๆ เกิดขึ้น ถ้าหากว่าตำนานยังคงได้รับการเล่าขานกันสืบมา นั่นคงเป็นเพราะว่ามีแนวของความเป็นจริง บางประการแฝงอยู่ ตำนานของกระจกก็เช่นกัน มันเป็นสสารที่สถานะสับสน เพราะมันไม่สามารถ จัดอยู่ในสถานะใดสถานะหนึ่งในสถานะทั้งสามของสสารได้เลย หากอยู่ในสถานะก๊าซ โมเลกุลก็จะมีการเคลื่อนที่อย่างไม่มีทิศทางไปทั่ว แต่หากจัดอยู่ในสถานะของเหลว โมเลกุลก็จะมีความแข็งแรงของพันธะมากขึ้น แต่ยังคงจัดเรียงตัว อย่างไม่เป็นระเบียบ เปลี่ยนรูปได้ง่ายเพราะพันธะยังไม่แข็งแรงมากนัก และสถานะสุดท้ายคือ ของแข็ง ซึ่งกองทัพโมเลกุลจะเรียงตัวกันอย่างเป็นระเบียบ คงรูปอย่างแข็งแกร่ง แต่กระจกไม่เป็นไป ตามสถานะใดสถานะหนึ่งที่กล่าวมา เพราะกระจกนั้นอาจจะคงรูปเหมือนของแข็ง แต่โมเลกุลกลับ ไม่ได้เรียงตัวกันอย่างเป็นระเบียบ ดังเช่นผลึกของแข็ง หากกลับไปเรียงตัวเหมือนกับโมเลกุลของ ของเหลวที่มีการจัดเรียงตัวกันอย่างไม่แน่นอนแทน ในเชิงโครงสร้าง ไม่มีเส้นแดนใดที่ใช้แบ่งสถานะระ-หว่างของเหลวและกระจกได้อย่างชัดเจน เราสามารถทำให้ของเหลวอยู่ในรูปของกระจกได้โดยการทำให้ของเหลวนั้นเย็นยิ่งยวดภายใต้ อุณหภูมิต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง ถ้าทำได้ในระยะเวลาที่เร็วเพียงพอแล้ว โมเลกุลก็จะไม่สามารถจัดเรียงตัวกัน เป็นของแข็งในรูปผลึกได้ เมื่ออุณหภูมิลดลง ของเหลวก็จะอยู่ในสภาวะเหนียวหนืด และโมเลกุลก็จะเริ่มเฉื่อยมากขึ้นและ มากขึ้นเรื่อยๆ อาจเปรียบได้ว่า การอยู่ในสถานะของเหลวนั้น คือการเล่นเก้าอี้ดนตรีที่ดนตรีไม่เคยหยุดบรรเลง ผู้เล่นก็ไม่มีการหยุดนั่ง แต่เมื่ออุณหภูมิลดลง การเคลื่อนที่จะช้าลง ของเหลวจะเริ่มหนืดเหมือนน้ำผึ้ง หลังจากนั้นก็จะหนืดเหนียวขึ้นไปอีกเหมือนน้ำมันดิน จนในที่สุด โมเลกุลก็หยุดการเคลื่อนที่เหมือน แมลงที่ติดอยู่ในแท่งอำพันอย่างไรอย่างนั้น กระจกหน้าต่างส่วนใหญ่นั้น เกิดจากการนำทรายมาผสมกับโซดาแอชที่อุณหภูมิต่ำกว่า จุดหลอมเหลวแล้วใส่ปูนขาวเข้าไปลดการละลายเพื่อให้คงรูป แต่การที่ของเหลวจะกลายเป็นกระจกได้นั้น ต้องทำให้มันเย็นลงอย่างรวดเร็วเพียงพอ ซึ่งของเหลวแต่ละชนิดก็กลายเป็นกระจกได้ยากง่ายไม่เท่ากัน แต่อย่างไรก็ตาม ถ้าทำให้ของเหลวเหนียวหนืดขึ้นที่อุณหภูมิเยือกแข็งมากขึ้นเท่าใด มันก็จะกลายเป็นผลึก ได้ยากขึ้นเท่านั้น ในที่สุดมันก็จะกลายเป็นกระจกแทน สภาวะความเป็นแก้วไม่ได้เกิดขึ้นเฉพาะในวัสดุที่มีทรายแก้วเป็นองค์ประกอบเท่านั้น มันเกิดขึ้นได้ในสารเคมีหลายๆ ชนิดในชีวิตประจำวันของเรา ยกตัวอย่างเช่น พอลิสไตรีน ซึ่งเป็นพลาสติกกรอบที่เรานำมาทำเป็นถ้วยกาแฟ เมื่อพิจารณาที่โครงสร้าง มันก็คือ พอลิเมอร์แก้วที่มีฟองอากาศอยู่ภายในเป็นจำนวนมาก มาร์ก เอดิเกอร์ นักเคมีแห่งมหาวิทยาลัย วิสคอนซินบอกว่า พอลิสไต-รีนนั้นเป็นพอลิเมอร์สายยาวที่ยุ่งเหยิง มันจึงพันกันยุ่งและหนืดเหมือนซุป