หลาย ๆ คนที่เรียนวิชาฟิสิกส์ คงคุ้นเคยกับกฎการเคลื่อนที่ (Laws of Motion) ของนิวตั้นเป็นอย่างดี วันนี้เราลองมาดูกันว่า แนวความคิดนี้มีที่มาอย่างไร และสามารถต่อยอดทางความรู้ไปได้อย่างไรบ้าง

พื้นฐานความคิดเกี่ยวกับการเคลื่อนที่ เกิดขึ้นในยุคของกาลิเลโอและนิวตัน โดยที่ก่อนหน้านั้น ความเชื่อพื้นฐานของคนทั่วไปคือ วัตถุจะหยุดนิ่งอยู่กับที่เมื่อไม่มีแรงมากระทำ และวัตถุที่มีน้ำหนักมากกว่าจะตกถึงพื้นโลกก่อนวัตถุที่หนักน้อยกว่า เนื่องจากถูกแรงดึงดูดกระทำมากกว่า ตามแนวความคิดของอริสโตเติล

การทดลองของกาลิเลโอ

กาลิเลโอทำการทดลอง โดยการปล่อยลูกบอลทรงกลมที่มีมวลต่างกันลงมาตามเนินลาดชัน ทำให้ง่ายต่อการสังเกตการณ์ เพราะมีความเร็วในการตกลงมาต่ำ (ส่วนเรื่องที่กล่าวกันว่า กาลิเลโอทดลองโดยการปล่อยวัตถุลงมาจากยอดหอเอนเมืองปิซ่านั้นเป็นเรื่องที่เข้าใจผิดกัน)

ผลการทดลองพบว่า ลูกบอลแต่ละลูกจะตกถึงพื้นพร้อมกัน ไม่ว่าลูกบอลนั้นจะมีน้ำหนักต่างกันเท่าไรก็ตาม ผลการทดลองนี้บอกความหมายอะไรกับเรา?

เมื่อลูกบอลกลิ้งลงมาตามแนวลาด จะถูกเร่งความเร็วขึ้นเสมอ ทั้งนี้เพราะมีแรงกระทำกับลูกบอลอย่างต่อเนื่อง นั่นหมายความว่า แรงจะส่งผลต่อการเปลี่ยนแปลงความเร็วในการเคลื่อนที่เสมอ

กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน

ในเมื่อแรงส่งผลโดยตรงกับการเคลื่อนที่ จึงสามารถกล่าวได้ว่า แม้ในเวลาที่วัตถุไม่มีแรงใด ๆ มากระทำ วัตถุก็ยังคงเคลื่อนที่เป็นแนวเส้นตรงด้วยความเร็วคงที่ ดังที่รู้จักกันดีภายใต้ชื่อ กฎข้อที่ 1 ของนิวตัน (∑F = 0)

ถ้าหากวัตถุได้รับแรงกระทำใด ๆ จะเกิดการเปลี่ยนแปลงความเร็วอย่างเป็นสัดส่วนกับแรงนั้น ในขณะที่อัตราเร่งจะลดลงเมื่อมวลมีขนาดเพิ่มขึ้น ยกตัวอย่างเช่น หากเพิ่มแรงเป็น 2 เท่า อัตราเร่งของมวลก็จะมากเป็น 2 เท่า แต่ถ้าหากมวลมีขนาดเพิ่มขึ้นเป็น 2 เท่า อัตราเร่งก็จะลดลงครึ่งนึงเช่นกัน ดังที่รู้จักกันดีในชื่อกฎข้อที่ 2 ของนิวตัน (∑F = ma)

แนวคิดของนิวตัน นำไปสู่ข้อสรุปที่สำคัญมากอย่างหนึ่งคือ ไม่มีสิ่งที่หยุดนิ่ง หรือสภาวะหยุดนิ่งคงที่อย่างแท้จริง เราต้องสมมติให้สิ่งหนึ่งหยุดนิ่ง เพื่อจะวัดความเร็วในการเคลื่อนที่ของอีกวัตถุหนึ่งเสมอ ยกตัวอย่างเช่น หากต้องการหาความเร็วของรถไฟ ที่กำลังวิ่งไปทางทิศตะวันออกด้วยความเร็ว 60 กิโลเมตรต่อชั่วโมง เราต้องไม่สนใจการหมุนของโลก จึงจะวัดค่าความเร็วของรถไฟได้ หรือในทางกลับกัน อาจสมมติว่ารถไฟหยุดนิ่งอยู่กับที่ และโลกกำลังหมุนไปในทิศตะวันตกด้วยความเร็ว 60 กิโลเมตรต่อชั่วโมง

ถ้าหากมีคนนั่งอยู่บนหลังคารถไฟ แล้วปาลูกบอลออกไปด้วยความเร็วค่าหนึ่ง ก็ยังคงใช้หลักการเดียวกันในการหาความเร็วของลูกบอลที่ถูกปาออกไป นั่นคือสมมติให้รถไฟนั้นหยุดนิ่ง แล้วจึงหาความเร็วของลูกบอลที่ถูกปาออกไปนั้นได้

สิ่งที่น่าสนใจคือ สมมติให้คนเดาะลูกบอลตรงจุดเดิมทุกๆครั้งบนรถไฟคันเดิม คนที่อยู่บนรถไฟก็จะมองเห็นลูกบอลกระทบพื้นที่จุดเดิมทุก ๆ ครั้ง แต่ถ้าหากเป็นผู้สังเกตคนอื่นนอกรถไฟ จะมองเห็นลูกบอลเคลื่อนไปข้างหน้าในทิศเดียวกับรถไฟทุกครั้ง

ถึงแม้จะเป็นเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นต่อเนื่อง แต่ก็ไม่สามารถบอกได้ว่า เหตุการณ์นั้นเกิดขึ้นที่จุดเดียวกันหรือไม่ ขึ้นอยู่กับว่า ผู้สังเกตการณ์อยู่ที่จุดไหน กำลังเคลื่อนที่ไปพร้อมรถไฟ หรืออยู่ภายนอกรถไฟ และไม่มีเหตุผลใด ๆ เลยที่จะสรุปว่า คนไหนสังเกตการณ์ได้ถูกต้องกว่า

จากแนวคิดเดิมของอริสโตเติลที่เชื่อว่า โลกนั้นหยุดนิ่ง ต่อมาถูกลบล้างด้วยการทดลองของกาลิเลโอ รวมไปถึงการพัฒนาความรู้ของนิวตัน จนในที่สุดก็สามารถพิสูจน์ได้ว่า สภาวะคงที่อย่างแท้จริง (สัมบูรณ์) นั้นไม่มี ตำแหน่งที่แน่ชัดในอวกาศก็ไม่มีเช่นกัน (ไม่มีอวกาศสัมบูรณ์ - Absolute Space) เหล่านี้แสดงให้เห็นว่า ความรู้นั้นสามารถพัฒนาต่อยอดได้ และถือเป็นก้าวสำคัญในการพัฒนาความเข้าใจเกี่ยวกับอวกาศในขั้นต่อไป