กำเนิด 'ทฤษฎีสัมพัทธภาพ' (1)
แนวคิดฟิสิกส์อย่างหนึ่งที่มักถูกอ้างถึงเนืองๆ ไม่ว่าจะในภาพยนตร์ นิยาย หรือแม้แต่ละครไทย (เช่น พรหมลิขิต) ก็คือ ทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ ในบทความชุดนี้ผมจึงขอนำเสนอรากความคิด บุคคล และเหตุการณ์สำคัญต่างๆ ที่มีส่วนทำให้ทฤษฎีนี้ถือกำเนิดขึ้นมาครับ (ปีต่างๆ จะอิงตาม ค.ศ. เพื่อให้เทียบกับแหล่งข้อมูลสากลได้ง่าย)
ย้อนเวลากลับไปยังช่วงปลายคริสต์ศตวรรษที่ 19 ต่อต้นคริสต์ศตวรรษที่ 20…
ในห้วงเวลานั้นมีการค้นพบปรากฏการณ์หลายอย่างที่อธิบายไม่ได้ด้วยองค์ความรู้ที่มีอยู่ การไขปมปริศนาต่างๆ ได้นำไปสู่การปฏิวัติในวงการฟิสิกส์ เกิดเป็นทฤษฎีสำคัญขึ้นมา 2 ทิศทางใหญ่ ได้แก่ ทฤษฎีสัมพัทธภาพและกลศาสตร์ควอนตัม
ทิศทางแรก เริ่มจากปริศนา 2 เรื่องเกี่ยวกับแสง เรื่องแรกเริ่มจากความเชื่อที่ว่าแสงเป็นคลื่น ดังนั้น จึงควรจะมีตัวกลางในการส่งผ่านแสง คล้ายๆ กับคลื่นน้ำคือการกระเพื่อมของน้ำ และคลื่นเสียงคือการกระเพื่อมของอากาศ
แต่ความพยายามตรวจจับตัวกลางของแสงกลับล้มเหลว!
ส่วนอีกเรื่องคือการที่ทฤษฎีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทำนายว่าแสงมีความเร็วคงที่เสมอในสุญญากาศ ซึ่งขัดกับแนวคิดในกลศาสตร์ของนิวตันอย่างชัดเจน
ไอน์สไตน์เป็นผู้ที่ไขปริศนานี้สำเร็จ เกิด ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ (Special Relativity) ขึ้นในปี 1905
ต่อมาเขาขยายขอบเขตของทฤษฎีจนครอบคลุมความโน้มถ่วงกลายเป็น ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (General Relativity) ในปี 1915
ทั้งสองทฤษฎีนี้เรียกรวมกันว่า ทฤษฎีสัมพัทธภาพ (Relativity หรือ Theory of Relativity)
ผมเคยให้ภาพรวมของทฤษฎีสัมพัทธภาพไว้แล้ว สามารถอ่านได้จากบทความ 10 เรื่องน่ารู้เกี่ยวกับทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ ที่
ส่วนทิศทางที่ 2 เริ่มจากปรากฏการณ์ชวนฉงนหลายอย่างที่เกี่ยวข้องกับแสง อะตอม และอิเล็กตรอน เช่น
เราจะอธิบายการแผ่รังสีของวัตถุดำ (black body) ให้ถูกต้องสำหรับอุณหภูมิทุกค่าและความยาวคลื่นแสงทุกช่วงได้อย่างไร?
เหตุใดโลหะจึงปลดปล่อยอิเล็กตรอนออกมาเมื่อแสงที่ตกกระทบมีความถี่สูงเกินค่าๆ หนึ่งเท่านั้น?
เหตุใดอิเล็กตรอนในอะตอมจึงไม่ถูกนิวเคลียสดูดเข้าไปทั้งๆ ที่อิเล็กตรอนมีประจุลบและนิวเคลียสมีประจุบวก?
