ชวนอ่าน 'ทฤษฎีสัมพัทธภาพ' จากปลายปากกาของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์

Multiverse | บัญชา ธนบุญสมบัติ

ชวนอ่าน ‘ทฤษฎีสัมพัทธภาพ’

จากปลายปากกาของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์

ใครๆ ก็รู้ว่าไอน์สไตน์เป็นอัจฉริยะในทางวิทยาศาสตร์ พูดถึงปุ๊บก็น่าจะคิดถึงผมฟูๆ หนวดนิดๆ อันเป็นเอกลักษณ์ อย่างไรก็ดี ผลงานอันยิ่งใหญ่ของเขาคือ ทฤษฎีสัมพัทธภาพ (Theory of Relativity) นั้น ถ้าต้องการเข้าใจจริงจัง ก็ต้องรู้คณิตศาสตร์มากเพียงพอ

ส่วนคนที่อยากเข้าใจประเด็นสำคัญของทฤษฎีนี้แต่ไม่ได้ชำนาญคณิตศาสตร์ ก็มีบทความ คลิป พอดแคสต์ หนังสือรวมทั้งสื่ออื่นๆ จำนวนมาก (โดยเฉพาะภาษาอังกฤษ) ให้เลือกเสพตามถนัด

ในมติชนสุดสัปดาห์ ผมเคยเขียนภาพรวมไว้ในบทความชื่อ 10 เรื่องน่ารู้ว่าด้วย ‘ทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์’ ตามไปอ่านได้ที่นี่นะครับ https://www.matichon.co.th/weekly/column/article_728986

สำหรับหนังสือภาษาไทยผมเองก็เขียนไว้เล่มหนึ่ง ชื่อ ‘สัมพัทธภาพ สุดยอดมรดกทางความคิดของไอน์สไตน์’ จัดพิมพ์โดยสำนักพิมพ์สารคดี (หนา 480 หน้า) เล่มนี้ถ้านับตั้งแต่แรกซี่งตีพิมพ์ในชื่อ ‘แฟนพันธุ์แท้ไอน์สไตน์’ จัดพิมพ์โดยบริษัท ซีเอ็ดยูเคชั่น จำกัด (มหาชน) ก็ถือได้ว่าพิมพ์ซ้ำมาแล้วถึง 5 ครั้ง แสดงว่ามีคนสนใจทฤษฎีสัมพัทธภาพค่อนข้างจริงจังไม่น้อยเลย

แล้วตัวไอน์สไตน์เองซึ่งเป็นเจ้าของความคิดเคยอธิบายทฤษฎีนี้ให้คนทั่วไปบ้างไหม?

คำตอบคือ เคยครับ ถึงขนาดเขียนเป็นหนังสือเล่มย่อมๆ เลยทีเดียว!

ปกหนังสือ ‘สัมพัทธภาพ ทฤษฎีพลิกโลก’

ไอน์สไตน์นำเสนอทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษในปี ค.ศ.1905 และทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปในเดือนพฤศจิกายน ค.ศ.1915 หลังจากนั้นราว 1 ปีคือ ค.ศ.1916 เขาได้ตีพิมพ์เรียงความขนาดยาวในภาษาเยอรมันเพื่ออธิบายทฤษฎีสัมพัทธภาพให้แก่ผู้ที่ไม่ได้ถนัดคณิตศาสตร์ในเชิงลึกแต่มีความรู้อย่างน้อยระดับชั้นมัธยมปลาย ชื่อของเรียงความนี้คือ ?ber die spezielle und die allgemeine Relativit?tstheorie (ว่าด้วยทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษและทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป)

ต่อมางานเขียนชิ้นนี้ได้รับการแปลเป็นภาษาอังกฤษโดยโรเบิร์ต ดับเบิลยู. ลอว์สัน (Robert W. Lawson) โดยจัดพิมพ์เป็นหนังสือชื่อ Relativity : the Special and the General Theory ตีพิมพ์ครั้งแรกในวันที่ 19 สิงหาคม ค.ศ.1920 และในปีเดียวกันนั้นเองก็ตีพิมพ์เพิ่มอีกอย่างน้อย 2 ครั้ง คือ ครั้งที่สองในเดือนกันยายน และครั้งที่สาม (ไม่ระบุวันที่และเดือนเอาไว้)

ตีพิมพ์ถึง 3 ครั้งติดๆ กันอย่างนี้ แสดงว่าในห้วงเวลานั้นมีคนสนใจหนังสือที่เขียนโดยไอน์สไตน์มากทีเดียว

