ช่วงหลังๆ เริ่มกลับมาศึกษา “ทฤษฎีสัมพัทธภาพ” (theory of relativity) ในเชิงลึกอีกครั้ง (นับจากที่เคยเรียนในวิชาฟิสิกส์) โดยเริ่มอ่านตัวข้อเสนอต้นฉบับของไอน์สไตน์ ซึ่งสำนักพิมพ์ Bookscape เพิ่งนำมาแปลเป็นภาษาไทยเป็นครั้งแรก และได้ อ.บัญชา ธนบุญสมบัติ เขียนบทอธิบายเป็นภาษาเข้าใจง่ายๆ ไว้ได้อย่างยอดเยี่ยมด้วย
ความสำคัญของ ทฤษฎีสัมพัทธภาพ เป็นการ “กลับมุมคิด” ของแนวคิดเรื่องเวลาและอวกาศ (space and time) ซึ่งแหวกวิธีคิดแบบฟิสิกส์ดั้งเดิม (Newtonian physics) ไปอย่างมาก การพลิกวิธีคิดของไอน์สไตน์ถือว่าแหกทุกกฎดั้งเดิม แต่ช่วยให้เราสามารถอธิบายปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์ได้อย่างถูกต้อง
ในเปเปอร์ฉบับแรกของไอน์สไตน์ปี 1905 (ภายหลังเรียกกันว่า ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ special relativity ก่อนขยายเป็น ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป general relativity ในปี 1915) เขาได้เสนอ “มูลบท” (postulate) หรือฐานคิดแบบใหม่ ที่ขัดแย้งกับฟิสิกส์แบบดั้งเดิม 2 ข้อ คือ
- หลักสัมพัทธภาพ (principle of relativity) ที่บอกว่า กฎของฟิสิกส์จะเหมือนกัน สำหรับผู้สังเกตการณ์ใดๆ ที่เคลื่อนที่สม่ำเสมอสัมพัทธ์กัน
- ความเร็วแสงจะเท่ากันเสมอ ไม่ว่าจะสังเกตจากที่ไหน และไม่เกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของผู้สังเกตด้วย
โพสต์นี้จะสนใจเฉพาะข้อ 2 ที่ว่า ความเร็วแสงในสุญญากาศ (c) จะเท่ากันเสมอในทุกกรณี ซึ่งขัดแย้งสามัญสำนึก รวมถึงขัดแย้งกับฟิสิกส์แบบนิวตันเรื่อง “ความเร็วสัมพัทธ์” คนที่กำลังเคลื่อนที่อยู่จะสังเกตเห็นวัตถุวิ่งเร็วหรือช้ากว่าคนที่ยืนอยู่นิ่งๆ
หลายคน (รวมถึงตัวผมด้วย) ก็คงสงสัยว่ามันเป็นเช่นนี้ได้อย่างไร
คำอธิบายของนักฟิสิกส์ Richard Feynman ก็คือ แสง (รวมถึงคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอื่นๆ) มันจะวิ่งที่ความเร็วคงที่ c หรือ 299,792,458 เมตร/วินาที เสมอ ต่อให้เราเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงแค่ไหน (ที่ไม่มีทางเป็นไปได้ในทางปฏิบัติ แต่สามารถทำได้ใน thought experiment เช่น 99% ของความเร็วแสง) เราจะเห็นแสงวิ่งด้วยความเร็ว c อยู่ดี
เป็นเพราะว่าแสงจะวิ่งด้วยความเร็วคงที่ แต่มิติเวลา (time) จะยืดออก (ภาษาฟิสิกส์เรียก time dilation) และมิติอวกาศ (space) จะหดสั้นลง (length contraction) แทน
ตรงนี้จะขัดกับสามัญสำนึกและฟิสิกส์แบบดั้งเดิม ที่มองว่าเวลาและอวกาศเป็นสิ่งคงที่ ความเร็วเป็นสิ่งที่ไม่คงที่ (สัมพัทธ์ได้) แต่ฟิสิกส์แบบไอน์สไตน์กลับวิธีคิดกันอย่างสิ้นเชิง เวลาและอวกาศจะยืดหยุ่นเพื่อให้แสงยังวิ่งด้วยความเร็วเดิมอยู่ได้
คลิปอธิบายจากเอกสารของ Feynman (เสียงในคลิปไม่ใช่เสียงของ Feynman จริงๆ)
เพราะอะไรถึงเป็นเช่นนั้น?
Feynman บอกว่า “ไม่รู้” เราไม่รู้คำตอบของธรรมชาติว่าเป็นเพราะอะไร รู้แต่ว่า “แสง” คือส่วนหนึ่งของโครงสร้างของจักรวาล (the structure of universe) เป็นส่วนหนึ่งของเวลาและอวกาศ เป็นค่าคงที่ของจักรวาล (a structural constant of the universe) เป็นค่าคงที่ในการแปลงระหว่างเวลาและอวกาศ (a conversion factor of spacetime)
Feynman บอกว่าวัตถุหนึ่งๆ สามารถเคลื่อนที่ผ่านมิติ กาลอวกาศ (spacetime) ได้จำกัดที่ค่าๆ หนึ่ง (ซึ่งค่านั้นคือความเร็วแสง c) หากเราเคลื่อนที่ผ่านอวกาศ (space) ด้วยความเร็วสูงเกือบเท่าแสง เราก็จะมีโควต้าสำหรับเคลื่อนที่ผ่านเวลา (time) น้อยลง ทำให้เวลาช้าลงนั่นเอง
เพิ่มเติม: คลิปอธิบายเรื่อง “เวลา” ตามแต่ละยุค ตั้งแต่อดีตจนมาถึงยุคทฤษฎีสัมพัทธภาพ เล่าได้ละเอียดและอธิบายได้เห็นภาพดี แนะนำครับ