กำเนิด 'ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป' ตอนที่ 1 : ความคิดที่ทำให้ไอน์สไตน์มีความสุขที่สุดในชีวิต

Multiverse | บัญชา ธนบุญสมบัติ

www.facebook.com/buncha2509

กำเนิด ‘ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป’

ตอนที่ 1 : ความคิดที่ทำให้ไอน์สไตน์มีความสุขที่สุดในชีวิต

ไอน์สไตน์ผลิตผลงานทางวิทยาศาสตร์ไว้มากมาย แต่ผลงานชิ้นเอกที่ยิ่งใหญ่ที่สุด ได้แก่ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (General Relativity) ซึ่งถือกำเนิดเมื่อวันที่ 25 พฤศจิกายน ค.ศ.2015 นั่นคือกว่า 1 ศตวรรษมาแล้ว

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเป็นทฤษฎีเกี่ยวกับความโน้มถ่วงที่ลุ่มลึก ทำให้มนุษย์เข้าใจความลึกลับของธรรมชาติในเรื่องต่างๆ ที่ไม่เคยมีใครรู้มาก่อน เช่น แสงถูกเบี่ยงโค้งได้เมื่อเฉียดเข้าใกล้วัตถุมวลมาก และนาฬิกาในสนามความโน้มถ่วงที่แรงกว่าจะเดินช้าลง ทั้งยังเปิดแง่มุมพิศวงให้วงการวิทยาศาสตร์ได้ศึกษามาจนถึงปัจจุบัน ไม่ว่าหลุมดำ บิ๊กแบง พัฒนาการของเอกภพ และคลื่นความโน้มถ่วง

ไอน์สไตน์เริ่มสร้างชื่อเสียงในวงการฟิสิกส์ในปี ค.ศ.1905 เพราะได้ตีพิมพ์บทความ 4 ฉบับเสนอคำอธิบายและแนวคิดที่ปฏิวัติวงการวิทยาศาสตร์ใน 3 เรื่องหลัก ได้แก่

(1) ข้อพิสูจน์ที่ว่าอะตอมมีอยู่จริง ในบทความเกี่ยวกับการเคลื่อนที่แบบบราวน์

(2) แสงทำตัวเป็นอนุภาคได้ ในบทความอธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก

(3) ทฤษฎีสัมพัทธพิเศษ ในบทความหลักซึ่งเปลี่ยนแปลงความเข้าใจเกี่ยวกับเวลา อวกาศ และการเคลื่อนที่ และในอีกบทความสั้นๆ ซึ่งเขาพิสูจน์ความสัมพันธ์อันลึกซึ้งระหว่างมวลกับพลังงาน

ปี ค.ศ.1905 จึงถือกันว่าเป็น “ปีมหัศจรรย์ของไอน์สไตน์ (Annus Mirabilis – ภาษาละติน แปลว่า Miracle Year)” เหตุเพราะไอน์สไตน์ซึ่งยังทำงานเป็นเสมียนในสำนักงานสิทธิบัตรอายุ 26 ปี ได้ผลิตผลงานสั่นสะเทือนรากฐานของวงการวิทยาศาสตร์ถึง 3 เรื่องในเวลาเพียงแค่ปีเดียว!

แต่กว่าผลงานแห่งชีวิตที่แท้จริงจะถือกำเนิดเต็มรูปแบบก็ต้องรออีก 10 ปีต่อมา คือ ค.ศ.1915

บทความชุดนี้นำเสนอเหตุการณ์หลักผ่านไทม์ไลน์ เพื่อแสดงช่วงเวลาหลักของพัฒนาการทางความคิด รวมทั้งอิทธิพลของคนและเรื่องราวแวดล้อมต่างๆ ที่เกี่ยวข้อง

เส้นทางสู่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเริ่มต้นขึ้นในปี ค.ศ.1907 ดังนี้

ค.ศ.1907-1908 : ไอน์สไตน์ยังคงทำงานที่สำนักงานสิทธิบัตร เขาได้รับเชิญจากโยฮันเนิส สตาร์ก (Johannes Stark) บรรณาธิการใหญ่ของวารสาร Jahrbuch der Radioaktivit?t und Elektronik (Yearbook of Radioactivity and Electronics – หนังสือประจำปีเกี่ยวกับกัมมันตภาพรังสีและอิเล็กทรอนิกส์) ให้เขียนบทความเชิงปริทัศน์เพื่ออธิบายทฤษฎีสัมพัทธภาพ

