ฟิสิกส์กับโบราณคดี ตอนที่ 1 การสำรวจหลักฐานทางโบราณคดี

10-03-2021 อ่าน 4,580
    

อุทยานประวัติศาสตร์พนมรุ้ง จังหวัดบุรีรัมย์ (ถ่ายภาพโดยผู้เขียน)

 
           สมัยที่ยังเป็นเด็ก ผู้เขียนใฝ่ฝันอยากเป็นนักฟิสิกส์ วิศวกรโยธา นักนิติวิทยาศาสตร์ นักโบราณคดี และนักจิตวิทยา แต่การสอบเข้ามหาวิทยาลัยก็ทำให้เราต้องเลือกเส้นทางชีวิตที่เหมาะสมกับตัวเองในเวลานั้น แม้จะเข้าเรียนปริญญาตรีในสาขาฟิสิกส์ แต่ผู้เขียนก็มักใช้เวลาว่างไปกับการศึกษาวิชาโบราณคดี (Archaeology) ด้วยตนเอง ในบทความนี้ ผู้เขียนจะพาผู้อ่านไปสำรวจว่าความรู้วิชาฟิสิกส์และวิทยาศาสตร์สาขาอื่นๆ มีบทบาทอย่างไรในวิชาโบราณคดี โดยเราจะมาทำความรู้จักวิชาโบราณคดีเบื้องต้นกันก่อน


            จากความรู้วิชาบรรพมานุษยวิทยา (Paleoanthropology) ซึ่งเป็นการศึกษาเกี่ยวกับซากมนุษย์ดึกดำบรรพ์ นักวิทยาศาสตร์พบว่ามนุษย์มีบรรพบุรุษร่วมกันกับลิงก่อนที่จะแยกสายวิวัฒนาการออกมาในภายหลัง บรรพบุรุษของเราเริ่มยืนบนสองขา เรียนรู้การใช้เครื่องมือหิน และนำไฟมาใช้ประกอบอาหารที่ผืนแผ่นดินซึ่งในปัจจุบันคือทวีปแอฟริกา เมื่อนานมาแล้ว มนุษย์มีอยู่มากมายหลายสปีชีส์ แต่ปัจจุบันเหลือเพียงโฮโม เซเปียนส์ (Homo Sapiens) ที่สามารถเอาชนะและผสมรวมกับสปีชีส์อื่นจนแผ่ขยายเผ่าพันธุ์เข้าครอบครองพื้นที่ส่วนต่างๆ ของโลกได้สำเร็จ แรกเริ่มเดิมที บรรพบุรุษของเราเคยดำรงชีวิตด้วยการล่าสัตว์และหาของป่า ผ่านช่วงเวลาที่เรียกว่า ยุคหิน (Stone Age) และยุคโลหะ (Metal Age) กระทั่งประมาณ 12,800 ปีก่อนก็เกิดการปฏิวัติเกษตรกรรม (Agricultural Revolution) ส่งผลให้บรรพบุรุษของเราเปลี่ยนแปลงวิถีชีวิตโดยการรวมกลุ่มเป็นสังคมที่ซับซ้อนและมีขนาดใหญ่ขึ้นจนกลายเป็นสังคมอย่างที่เราเห็นในปัจจุบัน


         เมื่อเข้าสู่ยุคสมัยใหม่ หลักฐานต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับมนุษย์ในอดีตก็ถูกรวบรวมและสะสมเอาไว้โดยนักสะสมของมีค่า (Antiquarian) ก่อนจะถูกศึกษาโดยนักวิชาการรุ่นใหม่ ด้วยเหตุนี้ โบราณคดีจึงหมายถึงการศึกษาเกี่ยวกับมนุษย์ในอดีตรวมถึงสิ่งแวดล้อมที่เกี่ยวข้อง ทั้งสิ่งที่มนุษย์ประดิษฐ์ขึ้น (Artifacts) และสิ่งที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ (Ecofacts) ซึ่งหลักฐานทางโบราณคดีเหล่านี้จะอยู่ในรูปของโบราณสถาน (Ancient Monument) โบราณวัตถุ (Material Remain) ศิลปวัตถุ (Art Object) สิ่งที่เป็นลายลักษณ์อักษร และไม่เป็นลายลักษณ์อักษร โดยวิธีการทางโบราณคดีจะประกอบด้วยการสำรวจ (Survey) การขุดค้น (Excavation) การวิเคราะห์ (Analysis) การแปลความหมาย (Interpretation) และการรายงานผล (Report)


