ไอน์สไตน์ชายผู้คิดค้นสัมพัทธภาพ

หากเราพูดถึงนักวิทยาศาสตร์ที่มีชื่อเสียงที่สุดคนหนึ่งของโลก อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ย่อมต้องเป็นหนึ่งในนั้น ผลงานของเขาได้เปลี่ยนแปลงกรอบวิถีคิดของนักฟิสิกส์ในยุคหลัง ๆ ไปตลอดกาล เขาเป็นคนแรกที่ยืนยันถึงสมบัติทวีภาคของคลื่นและอนุภาคตามสมมุติฐานของแมกซ์ พลังก์ ซึ่งมันได้กลายเป็นรากฐานของวิชากลศาสตร์ควอนตัม ที่ใช้อธิบายพฤติกรรมของอนุภาคขนาดเล็ก ๆ ที่ไม่ได้เป็นไปกลศาสตร์ดังเดิมของนิวตัน นอกจากนี้เขายังคนแรกที่ยืนยันว่าเวลาไม่ใช่ค่าสัมบูรณ์ตามที่เราเข้าใจมาโดยตลอดว่าเวลา คือปริมาณที่ไม่ได้ขึ้นกับปริมาณใด ๆ ในเอกภพ ไอสไตน์เสนอว่าความเร็วของแสงในสุญญากาศต่างหากคือ ค่าสัมบูรณ์ ในทุก ๆ กรอบอ้างอิง

ชีวิตวัยเด็กของไอสไตน์

ย้อนกลับไปเมื่อวันศุกร์ที่ 14 มีนาคม 1879 เวลา 11 นาฬิกา 30 นาที ที่เมือง Ulm ราชอาณาจักร Württemberg ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของจักรวรรดิเยอรมัน (Deutsches Kaiserreich) ครอบครัวชนชั้นกลางชาวเยอรมันเชื้อสายยิวครอบครัวหนึ่งได้ให้กำเนิดนักวิทยาศาสตร์อัจฉริยะในอนาตค นามว่าอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ด้วยอุปนิสัยของเขาที่มักจะชอบคิดทุกสิ่งทุกอย่างอยู่ในหัวมากกว่าการบอกเล่ามันออกไป ทำให้เขาเป็นคนเงียบ รักสันโดษ ซึ่งผิดแปลกจากเด็กคนอื่น ๆ เหล่าครูอาจารย์จึงมักปรามาสเขาว่าเขาเป็นคนโง่

เมื่อเขาอายุได้ 5 ขวบ พ่อของเขาได้มอบเข็มทิศ ซึ่งได้กลายเป็นสิ่งที่จุดประกายความคิดของเขาให้มีความสนใจในวิทยาศาสตร์ สำหรับเด็กคนอื่น ๆ เมื่อได้เข็มทิศก็คงจะออกเดินทางตามทิศทางที่เข็มทิศชี้ไป แต่ไอสไตน์เขากลับตั้งคำถามว่า เพราะอะไรเข็มทิศที่ไม่ได้ผูกกับเครื่องยนต์หรือกลไกอะไรถึงสามารถหมุนได้และจะหมุนไปในทิศเดิมตลอด เขาตั้งข้อสงสัยถึงกฎของธรรมชาติและการมองโลกทางกายภาพ เขาทุ่มเทเวลาไปกับการศึกษาและหลงใหลในวิชาฟิสิกส์และคณิตศาสตร์ทั้งจากตำรา หรือนิยายวิทยาศาสตร์ที่ได้เปิดแนวคิดใหม่ ๆ ในการทำความเข้าใจโลก เขามีความคิดว่า “ทำไมเราต้องเชื่อกฎหรือหลักการอะไรบางอย่างเพียงเพราะคนในยุคก่อนเชื่อว่าเป็นแบบนั้น” ความเป็นขบถทางความคิดของไอสไตน์ทำให้เขายิ่งเร่งศึกษาและทำการทดลองทางความคิดมากขึ้น รวมทั้งอาการของโรค dyslexia (ความพิการทางการเขียนและอ่าน) ทำให้ไอสไตน์มีเวลาในความคิดเพื่อทำการศึกษาและทดลองมากกว่าคนอื่นจากความเชื่องช้าของเขาเอง

