ทฤษฎีสัมพันธภาพของด็อกเตอร์อัลเบริต์ ไอน์สไตน์, Albert Einstein

ทฤษฎีสัมพันธภาพของด็อกเตอร์อัลเบริต์ ไอน์สไตน์,

Albert Einstein's Theory of Relativity

Theory of Relativity จัดเป็นอีกทฤษฎีหนึ่งของ Dr.Einstein

ที่มีชื่อเสียง

และจัดเป็นอีกหนึ่งในทฤษฎีที่เข้าใจได้ยากหากไม่มีอะไรแสดง

คลิปนี้ผมพิจารณาแล้วเป็นอีกคลิปหนึ่งที่น่าสนใจครับ เป็นคลิปการ์ตูน

Animation ที่อธิบายถึงทฤษฎีนี้อย่างชนิดที่เข้าใจได้ง่าย

แม้แต่คนที่เพิ่งจะชม เพียงแค่ดูคลิปสัก 2 รอบก็จะเ้ข้าใจได้

    มวลของวัตถุ(หรือก็คือน้ำหนักของวัตถุ) เวลาของวัตถุ

และความเร็วของวัตถุ นั้นสัมพันธ์กันจนแยกไม่ออก

เพียงแต่ว่ามนุษย์ไม่สามารถรู้สึกถึงความสัมพันธ์นี้ได้ในเวลาปกติ

น้ำหนักของวัตถุ เวลาของวัตถุ และความเร็วของวัตถุ

หากอยู่ในสภาพปกติหรือหยุดนิ่งหรือเคลื่อนที่ไม่มากไม่เร็วนัก

จะไม่สามารถสังเกตุได้ ต่างฝ่ายต่างก็ทำหน้าที่ของมันไป

แต่หากเมื่อใดก็ตามที่ความเร็วของวัตถุนี้เปลี่ยนไปจากเดิมมาก ๆ แล้ว

มวลของมันกับเวลาของมันก็จะเปลี่ยนไปด้วยไม่เหมือนเดิม

ก็คือความเร็วของวัตถุที่เพิ่มขึ้นจะทำให้น้ำหนักของวัตถุเพิ่มขึ้นด้วยและ

ความเร็วของวัตถุที่เพิ่มขึ้นจะไปทำให้เวลาของวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่อยู่นี้

