Multiverse | บัญชา ธนบุญสมบัติ

www.facebook.com/buncha2509

 

10 เรื่องน่ารู้

ว่าด้วย ‘ทฤษฎีสัมพัทธภาพ’

ของไอน์สไตน์

 

ไอน์สไตน์ฝากผลงานสำคัญไว้ให้กับโลกหลายอย่าง

แต่ผลงานสุดยอดที่สุดคือ ‘ทฤษฎีสัมพัทธภาพ’ ซึ่งถูกกล่าวถึงในบริบทต่างๆ เป็นระยะ

น่าจะดีไม่น้อยหากได้ทราบแก่นสาระของทฤษฎีนี้เอาไว้ครับ

ผมขอแยกเป็นประเด็นย่อย 10 ข้อ ดังนี้

 

1) ชื่อทฤษฎีคือ ‘สัมพัทธภาพ’ ไม่ใช่ ‘สัมพันธภาพ’

เรื่องชื่อทฤษฎีนี้คนไทยพูดและเขียนผิดกันมาก ชื่อภาษาอังกฤษของทฤษฎีนี้คือ Theory of Relativity ซึ่งแปลว่า ทฤษฎีสัมพัทธภาพ (อ่านว่า สัม-พัด-ทะ-พาบ) คำว่า relativity คือ สัมพัทธภาพ หมายถึง สภาวะที่เหตุการณ์หนึ่งๆ อาจปรากฏแตกต่างกันได้สำหรับแต่ละคน พูดง่ายๆ คือ “เธอเห็นแบบนี้ แต่ฉัน (อาจ) เห็นอีกแบบ”

ส่วนคำว่า ‘สัมพันธภาพ’ คือ relationship หมายถึง ความเกี่ยวข้องกันระหว่างสิ่งต่างๆ

แต่คำว่าสัมพัทธภาพนี้ยังชวนให้เข้าใจผิดไปได้ว่า ทุกสิ่งทุกอย่างเป็นสัมพัทธ์ (คือ แล้วแต่ว่าใครมอง) และทำให้บางคนคิดเลยเถิดไปว่า ความจริงแท้นั้นไม่มี เพราะใครจะเห็นอย่างไรก็ได้ ก็มองกันคนละมุมนี่ (แบบนี้ไม่ใช่ทฤษฎีของไอน์สไตน์)

เพราะแท้จริงแล้วทฤษฎีสัมพัทธภาพยังมีแนวคิดสำคัญอีกอย่างหนึ่ง เรียกว่า ความไม่แปรเปลี่ยน (invariance) ซึ่งหมายความว่า ไม่ว่าเธอ ฉัน หรือใครๆ ก็ตามที จะระบุตรงกันหมด (ดูข้อ 3)

2) ทฤษฎีสัมพัทธภาพมี 2 ทฤษฎี

ทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์มี 2 ทฤษฎี ได้แก่ ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ (ดูเพิ่มเติมในข้อ 3 และ 4) และทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (ดูเพิ่มเติมในข้อ 5-10)

ในทางเทคนิคทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปยากกว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษมาก ไอน์สไตน์เองเคยเขียนจดหมายถึงเพื่อนนักฟิสิกส์ชื่อ อาร์โนลด์ ซอมเมอร์เฟลด์ (Arnold Sommerfeld) และบอกว่า

“ช่วงนี้ผมกำลังหมกหมุ่นเกี่ยวกับปัญหาเรื่องความโน้มถ่วง [หมายถึง ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป] และเชื่อว่าจะสามารถจัดการกับความยุ่งยากซับซ้อนทั้งหมดได้ เพราะมีเพื่อนนักคณิตศาสตร์คอยช่วยอยู่ แต่อย่างหนึ่งที่แน่นอนก็คือ ตลอดชั่วชีวิตของผม ผมไม่เคยต้องใช้ความพยายามมากเท่านี้มาก่อน…เมื่อเทียบกับปัญหานี้แล้ว ทฤษฎีสัมพัทธภาพอันแรก [หมายถึง ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ] กลายเป็นการเล่นของเด็กๆ ไปเลย”

 

3) ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ (Special Relativity)

ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษเป็นทฤษฎีเกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่างอวกาศ (space) และเวลา (time) ถือกำเนิดขึ้นในปี ค.ศ.1905 โดยไอน์สไตน์ตีพิมพ์บทความซึ่งในภาษาอังกฤษชื่อ “On the Electrodynamics of Moving Bodies” หรือ “ว่าด้วยอิเล็กโทรไดนามิกส์ของวัตถุซึ่งกำลังเคลื่อนที่”

ทฤษฎีนี้มีหลักการพื้นฐาน เรียกว่า ประพจน์ (postulate) 2 ข้อครับ

ประพจน์ข้อแรกคือ ‘กฎทางฟิสิกส์มีรูปแบบเดียวกันสำหรับผู้สังเกตทุกคนซึ่งเคลื่อนที่อย่างสม่ำเสมอสัมพัทธ์กัน’

ประพจน์ข้อที่สองคือ ‘อัตราเร็วของแสงในสุญญากาศมีค่าคงที่สำหรับผู้สังเกตทุกคนโดยไม่ขึ้นกับการเคลื่อนที่ของพวกเขา หรือการเคลื่อนที่ของแหล่งกำเนิดแสง’ แปลว่า ไม่ว่าคุณจะอยู่เฉยๆ หรือวิ่งเข้าหาแหล่งกำเนิดแสง หรือวิ่งหนีออกจากแหล่งกำเนิดแสง คุณก็จะวัดอัตราเร็วของแสงได้เท่ากับเป๊ะ!

ประเด็นสำคัญยิ่งที่มักไม่ค่อยพูดถึงกันก็คือ ประพจน์ทั้งสองเป็นกรณีเฉพาะของหลักการที่เรียกว่า หลักแห่งความไม่แปรเปลี่ยน (principle of invariance)

จริงๆ แล้วตัวไอน์สไตน์เองเรียกทฤษฎีของเขาเป็นภาษาเยอรมันว่า ‘Invariententheorie’ แปลว่า ทฤษฎีว่าด้วยสิ่งที่ไม่แปรเปลี่ยน (invariant theory) ส่วนชื่อ ทฤษฎีสัมพัทธภาพ (theory of relativity) นั้นเสนอโดยมักซ์ พลังก์ (Max Planck) ซึ่งในภาษาเยอรมันเขียนว่า ‘Relativit?tstheorie’

ว่ากันว่าไอน์สไตน์ไม่ยอมรับชื่อทฤษฎีสัมพัทธภาพอยู่หลายปี แต่ในที่สุดก็ยอมตามเพื่อนๆ ในวงการฟิสิกส์!

นักฟิสิกส์ชั้นนำเช่น เอ็ดวิน เอฟ เทย์เลอร์ (Edwin F. Taylor) และจอห์น อาร์ชิบอลด์ วีลเลอร์ (John Archibald Wheeler) ผู้แต่งตำรามาตรฐานชื่อ Spacetime Physics กล่าวว่า “In relativity, invariants are diamonds. Do not throw away diamonds!” แปลว่า “ในทฤษฎีสัมพัทธภาพ สิ่งที่ไม่แปรเปลี่ยนมีคุณค่าดุจดั่งเพชร จงอย่าได้โยนเพชรเหล่านี้ทิ้งไป!”

 

4) ผลลัพธ์สำคัญจากทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ

ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษทำนายปรากฏการณ์ไว้หลายอย่าง แต่ละอย่างฟังแล้วแปลกพิลึก แต่ทั้งหมดได้รับการตรวจสอบโดยการทดลองครับ

อย่างแรก – วัตถุซึ่งกำลังเคลื่อนที่จะหดสั้นลงตามแนวทางการเคลื่อนที่ ยิ่งเร็วเท่าไหร่ ก็ยิ่งหดสั้นมากขึ้นเท่านั้น เรียกว่า การหดของความยาว (length contraction)