ต่อมาในปี 1894 ครอบครัวอัลเบิร์ตต้องเผชิญปัญหาจากการไม่ได้สัมปทานไฟฟ้าของเมืองมิวนิก ครอบครัวของไอสไตน์จึงอพยพไปทำงานกับญาติที่เมืองพาเวีย ประเทศอิตาลี ต่อมาเขาพยายามสอบเข้าที่สถาบันเทคโนโลยีแห่งสหพันธ์สวิส แต่เนื่องจากการขาดทักษะด้านศิลปกรรม ทำให้ไอน์สไตน์ไม่สามารถเข้าเรียนที่นี้ได้ แต่ด้วยคะแนนในวิชาคณิตศาสตร์และฟิสิกส์ที่ฉายแววเป็นอย่างมาก ทำให้เขาได้รับการทาบทามให้เข้าศึกษาต่อที่โรงเรียนมัธยมที่เมืองอาเรา ประเทศสวิสเซอร์แลนด์

จากผู้ช่วยตรวจเอกสารสู่บุคคลชื่อก้องโลก

ไอน์สไตน์หลังจบการศึกษาระดับมัธยม เขาได้เข้าศึกษาต่อในสถาบันเทคโนโลยีแห่งสมาพันธรัฐสวิสเพื่อไปเป็นครูอาจารย์วิชาฟิสิกส์และคณิตศาสตร์ โดยหลังจากที่เขาเรียนจบเขาได้รับสัญชาติสวิสเพื่อทำงานต่อในฐานะอาจารย์ แต่ก็ไม่ได้รับการตอบรับอะไรเลย พ่อของเพื่อนในสมัยเรียนของเขาได้ฝากฝังให้มาเป็นพนักงานตรวจเอกสารสิทธิบัตรในหมวดหมู่อุปกรณ์ทางไฟฟ้า โดยระหว่างที่เขาทำงานเป็นผู้ช่วยตรวจสอบเอกสารเขาก็ยังไม่ละทิ้งความสนใจด้านวิทยาศาสตร์ เขาและเพื่อนกลุ่มเล็ก ๆ ได้ตั้งชมรมไว้พูดคุยด้านวิทยาศาสตร์และปรัชญาอยู่บ่อยครั้ง โดยไอสไตน์และเพื่อเรียกชมรมเล็ก ๆ นี้ว่า The Olympia Academy การตั้งชมรมเล็ก ๆ ของไอน์สไตน์ทำให้เขาสามารถถกประเด็นและเรียนรู้ตรรกะ วิธีคิดของคนในยุคนั้น เมื่อรวมกับงานหน้าที่ของเขาที่ต้องอ่านเอกสารสิทธิบัตรอยู่ตลอดเวลา ซึ่งทำให้เขาทราบถึงประเด็นปัญหาที่เกิดขึ้นจริง

ปีแห่งปาฏิหาริย์ของไอสไตน์

ในปี 1905 อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ได้ตีพิมพ์ผลงานได้ถึง 4 ชิ้น โดยแต่ละชิ้นล้วนมีอิทธิพลและปฎิวัติวงการวิทยาศาสตร์เป็นอย่างยิ่ง โดยผลงานทั้ง 4 ชิ้นนั้นถูกเรียกด้วยชื่อที่ทุกคนรู้จักกันว่า Annus mirabilis ซึ่งได้ถูกตีพิมพ์ใน Annalen der Physik โดยผลงานใน annus mirabilis มีด้วยกันดังนี้

ปรากฎการณ์โฟโตอิเล็คทริก(Photoelectric effect) ซึ่งเป็นหลักฐานที่ยืนยันว่าแสงมีคุณสมบัติเป็นทั้งคลื่นและอนุภาค หรือสมบัติทวิภาคของคลื่นและอนุภาค โดยไอน์สไตน์กล่าวว่าแสงประกอบด้วยอนุภาคโฟตอน เมื่อแสงตกกระทบบนผิวของโลหะจะทำให้อิเล็กตรอนได้รับพลังงาน หากพลังงานนั้นมีค่ามากกว่าพลังงานยึดเหนี่ยวของอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนจะปลดปล่อยพลังงานออก จากผลงานนี้ทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1921
การยืนยันการมีอยู่ของอะตอม ไอน์สไตน์ได้ศึกษาการเคลื่อนที่แบบบราวน์ โดยไอสไตน์เสนอว่าการเคลื่อนที่แบบสุ่มเป็นผลมาจากการมีอยู่ของโมเลกุล ซึ่งได้สนับสนุนการมีอยู่ของทฤษฎีอะตอม
ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ (Special Relativity) ไอน์สไตน์เชื่อว่าเวลาไม่ใช่ค่าสัมบูรณ์ แต่ความเร็วแสงในสุญญากาศ คือค่าคงที่ในทุกกรอบอ้างอิงและไม่มีสิ่งใดเดินทางได้เร็วกว่าแสง
การเปลี่ยนแปลงไปมาระหว่างมวลและพลังงาน ไอน์สไตน์เสนอว่าเมื่อวัตถุเดินทางด้วยความเร็วที่สัมพัทธ์กับแสง กระบวนการแปลงกลับไปมาของมวล-พลังงานจะเกิดขึ้นตามสมการ E=mc² โดยสมการนี้ได้กลายเป็นข้อยืนยันว่าเราไม่สามารถเดินทางด้วยความเร็วแสงได้ด้วยวิธีปกติ