เดินช้าลง

   วัตถุจะเคลื่อนที่ได้จริง ๆ

แล้วจะต้องมีตัวเทียบครับว่ามันเคลื่อนที่เมื่อเทียบกับอะไร

ยกตัวอย่างเช่นในคลิปตามรูป

หากท่านมีวัตถุสองชิ้นที่มีรูปร่างเหมือนกันทุกประการ

วัตถุหนึ่งให้หยุดนิ่งส่วนอีกวัตถุหนึ่งให้เคลื่อนที่เข้าไปหา

คนที่อยู่บนวัตถุทั้งสองต่างฝ่ายต่างก็จะบอกว่าวัตถุที่เขาเห็นเคลื่อนที่เข้า

มาหาเขา เขา่จะไม่รู้สึกตัวว่าวัตถุที่เขานั่งอยู่เคลื่อนที่อยู่หรือว่าหยุดนิ่ง ๆ 

       ในคลิปเขาลองยกตัวอย่างว่ามียานพาหนะอยู่ลำหนึ่งซึ่งกำลังเคลื่อนที่

และมีผู้ชายนั่งอยู่ในยาน โดยที่ด้านล่างก็จะมีหญิงคนหนึ่งมองอยู่

ต่างฝ่ายต่างก็จะเข้าใจว่าวัตถุที่อยู่รอบตัวเขาเคลื่อนที่

คือฝ่ายหญิงก็จะมองเห็นยานพาหนะกำลังเคลื่อนที่

ในขณะที่ฝ่ายชายก็จะมองเห็นว่าทิวทัศน์ด้านล่างกำลังเคลื่อนที่ส่วน

ตัวเขาเองหยุดอยู่นิ่ง ๆ หากเขาลองโยนลูกบอลขึ้น ๆ ลง ๆ

ลูกบอลก็จะลอยขึ้นลงบนฝ่ามือเขาตามปกติ

เหมือนกับตอนที่เขาอยู่บนพื้นเลย ไม่รู้สึกผิดปกติ

แต่สำหรับผู้หญิงข้างล่างแล้วลูกบอลไม่เพียงแต่เคลื่อนที่ขึ้นลงธรรมดา

เท่านั้น ลูกบอลลูกนี้ยังเคลื่อนที่ไปข้างหน้าตามยานพาหนะด้วย

   นั่นก็คือคนจะมองเห็นวัตถุที่อยู่บนยานพาหนะที่กำลังเคลื่อนที่เดินทาง

เสมือนว่าจะช้าลง ก็คือมันใช้เวลาในการเดินทางนานขึ้นนั่นเอง

    ทฤษฎีของ Dr.Einstein อยู่บนพื้นฐานของสองปัจจัยคือ

1. มันไม่สามารถบอกได้หรอกว่าวัตถุใดกำลังเคลื่อนที่หรือหยุดนิ่ง

ถ้าไม่มีอะไรเป็นตัวเทียบ

2.ความเร็วของแสงที่เิดินทางนั้นจะเท่ากันหมดสำหรับผู้สังเกตุ

(Observers)

ยกตัวอย่างเช่น

หากชายคนนี้ซึ่งนั่งอยู่บนยานพาหนะยิงแสงเลเซอร์ลงไปยังกระจกด้าน

ล่างแล้วรอให้แสงเลเซอร์สะท้อนกลับขึ้นมาบนยานพาหนะของเขา

แสงเลเซอร์นี้ก็จะสะท้อนขึ้นมาบนยานพาหนะของเขา

ซึ่งคนที่นั่งอยู่บนยานพาหนะจะดูเหมือนกับว่าปกติดี

แต่สำหรับหญิงที่อยู่ด้านล่างจะเห็นเหตุการณ์นี้ต่างกันออกไป

คือหญิงคนนี้จะมองเห็นแสงเลเซอร์เดินทางเป็นรูปตัว V

ก็คือแสงจะใช้เวลาในการเดินทางนานกว่าปกติ

ไม่ได้เคลื่อนที่ขึ้นลงตามธรรมดา

ก็คือว่าหากหญิงคนนี้มองไปบนนาฬิกาที่อยู่บนยานพาหนะเธอจะเห็น

เวลาบนยานพาหนะเคลื่อนที่ช้าลงกว่าเวลาบนพื้น

วัตถุใด ๆ ก็ตามแต่ยิ่งเดินทางเร็วเท่าไรก็ตาม

เวลาบนวัตถุนั้นจะยิ่งเดินช้าลงเท่านั้น หรือหากว่าวัตถุนั้น ๆ

เดินทางด้วยความเร็วเท่ากับความเร็วของแสงแล้วละก็

เวลาบนวัตถุนั้นอาจจะใกล้เคียงกับศูนย์เลย

การที่เวลาของวัตถุจะช้าลงเมื่อใดก็ตามที่ความเร็วของวัตถุเพิ่มขึ้น

ภาษาอังกฤษเรียกว่า Time Dilation

แต่ว่าเหตุการณ์ที่เวลาเคลื่อนที่ช้าลงนี้(Time Dilation)

