2. สัมพัทธภาพพิเศษ และสัมพัทธภาพทั่วไป

รูปอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์

แนะนำเพื่อให้อ่านได้ต่อเนื่องให้ คลิกขวาเลือก Open link in new window

      ไอศรีมก้อนที่สอง แนวคิดเบื้องต้นที่กล่าวในหัวข้อที่แล้ว เป็นเพียงการกล่าวถึง สัมพัทธภาพของกาลิเลโอ เป็นทฤษฏีเริ่มแรก จนกระทั้งได้มีนักวิทยาศาสตร์ที่ชื่อว่า อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ได้ค้นพบแนวคิดสัมพัทธภาพสมัยใหม่ จนทำให้ แนวคิดของ ฟิสิกส์นิวโตเนียน (Newtonian physics) ได้ถูกทำลายลง

      ซึ่งทำให้นักวิทยาศาสตร์รุ่นใหม่ สามารถเรียนรู้เกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของรถไฟที่มีความเร็ว ไปจนถึงการเคลื่อนที่ของแสงที่มีความเร็วคงที่

รูปรถไฟความเร็วสูง

รูปแสง

ไอสไตน์ได้เสนอ ทฤษฏีสัมพัทธภาพพิเศษ ซึ่งมีความจำเป็นอย่างยิ่ง ดังต่อไปนี้:

      กฎทางฟิสิกส์จะใช้ได้เหมือนกันเมื่ออยู่ภายใน กรอบเฉื่อย (Inertial frames) ทั้งหมด และความเร็วของแสงจะมีค่าเหมือนกันจากการสังเกตของผู้สังเกตการณ์ทั้งหมด ไม่ว่าจะสังเกตการณ์อยู่ในรถที่อยู่นิ่ง, รถไฟที่กำลังแล่นด้วยความเร็ว หรือจรวดที่สร้างขึ้นมาในอนาคต แสงจะเคลื่อนที่ที่ความเร็วเดียวกัน และกฎของทางฟิสิกส์ยังคงคงที่

      ในแนวคิดแบบฟิสิกส์นิวโตเนียน สมมติว่าเรากำลังอยู่บนรถไฟที่มีความเร็ว และพุ่งไปในทิศทางที่คงที่ แล้วสมมติอีกว่า รถไฟไม่มีหน้าต่างให้มองออกไปข้างนอก เมื่อรถไฟแล่นไป เราจะไม่สามารถบอกได้เลยว่า เราได้เคลื่อนที่ผ่านอะไรไปบ้างในการเดินทาง ทำให้เราไม่รู้อะไรเลยจนกว่ารถไฟหยุดแล้ว เราออกไปดูว่าถึงไหน

      แต่ถ้าคิดตามแนวคิดในแบบสัมพัทธภาพพิเศษ มันจะมีผลต่อทุกอย่าง โดยพื้นฐานง่าย ๆ ในทฤษฏีจะเสนอว่าระยะทาง กับเวลาไม่มีค่าที่สัมบูรณ์แน่นอน

      ตอนนี้ มันถึงเวลาที่จะกินไอศครีมก้อนที่สาม โดยมีทฤษฏีของไอสไตน์เพิ่มเข้ามา ในปี พ.ศ. 2458 ไอสไตน์ได้ตีพิมพ์ ทฤษฏีสัมพัทธภาพทั่วไป (Theory of general relativity) ของเขาขึ้นมา ซึ่งเขาได้คำนึงถึงปัจจัยด้าน แรงโน้มถ่วง (Gravity) แล้วเทียบไปยังความสัมพัทธ์ของจักรวาล

รูปแนวคิดหนึ่งในสัมพัทธภาพทั่วไป

วิดีโอแนวคิดของทฤษฏีสัมพัทธภาพทั่วไป

แนวคิดสำคัญที่ต้องจำ ก็คือ หลักความเท่าเทียม (Equivalence principle)