บทความของไอน์สไตน์มีชื่อในภาษาเยอรมันคือ ?ber das Relativit?tsprinzip und die aus demselben gezogenen Folgerungen (On the Relativity Principle and the Conclusions Drawn from It – ว่าด้วยหลักสัมพัทธภาพและข้อสรุปที่ได้จากหลักการนี้) ซึ่งเขาส่งต้นฉบับไปเมื่อวันที่ 4 ธันวาคม ค.ศ.1907 และตีพิมพ์ในวารสารดังกล่าวฉบับวันที่ 22 มกราคม ค.ศ.1908

บทความนี้นักฟิสิกส์และนักประวัติศาสตร์ของวิทยาศาสตร์บางท่าน เช่น ศาสตราจารย์พิศิษฐ์จอห์น ดี นอร์ตัน (Distinguished Professor John D. Norton) ถือว่าเป็นก้าวแรกที่สำคัญบนเส้นทางการพัฒนาทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์เลยทีเดียว สนใจประเด็นนี้ขอแนะนำเว็บของท่านตรงนี้นะครับ (หัวข้อ The Starting Point)

https://sites.pitt.edu/~jdnorton/teaching/HPS_0410/chapters/general_relativity_pathway/index.html

เนื่องจากทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษเสนอแนวคิดใหม่เกี่ยวกับอวกาศและเวลา (space and time) ซึ่งเป็นพื้นฐานของฟิสิกส์ทุกทฤษฎี แปลว่า ฟิสิกส์ทุกสาขาจะต้องสอดคล้องกับทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ (ภายใต้เงื่อนไขของทฤษฎีนี้)

ไอน์สไตน์พบวิชาอิเล็กโทรไดนามิกส์เข้ากับทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษได้ จึงไม่ต้องปรับเปลี่ยนอะไร วิชากลศาสตร์ต้องปรับแนวคิดใหม่เกี่ยวกับมวล โมเมนตัมและพลังงาน ส่วนวิชาเทอร์โมไดนามิกส์ ไอน์สไตน์ได้เสนอแนวทางคร่าวๆ ในการปรับปรุง

เขายังพบด้วยว่าทฤษฎีความโน้มถ่วงของนิวตันมีแนวคิดสำคัญบางอย่างไม่สอดคล้องกับทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ เช่น แรงโน้มถ่วงแบบนิวตันจะกระทำในลักษณะทันทีทันใด (action at a distance) อันเป็นแนวคิดที่อ้างอิงกับแนวคิด ‘การเกิดขึ้นพร้อมกันโดยสัมบูรณ์ (absolute simultaneity)’

ในขณะที่ทฤษฎีสัมพัทธพิเศษละทิ้งแนวคิดการเกิดขึ้นพร้อมกันโดยสัมบูรณ์ (absolute simultaneity) แต่นำเสนอแนวคิด ‘สัมพัทธภาพของการเกิดขึ้นพร้อมกัน (relativity of simultaneity)’ แทน

นั่นหมายความว่า ทฤษฎีความโน้มถ่วงต้องได้รับการปรับปรุง!

แต่จุดสำคัญคือ ไอน์สไตน์พบว่าการปรับปรุงทฤษฎีความโน้มถ่วงของนิวตันไม่อาจทำภายใต้กรอบของทฤษฎีทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษที่มีอยู่

ในบทความเชิงปริทัศน์ดังกล่าว ไอน์สไตน์ยังนำเสนอ “หลักแห่งความสมมูล (principle of equivalence)” ซึ่งพูดแบบคร่าวๆ ได้ว่า ความเร่งกับความโน้มถ่วงให้ผลเทียบเท่ากัน