ถึงตอนนี้มีข่าวดีเล็กๆ ว่าหนังสือเล่มนี้ได้รับการแปลเป็นภาษาไทยแล้ว โดยสำนักพิมพ์ Bookscape ติดต่อผมมาก่อนหน้านี้ เมื่อพิจารณาทั้งหนังสือ ผู้เขียน รวมทั้งสำนักพิมพ์ที่จะจัดพิมพ์เป็นภาษาไทยแล้ว ก็รับงานแปลชิ้นนี้เพราะมั่นใจในคุณภาพของผู้เขียนและสำนักพิมพ์

หนังสือแปลเล่มนี้ผ่านระบบบรรณาธิการอย่างดีเยี่ยม โดยเฉพาะอย่างยิ่งได้บรรณาธิการฝีมือดีคือ คุณนฤมล อิทธิวิวัฒน์ มาช่วยดูแลรายละเอียด มีบรรณาธิการเล่มคือ คุณอนวัช อรรถจินดา และคุณณัฏฐพรรณ เรืองศิรินุสรณ์ ซี่งเป็นบรรณาธิการบริหารก็มาช่วยเป็นบรรณาธิการเล่มด้วยเช่นกัน

ด้วยความที่หนังสือเล่มนี้เป็นหนังสือวิทยาศาสตร์เล่มคลาสสิคระดับโลก ผมจึงอยากจะเล่าภาพรวมไว้สักหน่อย เพื่อให้เข้าใจความคิดแท้ๆ ของเจ้าของทฤษฎีนี้ ทั้งนี้เนื้อหาที่ผมใช้แปลมาจากฉบับตีพิมพ์ครั้งที่สาม

แม้ว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพจะมีกำเนิดมาจากมันสมองของไอน์สไตน์เป็นหลัก แต่รากฐานความรู้ที่ปูทางมาสู่ทฤษฎีนี้เป็นผลงานของยอดฝีมือหลายคน

ไอน์สไตน์มองว่าความสำเร็จของตนเองนั้นเป็นผลลัพธ์สุดท้ายที่เกิดจากการเชื่อมโยงความรู้ทุกอย่างที่มีตามหลักฐานเสริมด้วยความคิดนอกกรอบบางอย่าง เขาจึงแสดงความขอบคุณต่อผลงานของหลายคน เช่น ในคำนำไอน์สไตน์กล่าวถึงแฮ็นดริก โลเรินตส์ (Hendrik Lorentz) หนึ่งในคนที่มีบทบาทสำคัญในการคิดค้นสูตรการแปลงโลเร็นตซ์ (Lorentz transformation) ซึ่งเป็นชุดสมการสำคัญในทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ และแฮร์มันน์ มิงคอฟสกี (Hermann Minkowski) ผู้ถักทอเวลาและอวกาศให้เป็นผืนเดียวที่เรียกว่า ปริภูมิกาลอวกาศ 4 มิติ (4-dimensional spacetime)

ไอน์สไตน์ระบุไว้ในหนังสือว่าเขาจะใช้ภาษาที่เรียบง่าย เพื่อให้ผู้อ่านเข้าใจเนื้อหาได้อย่างชัดเจน และอาจกล่าวถึงบางประเด็นซ้ำหากคิดว่าจำเป็น

หนังสือของไอน์สไตน์มี 3 ภาค ภาคที่หนึ่ง นำเสนอทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ ภาคที่สอง นำเสนอทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ภาคที่สาม นำเสนอแง่มุมบางประการเกี่ยวกับจักรวาลวิทยา โดยมีภาคผนวกลงรายละเอียดในทางเทคนิค

ภาคที่หนึ่ง ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ

เริ่มต้นด้วยอวกาศ เวลาและการเคลื่อนที่ ตามที่เข้าใจกันในฟิสิกส์คลาสสิค (classical physics) และเรขาคณิตแบบคลาสสิค (classical geometry) ความเข้าใจเช่นนี้ตรงกับสามัญสำนึกของคนทั่วไป

จากนั้นไอน์สไตน์จึงนำเสนอหลักสัมพัทธภาพ (principle of relativity) (ในความหมายแบบจำกัด) และกฎการแผ่รังสีของแสงซึ่งวิชาอิเล็กโทรไดนามิกส์มีข้อสรุปว่าอัตราเร็วของแสงในสุญญากาศมีค่าคงที่ ทั้งนี้ หากพิจารณาโดยใช้ฟิสิกส์คลาสสิคก็จะพบว่าสองสิ่งนี้ขัดแย้งกัน

