The universe in a nutshell EP.01 A brief history of Relativity
หลังจากหายกันไปนานครับ วันนี้ผมก็กลับมาพร้อมกับเนื้อหาที่จะมาพูดถึง คือ หนังสือเรื่อง จักรวาลในเปลือกนัท หรือ The universe in a nutshell นั่นเอง โดยวันนี้ผมก็จะมาเขียนถึง บทแรก คือ ประวัติโดยย่อของสัมพัทธภาพ นั่นเอง
Stephen Williams Hawking และ Albert Einstine
จากภาพข้างบน ก็คือ สตีเฟน ฮอว์กิ้ง ผู้คิดทฤษฎีการแผ่รังสีของหลุมดำ ซึ่งถูกพิสูจน์ ว่าจริงในเวลาต่อมาที่เราค้นพบ ภาพแรกของหลุมดำ ที่ใจกลางกาแล็กซี M 87 และ อัลเบิร์ต ไอสไตน์ เจ้าของรางวัลโนเบล ปี 1921 จากปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกส์ แต่ผลงานที่ถือว่าเป็นการปฏิวัติโลกจริงๆคงจะหนีไม่พ้นทฤษฎีสัมพัทธภาพภาคพิเศษและทั่วไปที่พูดถึง ความสัมพันธ์ของ กาล-อวกาศ และ มวล-พลังงาน จนถึงการอธิบายความโน้มถ่วง ซึ่งในวันนี้เราก็จะกล่าวถึงในส่วนหลังอย่างสัมพัทธภาพของไอสไตน์โดยย่อ จากหนังสือเล่มนี้
ประวัติโดยย่อ อัลเบิร์ต ไอสไตน์ (สายฟ้าระหว่าง 2 ข้างของรถไฟ)
อัลเบิร์ต ไอสไตน์ เกิดที่เมืองอูล์ม ประเทศเยอรมนี ใน ค.ศ.1879 ชีวิตของเขาก็เหมือนเด็กทั่วไป และเรียนจบใน ปี ค.ศ.1900 ที่ Federal Polytechnical school ที่ เมืองซูริค ในประเทศสวิตเซอร์แลนด์ หลังจากนั้น 2 ปี พ่อของอัลเบิร์ต ไอสไตน์ อย่าง แฮร์มันน์ ไอสไตน์ ก็ได้ฝากลูกชายของตน เข้าไปทำงานในสถานจดสิทธิบัตร แห่งสวิตซ์แลนด์ ซึ่ง ณ ที่แห่งนี้เองที่ซึ่งเป็นดังห้องสมุดของโลกใหม่ ที่ๆทำให้เขาได้อ่านงานวิจัยทางวิทยาศาสตร์ หลายพันฉบับ ทำให้เขาได้จินตนาการถึงสภาะความไม่พร้อมกันของเหตุการณ์ อันนำไปสู่การตีพิมพ์ทฤษฎีสัมพัทธภาพใน ปี ค.ศ.1905 แต่แล้วทฤษฎีที่ดูประหลาดนี้เกิดผุดขึ้นมาในหัวของคนๆหนึ่งได้อย่างไร หนึ่งในเหตุผลที่อยู่ในสัจพจน์ของสัมพัทธภาพของไอสไตน์ นั่นคือ แสง
Mikelson and Morley
