สัมพัทธภาพ

Relativity

1. อะไรคือสัมพัทธภาพ

      สัมพัทธภาพ (Relativity) ถ้าเปรียบให้เห็นอย่างง่าย ๆ ในการศึกษาเรื่องนี้ ก็เหมือนกับ เรากินไอศกรีมโคนที่ใส่ก้อนไอศกรีมซ้อนไปสามชั้น โดยทั่วไปแล้ว ต้องค่อย ๆ กินทีละนิด แล้วถ้าหากเรากินทีเดียวหมด เคยเป็นไหมว่ามันเย็นจี๊ดขึ้นสมอง ปวดหัวกันเลยทีเดียว

รูปไอศกรีมโคน

แนะนำเพื่อให้อ่านได้ต่อเนื่องให้ คลิกขวาเลือก Open link in new window

      จากตัวอย่างไอสครีม ซึ่งหมายความว่าเราจะค่อย ๆ ศึกษาไปเรื่อย ๆ เรียง ๆ ไม่รีบร้อน  เราจะเริ่มต้นศึกษากับสัมพัทธภาพแรกเริ่ม ที่มีการศึกษามาแล้วมากกว่าสี่ศตวรรษ นั่นคือ  สัมพัทธภาพของกาลิเลโอ (Galilean relativity)

รูปกาลิเลโอ กาลิเลอี

      นักดาราศาสตร์ที่มีชื่อเสียงอย่าง กาลิเลโอ กาลิเลอี (Galileo Galiei) ได้ศึกษาความเป็นไป และต้นกำเนิดของจักรวาล เริ่มต้นจากตัวอย่างผู้สังเกตการณ์สองคน เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว และทิศทางที่คงที่ จะได้ผลเหมือนกันกับการทดลองทางกล

      สมมติว่า ทดลองขว้างลูกปิงปองลงไปที่พื้น บนรถไฟที่กำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ ตราบใดที่ความเร็ว และทิศทางของรถไฟมีอย่างต่อเนื่อง ลูกปิงปองจะคงเป็นพฤติกรรมกระดอนเหมือนเช่นเดิม

      แต่ถ้าหากว่ารถไฟเคลื่อนที่กระตุกจนทำให้ความเร็ว และทิศทางเกิดการเปลี่ยนแปลง บนรถไฟแล้วจะไม่เกิดความแตกต่างขึ้นในตู้รถไฟ แต่เมื่อเทียบกับด้านนอกรถไฟ มันเป็นเรื่องที่มีความแตกต่างกัน (กรอบอ้างอิงคนละเหตุการณ์)

      หากมีคนอยู่บนรถไฟที่กำลังวิ่งด้วยความเร็ว เช่นเดินทางด้วยความเร็ว 161 กิโลเมตรต่อชั่วโมง (100 ไมล์ต่อชั่วโมง) คนในรถไฟจะเห็นลูกบอลมีความเร็วปกติ แต่คนที่อยู่นอกรถไฟ (สมมติว่าสามารถเห็นมันได้) จะเห็นว่ามันเคลื่อนที่ได้เร็วกว่าปกติ

      คนที่อยู่ในรถไฟจะเห็นว่าเคลื่อนที่ไปพร้อมกับความเร็วของรถไฟ ส่วนผู้ซึ่งเห็นนอกรถไฟที่มองว่าเร็วกว่าปกติ เพราะมันจะบวกกับความเร็วที่มันถูกโยนไป

รูปการเล่นปิงปองบนรถไฟ

      ความเร็วของลูกบอลที่กำลังเคลื่อนที่เป็นเท่าไหร่? สมมติว่าคุณโยนมันด้วยความเร็ว 16 กิโลเมตรต่อชั่วโมง (10ไมล์ต่อชั่วโมง) ถ้าเราเพิ่มความเร็วของรถไฟนั้น เราได้ความเร็วโดยรวม 177 กิโลเมตรต่อชั่วโมง (110ไมล์ต่อชั่วโมง)

      การคิดคำนวณแบบนี้เราเรียกว่า การเปลี่ยนแปลงกาลิเลโอ (Galilean transformation) คนที่อยู่บนรถไฟ จะไม่รู้สึกเหมือน 177 กิโลเมตรต่อชั่วโมง แต่ถ้ามองจากคนนอกรถไฟจะเป็นแบบนั้น ซึ่งมันคือความเร็วที่สัมพันธ์กันกับด้านใน และด้านนอก ขณะที่รถไฟมีการเคลื่อนที่

      แล้วถ้าหากลองหาไฟฉายนำมาเปิดบนรถไฟ ความเร็วของแสงจะเดินทางแล้วจะบวกกับความเร็วรถไฟที่เคลื่อนที่ด้วย 161 กิโลเมตรต่อชั่วโมง หรือไม่?

        นักฟิสิกส์ ในปี พ.ศ. 2422 ชาวอเมริกันสองคนคืออัลเบิร์ต เอ ไมเคิลสัน (Albert A. Michelson) และเอ็ดเวิร์ด มอร์เลย์ (Edward Morley)

รูปไมเคิลสัน และมอร์เลย์

ได้ทำการทดลอง ในการวัดความเร็วของแสง จากการทดลองทำให้เขาวัดความเร็วของแสงได้ โดยแสงเดินทางด้วยความเร็วคงที่ 300,000 กิโลเมตรต่อวินาที (186,000ไมล์ต่อวินาที)

รูปจำลองการทดลองของไมเคิลสัน และมอร์เลย์

      จากการทดลองเพิ่มเติม แสงมันไม่สามารถเดินทางได้เร็วกว่านี้ ไม่ว่าจะใช้วิธีใด ๆ ทำให้แนวคิดทฤษฏีสัมพัทธภาพของกาลิเลโอได้ถูกทำลายลง

      ต่อมาในปี พ.ศ. 2463 อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) ได้เข้ามาแก้ไข ด้วยทฤษฏีของเขา นั่นคือทฤษฏีสัมพัทธภาพพิเศษ (Special relativity) ซึ่งจะได้กล่าวถึงรายละเอียดต่อไป

ข้อคิดดี ๆ ที่นำมาฝาก

“คนเราจะมีความสุขได้นั้น

มันไม่ได้ขึ้นอยู่กับว่า

มีเท่าไหร่

แต่ขึ้นอยู่กับว่า

พอเมื่อไหร่ ต่างหาก”

                                  สารบัญ                    หน้าต่อไป>