กัสปาร์-กุสตาฟ เดอ กอริโอลิส: ผู้ค้นพบแรงลึกลับที่บิดเบือนทิศทางลมและกระสุนปืน

หากคุณเคยสงสัยว่าทำไมพายุเฮอริเคนในซีกโลกเหนือจึงหมุนทวนเข็มนาฬิกา ในขณะที่ในซีกโลกใต้กลับหมุนตามเข็มนาฬิกา คำตอบนั้นเกี่ยวข้องกับแรงที่ค้นพบโดย กัสปาร์-กุสตาฟ เดอ กอริโอลิส (Gaspard-Gustave de Coriolis) นักคณิตศาสตร์และวิศวกรชาวฝรั่งเศสผู้อธิบายผลกระทบของการหมุนของโลกที่มีต่อการเคลื่อนที่ของวัตถุ ซึ่งปัจจุบันรู้จักกันในชื่อ แรงกอริโอลิส (Coriolis force)

ชีวิตช่วงต้นท่ามกลางความวุ่นวายทางการเมือง

กอริโอลิสเกิดเมื่อวันที่ 21 พฤษภาคม ค.ศ. 1792 ที่กรุงปารีส ประเทศฝรั่งเศส เป็นบุตรของ Jean-Baptiste-Elzéar Coriolis อดีตนายทหารในกองทัพของราชวงศ์บูร์บงผู้เคยรบในสงครามอเมริกากับกองทหาร Rochambeau และ Marie-Sophie de Maillet

ช่วงเวลาที่กอริโอลิสถือกำเนิดขึ้นนั้นตรงกับช่วงเวลาแห่งความวุ่นวายทางการเมืองครั้งใหญ่ของฝรั่งเศส เพียงไม่กี่เดือนหลังจากที่เขาเกิด ระบอบกษัตริย์ก็ถูกยกเลิกลงในเดือนกันยายน ค.ศ. 1792 บิดาของเขาซึ่งเคยเป็นนายทหารรับใช้พระเจ้าหลุยส์ที่ 16 จึงต้องหลบหนีออกจากกรุงปารีสพร้อมครอบครัวไปยังเมืองน็องซี เนื่องจากกรุงปารีสไม่ใช่สถานที่ปลอดภัยสำหรับนายทหารของกษัตริย์อีกต่อไป

กอริโอลิสเติบโตขึ้นที่เมืองน็องซีและเข้าเรียนที่นั่น ในปี ค.ศ. 1808 เขาสอบเข้า École Polytechnique และได้อันดับที่สองจากนักศึกษาทั้งหมดที่เข้าศึกษาในปีนั้น หลังสำเร็จการศึกษา เขาเข้าศึกษาต่อที่ École des Ponts et Chaussées ในกรุงปารีส และทำงานร่วมกับหน่วยวิศวกรรมในพื้นที่ Meurthe-et-Moselle และเทือกเขาโวช์เป็นเวลาหลายปี

จากวิศวกรสู่อาจารย์คณิตศาสตร์

หลังบิดาของเขาเสียชีวิต กอริโอลิสต้องรับภาระในการเลี้ยงดูครอบครัว ประกอบกับสุขภาพที่ไม่ค่อยแข็งแรงมาตั้งแต่วัยหนุ่ม เขาจึงตัดสินใจรับตำแหน่งอาจารย์สอนวิชาการวิเคราะห์ (analysis) ที่ École Polytechnique ในปี ค.ศ. 1816 ตามคำแนะนำของ โอกุสแต็ง-ลุยส์ โกชี (Augustin-Louis Cauchy) นักคณิตศาสตร์ผู้มีชื่อเสียง