จากสัมพัทธภาพของกาลิเลียนที่กล่าวโดยสรุปว่า ทุกๆความเร็วนั้นย่อมมีการเปลี่ยนแปลงขึ้นกับความเร็วของผู้สังเกตุ นั่นคือ ความเร็วสัมพัทธ์ ซึ่งจะพิจารณาในกรอบอ้างอิงเฉื่อย แต่หลังจากการที่มนุษย์สามารถวัดอัตราเร็วของแสงได้ที่เริ่มมาตั้งแต่ Ole Christensen Romer ในปี 1676 จนถึงในปี 1865 ที่ James Clerk Maxwel ได้ให้นิยามว่าอัตราเร็วของ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า มีค่าเป็น c หรือก็คือเท่ากับอัตราเร็วแสง ซึ่งจากบทนิยามนี้เองจึงไปขัดต่อหลักสัมพัทธภาพของกาลิเลียนที่ว่าอัตราเร็วที่แต่ละผู้สังเกตุวัดได้จะไม่เท่ากันขึ้นกับอัตราเร็วของผู้สังเกตุ ในเวลาต่อมาจึงให้อัตราเร็วของแสงเป็นอัตราเร็วที่แสงเคลื่อนที่ในกรอบที่หยุดนิ่งสมบูรณ์กล่าวคือในกรอบที่หยุดนิ่งนี้ อัตราเร็วแสงจะมีค่า C ซึ่งกรอบนี้อยู่ในตัวกลางอะไรหละ คำตอบของนักฟิสิกส์คือ อีเธอร์ ซึ่งการที่กรอบเฉื่อยเคลื่อนที่สวนหรือไปทางเดียวกับอีเธอร์ก็จะเกิดสิ่งที่เรียกว่า ลมอีเธอร์ เหมือนการที่เราเอามือกวัดแกว่งในน้ำที่ไหลเชี่ยวหรือหยุดนิ่งนั่นแหละ ซึ่งในเวลาต่อมาในปี 1887 Albert Kelson และ Edward Morley ได้ทดสอบการวัดอัตราเร็วของแสงโดยเทียบจากกรอบอ้างอิงเฉื่อยคือโลก ต่อกรอบหยุดนิ่ง คือ อีเธอร์(ตามทฤษฎียุคนั้น) โดยเขาทดลองที่ Case school Applied science (California,Ohio) โดยใช้เครื่องอินเทอร์เฟอร์โรมิเตอร์ วัดแสงของดวงอาทตย์โดยวัดในทุกๆวัดโดยดูจากการแทกสอดภายในเครื่อง โดยผู้ทดลองจะเปลี่ยนมุมการรับแสงของเครื่องในทุกๆวัด เพื่อให้ความเร็วในการหมุนของโลกที่พิจารณาต่อเครื่องนี้เปลี่ยนแปลง (เปลียนทิศนั่นเอง) ซึ่งผลปรากฏคือ รอยการแทรกสอดของแสงบนฉากรับไม่มีการเปลี่ยนแปลง จึงทำให้เป็นหนึ่งในข้อสรุปว่าแสงมีความเร็วเท่ากันในทุกๆผู้สังเกตุ ***เครื่องอินเทอร์เฟอโรมิเตอร์ มีบทบาทสำคัญในการตรวจวัดคลื่นความโน้มถ่วงซึ่งเป็นสิ่งที่พิสูจน์ หลักสัมพัทธภาพทั่วไปของไอสไตน์ ***
Interferometer
ในเหล่าผู้ที่ยังเชื่อในอีเธอร์ อย่างGeorge Fitzgerald และ Lorentz จึงอนุมานว่าในอีเธอร์ จะทำให้คลื่นสามารถยืดหดระยะทางและเวลาได้ จึงทำให้อัตราเร็วแสงคงที่เป็น c ขึ้นกับอัตราเร็วสัมพัทธ์ ซึ่งในเวลาต่อมาไอสไตน์จะตัดตัวกลางแสงอย่างอีเธอร์ออกไป
ไอสไตน์-สัมพัทธภาพิเศษ
Light's cone
ภาพเบื้องต้นเปรียบเสมือนกราฟที่จะบอกความสัมพันธ์ของปริภูมิเวลา ซึ่งไว้ว่างเดี๋ยวผมจะมาบอกเล่าในภายหลังนะครับ