และไม่เคยมีใครตกผลึกพอลิเมอร์ชนิดนี้ได้ เมื่อแข็งตัว พอลิสไตรีนจึงมีสถานะเป็นกระจกเท่านั้น ตัวอย่างที่ชัดเจนอีกอันหนึ่งคือ น้ำ เมื่อน้ำเย็นจนกลายเป็นน้ำแข็ง โมเลกุลของน้ำจะจับตัวกันเป็น รูปทรงเหลี่ยมสี่หน้า(tetrahedron) ซึ่งเป็นโครงสร้างของน้ำแข็ง นั่นเป็นวิธีเดียวที่สามารถ หยุดการเคลื่อนที่ของโมเลกุลน้ำได้ น้ำตาลก็เช่นกัน แต่น้ำตาลนั้นสามารถทำให้เย็นยิ่งยวดได้ง่าย ถ้าเป็นคนชอบอมลูกกวาด เราคงจะสังเกตเห็นว่า ลูกกวาดบางอย่างนั้นใสราวก้อนแก้ว นั่นคือสภาวะกระจกของน้ำตาลนั่นเอง ทุกวันนี้ กระจกหรือแก้วมีอยู่ทุกหนแห่ง นับตั้งแต่เคเบิล(ใยแก้ว)ของโทรศัพท์จนถึง เครื่องช่วยชีวิต ถึงกระนั้น นักวิจัยก็ยังคงถกเถียงกันถึงเรื่องธรรมชาติของมันกันอยู่ว่า “กระจกนั้นเป็นของเหลวที่แฝงตัวอยู่ในรูปของของแข็งหรือเปล่า?” หรือจะเป็นดังเช่นที่ พาบโล เดเบเนเดตตี้ วิศวกรเคมีแห่งมหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน กล่าวว่า “กระจกที่อยู่รอบๆ ตัวเรานั้น เป็นบางสิ่งที่ปกปิดเรื่องราวของมันไว้อย่างลึกซึ้งมาก” บางสิ่งในที่นี้คือ กระจกในอุดมคติ (ideal glass) ที่เรียกเช่นนี้เนื่องจากยังไม่มีใครค้นพบมันอย่างแท้จริง เดเบเนเดตตี้บอกว่า กระจกที่แท้จริงนั้น ยังคงเป็นปริศนาที่ต้องขบคิดต่อไป เพราะอุณหภูมิที่ทำให้มันคงรูปและคุณสมบัติในขั้นสุดท้ายนั้นขึ้นอยู่กับความเร็ว ของการทำให้มันเย็นตัว ซึ่งไม่เหมือนกับการต้มน้ำแล้วน้ำจะเดือดที่อุณหภูมิ 100 องศาเซลเซียส เสมอโดยไม่เกี่ยวกับการเร่งให้ร้อนหรือเย็นแต่ประการใด ในขณะที่กระจกนั้น การเปลี่ยนรูปของมัน แตกต่างออกไป เพราะยิ่งทำให้เย็นลงช้าเท่าใด การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของกระจกก็จะเกิดน้อย ยิ่งทำให้กระจกมีความหนาแน่นมากขึ้น กระจกหน้าต่างโดยทั่วไป จะใช้อุณหภูมิอยู่ระหว่าง 800 และ 550 องศาเซลเซียส สำหรับกระจกในอุดมคตินั้น นักทฤษฎีหลายท่านเชื่อว่า เราสามารถสร้างมันขึ้นมาได้โดย ทำให้มันกลายเป็นผลึกโดยใช้อุณหภูมิค่าใดค่าหนึ่ง มันอาจเป็นสถานะที่แน่นอนแต่ไม่ได้อยู่ ในสถานะเดียว สถานะกระจกอาจเป็นสถานะกึ่งของแข็งปนอยู่กับสถานะกึ่งของเหลว และกระจกในอุดมคตินี้จะไม่มีการเคลื่อนที่ใดๆ มีสภาพใกล้เคียงกับผลึก ซึ่งก็ไม่มีใครรู้ว่ามัน จะเหมือนกับอะไร ดังที่ แฟรงค์ สติลลิงเกอร์ แห่งเบลล์แล็บส์บอกว่า “เรื่องนี้ก็เหมือนกับคำถาม ในบทกวีที่ถามว่า ผมของนางฟ้าที่เต้นระบำอยู่บนหัวเข็มหมุดมีสีอะไร?” คำถามนี้ก็ไม่สามารถตอบได้เช่นกัน และไม่ว่าจะมีโครงสร้างเช่นไร กระจกในอุดมคติจะต้องมีความสมดุลเหมือนสสาร ในสถานะอื่นๆ ส่วนกระจกจริงๆ ไม่ได้เป็นเช่นนั้น มันมีสภาวะเหมือนพยายามจะเข้าสู่สมดุล เหมือนกับเกาะอยู่บนขอบข้างเนินเขาที่ลาดเอียง จึงมีการเลื่อนเคลื่อนตัวอย่างช้าๆ สู่เบื้องล่าง