จะไม่มีผลอะไรหรือไม่สามารถรู้สึกได้กับคนที่อยู่บนยานพาหนะนั้นเลย

เพราะว่าทุกสิ่งทุกอย่างจะยังคงดูเป็นปกติดี

นาฬิกายังเดินไปตามเวลาปกติ

ลูกบอลที่โยนก็ยังคงเคลื่อนที่ขึ้นลงตามปกติ

ทุกอย่างนอกกระจกจะยังดูเป็นปกติดี

เว้นแต่สิ่งแวดล้อมข้างนอกจะดูว่าเคลื่อนที่

ซึ่งท่านเชื่อหรือไม่ว่าหากท่านสามารถเดินทางด้วยความเร็วได้ 99.9

เปอร์เซ็นต์ของความเร็วแสงปกติแล้ว เวลาของท่าน 7

ปีที่อยู่บนยานอวกาศลำนี้จะเทียบเท่ากับเวลาบนโลกมนุษย์ 500

ปีเลยทีเดียว ซึ่งนี่เป็นทฤษฏีของการเดินทางไปอนาคตของมนุษย์

ก็คือสร้างยานพาหนะที่สามารถเดินทางได้เร็วมาก ๆ

และส่งคนเดินทางไปกับยานพาหนะลำนี้เป็นเวลานาน ๆ หลาย ๆ ปี

จากนั้นเมื่อคนคนนี้เดินทางกลับมายังโลกมนุษย์ตามปกติ

ทุกสิ่งทุกอย่างที่อยู่บนโลกมนุษย์นี้ก็จะเปลี่ยนไปจากเดิมคือถ้าเทียบกับ

ชายคนนี้แล้ว เขากลับมายังโลกอนาคตของมนุษย์นั่นเอง

หากว่าเราสมมติว่ามียานพาหนะอยู่สามลำ

ให้ตั้งนาฬิกาเวลาเดียวกันและใส่นาฬิกานี้ลงไปในยานพาหนะทั้งสาม

ที่มีลักษณะเหมือนกันทุกประการซึ่งลอยลำอยู่ห่างกันเป็นระยะทางที่

เท่า ๆ กัน กำลังเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวกัน คือจากซ้ายมือไปขวามือ

ให้ยานพาหนะลำกลางยิงแสงเลเซอร์ในเวลาเดียวกันไปยังยานพาหนะ

ทั้งสองที่อยู่ข้างหน้าและข้างหลัง

ในกรณีนี้สำหรับคนที่อยู่บนยานพาหนะลำกลางซึ่งเป็นคนยิงแสงเลเซอร์

ไปยังยานพาหนะด้านหน้าและด้านหลังจะไม่รู้สึกถึงความเปลี่ยนแปลง

อะไรเลย

เพราะว่ายานพาหนะทั้งสามนั้นเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวกันและมี

ขนาดเท่ากันด้วยความเร็วที่เท่า ๆ กันด้วย

แสงเลเซอร์ที่มองเห็นจากยานพาหนะลำกลางก็จะไปถึงยานพาหนะ

ลำหน้าและลำข้างหลังในเวลาที่พร้อม ๆ

กันเพราะว่ายิงออกไปในเวลาที่พร้อม ๆ กัน

และทั้งนี้แล้วผู้ที่โดยสารอยู่บนยานพาหนะลำหน้าและลำหลังก็จะมองเห็น

แสงเลเซอร์เดินทางมาถึงยานของเขาในเวลาเดียวกันด้วย

ไม่มีอะไรผิดปกติ

      แต่ว่าเหตุการณ์การยิงเลเซอร์นี้

หากให้คนข้างล่างมองขึ้นไปจะเห็นไม่เหมือนกันแล้วครับ

คือว่าเขาจะมองเห็นแสงเลเซอร์ไปถึงยานพาหนะลำหลังก่อน

เนื่องจากยานพาหนะเคลื่อนที่จากซ้ายมือไปขวามือ

ฉะนั้นแล้วยานลำหลังจะเคลื่อนที่เข้าไปหาแสงเลเซอร์ได้เร็วกว่า

ส่วนยานพาหนะลำหน้าจะเคลื่อนที่ออกจากแสงเลเซอร์

เพราะฉะนั้นคนข้างล่างจะเห็นว่ายานพาหนะลำหน้าได้รับแสงเลเซอร์

ในเวลาที่ช้ากว่า แต่ว่าตอนแรกเลย เราใส่นาฬิกาที่ตั้งเวลาไว้เท่า ๆ

กันบนยานพาหนะทั้งสามแล้ว

ฉะนั้นแล้วสำหรับคนที่อยู่ข้างล่างจะมองเห็นนาฬิกาบนยานพาหนะลำหลัง

เดินเร็วกว่านาฬิกาบนยานพาหนะลำแรกไปด้วย

(เพราะว่ารับแสงเลเซอร์ได้เร็วกว่า)