        หลักฐานทางโบราณคดีสามารถปรากฏอยู่บนดิน ใต้ดิน และใต้น้ำ หลักฐานบางอย่างมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า แต่หลักฐานบางอย่างก็ไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า ในหลายๆ ครั้ง นักโบราณคดีจึงต้องอาศัยการสำรวจข้อมูลระยะไกล (Remote Sensing) ในการค้นหาตำแหน่งและวิเคราะห์แหล่งโบราณคดีด้วยระบบระบุตำแหน่งบนพื้นผิวโลก (Global Positioning System หรือ GPS) และระบบสารสนเทศภูมิศาสตร์ (Geographic Information System หรือ GIS) นอกจากนี้ หลักฐานทางโบราณคดีบางอย่างยังเกิดความเสียหายได้ง่าย ทำให้ไม่สามารถขุดสำรวจได้โดยสะดวก นักโบราณคดีจึงจำเป็นต้องอาศัยเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์สมัยใหม่ที่ไม่ก่อให้เกิดความเสียหายหรือส่งผลกระทบต่อสิ่งที่กำลังสำรวจหรือศึกษาให้น้อยที่สุดเรียกว่า การทดสอบแบบไม่ทำลาย (Non Destructive Testing หรือ NDT)


        เราจะเริ่มที่หลักฐานทางโบราณคดีที่อยู่บนดินกันก่อน นักโบราณคดีมักจะมองหาแหล่งโบราณคดีโดยอาศัยการสำรวจด้วยวิธีไลดาร์ (Light Detection and Ranging หรือ LiDAR) ซึ่งเป็นการยิงเลเซอร์ไปกระทบพื้นผิวของวัตถุเพื่อทำการวัดระยะทาง กล่าวคือเมื่อเลเซอร์ถูกยิงออกจากอุปกรณ์ไปยังพื้นผิวของวัตถุเป้าหมายแล้วสะท้อนกลับมาที่เซนเซอร์ตรวจวัดแสง ระยะทางระหว่างอุปกรณ์กับวัตถุเป้าหมายสามารถคำนวณจากอัตราเร็วของแสงคูณด้วยระยะเวลาที่แสงเดินทางไปและกลับแล้วหารด้วยสอง ความแตกต่างของระยะเวลาที่แสงเดินทางจะสามารถนำมาประมวลผลเป็นข้อมูลภาพสามมิติของวัตถุบนพื้นผิวโลก
 
    
การสำรวจวัตถุบนผิวดินด้วย LiDAR
ที่มา http://gmv.cast.uark.edu/scanning-2/airborne-laser-scanning/

