E = mc^2 สมการฟิสิกส์ที่เปลี่ยนประวัติศาสตร์โลก
หากถามว่าสมการใดในฟิสิกส์ที่มีชื่อเสียงที่สุด หนึ่งในนั้นย่อมต้องมีสมการ E=mc^2 ติดอันดับต้นๆอย่างแน่นอน เพราะคนที่ไม่ได้เรียนฟิสิกส์ก็น่าจะเคยเห็นสมการนี้ผ่านตามาบ้าง แม้จะไม่รู้ถึงความหมาย และความสำคัญของมัน บทความนี้จะพาทุกท่านไปรู้จักกับกำเนิดของสมการอันยิ่งใหญ่นี้กัน
ปัจจุบัน นักฟิสิกส์รู้ดีว่าพลังงาน (Energy) มีหลายรูปแบบ ตัวอย่างเช่น พลังงานศักย์ พลังงานจลน์ พลังงานความร้อน พลังงานจากการแผ่รังสี ซึ่งพลังงานสามารถเปลี่ยนแปลงรูปแบบได้ แต่ไม่อาจสร้างขึ้นมาใหม่และไม่อาจหายไปได้ ความรู้ดังกล่าวช่วยให้นักฟิสิกส์วิเคราะห์ปัญหาเชิงกลศาสตร์ และเครื่องจักรความร้อน ได้เป็นอย่างดี
ยกตัวอย่างเช่น
เมื่อเราปล่อยก้อนหินจากที่สูงให้ตกภายใต้แรงโน้มถ่วง ในตอนแรกวัตถุจะมีพลังงานศักย์โน้มถ่วง แต่พอปล่อยให้หลุดจากมือแล้ว พลังงานศักย์นั้นจะค่อยๆลดลงตามระดับความสูง เปลี่ยนมาเป็นพลังงานจลน์ในก้อนหินที่เคลื่อนที่เร็วขึ้นๆ
พอหินตกลงมาถึงพื้น พลังงานจลน์บางส่วนจะเปลี่ยนแปลงเป็นพลังงานเสียงแผ่ออกมาโดยรอบ และบางส่วนทำให้หินและดินบริเวณนั้นเปลี่ยนแปลงรูปร่างไป ส่วนที่เหลืออาจกลายเป็นพลังงานความร้อนที่เกิดขึ้นขณะหินกระทบกระแทก
ในความเป็นจริง เราคงไม่สามารถวัดปริมาณเหล่านี้ออกมาอย่างชัดเจนได้ง่ายๆ แต่ด้วยการทดลองที่ถูกออกแบบมาอย่างรัดกุม ทำให้นักฟิสิกส์รู้ว่าหลักการดังกล่าวถูกต้อง
ทั้งหมดนี้เป็นแนวคิดของกลศาสตร์คลาสสิคที่ถูกวางรากฐานมาตั้งแต่สมัยของไอแซค นิวตัน ซึ่งเราจะเห็นได้ว่าในการวิเคราะห์ที่กล่าวมานี้ มวลของก้อนหิน ไม่ใช่พลังงาน
มวล (Mass) คือ ปริมาณที่บ่งบอกถึงความเฉื่อยของวัตถุนั้นๆ วัตถุที่มีมวลมากก็จะมีความเฉื่อยมากตามไปด้วย ซึ่งวัตถุที่มีความเฉื่อยมากจะเปลี่ยนแปลงสภาพการเคลื่อนที่ได้ยาก ตัวอย่างเช่น รถยนต์มีมวลมากกว่ารถจักรยาน ดังนั้นการเข็นรถยนต์ให้เปลี่ยนจากหยุดนิ่งเป็นเคลื่อนที่จึงยากกว่าการเข็นรถจักรยาน
จนกระทั่งอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ สร้างทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษขึ้นมาก่อเกิดเป็นกลศาสตร์สัมพัทธภาพที่สามารถอธิบายธรรมชาติของวัตถุที่เคลื่อนที่เร็วมากในระดับความเร็วแสงได้เป็นอย่างดี แต่เมื่อนำมาวิเคราะห์วัตถุที่มีความเร็วต่ำกว่าแสงมากๆซึ่งเราพบเห็นในชีวิตประจำวัน มันจะถูกลดทอนรูปแบบจนกลายเป็นกลศาสตร์แบบคลาสสิคของนิวตัน
วัตถุที่หยุดนิ่ง จะมีโมเมนตัม(p) เป็น 0
ในกลศาสตร์สัมพัทธภาพ ตัวแปรอย่างโมเมนตัม ความเร็วสัมพัทธ์ เวลา จะมีรูปแบบที่แตกต่างไปจากกลศาสตร์คลาสสิค แต่ตัวแปรที่เปลี่ยนแปลงไปอย่างน่าสนใจคือ พลังงานของวัตถุที่หยุดนิ่ง กลับไม่ได้มีค่าเป็นศูนย์ เหมือนในกลศาสตร์คลาสสิค แต่กลับมีค่าเท่ากับ mc^2 โดยค่า c คืออัตราเร็วของแสงในสุญญากาศ(ประมาณ 300,000,000 เมตร /วินาที) มันทำให้นักฟิสิกส์พบว่าแท้จริงแล้ว มวลคือรูปแบบหนึ่งของพลังงาน!