แต่ไอน์สไตน์บอกว่า “ในความเป็นจริงแล้ว ไม่ได้มีความไม่สอดคล้องเข้ากันระหว่างหลักสัมพัทธภาพกับกฎการแผ่ของแสงเลยแม้แต่น้อย และยังเห็นว่าการยึดมั่นต่อกฎทั้งสองข้อนี้อย่างเป็นระบบจะทำให้เราได้ทฤษฎีที่มีตรรกะเคร่งครัด ทฤษฎีนี้ได้รับการขนานนามว่า ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ (special theory of relativity) เพื่อแยกแยะมันออกจากทฤษฎีที่ได้ขยายขอบเขตออกไป ซึ่งเราจะกล่าวถึงภายหลัง”

สิ่งที่ไอน์สไตน์เรียกว่า ‘กฎทั้งสองข้อนี้’ อันได้แก่ (1) หลักสัมพัทธภาพ และ (2) การที่อัตราเร็วของแสงในสุญญากาศมีค่าคงที่ หากใช้ศัพท์แบบเคร่งครัดจะเรียกว่า มูลบท (postulate)

ประเด็นสำคัญยิ่งก็คือ ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษใช้มูลบททั้งสองนี้เป็นรากฐาน

การที่แสงมีอัตราเร็วคงที่ไม่ขึ้นกับแหล่งกำเนิดแสงว่าจะเคลื่อนที่เร็วหรือช้าแค่ไหน และไม่ขึ้นกับผู้สังเกตว่าจะเคลื่อนที่อย่างไร ไม่ว่าวิ่งเข้าหาแสงหรือวิ่งหนีแสง ทำให้ไอน์สไตน์ค้นพบข้อสรุปที่น่าทึ่งและชวนพิศวงหลายอย่าง ได้แก่ สัมพัทธภาพของการเกิดขึ้นพร้อมกัน (Relativity of simultaneity) การหดสั้นของความยาว (Length contraction) และการยืดออกของเวลา (Time dilation)

ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษให้มุมมองใหม่ต่อ ‘เวลา’ และ ‘อัตราเร็วแสง c’ กล่าวคือ เมื่อตีความตามเรขาคณิตของกาล-อวกาศ (space-time) ตามที่แฮร์มันน์ มิงคอฟสกี เสนอไว้ ก็จะพบว่าเวลาเป็นอีกมิติหนึ่ง และอัตราเร็วของแสง c เป็นปริมาณที่เชื่อมเวลาเข้ากับระยะทาง นอกจากนี้ ไอน์สไตน์ยังแสดงให้เห็นถึงที่มาของสมการ E = mc2 อันมีชื่อเสียงของเขาไว้ด้วย

ภาคที่สอง ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป

เริ่มต้นด้วยการเคลื่อนที่แบบมีความเร่งและความโน้มถ่วง ไอน์สไตน์เสนอว่าการที่วัตถุถูกเร่งกับการที่วัตถุอยู่ในสนามความโน้มถ่วงไม่ใช่เพียงแค่ความรู้สึกว่าเหมือนกันเท่านั้น แต่โดยพื้นฐานแล้วทั้งสองอย่างนี้เป็นสิ่งเดียวกัน นี่คือ หลักแห่งความสมมูล (Equivalence Principle) อันเป็นรากฐานของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ซึ่งเป็นทฤษฎีเกี่ยวกับความโน้มถ่วง

ข้อสรุปแรกๆ ที่ไอน์สไตน์ได้จากหลักแห่งความสมมูลก็คือ เป็นไปได้ว่าที่ว่าแสงจะเคลื่อนที่เป็นเส้นโค้งเมื่ออยู่ในสนามความโน้มถ่วง ทั้งนี้เนื่องจากแสงอาจดูเหมือนเคลื่อนที่เป็นแนวโค้งได้เมื่อผู้สังเกตเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร่งสม่ำเสมอ

ไอน์สไตน์ต่อยอดความคิดออกไปอีกโดยพัฒนามโนทัศน์เกี่ยวกับความโค้ง เขาอ้างอิงถึงนักคณิตศาสตร์ที่บุกเบิกเรื่องนี้มาก่อนนั่นคือ คาร์ล ฟรีดิช เกาส์ (Carl Friedrich Gauss) และเล่าเกี่ยวกับพิกัดแบบเกาส์เป็นหัวข้อหนึ่งแยกออกมาต่างหาก