 
            สำหรับหลักฐานทางโบราณคดีที่อยู่ใต้ดิน พระเอกในการศึกษาจะนิยมใช้เรดาร์หยั่งลึกพื้นดิน (Ground Penetrating Radar หรือ GPR) ซึ่งเป็นอุปกรณ์สำหรับสำรวจโบราณสถานหรือโบราณวัตถุที่อยู่ใต้ดิน GPR มีหลักการทำงานโดยการส่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Wave) จากตัวส่งสัญญาณ (Transmitter Antenna) ลงสู่ใต้ดินระดับตื้น เมื่อคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ากระทบกับวัตถุหรือรอยต่อที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกันหรือมีค่าคงที่ไดอิเล็กทริก (Dielectric Constant) และค่าการนำไฟฟ้า (Electrical Conductivity) ของตัวกลางที่แตกต่างกัน คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะกระเจิงและสะท้อนกลับมายังตัวรับสัญญาณ (Receiver Antenna) แล้วทำการประมวลผลเพื่อแสดงข้อมูลออกมาในรูปของสัญญาณไฮเพอร์โบลา (Hyperbola) สัญญาณดังกล่าวจะถูกส่งไปยังระบบควบคุม (Control Unit) และแสดงผ่านจอแสดงผล (Display Unit) อย่างไรก็ตาม เมื่อคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเดินทางผ่านดินและหินก็จะเกิดการลดทอน (Attenuation) เนื่องจากการดูดกลืนจนสัญญาณมีค่าอ่อนลงด้วยน้ำและความชื้น (Moisture) รวมถึงการหักเหของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในตัวกลางหรือรอยต่อที่มีสมบัติแตกต่างกันตามกฎของสเนลล์ (Snell’s Law) โดยความลึกที่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถเดินทางผ่านได้จากผิวดินเรียกว่า ความลึกทะลุผ่าน (Penetration Depth)

 

การสำรวจใต้ผิวดินด้วย GPR
ที่มา https://www.jircas.go.jp/en/publication/research_results/2018_a04
 
 
             นอกจากการสำรวจด้วยวิธี GPR ก็ยังมีการสำรวจทางธรณีฟิสิกส์อีกหลายรูปแบบที่สามารถนำมาค้นหาหลักฐานทางโบราณคดีที่อยู่ใต้ดิน เช่น

          1. การสำรวจสภาพต้านทานไฟฟ้า (Resistivity Survey) หมายถึงการปล่อยไฟฟ้ากระแสตรง (Direct Current) จากอิเล็กโทรด (Electrode) ที่ปักอยู่บนผิวดินลงสู่ใต้ดินแล้ววัดค่าความต่างศักย์ไฟฟ้า (Voltage) ที่เกิดขึ้นเมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านวัตถุ เมื่อทำการวัดค่าความต่างศักย์ระหว่างขั้วไฟฟ้าทั้ง 2 จุดและทราบค่ากระแสไฟฟ้าที่ปล่อยลงไปก็จะสามารถหาค่าความต้านทานไฟฟ้า (Resistance) ของวัตถุที่อยู่ใต้ผิวดินด้วยเครื่องวัดสภาพต้านทานไฟฟ้า (Resistivity Meter) ที่ทำงานตามกฎของโอห์ม (Ohm’s Law)


          2. การสำรวจด้วยคลื่นไหวสะเทือน (Seismic Survey) หมายถึงการนำคลื่นไหวสะเทือน (Seismic Wave) ที่สร้างจากแหล่งกำเนิดมาใช้ในการสำรวจ แบ่งออกเป็นการสำรวจด้วยคลื่นไหวสะเทือนแบบหักเห (Refraction Seismic Survey) และการสำรวจด้วยคลื่นไหวสะเทือนแบบสะท้อน (Reflection Seismic Survey) ซึ่งอาศัยสมบัติการหักเหและการสะท้อนของคลื่นไหวสะเทือนบริเวณรอยต่อของตัวกลางมาใช้ในการหาความลึกหรือโครงสร้างใต้ดิน อย่างไรก็ตาม การสร้างคลื่นไหวสะเทือนอาจทำให้หลักฐานทางโบราณคดีเสียหายได้