รูปอธิบายหลักความเท่าเทียม

ซึ่งกล่าวว่า แรงโน้มถ่วงจะดึงดูดในทิศทางเดียวกัน เทียบได้กับความเร่งในแบบอื่น ๆ นี่จึงเป็นเหตุที่ว่าทำไมเวลาขึ้นลิฟต์ เมื่อลิฟต์ขึ้นจึงมีความรู้สึกว่าแรงโน้มถ่วงเพิ่มขึ้น (รู้สึกว่าหนัก) และเมื่อตอนลิฟต์เคลื่อนที่ลงแรงโน้มถ่วงก็ลดลง (รู้สึกว่าเบาตัว)

รูปแนวคิดหลักความเท่าเทียม เทียบกับการใช้ลิฟต์

      หากคิดเรื่องแรงโน้มถ่วงเทียบเท่ากับความเร่งแล้ว ก็ให้ความเร่งหมายถึงแรงโน้มถ่วงด้วย (เหมือนการเคลื่อนที่) ซึ่งมันจะส่งผลต่อการวัดในด้านเวลา และอวกาศ

รูปการวาร์ปของดวงดาวเกิดการบิดตัวของเวลา และอวกาศ

            หมายความว่า วัตถุขนาดใหญ่มีการ วาร์ป (Warps) ขึ้น จนทำให้เกิดการแปรปรวนบิดตัวของเวลา และอวกาศผ่านแรงโน้มถ่วง

      ดังนั้นทฤษฏีของไอสไตน์ ได้เปลี่ยนแปลงความหมายในของแรงโน้มถ่วงไปอย่างสิ้นเชิง จากการที่เกิดการวาร์ปแปรปรวน จนเกิดการบิดของเวลา-อวกาศ (กาลอวกาศ)

      นักวิทยาศาสตร์ ได้ตั้งข้อสังเกตการแปรปรวนของแรงโน้มถ่วงทั้งเวลา และอวกาศ พอที่จะกลับคำนิยามนี้

รูปแนวคิดเรื่องการต่างกันของเวลาระหว่างในโลก กับนอกโลก

      วิธีนี้: ทำให้รู้ว่าเวลาจะผ่านไปเร็วขึ้นเมื่ออยู่ในวงโคจรนอกโลก มากกว่าบนพื้นโลก เมื่อทำการเปรียบเทียบเวลาบนโลก กับผู้ที่อยู่ในวงโคจรของดาวเทียมที่โคจรไกลห่างจากมวลของดวงดาว นักวิทยาศาสตร์เรียกปรากฏการณ์สิ่งนี้ว่า การยืดเวลาของแรงโน้มถ่วง (Gravitational time dilation)

รูปการยืดเวลาของแรงโน้มถ่วง

      ในทำนองเดียวกัน นักวิทยาศาสตร์ได้สังเกตแสงที่มีลำแสงเป็นทางตรงในขณะที่แสงเดินทาง แต่เมื่อผ่านดวงดาวขนาดใหญ่แสงจะมีอาการโค้งโอบรอบดวงดาวนั้น ซึ่งนักวิทยาศาสตร์เรียกปรากฏการณ์นี้ว่า เลนส์โน้มถ่วง (Gravitational lensing)

รูปการเกิดเลนส์โน้มถ่วง

      ดังนั้น ถ้าหากถามว่า อะไรคือสิ่งที่จะสัมพัทธ์กับเรา? คำตอบก็คือ เราต้องศึกษาทฤษฏีสัมพัทธภาพ ซึ่งมันจะช่วยให้เรามี กรอบแนวคิดทางจักรวาลวิทยา (Cosmological framework) เพื่อที่จะถอดรหัสของจักรวาล ช่วยให้เราเข้าใจ กลศาสตร์ฟากฟ้า (Celestial mechanics) โดยมีการคาดการณ์การดำรงอยู่ของ หลุมดำ (Black holes) และสร้างแผนผังของจักรวาลที่ห่างไกลเราออกไป

รูปการจำลองภาพหลุมดำ

ข้อคิดดี ๆ ที่นำมาฝาก

“อย่ามัวแต่หาเงิน

วิ่งตามเงิน

จนลืมความสุขในชีวิตไป”

<หน้าที่แล้ว                                 สารบัญ                    หน้าต่อไป>