แบบจำลอง **Brownian motion** ที่แสดงถึงอนุภาคขนาดเล็ก ๆ ที่ล่องลอยในอากาศ
ที่มา : Brownian motion

ชีวิตการทำงานของไอน์สไตน์

ภายหลังจากปีแห่งปาฎิหาริย์ของไอน์สไตน์ เขาได้รับการทาบทามเป็น Privatdozent ศาสตราจารย์ผู้เชี่ยวชาญด้านฟิสิกส์ที่เมืองเบิร์ก ก่อนที่จะกลายเป็นศาสตรจารย์ที่ซูริกในปี 1909 และศาสตราจารย์ฟิสิกส์ทฤษฎีที่ปรากเมื่อปี 1911 และกลับมาดำรงตำแหน่งเดียวกันที่ซูริกในปีถัดมา ต่อมาในปี 1914 เขาได้กลายเป็นผู้อำนวยการของสถาบัน Kaiser Wilhelm และอาจารย์ที่มหาวิทยาลัยเบอร์ลิน และได้รับสัญชาติเยอรมันเมื่อ 1914 จนถึงปี 1933 เนื่องจากเหตุผลทางการเมืองและลัทธินาซีที่กำลังเรืองอำนาจ ไอน์สไตน์จึงอพยพมาอยู่ที่อเมริกา และเป็นศาสตราจารย์ที่มหาวิทยาลัยพรินส์ตันและได้รับสิทธิพลเมืองอเมริกันเมื่อปี 1940

นอกจากนี้ระหว่างสงครามโลกครั้งที่ 2 เขาได้มีส่วนร่วมในโครงการแมนฮัตตันที่มีเจ รอเบิร์ต โอเพนไฮเมอร์ เป็นหัวหน้าโครงการเพื่อผลิตอาวุธนิวเคลียร์ อย่างไรก็ตามไอน์สไตน์เชื่อว่าสงครามคือโรคร้ายสำหรับโลกใบนี้ เขารู้สึกเสียใจที่ทฤษฎีของเขาได้กลายเป็นส่วนหนึ่งเพื่อผลิตอาวุธสงครามที่คร่าชีวิตคนไปมากมาย อย่างไรก็ตามเขาเชื่อว่าภายหลังจบสงครามโลกจะต้องฟื้นตัวจากความเสียหายและเขาเชื่อว่าสันติภาพจะเกิดได้ถ้าหากมีหน่วยงานหรือองค์กรใด ๆ ที่ทำหน้าตรวจสอบและป้องกันไม่ให้รัฐบาลประพฤติตนเป็นปฎิปักษ์ต่อแนวทางประชาธิปไตยและสันติภาพ

ไอน์สไตน์ในช่วงบั้นปลายชีวิต เขามีความสนใจซึ่งถูกปลูกฝังมาจากความเชื่อว่ากฎฟิสิกส์ควรใช้ได้ในทุกกรอบอ้างอิง ทำให้เขาพยายามที่จะศึกษาหาสมการที่ใช้อธิบายกฎฟิสิกส์ได้ทั้งหมด

จนกระทั้งวันที่ 17 เมษายน 1955 ไอสไตน์ได้เข้าโรงพยาบาลเนื่องจากหลอดเลือดเอออร์ต้าส่วนท้องโป่งพ่อง (Abdominal aortic aneurysm) ซึ่งเขาได้รับการผ่าตัดมาแล้วเมื่อปี 1948 โดยในครั้งนี้เขาเลือกที่จะปฎิเสธการรักษาเนื่องจากไม่อยากยื้อชีวิตอยู่ต่อ เพราะเขาเชื่อว่าเขาทำสิ่งที่เขาอยากทำไปหมดแล้ว เขาพร้อมสำหรับการจากไปอย่างสงบแล้ว