          3. การสำรวจด้วยแรงโน้มถ่วง (Gravity Survey) เป็นการสำรวจที่ประยุกต์มาจากกฎความโน้มถ่วงสากลของนิวตันและกฎการเคลื่อนที่ข้อที่ 2 ของนิวตัน โดยทำการวัดค่าของความเร่งที่เปลี่ยนแปลงไปตามความหนาแน่นของมวลที่อยู่ใต้ดินด้วยอุปกรณ์ที่เรียกว่า กราวิตีมิเตอร์ (Gravity Meter) แต่วิธีดังกล่าวมีค่าใช้จ่ายที่ค่อนข้างสูงและไม่สามารถตรวจหาหลักฐานทางโบราณคดีที่มีขนาดเล็กได้


          4. การสำรวจด้วยสนามแม่เหล็ก (Magnetic Survey) เป็นการสำรวจที่ประยุกต์มาจากหลักการของสนามแม่เหล็กซึ่งเป็นการวัดค่าสภาพการยอมรับเชิงแม่เหล็ก (Magnetic Susceptibility) ของวัตถุที่อยู่ใต้ดินเทียบกับสนามแม่เหล็กโลกปกติเพื่อหาค่าความผิดปกติของสนามแม่เหล็ก (Magnetic Field Anomaly) ด้วยอุปกรณ์ที่เรียกว่า แมกนีโตมิเตอร์ (Magnetometer) แต่จะต้องทำการปรับค่าของสนามแม่เหล็กที่วัดได้เนื่องจากสนามแม่เหล็กมีการแปรผันไปตามเวลา รวมถึงผลกระทบจากพายุสุริยะ (Solar Storm)


             หาก GPR เป็นพระเอกในการสำรวจหลักฐานทางโบราณคดีที่อยู่ใต้ดิน วิธีการสำรวจด้วยโซนาร์ (Sound Navigation and Ranging หรือ SONAR) ก็เปรียบเสมือนนางเอก เพียงแต่เป็นวิธีที่ถูกพัฒนาขึ้นเพื่อค้นหาตำแหน่งของวัตถุที่อยู่ใต้น้ำซึ่งเรียกว่า โบราณคดีใต้น้ำ (Underwater Archaeology) โดยการสำรวจด้วยวิธีโซนาร์จะเป็นการส่งคลื่นเสียงความถี่สูงออกจากอุปกรณ์ที่เรียกว่า ทรานสดิวเซอร์ (Transducer) ซึ่งทำหน้าที่เปลี่ยนสัญญาณไฟฟ้าเป็นสัญญาณเสียง เมื่อคลื่นเสียงเดินทางผ่านน้ำและกระทบกับวัตถุที่จมอยู่ คลื่นเสียงจะสะท้อนกลับสู่ตัวรับสัญญาณ จากนั้นระบบประมวลผลจะทำหน้าที่คำนวณระยะทางระหว่างเครื่องโซนาร์กับวัตถุโดยใช้ข้อมูลอัตราเร็วของคลื่นเสียงในน้ำและระยะเวลาที่คลื่นเสียงเดินทางไปและกลับ ซึ่งอัตราเร็วของเสียงในน้ำจะเปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิ ความเค็ม และความลึกของน้ำ อย่างไรก็ตาม คลื่นเสียงจะถูกตัวกลางดูดกลืน เกิดการหักเห เลี้ยวเบน และกระเจิงจนมีค่าลดลง รวมถึงขนาดและสมบัติของวัตถุเป้าหมายก็มีผลต่อคุณภาพของสัญญาณเช่นกัน ด้วยเหตุนี้ การสำรวจด้วยวิธีโซนาร์จึงอาจให้ภาพที่ไม่ชัดเจนในบางครั้ง

 

การสำรวจหาเรืออับปางด้วยระบบโซนาร์
ที่มา https://www.open.edu/openlearn/ocw/mod/oucontent/view.php?printable=1&id=13671