ในปี ค.ศ. 1829 กอริโอลิสได้รับแต่งตั้งเป็นศาสตราจารย์ด้านกลศาสตร์ที่ École Centrale des Arts et Manufactures ซึ่งเป็นสถาบันที่เพิ่งก่อตั้งขึ้นในปีเดียวกัน หลังการปฏิวัติเดือนกรกฎาคม ค.ศ. 1830 เมื่อโกชีต้องลี้ภัยออกจากฝรั่งเศส กอริโอลิสได้รับข้อเสนอให้ดำรงตำแหน่งแทนที่ École Polytechnique แต่เขาปฏิเสธข้อเสนอนี้ เนื่องจากในขณะนั้นเขากำลังทุ่มเทให้กับงานวิจัยของตนเองอย่างเต็มที่ และตัดสินใจไม่รับภาระการสอนเพิ่มเติมอีก

ในปี ค.ศ. 1832 กอริโอลิสรับตำแหน่งที่ École des Ponts et Chaussées ซึ่งเขาสอนกลศาสตร์ประยุกต์ร่วมกับ โกลด-หลุยส์ นาวีเย (Claude-Louis Navier) เมื่อนาวีเยเสียชีวิตในปี ค.ศ. 1836 กอริโอลิสได้รับตำแหน่งศาสตราจารย์ด้านกลศาสตร์ประยุกต์สืบทอดต่อจากเขา รวมถึงได้รับเลือกเข้าแทนที่นาวีเยในหมวดกลศาสตร์ของ Académie des Sciences อีกด้วย

แรงกอริโอลิส: การค้นพบที่เปลี่ยนความเข้าใจเรื่องการเคลื่อนที่ในกรอบหมุน

ผลงานที่สร้างชื่อเสียงให้กับกอริโอลิสมากที่สุดและกลายเป็นมรดกที่คงอยู่ตลอดกาลของเขาคือบทความในปี ค.ศ. 1835 เรื่อง “Mémoire sur les équations du mouvement relatif des systèmes de corps” (บันทึกความจำว่าด้วยสมการการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ของระบบวัตถุ) ซึ่งอธิบายถึงแรงเสริม (supplementary forces) ที่ตรวจพบได้ในกรอบอ้างอิงที่กำลังหมุน (rotating frame of reference)

แรงนี้เกิดขึ้นเมื่อวัตถุเคลื่อนที่สัมพัทธ์กับกรอบอ้างอิงที่กำลังหมุน เช่น พื้นผิวโลก ทำให้วัตถุที่เคลื่อนที่ดูเหมือนจะถูกเบี่ยงเบนออกจากเส้นทางตรง แม้ในความเป็นจริงแล้วจะไม่มีแรงภายนอกใด ๆ มากระทำต่อวัตถุนั้นเลยก็ตาม ปรากฏการณ์นี้ปัจจุบันรู้จักกันในชื่อ ปรากฏการณ์กอริโอลิส (Coriolis effect) และแรงที่เกี่ยวข้องเรียกว่า แรงกอริโอลิส (Coriolis force) อย่างไรก็ตาม คำว่า “แรงกอริโอลิส” ยังไม่ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายจนกระทั่งช่วงต้นศตวรรษที่ 20

จากคณิตศาสตร์บริสุทธิ์สู่การประยุกต์ใช้ในอุตุนิยมวิทยา

ที่น่าสนใจคือ แม้ปัจจุบันชื่อของกอริโอลิสจะเชื่อมโยงอย่างแนบแน่นกับวงการอุตุนิยมวิทยา แต่การค้นพบสำคัญเกี่ยวกับการหมุนเวียนของบรรยากาศทั่วไปและความสัมพันธ์ระหว่างสนามความกดอากาศกับสนามลมนั้น เกิดขึ้นโดยที่นักวิทยาศาสตร์ในยุคนั้นไม่ได้มีความรู้เกี่ยวกับผลงานของกอริโอลิสเลยแม้แต่น้อย การเชื่อมโยงแรงกอริโอลิสเข้ากับปรากฏการณ์ทางอุตุนิยมวิทยาเกิดขึ้นในภายหลัง เมื่อนักวิทยาศาสตร์ตระหนักว่าแรงนี้มีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งในการอธิบายทิศทางการหมุนของพายุ กระแสลม และกระแสน้ำในมหาสมุทร