สมมุติว่ามีคนขี่รถจักรยานวิ่งผ่านคุณผู้อ่านซึ่งยืนอยู่บนถนน คุณจะพบว่าตัวจักรยานและคนขี่จะหดสั้นลงตามทิศทางการวิ่ง แต่ถ้าถามคนขี่จักรยาน เขาจะบอกว่าตัวเขาเองปกติดี แต่สิ่งที่หดไปก็คือทุกสิ่งทุกอย่างที่อยู่รอบตัวเขาต่างหาก นี่แหละครับความหมายของสัมพัทธภาพ คือแล้วแต่ว่าใครเป็นผู้มอง

อย่างที่สอง – นาฬิกาซึ่งกำลังเคลื่อนที่จะเดินช้าลง ยิ่งเคลื่อนที่เร็วเท่าไหร่ ก็ยิ่งเดินช้าลงเท่านั้น เรียกว่า การยืดออกของเวลา (time dilation)

ในกรณีคนขี่จักรยาน คุณจะพบว่านาฬิกาของเขาผ่านไปนั้นเดินช้ากว่านาฬิกาของคุณ พูดง่ายๆ คือ เขาแก่ช้ากว่าคุณ

แต่คนขี่จักรยานกลับบอกว่านาฬิกาของเขาเดินปกติ แต่นาฬิกาของคุณต่างหากที่เดินช้าลง พูดง่ายๆ คือ คุณแก่ช้ากว่าเขา!

อย่างที่สาม – ผู้สังเกตคนหนึ่งอาจเห็นเหตุการณ์ 2 เหตุการณ์เกิดขึ้นในเวลาเดียวกับ แต่อีกคนหนึ่งอาจเห็น 2 เหตุการณ์นั้นเกิดขึ้นในเวลาต่างกันได้ เรียกว่า สัมพัทธภาพของการเกิดขึ้นพร้อมกัน (relativity of simultaneity)

และสุดท้ายคือ มวลเปลี่ยนเป็นพลังงานได้และพลังงานเปลี่ยนเป็นมวลได้ ตามสมการ E = mc2 ที่หลายคนคงเคยเห็นมาบ้างแล้ว

 

5) ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (General Relativity)

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเป็นทฤษฎีเกี่ยวกับความโน้มถ่วง ถือกำเนิดขึ้นในปี ค.ศ.1915 นับเป็นผลงานชิ้นสำคัญที่สุดของไอน์สไตน์

ทฤษฎีนี้มีหลักการพื้นฐานคือ หลักแห่งความสมมูล (principle of equivalence) ซึ่งพูดได้หลายแบบ เช่น ความเร่งให้ผลที่เทียบเท่ากับความโน้มถ่วง หรือมวลเฉื่อยมีค่าเท่ากับมวลโน้มถ่วง เป็นต้น

ไอน์สไตน์ปิ๊งแว้บหลักการนี้ในปี ค.ศ.1907 โดยเขาเล่าไว้ว่า

“ขณะที่ผมกำลังนั่งอยู่บนเก้าอี้ในที่ทำงานของสำนักงานจดสิทธิบัตรในกรุงเบิร์น ก็เกิดความคิดแว้บขึ้นมาในสมองว่าถ้าใครกำลังร่วงหล่นลงมาอย่างอิสระ เขาจะไม่รู้สึกถึงน้ำหนักตัวของเขาเอง”

ต่อมาเขาเรียกความคิดนี้ว่า ‘ความคิดที่ทำให้เขามีความสุขที่สุดในชีวิต’!

แต่แม้กระนั้น อัจฉริยะอย่างไอน์สไตน์ยังต้องใช้เวลาอีกถึง 8 ปี จึงจะพัฒนาทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปขึ้นมาได้อย่างสมบูรณ์

 

6) ผลลัพธ์สำคัญจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปทำนายปรากฏการณ์หลายอย่างที่กลศาสตร์ของนิวตันไม่สามารถทำได้ เช่น

(1) วงโคจรของดาวพุธเกิดการส่ายเล็กน้อย

(2) แสงเบี่ยงโค้งได้เมื่อเคลื่อนที่เฉียดวัตถุที่มีมวลมาก

(3) เวลาเดินช้าลงเมื่ออยู่ในสนามความโน้มถ่วง ยิ่งความโน้มถ่วงเข้มเท่าไหร่ เวลาก็ยิ่งเดินช้าลงเท่านั้น เรียกว่า การยืดออกของเวลาอันเนื่องมาจากความโน้มถ่วง