แต่ว่าสำหรับยานพาหนะลำกลางที่เป็นลำที่ยิงแสงเลเซอร์นี้

จะไม่เห็นความแตกต่างใด ๆ

คือจะเห็นว่านาฬิกาบนยานพาหนะทั้งสองที่อยู่ด้านหน้าด้านหลังได้รับ

แสงเลเซอร์ในเวลาเดียวกัน

อีกกรณีหนึ่ง

สมมติให้ชายคนที่อยู่บนยานพาหนะลำกลางออกคำสั่งให้ยานพาหนะทั้ง

สามเร่งความเร็วให้มาก ๆ (ไปด้วยความเร่ง) ด้วยความเร่งที่เท่า ๆ

กันและให้ไปในทิศทางเดียวกัน

สิ่งที่ชายคนที่อยู่บนยานพาหนะลำกลางนี้จะเห็นก็คือ

ไม่มีความผิดปกติใด ๆ กับเวลาบนยานพาหนะทั้งสามนี้

เพราะว่ายานพาหนะทั้งสามนี้เดินทางไปในทิศทางเดียวกันด้วยความเร่ง

ที่เท่า ๆ กันและเร่งในเวลาเดียวกัน

    แต่ว่าสำหรับหญิงที่อยู่บนพื้นแล้วจะไม่เห็นเหตุการณ์เดียวกันกับชายบน

ยานพาหนะลำกลางเห็น

เพราะว่าเธอจะเห็นว่ายานพาหนะลำหลังเริ่มต้นเร่งความเร็วก่อน

ตามด้วยยานพาหนะลำกลาง และยานพาหนะลำหน้าเคลื่อนที่ช้าที่สุด

นั่นก็คือ เวลาของยานพาหนะลำหลังสุดจะเดินเร็วกว่ายานพาหนะลำหน้า

   ทั้งนี้แล้วเหตุการณ์ต่อไปที่จะเห็นก็คือระยะการเคลื่อนที่ของยานพาหนะ

ทั้งสามอยู่กันใกล้มากขึ้น ซึ่งจริง ๆ

แล้วยานพาหนะทั้งสามไม่ได้อยู่ใกล้กันมากขึ้น

มันยังรักษาระยะห่างของมันเท่าเดิม เพียงแต่ว่าความเร็วที่เพิ่มขึ้นมาก ๆ

มันหลอกตาคนข้างล่างให้เห็นว่าวัตถุสั้นลง อันนี้พิสูจน์ได้เองเลยครับ

คือทำเหมือนกับที่นักมายากลข้างถนนชอบทำ

คือให้นำบุหรี่มวนหนึ่งที่ยังไม่สูบ หรือปากกายาว ๆ ก็ได้ แล้ว

จับด้วยมือทั้งสองด้านหัวท้ายของปากกา

จากนั้นขยับมือทั้งสองด้านที่จับให้เร็วมาก ๆ

ท่านก็จะเห็นว่าปากกานี้หดสั้นลง

สรุปก็คือความเร็วของวัตถุสามารถหลอกตาได้

    ท่านเชื่อหรือไม่ว่า หากยานพาหนะลำนี้

เคลื่อนที่ด้วยความเร็วใกล้กับความเร็วแสงมาก ๆ แล้ว

ท่านจะเห็นยานพาหนะลำนี้หดเหลือสั้นนิดเดียวเท่านั้น

    เพียงแต่ว่าคนที่อยู่บนยานพาหนะลำนี้

ที่กำลังเดินทางด้วยความเร็วเ้ข้าใกล้แสง

จะไม่รู้สึกถึงความเปลี่ยนแปลงอะไรทั้งสิ้น

ทุกอย่างที่อยู่บนยานพาหนะลำนี้ยังเหมือนเดิมทุกอย่าง

แต่หากว่าชายคนนี้มองออกไปนอกหน้าต่างของยานพาหนะลำนี้แล้ว

เขาจะเห็นวัตถุหรือเหตุการณ์ข้างนอกสั้นลง

(เฉกเช่นเดียวกับที่ผู้หญิงบนพื้นเห็นทุกอย่าง)