ฯลฯ
ความพยายามในการไขปมปริศนาเหล่านี้ได้นำไปสู่การพัฒนา กลศาสตร์ควอนตัม (Quantum Mechanics) โดยการก้าวกระโดดครั้งใหญ่เกิดขึ้นในปี 1925
ผมเคยให้ภาพรวมของทฤษฎีควอนตัมเอาไว้ อ่านได้จากบทความ 10 เรื่องน่ารู้เกี่ยวกับทฤษฎีควอนตัม ได้ที่
น่ารู้ด้วยว่าก่อนที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพและกลศาสตร์ควอนตัมจะถือกำเนิดขึ้นนั้น ฟิสิกส์ประกอบด้วยสาขาหลัก ได้แก่ กลศาสตร์ (Mechanics), แม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetism), ทัศนศาสตร์ (Optics), อุณหพลศาสตร์ (Thermodynamics) และ กลศาสตร์เชิงสถิติ (Statistical Mechanics)
สาขาหลักที่ว่ามานี้ต่อมาเหมารวมเรียกว่า ฟิสิกส์คลาสสิค (classical physics)
วงการฟิสิกส์ใช้คำว่า ‘ฟิสิกส์คลาสสิค’ ก็เพื่อให้แตกต่างจากฟิสิกส์ยุคใหม่ (modern physics) ซึ่งมีกระบวนทัศน์ (paradigm) ที่แตกต่างไปจากฟิสิกส์คลาสสิคอย่างถึงแก่น
ทั้งนี้ นักฟิสิกส์ส่วนใหญ่ถือว่าทั้งทฤษฎีสัมพัทธภาพและกลศาสตร์ควอนตัมจัดเป็น 2 เสาหลักของฟิสิกส์ยุคใหม่
เนื่องจากทฤษฎีสัมพัทธภาพให้มุมมองใหม่ที่ลึกซึ้งอย่างยิ่งเกี่ยวกับอวกาศ (space) เวลา (time) มวล (mass) พลังงาน (energy) และความโน้มถ่วง (gravitation)
ส่วนกลศาสตร์ควอนตัมก็ให้มุมมองใหม่เกี่ยวกับนิยัตินิยม (determinism) และความน่าจะเป็น (probability) ทวิภาพของคลื่น-อนุภาค (wave-particle duality) และควอนไทเซชั่น (quantization)
เจอพวกศัพท์เฉพาะทางยากๆ ที่วงเล็บภาษาอังกฤษไว้นี่ ไม่ต้องตกใจนะครับ ผมเขียนไว้ให้ผ่านตากันก่อน เอาไว้จะค่อยๆ คลี่ความหมายของแต่ละอย่างเมื่อพูดถึงอีกที
มีข้อสังเกตเล็กๆ ว่านักฟิสิกส์บางคนใช้เกณฑ์ว่าฟิสิกส์ยุคใหม่ต้องมีหลักการทางควอนตัมร่วมด้วยเท่านั้น ดังนั้น หากยึดตามเกณฑ์นี้ก็จะถือว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพจัดเป็นฟิสิกส์คลาสสิค (แต่แนวคิดนี้ไม่ใช่กระแสหลักครับ)
ก่อนจะพูดถึงประวัติของทฤษฎีสัมพัทธภาพ ขอเล่าเรื่องน่ารู้เกี่ยวกับไอน์สไตน์สักนิด นั่นคือ ปี 1905
ไอน์สไตน์เริ่มสร้างชื่อเสียงในวงการฟิสิกส์ในปี 1905 เพราะตีพิมพ์บทความวิจัย 4 ฉบับนำเสนอแนวคิดที่ปฏิวัติวงการฟิสิกส์ใน 3 เรื่องหลัก ได้แก่
หนึ่ง – ข้อพิสูจน์ที่ว่าอะตอมมีอยู่จริง ผ่านบทความเกี่ยวกับการเคลื่อนที่แบบบราวน์ (Brownian Motion)
สอง – แสงทำตัวเป็นอนุภาคได้ ผ่านบทความอธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก (Photoelectric Effect)
สาม – ทฤษฎีสัมพัทธพิเศษ (Special Relativity) ผ่านบทความชื่อ ‘ว่าด้วยอิเล็กโทรไดนามิกส์ของวัตถุซึ่งกำลังเคลื่อนที่’ และอีกบทความสั้นๆ ซึ่งไอน์สไตน์พิสูจน์สูตร E = m คูณ c ยกกำลัง 2 (แต่ไอน์สไตน์ใช้สัญลักษณ์แบบอื่น)
วงการวิทยาศาสตร์จึงถือกันว่าปี 1905 เป็น ‘Annuls Mirabilis’ ซึ่งเป็นภาษาละติน หมายถึง Miracle Year หรือ ‘ปีมหัศจรรย์’ ของไอน์สไตน์
ลองคิดดูก็น่าทึ่งดีนะครับ เพราะในปีนั้นเขามีอายุเพียง 26 ปี ทำงานเป็นเสมียนในสำนักงานสิทธิบัตร แต่สามารถผลิตผลงานเขย่ารากฐานของฟิสิกส์จนสั่นสะเทือนถึง 3 เรื่อง!
กำเนิดทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ
ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษเป็นทฤษฎีที่ปฏิวัติความเข้าใจของเราเกี่ยวกับอวกาศ เวลา การเคลื่อนที่ รวมทั้งความสัมพันธ์ระหว่างมวลและพลังงาน
ทฤษฎีนี้เสนอโดยอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ในปี 1905 และเกิดขึ้นจากข้อขัดแย้งภายในตัววิชาฟิสิกส์คลาสสิคเอง
กล่าวคือ กลศาสตร์นิวตัน (Newtonian mechanics) ไม่ลงรอยกับทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งพัฒนาโดยเจมส์ เคลิร์ก แมกซ์เวลล์
ทั้งนี้ ข้อขัดแย้งที่สำคัญข้อหนึ่งคือ อัตราเร็วของแสง (speed of light)
กลศาสตร์นิวตันทำนายว่าอัตราเร็วของแสงในสุญญากาศจะขึ้นอยู่กับความเร็วของแหล่งกำเนิดแสงและความเร็วของผู้สังเกต ตัวอย่างเช่น หากผู้สังเกตเคลื่อนที่เข้าหาแหล่งกำเนิดแสง ก็จะเห็นว่าแสงมีอัตราเร็วเพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับตอนที่เขาอยู่นิ่งๆ
การที่คำทำนายเป็นเช่นนี้เนื่องจากกลศาสตร์นิวตันใช้การแปลงแบบกาลิเลอี (Galilean transformation) ซึ่งมีกฎการรวมความเร็วที่ทั้งง่ายและตรงกับสามัญสำนึกของคนเรา
ตัวอย่างชัดๆ เช่น หากรถยนต์ 2 คัน พุ่งเข้าหากัน คันหนึ่งวิ่งเร็ว 60 กิโลเมตรต่อชั่วโมง ส่วนอีกคันวิ่งเร็ว 70 กิโลเมตรต่อชั่วโมง…
ดังนั้น คนนั่งในรถแต่ละคันก็จะเห็นว่ารถอีกคันหนึ่งพุ่งเข้าหาตนเองด้วยอัตราเร็ว (60 + 70) กิโลเมตรต่อชั่วโมง = 130 กิโลเมตรต่อชั่วโมง คือ จับตัวเลขมาบวกกันง่ายๆ ตรงไปตรงมา
อย่างไรก็ดี ทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าของแมกซ์เวลล์ทำนายว่า อัตราเร็วของแสงในสุญญากาศมีค่าคงที่เสมอ!
ทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าจึงบ่งเป็นนัยว่าอัตราเร็วของแสงที่วัดได้ไม่ขึ้นกับความเร็วของแหล่งกำเนิดแสง และยังไม่ขึ้นกับความเร็วของผู้สังเกตอีกด้วย
แปลว่าอะไร?
แปลว่า หากมีแสงจากแหล่งกำเนิดพุ่งเข้าหาเรา…
หากเราจะอยู่นิ่งๆ เราก็จะวัดอัตราเร็วของแสงได้ค่าๆ หนึ่ง เรียกว่า c ก็แล้วกัน
หากเราจะเคลื่อนที่เข้าหา (หรือหนีออกจาก) แหล่งกำเนิดแสง เราก็จะวัดอัตราเร็วได้ค่า c เดียวกัน
หรือแม้ว่าแหล่งกำเนิดแสงเคลื่อนที่เข้าหา (หรือหนีออกจาก) เรา เราก็จะวัดอัตราเร็วของแสงได้ค่า c เดียวกันนี้อีก
นั่นคือ ไม่ว่ากรณีใด เราจะวัดอัตราเร็วของแสงได้ค่า c เดียวกันเปี๊ยบ!
นี่เองที่ทั้งขัดกับสามัญสำนึก และขัดกับคำทำนายของกลศาสตร์นิวตันอย่างจัง
เรื่องราวจะคลี่คลายไปอย่างไร ชวนติดตามบทความครั้งต่อไปครับ!
https://twitter.com/matichonweekly/status/1552197630306177024
อ่านข่าวต้นฉบับได้ที่ : กำเนิด ‘ทฤษฎีสัมพัทธภาพ’ (1)
ติดตามข่าวล่าสุดได้ทุกวัน ที่นี่
– Website : https://www.matichonweekly.com