ปัจจุบันแรงกอริโอลิสถูกนำไปประยุกต์ใช้อย่างกว้างขวางในหลากหลายสาขา ทั้งอุตุนิยมวิทยา สมุทรศาสตร์ วิถีกระสุนปืนใหญ่ การยิงจรวด และการส่งดาวเทียม ซึ่งล้วนเป็นสาขาที่จำเป็นต้องคำนึงถึงผลกระทบของการหมุนของโลกต่อการเคลื่อนที่ของวัตถุ

ผู้บุกเบิกแนวคิดเรื่องงานและพลังงานจลน์

นอกเหนือจากแรงกอริโอลิสแล้ว เขายังมีคุณูปการสำคัญอีกประการหนึ่งที่มักถูกมองข้าม นั่นคือการเป็นผู้ให้คำอธิบายที่ชัดเจนเป็นครั้งแรกเกี่ยวกับแนวคิดเรื่องงาน (work) ในทางฟิสิกส์ และความสัมพันธ์ระหว่างงานกับการเปลี่ยนแปลงของพลังงานจลน์ (kinetic energy) ผลงานของเขาในเรื่องนี้ปรากฏอยู่ในหนังสือ Du Calcul de l’Effet des Machines ซึ่งตีพิมพ์ในปี ค.ศ. 1829 ว่าด้วยการคำนวณประสิทธิภาพของเครื่องจักร

แนวคิดเรื่องงานและพลังงานจลน์ที่กอริโอลิสวางรากฐานไว้กลายเป็นแนวคิดพื้นฐานที่สำคัญที่สุดชิ้นหนึ่งในวิชาฟิสิกส์และวิศวกรรมเครื่องกลสมัยใหม่ ซึ่งนักเรียนวิทยาศาสตร์ทั่วโลกยังคงศึกษากันมาจนถึงทุกวันนี้ นอกจากนี้เขายังมีผลงานเกี่ยวกับเครื่องวิเคราะห์เชิงอนุพันธ์ (differential analyser) และ อินทิกราฟ (integraph) ซึ่งเป็นเครื่องมือกลไกที่ใช้ในการแก้สมการเชิงอนุพันธ์และหาปริพันธ์

The final stage of life and the legacy left behind

กัสปาร์-กุสตาฟ เดอ กอริโอลิสเสียชีวิตเมื่อวันที่ 19 กันยายน ค.ศ. 1843 ที่กรุงปารีส ประเทศฝรั่งเศส ขณะอายุ 51 ปี จากปัญหาสุขภาพที่รุมเร้าเขามาตั้งแต่วัยหนุ่มและทวีความรุนแรงขึ้นเรื่อย ๆ ตามอายุที่มากขึ้น

แม้กอริโอลิสจะไม่ได้มีชีวิตอยู่นานพอที่จะเห็นความสำคัญอันยิ่งใหญ่ที่ผลงานของเขาจะมีต่อวงการวิทยาศาสตร์ในเวลาต่อมา แต่แรงที่เขาค้นพบก็กลายเป็นหนึ่งในแนวคิดพื้นฐานที่สำคัญที่สุดในการทำความเข้าใจปรากฏการณ์ทางธรรมชาติที่เกี่ยวข้องกับการหมุนของโลก ปัจจุบันชื่อของเขาได้รับการรำลึกถึงผ่านการตั้งชื่อหลุมอุกกาบาตบนดวงจันทร์ (Coriolis crater) เพื่อเป็นเกียรติแก่คุณูปการอันยั่งยืนที่เขามีต่อวงการวิทยาศาสตร์ แรงกอริโอลิสยังคงเป็นหัวใจสำคัญของการพยากรณ์อากาศ การเดินเรือ และวิศวกรรมการบินอวกาศมาจนถึงทุกวันนี้ สะท้อนให้เห็นถึงพลังของงานคณิตศาสตร์บริสุทธิ์ที่สามารถอธิบายปรากฏการณ์ทางธรรมชาติอันซับซ้อนที่เราพบเห็นอยู่รอบตัวได้อย่างแม่นยำ