ซึ่งต่างกับผลึกซึ่งอยู่สงบนิ่งใต้หุบเขาแห่งพลังงาน ตามตำนานของกระจกนั้น มีแก่นของความจริงที่ว่า กระจกไหลได้จริงๆ ทว่าไม่สามารถวัดได้ ด้วยระยะเวลาของมนุษย์ เพราะใช้ระยะเวลาที่ยาวนานมาก ถ้าเราเฝ้าดูกระจกหน้าต่างของโบสถ์ เป็นเวลาที่ยาวนานมากพอ เราอาจจะได้เห็นว่ากระจกนั้นไหลลงมากองที่พื้นโบสถ์เลยก็เป็นได้ หรือไม่มันก็อาจจะกลับกลายเป็นผลึกที่แข็งแกร่ง เมื่อมาคิดดู กระจกหน้าต่างของโบสถ์นั้นอาจจะ เป็นกระจกในอุดมคติดังที่กล่าวถึง เอดิงเกอร์กล่าวว่าความคิดเห็นและคำถามเหล่านี้เป็นเรื่อง ที่น่าสนใจ แต่เราไม่สามารถทำการทดลองในระยะเวลาที่ยาวนานเช่นนั้นได้ วอนน์ สโตคส์ ได้คำนวณระยะเวลาที่น้อยที่สุดที่กระจกจะไหลมากองด้านล่างแล้วทำให้กระจกหนาขึ้นได้ 5 เปอร์เซ็นต์ เธอพบว่าต้องใช้เวลานานถึง 10 ล้านปี ดังนั้นสโตคส์จึงชี้ประเด็นของการที่ฐานกระจกเก่าแก่ นั้นหนากว่าส่วนอื่นๆ นั่นเป็นเพราะระบบการผลิตกระจกในสมัยเก่านั้นเป็นการทำด้วยมือ จึงมีความหนาที่ไม่สม่ำเสมอ และช่างในสมัยนั้นก็เลือกที่จะติดตั้งส่วนหนาไว้ที่ฐานล่าง สำหรับเหตุผลที่กระจกเก่าแก่เป็นริ้วคลื่นนั้นก็ไม่ได้เป็นเพราะมันมีการไหลใดๆ เกิดขึ้นเช่นกัน แต่มันเป็นคลื่นเช่นนั้นมาตั้งแต่แรกผลิต ปัจจุบัน กระจกส่วนใหญ่เป็นการผลิตแบบกระจกลอย (Float Glass) โดยการเทแก้วที่ หลอมละลายลงในอ่างดีบุก แก้วก็จะไหลไปจนเต็มแผ่นแล้วจึงปล่อยให้คงรูปแข็งตัวอย่างสมบูรณ์อยู่ ในอ่างที่ได้ระนาบนั้น แต่บริษัท เบลงโค กลาส ในเมืองมิลตัน ที่รัฐเวสต์ เวอร์จิเนีย ยังคงผลิตกระจก โดยวิธีการแบบเก่าอยู่ โดยที่ช่างฝีมือจะเป่าลูกกลมของแก้วที่หลอมเหลวซึ่งอยู่ที่ปลายท่อเข้าไปใน แม่พิมพ์ไม้ทรงกระบอกยาว แก้วที่อ่อนตัวนั้นก็จะคงรูปแข็งอยู่ภายในท่อแม่พิมพ์ หลังจากที่เย็นตัวลงแล้ว ช่างก็จะนำแก้วออกมาจากแม่พิมพ์ วัดความยาวแล้วให้ความร้อน อีกครั้งหนึ่ง เพื่อรีดกระจกนั้นให้มีขนาด 18x15 นิ้ว สนนราคาขายอยู่ที่ 27 เหรียญฯ (1,080 บาท) ซึ่งกระจกแต่ละบานที่ผลิตออกมาจะมีฟองอากาศและริ้วคลื่นเป็นแถบกว้างๆ ปรากฏอยู่ กระจกของบริษัทเป็นที่ชื่นชอบของคนที่นิยมศิลปะของกระจกสมัยเก่า แม้แต่ทำเนียบขาวก็ยังเป็นลูกค้า แปลและเรียบเรียงจาก THE PHYSICS OF GLASS, DISCOVER OCTOBER 1999 โดย..ปิงปอง -------------------------------------------------------------------------------- จาก http://update.se-ed.com/165/phy_glass.htm |
SE-ED |
|
โดย: งาน: งานนโยบายและแผน อ้างอิงแผนงาน : - อ้างอิงโครงการ : - แหล่งที่มา: http://update.se-ed.com/165/phy_glass.htm |
| Vote | |
| เป็นประโยชน์ต่อผู้โพสต์เอง | ☆ ☆ ☆ ☆ ☆ |
| เป็นประโยชน์ต่อฉัน | ☆ ☆ ☆ ☆ ☆ |
| เป็นประโยชน์ต่อผู้ปกครอง | ☆ ☆ ☆ ☆ ☆ |
| เป็นประโยชน์ต่อนักเรียน | ☆ ☆ ☆ ☆ ☆ |
| มีประโยชน์ต่อทุกคน | ☆ ☆ ☆ ☆ ☆ |
 |
 |
