กำเนิด 'ทฤษฎีสัมพัทธภาพ' (3)
Multiverse | บัญชา ธนบุญสมบัติ
www.facebook.com/buncha2509
กำเนิด ‘ทฤษฎีสัมพัทธภาพ’ (3)
ในบทความสองตอนแรกผมเล่าเกี่ยวกับอัตราเร็วของแสงและทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าไปแล้ว ทั้งสองประเด็นนี้มีส่วนสำคัญในการถือกำเนิดของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ คราวนี้มาดูรายละเอียดที่ควรรู้กันต่อครับ
ชื่อบทความแรกอันเป็นต้นกำเนิดของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ
บทความวิจัยของไอน์สไตน์ที่นำเสนอทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษเป็นครั้งแรกในปี 1905 มีชื่อในภาษาเยอรมันคือ Zur Elektrodynamik bewegter K?rper แปลเป็นภาษาอังกฤษคือ On the Electrodynamics of Moving Bodies หรือ ว่าด้วยอิเล็กโทรไดนามิกส์ของวัตถุซึ่งกำลังเคลื่อนที่
บทความนี้มีแง่มุมน่าสนใจเนื่องจากไอน์สไตน์ใช้คำว่า ‘อิเล็กโทรไดนามิกส์’ ในชื่อของบทความ
ตามนิยามในปัจจุบัน วิชาอิเล็กโทรไดนามิกส์ (electrodynamics) เป็นสาขาหนึ่งของทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetism) ซึ่งเน้นศึกษาไปที่การเคลื่อนที่ หรือ ‘พลศาสตร์ (dynamics)’ ของวัตถุที่มีประจุไฟฟ้า
แต่ถ้าไปดูตัวบทความดังกล่าวจะพบว่าไอน์สไตน์ไม่ได้พิจารณาวัตถุที่มีประจุไฟฟ้าซึ่งกำลังเคลื่อนที่แต่อย่างใด
คำถามคือ แล้วเหตุใดไอน์สไตน์ถึงเลือกใช้คำว่า ‘อิเล็กโทรไดนามิกส์’ ในชื่อบทความ?
คำตอบคือ คำว่า ‘อิเล็กโทรไดนามิกส์’ ที่ไอน์สไตน์ใช้ในขณะนั้นมีความหมายครอบคลุมกว้างกว่าการศึกษาเฉพาะวัตถุมีประจุไฟฟ้าซึ่งกำลังเคลื่อนที่ แต่หมายรวมถึงการศึกษาในภาพกว้างเกี่ยวกับว่าสนามแม่เหล็กไฟฟ้ามีพฤติกรรมกับเกิดอันตรกิริยากับสสารอย่างไร รวมทั้งแง่มุมที่ว่าพฤติกรรมเหล่านี้เปลี่ยนแปลงไปอย่างไรเมื่อเงื่อนไขแตกต่างออกไป เช่น มีการเคลื่อนที่เข้ามาเกี่ยวข้อง
บทความของไอน์สไตน์มีเป้าหมายที่ผสานกฎของอิเล็กโทรไดนามิกส์ (ซึ่งก็คือ สมการของแมกซ์เวลล์) เข้ากับหลักสัมพัทธภาพ (Principle of Relativity) ซึ่งกล่าวว่ากฎทางฟิสิกส์มีรูปแบบเดียวกับสำหรับผู้สังเกตทุกคนซึ่งกำลังเคลื่อนที่อย่างสม่ำเสมอ (น่ารู้ด้วยว่าหลักสัมพัทธภาพตามข้อความที่ให้ไว้ตรงนี้ใช้ได้กับทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษเท่านั้น)
แนวคิดเรื่อง ‘อีเทอร์’ ในฐานะตัวกลางของแสง และการทดลองของไมเคิลสัน-มอร์ลีย์
อีกประเด็นหนึ่งซึ่งเกี่ยวข้องกับการกำเนิดทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษโดยตรงคือ อีเทอร์ (aether) เรื่องราวของอีเทอร์มาจากการที่นักฟิสิกส์เชื่อว่าคลื่นทุกชนิดต้องมีตัวกลางในการเคลื่อนที่ อย่างเช่น
คลื่นน้ำคือการกระเพื่อมของน้ำ นั่นคือ คลื่นน้ำมีน้ำเป็นตัวกลาง
คลื่นเสียงคือการกระเพื่อมของอากาศ นั่นคือ คลื่นเสียงมีอากาศเป็นตัวกลาง
ดังนั้น ในเมื่อเชื่อว่าแสงเป็นคลื่น จึงเลี่ยงไม่ได้ที่นักฟิสิกส์จะเชื่อว่าแสงน่าจะมีตัวกลางด้วยเช่นกัน คำว่า ‘อีเทอร์’ เป็นคำที่นักฟิสิกส์ใช้เรียกสิ่งที่เชื่อว่าเป็นตัวกลางของแสงนั่นเอง
จริงๆ แล้วคำว่าอีเทอร์มีมานานแล้วนับแต่สมัยกรีกโบราณ โดยถือว่าอีเทอร์เป็นธาตุพื้นฐานที่ 5 นอกเหนือไปจากธาตุพื้นฐานอีก 4 ธาตุ ได้แก่ ดิน น้ำ อากาศ และไฟ