   สมมติว่าถ้ายานพาหนะทั้งสองตามภาพโดยที่ยานพาหนะลำบนเคลื่อนที่

มาด้วยความเร็วมาก ๆ โดยที่ยานพาหนะด้านล่างหยุดนิ่ง

คนที่อยู่บนยานพาหนะทั้งสองนี้ต่างโยนลูกบอลขนาดเท่า ๆ

กันให้ชนกันแล้วรอรับ

คนที่อยู่บนยานพาหนะด้านล่างจะรู้สึกได้ทันทีเลยว่า

ลูกบนที่กระทบกับบอลที่โยนขึ้นไปจะมีน้ำหนักมากกว่าบอลของเธอ

เพราะไม่เช่นนั้ันแล้วมันจะไม่สามารถสะท้อนต้านแรงโน้มถ่วงกลับขึ้นไป

ด้านบนได้

ความเร็วที่เพิ่มขึ้นจะทำให้น้ำหนักของวัตถุเพิ่มขึ้นไปด้วยอันนี้พิสูจน์ได้

อีกเช่นกันครับ ด้วยเครื่องปั่นเหวี่ยง(Centrifuge)

ก็คือให้ห้องทดลองทางวิทยาศาสตร์

หากท่านมีสารแขวนลอยที่อยู่ในหลอด test tube

หากว่าท่านต้องการจะแยกสิ่งแขวนลอยนั้นออกมา

วิธีการที่่ง่ายที่สุดคือไปเพิ่มความเร็วของมันด้วยเครื่อง Centrifuge

สักระยะเวลาหนึ่ง ตะกอนก็จะแยกออกมาได้

อันนี้ก็คือเราไปเพิ่มน้ำหนักของมันให้มากขึ้นจนตกตะกอนนั่นเอง

        ซึ่งอันนี้เป็นที่มาของสูตรอันโด่งดังของ Dr.Einstein คือ

อีเท่ากับเอ็มซีสแควร์ E = MC²

    ก็คือหากว่าวัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วมากเท่าไร มวล(น้ำหนัก)

ของวัตถุนี้จะเพิ่มขึ้นตามสมการนี้

     นั่นเป็นหนึ่งในสาเหตุที่ว่าทำไม จึงไม่สามารถมีวัตถุใด ๆ

ที่จะเคลื่อนที่ได้เร็วไปกว่าความเร็วแสงได้

เพราะว่าเมื่อใดที่วัตถุเร่งความเร็วขึ้นมาก ๆ

จนใกล้กับความเร็วของแสงแล้ว มวล(น้ำหนัก)

ของมันจะเพิ่มขึ้นอย่างมหาศาลจนไม่สามารถจะหาพลังงานอะไรมาใส่

เพิ่มลงไปอีกเพื่อให้วัตถุนี้ไปให้เร็วกว่าความเร็วของแสง

       อีกประการหนึ่งในความคิดของ Dr.Einstein ที่วัตถุใด ๆ

ไม่สามารถจะเคลื่อนที่ไปได้เร็วกว่าแสงก็คือ ถ้าวัตถุใด ๆ

ก็ตามที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วเกินกว่าความเร็วของแสงแล้ว

วัตถุนั้นจะไม่อยู่ ณ จุดนั้น ก็คือมันจะเป็นการเดินทางย้อนเวลา

(กลับไปสู่อดีต)

