18. ความน่าพิศวง ของทฤษฏีสัมพัทธภาพพิเศษ

      เนื่องจากทฤษฏีสัมพัทธภาพพิเศษ จะวัดค่าของเวลาที่มีความแตกต่างกันของผู้สังเกตการณ์ในแต่ละคน โดยที่แต่ละคนคอยดูเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นอยู่ในกรอบอ้างอิงของตนเอง

      เราจึงอาจไม่เห็นปรากฏการณ์ในเรื่องของ ความขัดแย้ง หรือพาราดอกซ์ (Paradoxes) ที่เกิดขึ้นจนกระทั่งสามารถสังเกตเห็นได้ชัดเจน

รูปวาดศิลปะในเรื่องความขัดแย้ง

ที่มา :  https://www.3ammagazine.com

แนะนำเพื่อให้อ่านได้ต่อเนื่องให้ คลิกขวาเลือก Open link in new window

หากสนใจหนังสือ ความรู้เพิ่มเติม

คลิก

รูปศิลปะที่เกี่ยวข้องกับเรื่องความขัดแย้ง

ที่มา :  https://cdn-images-1.medium.com

      ในที่นี้เรามาดูในเรื่องความขัดแย้งที่เกี่ยวกับเรื่องสัมพัทธภาพกัน ส่วนใหญ่แล้วความขัดแย้งมันสามารถแสดงให้เห็นว่า มันมีคำตอบที่เป็นตรรกะที่เป็นเหตุเป็นผลจนทำให้ผู้อ่านเห็นด้วย กับผลลัพธ์ที่มันเกิดขึ้น

      แต่เมื่อนำไปใช้กับทฤษฏีสัมพัทธภาพพิเศษ สิ่งที่ได้คาดการณ์ไว้ และผลที่สังเกตออกมาได้ เรื่องความขัดแย้งที่ออกมาความจริงแล้วมีอยู่หลายอย่างด้วยกัน

      แต่การขัดแย้งที่สุดคลาสสิก ที่เราอาจเคยอ่านผ่าน หรือดูภาพยนตร์ผ่านมาแล้ว นั่นคือ เกี่ยวกับ คู่ฝาแฝด ที่เรียกว่า ปฏิทรรศน์ฝาแฝด หรือทวิน พาราดอกซ์ (Twin paradox) (ซึ่งจะได้กล่าวถึงรายละเอียดในตอนหลัง ๆ)

รูปตัวอย่างปฏิทรรศน์ฝาแฝด

ที่มา :  https://qph.fs.quoracdn.net

      เรามาดูตัวละครสมมติ เราสมมติว่ามีฝาแฝดสองคนชื่อ อะบี (Abhi: บนยานความเร็วสูงเข้าใกล้ความเร็วแสง) และแชท (Chat: อยู่บนพื้นโลก) เป็นฝาแฝดกัน เมื่อทั้งคู่อยู่บนพื้นโลก ก็จะมีกรอบอ้างอิงเหมือนกัน

รูปความขัดแย้งฝาแฝด

ที่มา :  https://image.slidesharecdn.com

      แต่เมื่อใด ที่อะบี (บนยานความเร็วสูงเข้าใกล้ความเร็วแสง) ที่ขึ้นไปอยู่ในยานอวกาศ และแชท (อยู่บนพื้นโลก) ที่อาศัยอยู่บนพื้นโลก คนหนึ่งต้องเดินทางไปด้วยยานอวกาศที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงเข้าใกล้ความเร็วแสง ซึ่งก่อนไปฝาแฝดแต่ละคนจะได้นาฬิกาที่เหมือนกัน และทั้งคู่ได้ตั้งเวลาของนาฬิกาให้ตรงกันเสียก่อน

      หลังจากที่ตั้งเวลาตรงกันแล้ว อะบี (บนยานความเร็วสูงเข้าใกล้ความเร็วแสง) ได้เดินทางไปในยานที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 60 % ของความเร็วแสง (ประมาณ  299,792,458 เมตรต่อวินาที ´60/100 = 179,875,475 เมตรต่อวินาที)

      ในขณะที่อะบี (บนยานความเร็วสูงเข้าใกล้ความเร็วแสง) เดินทางไป ฝาแฝดทั้งสองจะเกิดความสัมพัทธกันของเวลาที่เป็นผลที่เกิดขึ้น (การหดตัว และการขยายตัวของเวลา) เพราะทั้งสองคนอยู่คนละกรอบอ้างอิง และคนหนึ่งก็เคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่สูงมาก ๆ

      เพื่อความเรียบง่าย แล้วให้เข้าใจง่าย เราจะสมมติว่า พวกเขามีวิธีการวัดเวลาที่แม่นยำในการวัดผลนี้ แต่ถ้าอะบี (บนยานความเร็วสูงเข้าใกล้ความเร็วแสง) ไม่กลับมา ก็จะไม่มีคำตอบใด ๆ ในคำถามที่ว่ามันจะเกิดอะไรขึ้นบ้างในระหว่างฝาแฝดทั้งสอง

      แต่ถ้าหาก อะบี (บนยานความเร็วสูงเข้าใกล้ความเร็วแสง) กลับมาสู่โลกล่ะ? ผลที่เกิดขึ้นในปรากฏการณ์ของความขัดแย้ง ทั้งคู่จะมีอายุที่แตกต่างกัน

      โดยอะบี (บนยานความเร็วสูงเข้าใกล้ความเร็วแสง) อายุจะหนุ่มกว่า เพราะเวลาเดินช้ากว่า ทำให้เขามีอายุน้อยกว่าแชท (อยู่บนพื้นโลก)