แต่ถ้าเป็นวิทยาศาสตร์สมัยใหม่ ก็นับเริ่มต้นที่ศตวรรษที่ 17 เมื่อคริสตียาน เฮยเคินส์ (Christiaan Huygens) ผู้สนับสนุนทฤษฎีคลื่นแสง ตีพิมพ์ผลงานของเขาชื่อ Treatise on Light (ตำราว่าด้วยแสง) ในปี 1690
เฮยเคินส์นำเสนอแนวคิดเกี่ยวกับ ‘อีเทอร์พยุงแสง (luminiferous aether)’ อย่างชัดเจนในตำราของเขา โดยเสนอว่าอีเทอร์เป็นตัวกลางที่ทำให้คลื่นแสงสามารถแพร่กระจายออกไป
คำว่า luminiferous ประกอบด้วยคำ 2 คำคือ lumin มาจากคำว่า lumen ในภาษาละติน หมายถึง แสง และ ferous ซึ่งมาจากคำกริยา ferre ในภาษาละติน หมายถึง แบก พยุง หรือรองรับ
ในช่วงศตวรรษที่ 19 ความเชื่อที่ว่าอีเทอร์เป็นตัวกลางในการส่งผ่านแสงเป็นความเชื่อกระแสหลัก จึงมีความพยายามหลายครั้งในการทำการทดลองที่เกี่ยวข้องกับอีเทอร์
ทั้งนี้ การทดลองที่สำคัญและมีชื่อเสียงที่สุดเกี่ยวกับอีเทอร์ คือ การทดลองของไมเคิลสัน-มอร์ลีย์ (Michelson-Morley experiment)
การทดลองนี้มีเป้าหมายหลักคือ ตรวจวัดการเคลื่อนที่ของโลกผ่านอีเทอร์ (เนื่องจากเชื่อว่ามีอีเทอร์!) เพราะว่าเมื่อโลกที่เคลื่อนที่ผ่านอีเทอร์ซึ่งอยู่นิ่งในอวกาศ จึงควรเกิดปรากฏการณ์คล้ายกับ “ลมปะทะ” ในทำนองเดียวกับการที่เราปะทะกับลมขณะเคลื่อนไปข้างหน้า ปรากฏการณ์ดังกล่าวนี้เรียกว่า ลมอีเทอร์ (aether wind)
การทดลองของไมเคิลสัน-มอร์ลีย์ต้องการตรวจจับลมอีเทอร์นี้โดยการวัดความเร็วของแสงในทิศทางที่ต่างกัน โดยคาดว่าแสงที่เดินทางไปกับลมอีเทอร์จะเคลื่อนที่เร็วกว่าแสงที่เดินทางทวนลมอีเทอร์เล็กน้อย
แต่ทว่า ผลการทดลองกลับไม่พบความแตกต่างดังกล่าว หรือบางครั้นนักฟิสิกส์พูดว่า การทดลองของไมเคิลสันและมอร์ลียได้ ผลลัพธ์แบบว่างเปล่า (null results)
ผลลัพธ์แบบว่างเปล่านี้ทำให้บรรดานักฟิสิกส์ตอบสนองแตกต่างกันไป!
บางคนรู้สึกประหลาดใจและไม่เชื่อ เนื่องจากทฤษฎีที่แพร่หลายในขณะนั้นขึ้นอยู่กับการมีอยู่จริงของอีเทอร์ ผลลัพธ์แบบว่างเปล่าขัดแย้งโดยตรงกับความคาดหวังที่จะตรวจจับการเคลื่อนที่ของโลกผ่านอีเทอร์
บางคนพยายามหาคำอธิบายทางเลือก เช่น จอร์จ ฟิตซ์เจอรัลด์ (George Fitzgerald) เสนอว่าผลการทดลองของไมเคิลสัน-มอร์ลีย์ อาจอธิบายได้ด้วยสมมุติฐานว่าวัตถุเกิดการหดตัวในทิศทางเดียวกันกับการเคลื่อนที่ (ประเด็นนี้มีแง่มุมน่าสนใจอย่างยิ่ง ซึ่งจะเล่าในตอนต่อไป)
บางคนก็พยายามปรับปรุงการทดลอง กล่าวคือ ไมเคิลสันกับมอร์ลีย์ได้ทำการทดลองซ้ำอีกด้วยความแม่นยำที่สูงขึ้น โดยหวังว่าจะตรวจพบผลลัพธ์ในเชิงบวก กล่าวคือตรวจจับความแตกต่างที่เกิดจากลมอีเทอร์ได้
แต่คนที่ทำให้เกิดความก้าวหน้าอย่างแท้จริงในที่สุดก็คือ ไอน์สไตน์ ซึ่งละทิ้งแนวคิดเกี่ยวกับอีเทอร์ จนนำไปสู่การพัฒนาทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษในปี 1905
การกำเนิดทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษยังมีเรื่องราวน่ารู้ ชวนติดตามได้ในบทความตอนต่อไปครับ!
https://twitter.com/matichonweekly/status/1552197630306177024
อ่านข่าวต้นฉบับได้ที่ : กำเนิด ‘ทฤษฎีสัมพัทธภาพ’ (3)
ติดตามข่าวล่าสุดได้ทุกวัน ที่นี่
– Website : https://www.matichonweekly.com