จากลัการที่ได้กล่าไปในก่อนหน้าถึงอัตราเร็วแสงไอสไตน์จึงได้ตั้งสัจพจน์ของหลักสัมพัทธภาพของตนมา 2 ข้อ คือ 1.กฏฟิสิกส์ต้องถูกต้องในทุกผู้สังเกตุอิสระ และ 2.อัตราเร็วของแสงมีค่าคงที่ ซึ่งต่างจากหลักสัมพัทธภาพของกาลิเลียนที่มี 1 ข้อ คือ กฏการเคลื่อนที่จะป็นจริงเสมอต่อผู้สังเกตุในกรอบอ้างอิงเฉื่อย ซึ่งหลักของทั้ง 2 ต่างกันหลักๆที่ ไอสไตน์จะมองว่าแสงมีอัตราเร็วคงที่ แต่กาลิเลียนจะบอกว่าทุกสิ่งเคลื่อนด้วยอัตราเร็วสัมพัทธ์เพราะทุกอย่างไม่หยุดนิ่ง ซึ่งการที่ไอสไตน์มองแบบนั้นก็เหมือนการตัดภาระในการคิดเหตุผลว่าทำไมแสงถึงไม่เคยถูกวัดให้อัตราเร็วต่างการ ซึ่งเขาเลือกที่จะเชื่อในทฤษฎีของแม็กซ์เวลล์ที่บอกว่าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วคงที่ คือ อัตราเร็วแสงในทุกผู้สังเกตุ และเขาจึงเลือกที่จะตัดกรอบอ้างอิงสมบูรณือย่าง อีเธอร์ ออกโดยให้เหตุผลว่าอะไรที่ไม่สามารถระบุถึงการมีอยู่ของมันได้ก็เหมือนมันไม่มีจริง ซึ่งในหลักสัมพัทธภาพนี้เองจึงสรุปได้ว่าการหยุนิ่งสมบูรณ์และเวลาที่ที่สมบูรณ์ไม่มีอยู่จริง สิ่งที่คงที่ในทุกผู้สังเกตุ คือ อัตราเร็วแสง กล่าวคือ ในแต่ละผู้สังเกตุข้อมูลของเวลา และระยะทางในแต่ละคนจะไม่เท่ากันขึ้นอยู่กับอัตราเร็วสัมพัทธ์ของ 2 กรอบอ้างอิง ซึ่งเราจะเข้าใจอย่างดีจากปัญหาของแฝด2คน
Twins paradox จาก the universe in a nutshell
โดยเมื่อแฝดผู้นึ่งเดินทาออกไปนอกโลกด้วยอัตราเร็วสูงใกล้แสง แมื่อเดินทางกลับมายังโลกจะพบว่าแฝดคนหนึ่งอายุมาก แต่ตนจะรู้สึกว่าเวลาผ่านไปช้า ซึ่งกล่าวคือหากอัตราเร็วสัมพัทธ์ของผู้เคลื่อนที่เร็วมากหรือเคลื่อนที่เวลาของตนจะช้ากว่าผู้สังเกตุที่หยุดนิ่งต่อกรอบตนเอง เราเรียกว่าหลัก Time dilation ตามสมการนี้
สมการtime dilation
แต่นอกจากนี้เราจะพบว่าระยะทางของทั้ง 2 จะไม่เท่ากัน คือ ผู้ที่เคลื่อนที่จะวัดระยะทางได้มากกว่า
ตามสมการ length contraction อารมณ์เวลาเราวิ่งเร็วเท่าเดอะแฟลช เราจะเห็นว่าสิ่งรอบๆยืดออก แต่นอกจากนี้ก็จะมีการที่มวลผู้เคลือ่นที่เปลี่ยนแปลง
แต่จากหลักสัมพัทธภาพพิเศษของไอสไตน์คงไม่มีอะไรยิ่งใหญ่ไปกว่าพลังงานหยุดนิ่ง ที่กล่างถึงพลังงานที่มวลสารสามารถคงอยู่ได้อย่าง