(4) คลื่นความโน้มถ่วง

(5) การขยายตัวของเอกภพ

และ (6) หลุมดำ

 

7) ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเปิดโอกาสให้เวิร์มโฮลเป็นไปได้ในทางทฤษฎี

เวิร์มโฮล (wormhole) หรือ ‘รูหนอน’ เป็นโครงสร้างในเชิงทฤษฎีที่เชื่อมโยงบริเวณในกาลอวกาศ 2 บริเวณเข้าด้วยกัน คล้ายๆ กับเป็นทางด่วนที่ทำให้เราสามารถเดินทางจากตำแหน่งและเวลาหนึ่งไปยังอีกตำแหน่งและเวลาหนึ่งได้เร็วกว่าแสง หรือแม้แต่ยอมให้การเดินทางไปในเวลาเป็นไปได้

เวิร์มโฮลเป็นผลลัพธ์ทางคณิตศาสตร์อย่างหนึ่งจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์

แต่การเป็น ‘ผลลัพธ์ทางคณิตศาสตร์’ ไม่ได้รับประกันว่ามันจะมีอยู่จริงในธรรมชาติ

อีกทั้งต่อให้มีจริง ก็ยังมีปัญหาในทางเทคนิคหลายอย่างในการใช้เวิร์มโฮลเดินทางจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง หรือใช้ในการเดินทางไปในเวลา

 

8)การประยุกต์ทฤษฎีสัมพัทธภาพในทางปฏิบัติ

ทฤษฎีสัมพัทธภาพใช้ในการคำนวณในเรื่องต่างๆ

เช่น เครื่องเร่งอนุภาค และพลังงานนิวเคลียร์ ซึ่งใช้ผลลัพธ์จากทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ

ส่วนระบบ GPS ใช้ทั้งทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษและทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป

 

9) การทดสอบทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปล่าสุด

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปได้รับการทดสอบมาโดยตลอด และสองครั้งล่าสุดที่น่าทึ่ง ได้แก่

(1) การค้นพบคลื่นความโน้มถ่วง เมื่อวันที่ 14 กันยายน ค.ศ.2015 และประกาศอย่างเป็นทางการเมื่อวันที่ 11 กุมภาพันธ์ ค.ศ.2016

และ (2) การถ่ายภาพหลุมดำภาพแรกของโลกเมื่อวันที่ 6 เมษายน ค.ศ.2017

และประกาศอย่างเป็นทางการเมื่อวันที่ 10 เมษายน ค.ศ.2019

 

10) ความโน้มถ่วงเชิงควอนตัม

หนึ่งในความฝันอันสูงสุดของนักฟิสิกส์ คือ การรวมทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเข้ากับกลศาสตร์ควอนตัม ให้เป็นทฤษฎีความโน้มถ่วงเชิงควอนตัม (Quantum Gravity)

ซึ่งเชื่อกันว่าหากทำสำเร็จ จะช่วยไขปริศนาสำคัญของหลุมดำและบิ๊กแบง

ผมเล่าประเด็นต่างๆ เอาไว้อย่างรวดรัด และจะหาจังหวะเหมาะๆ ขยายความต่อไปครับ ส่วนคุณผู้อ่านที่สนใจเรียนรู้ทฤษฎีสัมพัทธภาพ ขอแนะนำหนังสือที่ผมเขียนชื่อ ‘สัมพัทธภาพ สุดยอดมรดกทางความคิดของไอน์สไตน์’ จัดพิมพ์โดย สำนักพิมพ์สารคดี การนำเสนอในเล่มเป็นแบบเป็นกันเองแต่รัดกุม โดยผมใช้ตัวละครคุยกันในส่วนเนื้อหาหลัก และมีภาคผนวกที่น่าสนใจหลายหัวข้อครับ

 

สะดวก ฉับไว คุ้มค่า สมัครสมาชิกนิตยสารมติชนสุดสัปดาห์ได้ที่นี่https://t.co/KYFMEpsHWj

— MatichonWeekly มติชนสุดสัปดาห์ (@matichonweekly) July 27, 2022