รูปความขัดแย้งฝาแฝด หรือทวินพาราดอกซ์

ที่มา :  https://www.rechargebiomedical.com

      เพื่อพิสูจน์เรื่องนี้ให้เห็นได้ชัด สิ่งที่พวกเขาต้องทำก็คือ มาดูเวลาในนาฬิกาของพวกเขากัน นาฬิกาของอะบี (บนยานความเร็วสูงเข้าใกล้ความเร็วแสง)  จะเดินช้ากว่า เมื่อเทียบกับนาฬิกาของแชท (อยู่บนพื้นโลก)

      ขณะที่แชท (อยู่บนพื้นโลก) อยู่ที่โลก และรอคอยการกลับมาของแฝดอีกคน เวลาของเขาจะผ่านไปเร็วกว่าของอะบี (บนยานความเร็วสูงเข้าใกล้ความเร็วแสง) ทำให้มีคำถามว่า ทำไมเกิดขึ้นกรณีเช่นนี้

      แล้วถ้าหากทั้งคู่เดินทางด้วยความเร็ว 60 % ของความเร็วแสง เมื่อเทียบกับคนอื่น เมื่อฝาแฝดกลับมาถึงโลก เขาทั้งคู่ยังคงหนุ่มอยู่ แต่คนที่อยู่บนโลกจะอายุมากกว่าพวกเขา

      ประเด็นแรก ที่ต้องทำความเข้าใจก่อนคือ ความเร่งในสัมพัทธภาพพิเศษนี้ อาจเป็นเรื่องยุ่งยากเล็กน้อย  (แต่แท้จริงแล้ว มันสามารถจัดการอธิบายได้ดีกว่า เมื่อใช้ทฤษฏีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์) ไม่ได้หมายความว่า สัมพัทธภาพพิเศษไม่สามารถควบคุมความเร่งได้

      เพราะในสัมพัทธภาพพิเศษสามารถทำให้คุณสามารถอธิบายความเร่งในแง่ของกรอบเฉื่อย ช่วยอธิบายในเรื่องของการช่วยเคลื่อนที่ (Co moving) กรอบเฉื่อยนี้ยอมถูกยอมรับในสัมพัทธภาพพิเศษ เพื่อดูความเคลื่อนไหวทั้งหมดสม่ำเสมอซึ่งหมายความถึงความเร็วคงที่ (ไม่เกิดความเร่ง)

      ประเด็นที่สอง คือ สัมพัทธภาพพิเศษเป็นทฤษฏีพิเศษ จากนี้ หมายถึงว่าสามารถใช้งานได้ในสถานการณ์ที่เป็นสภาวะไร้แรงโน้มถ่วง ด้วยเหตุที่อวกาศ - เวลา เรียบแบน

      ในทฤษฏีสัมพัทธภาพทั่วไป ไอน์สไตน์ จะรวมความเร่ง และแรงโน้มถ่วง ดังนั้น จากที่กล่าวก่อนหน้านี้จึงทำให้เกิดว่ามันมีความซ้ำซ้อน อย่างไรก็ตาม มันยังขาดแรงโน้มถ่วงในสัมพันธภาพพิเศษ จึงถูกเรียกว่า เป็นทฤษฏีสัมพัทธภาพพิเศษ

      ตอนนี้ เรากลับไปที่ ความขัดแย้ง (พาราดอกซ์) ที่เกิดขึ้น ขณะที่ทั้งคู่มองว่าอีกฝ่ายหนึ่งหดตัว และชะลอตัว ที่ได้รับการเร่งความเร็วในการเข้าถึงความรู้สูงเป็นคนที่อายุน้อยกว่า

      ถ้าคุณศึกษาในเชิงลึกเข้าไปในโลกของ สัมพัทธภาพพิเศษ คุณจะรู้ว่าความเร่งไม่ใช่สิ่งที่สำคัญ มันเป็นแค่การเปลี่ยนกรอบอ้างอิง

      จนกระทั่งอะบี (บนยานความเร็วสูงเข้าใกล้ความเร็วแสง)   และแชท (อยู่บนพื้นโลก) กลับไปยังกรอบอ้างอิงซึ่งการเคลื่อนที่สัมพัทธเป็นศูนย์ (ที่พวกเขายืนอยู่ข้างกัน)

      พวกเขาจะไม่เห็นด้วยกับสิ่งที่คนอื่นบอกว่าเขาเห็น ซึ่งแปลกในการเห็น มีจริง ๆ ไม่ได้เป็นความขัดแย้ง ทั้งคู่ได้สังเกตว่าคนอื่นกำลังประสบกับ ผลความสัมพัทธ (Relativistic effects)

      เทคนิคหนึ่งที่ใช้ในการอธิบายในเรื่องของการเคลื่อนที่พลวัตของทวิน พาราดอกซ์ คือแนวคิดที่ชื่อว่า ปรากฏการณ์ดลอปเปอร์ (Relativistic Doppler Effect)

ในครั้งหน้า เรามาดูในรายละเอียดของเรื่องปรากฏการณ์ดลอปเปอร์กัน  

ข้อคิดดี ๆ ที่นำมาฝาก

“ให้พึงนึกในใจว่า

เราไม่ได้มาเรียน จะเป็นฝรั่ง

เราเรียนเพื่อ เป็นคนไทย

ที่มีความรู้ เสมอฝรั่ง”

พระราชดำรัสรัชกาลที่ 5 ประทานแก่นักเรียนทุน เมื่อปี 2440

<หน้าที่แล้ว                                 สารบัญ                    หน้าต่อไป>