สมการพลังงานหยุดนิ่ง
ซึ่งสมการตัวนี้มาจากสามการเต็มคือพลังงานเชิงสัมพัทธ์
คือพลังงานจลน์ของมวลสาร จะเกิดได้ตามสมการข้างต้นแต่เมื่ออัตราเร็วต่ำ สมการนี้จะกลายเป็น E=1/2 mv2เหมือนที่เราคุ้นเคยนั่นเอง ซึ่งเราจะเน้นไปที่สมการพลังงานหยุดนิ่ง อย่าง E=mc2 ซึ่งมีบทบาทในสงครามโลกครั้งที่ 2 อย่างมาก
ไอสไตน์-สงคราม
Mushroom clound
ซึ่งจาก 1939 ที่ Ruswell ได้ขับเคลื่อนโครงการวิจัยระเบิดนิวเคลียร์ ที่ชื่อว่า Manhatton project ที่ได้ทิ้งระเบิด fat man และ little boy เพื่อจบสงครามโลกที่ ฮิโรชิมา และนางาซากิ ในปี 1945 ซึ่งนำมาซึ่งโศกอนาฏกรรมครั้งยิ่งใหญ่ ซึ่งมีหลายๆฝ่ายออกมาต่อว่าไอสไตน์ว่าเป็นต้นตอ ซึ่งจะว่าไปก็ไม่ถูกทำให้เกิดมุกที่ว่า การที่กล่าวหาว่าไอสไตน์ทำให้เกิดระเบิดปรมณูแค่เพียงพบความสัมพันธ์ของมวลและพลังงาน ก็เหมือนคุณกล่าวหาว่านิวตนทำให้เครื่องบินตกเพียงเพราะเขาพบกฏแรงโน้มถ่วง แล้วถามว่าพลังงานจากระเบินั่นเกิดมาได้อย่างไรมันก็คือการนำนิวตรอนยิงใส่ยูเรเนียม 235 ทำให้นิวเคลียสไม่เสถียรเนื่องจากมวลมาชนทำให้เกิดการแยกออกซึ่งเป็นการปลดเปล่อยพลังงานมหาศาลตาม E=mc2แต่เท่านั้นไม่พอจาการที่เกิดการระบิดของ 1 นิเคลียสก็จะเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชั่นที่ทำให้เกิดการชนไปเป็นลูกโซ่เรื่อยๆทำให้พลังงานยิ่งรุนเเรงเพิ่มมากขึ้นไปหลายเท่าตัว
U235 and nueclear fission
ชีวิตช่วงรุ่งโรจน์
ในเวลาต่อมาในปี 1944 ไอสไตน์ได้เข้ารับหน้าที่ที่สภาวิทยาศาสตร์ที่ปรัสเซีย กรุงเบอร์ลิน แต่ในภายหลังเขาก็ได้อย่าร้างกับภรรยาและได้แต่งงานกับ Elza ซึ่งเป็นญาติห่างๆ
ไอสไตน์-สัมพัทธภาพทั่วไป
Gravitational wave
ไอน์สไตน์ ได้กล่าวว่ามวลของเทหวัตถุอยู่บนแผ่นกาล-อวกาศ แต่ขณะนั้นในปี 1909 ไม่สามารถนำมาอธิบายสภาพความโน้มถ่วงที่เทหวัตถุแต่ละมวลมีผลกระทบต่อกัน ทำให้ปี 1912 ไอสไตน์ ได้กล่าวว่ามวลนั้นไม่เพียงแต่เคลื่อนที่บนแผ่นกาลอวกาศแต่มันทำให้เกิดการยุบของแผ่นกาลอวกาศด้วย ทำให้ความโน้มถ่วงที่เกิดขึ้นไม่เท่ากัน เหมือนลูกเปตองบนผืนผ้าใบ ซึ่งต่อมาไอสไตน์จึงได้พยายามหาคำอธิบายความสัมพันธ์ของ มวล-พลังงาน-อวกาศ-เวลา