 
             ในกรณีที่นักโบราณคดีต้องการศึกษาโครงสร้างภายในของโบราณสถานขนาดใหญ่ นักโบราณคดีสามารถใช้วิธีที่เรียกว่า การถ่ายภาพด้วยอนุภาคมิวออน (Muography) เพื่อสร้างภาพจำลองโครงสร้างภายในของโบราณสถาน เนื่องจากอนุภาคมิวออน (Muon) เป็นอนุภาคมูลฐาน (Elementary Particle) ซึ่งทำอันตรกิริยา (Interaction) กับสิ่งแวดล้อมน้อยมาก ทำให้อนุภาคมิวออนสามารถพุ่งทะลุผ่านวัตถุต่างๆ โดยถูกดูดกลืนเพียงเล็กน้อย แต่เมื่ออนุภาคมิวออนเคลื่อนที่ผ่านวัตถุที่มีความหนาแน่นสูง อนุภาคมิวออนจะถูกดูดกลืนเป็นบางส่วนทำให้มีจำนวนลดลง นักฟิสิกส์จึงนำสมบัติดังกล่าวมาพัฒนาเป็นการถ่ายภาพด้วยอนุภาคมิวออน โดยนำอุปกรณ์ตรวจวัดอนุภาคมิวออน (Muon Detector) ไปติดตั้งที่ด้านใดด้านหนึ่งของโบราณสถาน เมื่อทำการตรวจวัดจำนวนของอนุภาคมิวออนที่ทะลุผ่านออกมาก็จะสามารถนำข้อมูลดังกล่าวมาสร้างภาพจำลองโครงสร้างภายในของโบราณสถานได้ ตัวอย่างของการสำรวจคือโครงการ ScanPyramids นำโดย Cairo University และ HIP Institute ซึ่งทำการตรวจสอบโครงสร้างภายในของพีระมิดแห่งคูฟู (Pyramid of Khufu) ซึ่งเป็นหนึ่งในมหาพีระมิดแห่งกีซา (The Great Pyramid of Giza)
 


พีระมิดแห่งคูฟู



หลักการถ่ายภาพด้วยอนุภาคมิวออน



การติดตั้งเครื่องตรวจวัดอนุภาคมิวออนภายในพีระมิด (Nature)

 
           สำหรับโบราณวัตถุที่มีขนาดเล็กและมีโครงสร้างภายในที่เปราะบางอย่างมัมมี่หรือโลงศพ นักโบราณคดีสามารถใช้วิธีที่เรียกว่า บรรพรังสีวิทยา (Paleo-radiology) เพื่อศึกษาโครงสร้างภายในโดยไม่ก่อให้เกิดความเสียหาย เช่น การถ่ายภาพด้วยรังสีเอกซ์ (X-Ray) และการถ่ายภาพด้วยระบบซีทีสแกน (CT Scan หรือ Computerized Tomography) แล้วนำภาพเหล่านั้นมาประมวลผลด้วยโปรแกรมคอมพิวเตอร์เพื่อสร้างภาพจำลองแบบสามมิติของโบราณวัตถุ วิธีเหล่านี้เรียกว่า การฉายภาพทางการแพทย์
(Medical Imaging)


การตรวจสอบโครงสร้างภายในของมัมมี่ (US Navy)

 
         นอกจากสิ่งต่างๆ บนโลก บรรพบุรุษของเรายังสนใจใคร่รู้เกี่ยวกับดวงดาวที่ปรากฏบนท้องฟ้ายามค่ำคืนเป็นอย่างมาก เห็นได้ชัดจากอารยธรรมโบราณหลายแห่งที่ยังคงหลงเหลือหลักฐานทางโบราณคดีที่แสดงให้เห็นความสัมพันธ์ระหว่างวัฒนธรรมของพวกเขากับดวงดาว เช่น หอสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์ วิหารที่สัมพันธ์กับการขึ้นและตกของดวงอาทิตย์ ปฏิทินทางดาราศาสตร์ และตำนานเล่าขานเกี่ยวกับกลุ่มดาว การศึกษาดังกล่าวเรียกว่า โบราณคดีดาราศาสตร์ (Archaeoastronomy)