พูดง่ายๆว่า มันพลังงานรูปแบบต่างๆที่กล่าวมาข้างต้นนั้น สามารถเปลี่ยนเป็นมวลได้ และมวลก็เปลี่ยนแปลงเป็นพลังงานได้เช่นกัน
พลังงานรูปแบบต่าง
ก่อนหน้านี้ นักฟิสิกส์ไม่เคยรู้มาก่อนว่ามวลเป็นรูปแบบหนึ่งของพลังงาน ดังนั้นสมการนี้จึงเป็นอีกหนึ่งจุดเปลี่ยนสำคัญของโลกฟิสิกส์ เพราะในเมื่อมวลเป็นรูปแบบหนึ่งของพลังงาน นักฟิสิกส์จึงค้นพบกฎที่ใช้งานได้กว้างขวางกว่าเดิม นั่นคือ กฎการอนุรักษ์มวล-พลังงาน
แม้ในช่วงแรกจะยังไม่มีใครรู้ว่าทั้งสองอย่างนี้จะเปลี่ยนแปลงไปมาหาสู่กันผ่านกระบวนการแบบใดได้บ้าง แต่เมื่อลองคำนวณดูจะพบความจริงที่น่าตกใจ นั่นคือ ถ้าเราเปลี่ยนทราย 1 กิโลกรัมให้กลายเป็นพลังงานได้ทั้งหมดอย่างสมบูรณ์ จะได้พลังงานออกมามหาศาลถึง 9 หมื่นล้านล้านจูล (หนึ่งในเจ็ดของพลังงานจากระเบิดปรมาณูที่ถูกทิ้งที่ฮิโรชิมา)
แต่การจะเปลี่ยนมวลสารใดๆให้กลายเป็นพลังงานนั้นไม่ใช่ของที่ทำได้ง่ายๆจนถึงทุกวันนี้ (ไม่งั้นเราคงเปลี่ยนมวลขยะให้เป็นพลังงานออกมาใช้งานอย่างแน่นอน แก้ได้ทั้งปัญหาขยะและปัญหาพลังงานพร้อมๆกัน)
ในยุคที่ไอน์สไตน์ค้นพบสมการนี้ นักฟิสิกส์พบว่ามันใช้งานได้เป็นอย่างดี โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการอธิบายธรรมชาติของอนุภาคที่เข้าชนกันด้วยพลังงานสูง การสลายตัวของอนุภาค ธรรมชาติของนิวเคลียส จนถึงขอบเขตของดาราศาสตร์โดยพลังงานที่ดาวฤกษ์และดวงอาทิตย์ปลดปล่อยออกมา สอดคล้องกับมวลที่ค่อยๆหายไป
จึงกล่าวได้ว่าสมการนี้จึงเป็นสมการที่เปลี่ยนแปลงประวัติศาสตร์โลกอย่างแท้จริง
[หมายเหตุ]* ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ มวลเป็นคุณสมบัติที่ฝังอยู่กับวัตถุหนึ่งๆ จึงไม่มีการเปลี่ยนแปลงค่าตามความเร็วของผู้สังเกต แต่อย่างใด
- 38
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