ซึ่งต่อมาในปี 1915 David Hilbert แห่งมหาวิทยาลัยกอทติงเก้น ได้พบความสัมพันธ์แต่ก็ยกเกียรติให้ไอสไตน์ซึ่งในเวลาต่อมาไอน์สไตน์ได้พยายามหาค่านิจจักรวาลเนื่องจาก สามการของตนมันไม่สามารถอธิบายได้ว่าจักรวาลสถิตไม่เปลี่ยนแปลง ซึ่งเขาก็หาได้แต่ในเวลาต่อมาจากการที่เรารู้ว่าจักรวาลขยายตัวจึงทำให้ค่านิจนี้ไม่จริง ซึ่ง ค่านิจนี้ก็ทำให้ไอสไตน์บอกว่า นี่คือข้อผิดพลาดอย่างมหันต์ของตน แต่ในปัจจุบันก็พบว่าค่านิจขิงไอสไตน์มีอยู่จริงแต่มีค่าน้อยมากๆ แต่แล้วสมการของไอสไตน์ก็ไม่สามารถอธิบายช่วงเริ่มต้นของจักรวาลอย่างบิกแบงได้เนื่องจากในจุดเล็กๆระยะใกล้กันมากๆไม่มีทางที่แรงโน้มถ่วงจะทำให้ทุกอย่างแยกจากกันและหลักสัมพัทธภาพทั่วไปก็ไม่สามารถอธิบายบริเวณ Singularity ของหลุมดำเช่นกัน เนื่องจากเวลาที่ใจกลางหลุมดำมีค่าเป็น 0 ซึ่งไม่สามารถอธิบายการเปลี่ยนแปลงกาลอวกาศได้
ไอสไตน์-ควอนตัม
จากการที่ตนนั้นเป็นผู้ที่ทำให้เกิดหลักแนวคิดควอนตัมจากโฟโต้อิเล็กตริกส์ ซึ่งต่อมา Werner Heisenberg , Paul Dirac,Erwin Schrodinger ได้ร่วมกันพัฒนาหลักควอนตัมอันมีแนวคิดหลักตามความน่าจะเป็นและปริมาณความหนาแน่นของโอกาศในการสังเกตุพฤติกรรมอนุภาคระดับอะตอม ทำให้ไอสไตน์ไม่ชอบใจ เพราะมันคือการบอกว่ากฏฟิสิกส์ไม่สามารถระบุความแน่นอนได้ ซึ่งตนเป็น 1 ในคนที่ไม่เชื่อในแนวคิดนี้และมีประโยคเด็ดที่ว่า "พระเจ้าไม่ทรงทอดลูกเต๋าหรอก"
ไอสไตน์-ช่วงท้าย
ในช่วงท้ายของเขา ในช่วงที่นาซีเรืองอำนาจตนได้ย้ายประเทศและโอนสัญชาติไปอยู่ที่ อเมริกา ในปรินซ์ตัน รัฐนิวเจอร์ซีย์ และหลังจากสงครามโลกยุติตนได้เรียกร้องให้รัฐบาลโลกจัดตั้งองค์กรมาควบคุมระเบิดปรมาณู และหลังจากนั้นตนได้ถูกทาบทามจากอิสรเอลให้ไปดำรงตำแหน่งประธานาธิบดี แต่ไอสไตน์ก็ได้ปฏิเสธ พร้อมกับได้ทิ้งท้ายว่า "การเมืองชั่วขณะ สมการชั่วนิรันดร์".................จบ
โดยในตอนต่อไปเรา จะมาพูดถึงเวลาสิ่งที่ทำให้เกิดความฉงน เนื่องจากขัดต่อสามัญสำนึกของเราอย่างมาก ซึ่งในบทต่อไปจะพูดถึงรูปร่างของเวลามันมีหน้าตาอย่างไร
- 1
ดูเพิ่มเติมในซีรีส์
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2026 Blockdit