ทั้งนี้ ไอน์สไตน์ได้พัฒนาทฤษฎีความโน้มถ่วงแบบใหม่ขึ้นมาจากความสัมพันธ์ระหว่างความโค้งของกาลอวกาศและการกระจายของสสารและโมเมนตัม โดยนำเสนอผลลัพธ์จากทฤษฎีนี้ไว้สามอย่าง ได้แก่ (1) การทำนายเส้นทางของวงโคจรของดาวพุธรอบดวงอาทิตย์อย่างถูกต้องและแม่นยำ (2) ความเป็นไปได้ที่จะสังเกตเห็นการเบี่ยงโค้งของแสงที่เคลื่อนผ่านเข้าใกล้ขอบของดวงอาทิตย์ และ (3) การที่แสงที่ถูกปลดปล่อยออกจากพื้นผิวของดาวฤกษ์ที่มีมวลมากจะสูญเสียพลังงานไป ส่งผลให้ความยาวคลื่นเพิ่มขึ้นเล็กน้อย

ภาคที่สาม จักรวาลวิทยา

กล่าวถึงแบบจำลองที่ต่อมาเรียกว่า ‘เอกภพแบบไอน์สไตน์ (Einstein Universe)’ ซึ่งตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปมีลักษณะสถิต (static) หมายความว่า เอกภพมีขนาดคงที่ (ไม่หดตัวและไม่ขยายตัว) ไม่มีจุดเริ่มต้นหรือจุดสิ้นสุดในเวลา อีกทั้งยังไร้ขอบเขต (unbounded) แต่มิได้มีขนาดเป็นอนันต์ (not infinite)

ในเอกภพของไอน์สไตน์ ถ้ามีนักเดินทางสักคนออกเดินทางจากโลกโดยเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงไกลออกไปเรื่อยๆ เมื่อเวลาผ่านไปนานพอ เขาจะพบว่าตนเองย้อนกลับมายังโลก แต่จะเป็นฝั่งตรงกันข้ามของโลก

ในภาคผนวกตรงส่วนท้ายของหนังสือ ไอน์สไตน์เสนอ 3 หัวข้อ หัวข้อแรกพิสูจน์สูตรการแปลงโลเร็นตซ์ ส่วนหัวข้อที่สองแสดงให้เห็นว่าเวลาเป็นรูปแบบหนึ่งของระยะทางที่ถูกวัดด้วยตัวเลขเชิงจินตภาพ โดยแฟกเตอร์ที่เปลี่ยนระหว่างหน่วยเมตรกับหน่วยวินาทีไม่ใช่เพียงแค่อัตราเร็วของแสง c แต่เป็นค่า i คูณกับค่า c โดยที่ i คือ รากที่สองของ -1 ซึ่งเป็นจำนวนจินตภาพ

ภาคผนวกหัวข้อสุดท้ายกล่าวถึงปรัชญาวิทยาศาสตร์ที่ว่า การที่ระบุว่าทฤษฎีใหม่หนึ่งๆ ว่าถูกหรือผิดนั้นต้องดูว่าคำทำนายจากทฤษฎีใหม่ดังกล่าวแตกต่างจากคำทำนายของทฤษฎีอื่นที่เป็นคู่แข่งหรือไม่ กล่าวคือ หากผลการสังเกตการณ์ (หรือผลการทดลอง) ยืนยันคำทำนายที่ได้จากเฉพาะทฤษฎีใหม่เท่านั้น ก็ย่อมมีเหตุผลที่เชื่อได้ว่าทฤษฎีใหม่น่าจะถูกต้อง ส่วนทฤษฎีเดิมก็ต้องตกไป

สำหรับหนังสือแปลเล่มนี้ ผมได้เขียน ‘บทความเกริ่นนำ’ ความยาวราว 80 หน้าเป็นของแถม เพื่อให้ภาพรวม ปูพื้นฐานที่จำเป็น เล่าประวัติการกำเนิดทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษและทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป รวมทั้งให้ข้อมูลเกี่ยวกับ Gedankenexperiment หรือการทดลองทางความคิด ซึ่งเป็นหนึ่งในอาวุธทางปัญญาที่ไอน์สไตน์มักใช้เป็นระยะอีกด้วย

ใครสนใจหนังสือคลาสสิคระดับโลกเล่มนี้ อาจเข้าเพจของสำนักพิมพ์ Bookscape หรือไปที่เว็บต่อไปนี้ https://bookscape.co/books/in-stock/science-of-everything/relativity

หากไปงานมหกรรมหนังสือฯ ก็แวะชมได้ที่บูธของสำนักพิมพ์ครับ

อ่านข่าวต้นฉบับได้ที่ : ชวนอ่าน ‘ทฤษฎีสัมพัทธภาพ’ จากปลายปากกาของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์

ติดตามข่าวล่าสุดได้ทุกวัน ที่นี่
– Website : https://www.matichon.co.th/weekly