         เมื่อนักโบราณคดีสำรวจจนพบหลักฐานทางโบราณคดีเรียบร้อยแล้ว นักโบราณคดีจะต้องพิจารณาบริบท (Context) ของหลักฐานต่างๆ ว่ามีความสัมพันธ์กับเหตุการณ์ ช่วงเวลา และสภาพแวดล้อมโดยรอบอย่างไร เพื่อเป็นการปะติดปะต่อเรื่องราวของเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นในอดีต เมื่อนำข้อมูลทางวิทยาศาสตร์มาประมวลผลร่วมกับข้อมูลทางมานุษยวิทยา (Anthropology) ผลการศึกษาที่ได้ล้วนมีประโยชน์ในทางวิทยาศาสตร์ สังคมศาสตร์ และเศรษฐศาสตร์ กล่าวคือเมื่อเราทราบความเป็นมา ภูมิปัญญา วิถีชีวิต และวัฒนธรรมของมนุษย์ในอดีตก็จะทำให้เราตระหนักถึงคุณค่าของแหล่งโบราณคดี ซึ่งอาจมีส่วนช่วยในการเรียกร้องสิทธิทางสังคมไปจนถึงการเป็นแหล่งการเรียนรู้หรือแหล่งท่องเที่ยวที่สร้างรายได้ให้กับชุมชน ซึ่งเทคโนโลยีการจำลองวัตถุแบบดิจิทัล (Digital Object Reconstruction) สามารถส่งเสริมกิจกรรมดังกล่าวได้เป็นอย่างดี



การจำลองสภาพโบราณวัตถุแบบดิจิทัล
ที่มา https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2352409X17307307

 
          การศึกษาทางโบราณคดีทำให้มนุษย์ในปัจจุบันสามารถมองย้อนกลับไปยังอดีตของเผ่าพันธุ์ตนเอง ซึ่งการที่บรรพบุรุษของเราตัดสินใจก้าวเท้าออกจากถ้ำอันมืดมิดเพื่อสำรวจโลกอันกว้างใหญ่และทิ้งหลักฐานทางโบราณคดีมากมายไว้เบื้องหลัง สิ่งที่เป็นแรงผลักดันให้พวกเขาทำแบบนั้นอาจจะเป็น “ความกล้า” และ “ความหวัง” ที่แฝงอยู่ในจิตวิญญาณของมนุษย์ เพราะหากขาดทั้งสองสิ่ง เราจะไม่สามารถทำสิ่งใดได้เลยแม้กระทั่งเรื่องง่ายๆ ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ก็ต้องอาศัยความกล้าเพื่อต่อสู้กับความไม่รู้และต้องมีความหวังอย่างเต็มเปี่ยมว่าสักวันหนึ่งเราจะพบคำตอบของคำถามที่เราสงสัย สำหรับบทความตอนต่อไป เราจะเข้าสู่กระบวนการวิเคราะห์หลักฐานทางโบราณคดี โปรดรอติดตามครับ

 
บทความโดย

สมาธิ ธรรมศร

ภาควิชาวิทยาศาสตร์พื้นพิภพ
มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์
 
 
เอกสารและสิ่งอ้างอิง
 
 
บทความฟิสิกส์ล่าสุด
หอสังเกตการณ์นิวทริโนไอซ์คิวบ์ ตอนที่ 2 29-02-2024
หอสังเกตการณ์นิวทริโนไอซ์คิวบ์ ตอนที่ 1 09-02-2024
ปริมาณพลาสมาเย็นเพื่อการประยุกต์ด้านต่างๆ (Plasma dose for diverse application) 18-10-2023
แนะนำโปรแกรม Scilab:Xcos กับการศึกษาฟิสิกส์เรื่องการแกว่งกวัดของระบบมวลติดสปริงในแนวราบ 29-08-2023
สมาคมฟิสิกส์ไทย
ติดตามเรา