         อันนี้ต้องกลับไปที่ทฤษฎีของการมองเห็นวัตถุ

การที่เรามองเห็นวัตถุใด ๆ ได้นั่นเป็นเพราะว่ามีแสงหรือแหล่งแสง

(Light Source) ก่อนครับ

แสงจากแหล่งแสงนี้จะส่องหรือไปตกกระทบกับวัตถุ(Object)

ที่เรามองอยู่

จากนั้นแล้วแสงจากวัตถุนี้จึงสะท้อนไปตกกระทบกับตาคนที่มองวัตถุนี้อยู่

          อันนี้ผมสมมติว่าวัตถุ(Object)

ตามรูปด้านบนนี้เป็นนาฬิกาเรือนหนึ่งที่กำลังอยู่ที่เวลา 10.00 น.

แสงวิ่งด้วยความเร็วของแสงปกติไปที่หน้าปัทม์ของนาฬิกาเรือนนี้

และแสงสะท้อนจากนาฬิกาเรือนนี้สะท้อนกลับเข้าสู่ตาคนมองนาฬิกา

เรือนนี้อยู่ คนคนนี้ก็จะอ่านเวลาได้ว่า 10.00 น.

แต่หากว่าท่านไปหาวัตถุหนึ่งที่วิ่งด้วยความเร็วมากกว่าแสง

แล้วให้วิ่งไปที่หน้าปัทม์นาฬิกาเรือนนี้ด้วยความเร็วที่มากกว่าแสงได้แล้ว

นาฬิกาเรือนนี้ก็ไม่ควรจะไปอ่านได้ที่ 10.00 น.ได้

(เพราะไปวิ่งแซงเวลา ณ ปัจจุบัน)

มันจะอ่านได้เท่าไรไม่รู้ได้ แต่จะไม่ใช่ 10.00 น. แน่นอน

ก็คือตามทฤษฎีบทของ Dr.Einstein ความเร็วของแสงกับเวลา ณ

ปัจจุบันนั้นสัมพันธ์กันอยู่จนไม่สามารถแยกออกจากกันได้ ไม่มีวัตถุใด ๆ

จะไปสามารถวิ่งแซงความเร็วของแสงได้

ความเร็วที่มากที่สุดที่เป็นไปได้ที่จะทำให้วัตถุชิ้นนี้อยู่ในปัจจุบันได้คือวิ่ง

ไปด้วยความเร็วที่เท่ากับแสง

(ก็คือวิ่งไปยังเข็มนาฬิกาวินาทีที่ยังไม่กระดิกไปไหน)

ซึ่งก็คือเวลาของวัตถุนี้จะหยุดนิ่ง

หรือมิเช่นนั้นก็วิ่งไปด้วยความเร็วที่น้อยกว่าแสง

ถ้าผิดไปจากเงื่อนไขนี้แล้วเวลาหรือเหตุการณ์ของวัตถุชิ้นนั้นจะผิดไป

หมดไม่อยู่ในปัจจุบัน

        ในความเป็นจริงแล้ว ทุกวันมนุษย์มองเห็นวัตถุได้ ก็คือไม่ใช่อะไรอื่น

สำหรับทัศนะของ

Dr.Einstein นั่นคือมนุษย์กำลังมองไปที่แสงที่ตกกระทบวัตถุนั้น ๆ

ต่างหาก ถ้าไม่มีแสงเสียอย่างเดียวมนุษย์จะมองไม่เห็นวัตถุได้เลย

Dr.Einstein จึงสรุปว่าแสงนั้นมีความเร็วที่เท่า ๆ กันในทุกสถานที่

เพราะมิเช่นนั้นแล้วมนุษย์จะมองเห็นวัตถุเดียวกันเป็นคนละภาพ

(แ่่ต่คนมองเห็นภาพทุกภาพเป็นภาพเดียวกัน) เพราะฉะนั้นแล้ว

เวลาในปัจจุบัน(Time) และ อวกาศ(Space) จะต้องไปด้วยกัน

ความเร็วของแสงมีความคงที่และสัมพันธ์กันจนแยกไม่ออกกับเวลา

ในปัจจุบันและอวกาศ(Fabric of Space)