ต่อมาภายหลังไอน์สไตน์เล่าถึงชั่วขณะที่เขาค้นพบหลักแห่งความสมมูลไว้ว่า

“ขณะที่ผมกำลังนั่งอยู่บนเก้าอี้ในที่ทำงานของสำนักงานจดสิทธิบัตรในกรุงเบิร์น ก็เกิดความคิดแวบขึ้นมาในสมองว่า ถ้าใครกำลังร่วงหล่นลงมาอย่างอิสระ เขาจะไม่รู้สึกถึงน้ำหนักตัวของเขาเอง”

ต่อมาเขาเรียกความคิด ณ ห้วงเวลานั้นว่า “ความคิดที่ทำให้มีความสุขที่สุดในชีวิต”

ในบทความเชิงปริทัศน์ข้างต้น ไอน์สไตน์ยังทำนายว่าความโน้มถ่วงทำให้เวลาเดินช้าลงอีกด้วย ซึ่งต่อมานักฟิสิกส์เรียกว่า การยืดออกของเวลาอันเนื่องมาจากความโน้มถ่วง (gravitational time dilation)

ค.ศ.1908-1910 : การพัฒนาทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ยังไม่ค่อยก้าวหน้ามากนัก ส่วนหนึ่งเป็นเพราะเขายังไม่พบกรอบคณิตศาสตร์ที่เหมาะสม ทั้งนี้ ในช่วงเวลานี้เขาให้เวลากับทฤษฎีควอนตัมค่อนข้างมาก

มิถุนายน ค.ศ.1911 : ไอน์สไตน์ตีพิมพ์บทความชื่อ ?ber den Einflu? der Schwerkraft auf die Ausbreitung des Lichtes ในวารสาร Annalen der Physik ชื่อบทความนี้แปลว่า On the Influence of Gravity on the Propagation of Light (ว่าด้วยอิทธิพลของความโน้มถ่วงต่อการแผ่ของแสง) บทความนี้เสนอ ‘การทดลองในความคิด’ ที่ว่า ผู้สังเกตที่อยู่ในกล่องปิดที่ถูกเร่งอย่างสม่ำเสมอจะรู้สึกเสมือนหนึ่งอยู่ในสนามความโน้มถ่วง

เรื่องการทดลองในความคิด หรือที่เรียกว่า Gedankenexperiment ในภาษาเยอรมันนี้ ผมเคยเล่าไว้แล้วในบทความเรื่อง การทดลองในความคิด สุดยอด ‘อาวุธ’ ของไอน์สไตน์ อ่านได้ที่

‘การทดลองในความคิด’ สุดยอด ‘อาวุธ’ ของไอน์สไตน์ | บัญชา ธนบุญสมบัติ

หรือหากต้องการชมเป็นคลิป ผมก็เล่าพร้อมภาพประกอบมากมายในรายการ Eureka ที่

ในบทความ ‘ว่าด้วยอิทธิพลของความโน้มถ่วงต่อการแผ่ของแสง’ ไอน์สไตน์เสนอว่านาฬิกาที่อยู่ในสนามความโน้มถ่วงที่แรงกว่าจะเดินช้าลง เมื่อเทียบกับนาฬิกาซึ่งอยู่ในสนามความโน้มถ่วงที่อ่อนกว่า

นอกจากนี้ เขายังเสนอว่าแสงอาจถูกเบี่ยงโค้งได้เมื่อเคลื่อนที่เฉียดดวงอาทิตย์ แต่ค่าที่เขาคำนวณคือ 0.83 พิลิปดา ซึ่งได้น้อยกว่าค่าที่เกิดขึ้นจริงราว 2 เท่า ต้องรอให้คิดทฤษฎีได้อย่างสมบูรณ์เสียก่อนในเดือน พฤศจิกายน ค.ศ.1915 จึงจะคำนวณค่าออกมาอย่างถูกต้อง

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปมีพัฒนาการต่อจากนี้อย่างไร โปรดติดตามตอนต่อไปได้ครับ!

https://twitter.com/matichonweekly/status/1552197630306177024

อ่านข่าวต้นฉบับได้ที่ : กำเนิด ‘ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป’ ตอนที่ 1 : ความคิดที่ทำให้ไอน์สไตน์มีความสุขที่สุดในชีวิต

ติดตามข่าวล่าสุดได้ทุกวัน ที่นี่
– Website : https://www.matichonweekly.com