หลังการจากไป

หลังไอน์สไตน์เสียชีวิต Thomas Stoltz Harvey แพทย์ชันสูตรได้ผ่าเอาสมองของไอน์สไตน์เพื่อศึกษา พวกเขาพบว่าไอสไตน์มีสมองที่พิเศษกว่าคนอื่น ๆ ซึ่งทำให้เขาเป็นอัจฉริยะและด้วยอาการของโรค dyslexia ทำให้เขาสามารถมีเวลาไตร่ตรองและทดลองในความคิดมากขึ้น ซึ่งทำให้สมองของเขามีโครงข่ายประสาทที่ซับซ้อนมากยิ่งขึ้นกว่าเดิม

13 ธันวาคม 1965 ที่ศูนย์ใหญ่ UNESCO ในงานระลึกถึงเขานักฟิสิกส์นิวเคลียร์ เจ รอเบิร์ต โอเพนไฮเมอร์ ได้กล่าวความประทับใจถึงไอสไตน์ไว้ว่า “He was almost wholly without sophistication and wholly without worldliness … There was always with him a wonderful purity at once childlike and profoundly stubborn. (ตัวเขาไม่ได้มีซับซ้อนอะไร เขามีความบริสุทธิ์เหมือนกับเด็กแต่ขณธเดียวกันเขาก็มีความดื้อรั้นในแบบของเขาเอง)”

แนวคิดทางการเมืองและสังคมของไอสไตน์

ไอน์สไตน์เขามีแนวความคิดเชิงสังคมนิยมและมองเรื่องความเท่าเทียมเป็นส่วนสำคัญ เขาใช้ชื่อเสียงของเขาเพื่อประฌามการเลือกปฎิบัติกับคนผิวสีของชาวอเมริกาในขณะนั้น นอกจากนี้เขายังเคยร่วมลงชื่อเป็นส่วนหนึ่งของการขับเคลื่อนเรื่องความเท่าเทียมทางเพศของกลุ่ม LGBTQ+ ซึ่งนำโดย Magnus Hirschfeld แพทย์และนักเพศศึกษาผู้ขับเคลื่อนความเท่าเทียมกันทางเพศ พวกเขาได้ร่วมต่อต้านกฎหมายที่ประฌามการรักร่วมเพศในเยอรมัน นอกจากนี้เขายังมีส่วนร่วมให้สหรัฐอเมริการับรองอิสรภาพของชาวอิสราเอล เขาเชื่อว่ามันคือสิทธิที่ชาวอิสราเอลควรพึงได้รับ หลังจากประธานาธิบดีอิสราเอลคนแรกเสียชีวิต ไอสไตน์ได้ถูกเสนอชื่อให้เป็นประธานาธิบดีคนต่อไป ถึงอย่างงั้นเขาก็ได้ปฎิเสธตำแหน่งเพราะเชื่อว่าตนไม่สามารถบริหารประเทศได้ ควรให้คนที่มีทักษะและความสามารถที่ได้รับเลือกจากประชาชนเป็นคนบริหารดีกว่า

อย่างไรก็ตามในบันทึกของไอน์สไตน์เมื่อเดือนตุลาคม 1922 ที่ได้ถูกเปิดเผยเมื่อปี 2018 ได้แสดงถึงความหวาดกลัวชาวต่างชาติโดยเฉพาะทัศนวิสัยที่มีต่อคนเอเชียในแง่ลบ

ทฤษฎีสัมพัทธภาพ(พิเศษ)

Special Relativity คือหนึ่งในผลงานที่สร้างชื่อเสียงให้กับไอน์สไตน์ ถึงแม้ว่าในยุคนั้นทฤษฎีอาจแค่เปลี่ยนวิธีการคิดเรื่องเวลาเป็นค่าสัมบูรณ์อันเที่ยงแท้และไม่ผันแปรตามตัวแปรอื่น ๆ ไป แต่หลักการและวิธีการคิดนั้นได้สร้างการเปลี่ยนแปลงและมีบทบาทต่อชีวิตประจำวันของเราเป็นอย่างมาก

การจะเข้าใจทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษเราต้องอ้างอิงกฎ 2 ข้อที่จะเป็นข้อตกลงร่วมกันของไอสไตน์ คือ

กฎทางฟิสิกส์ย่อมเหมือนกันในทุกกรอบอ้างอิงเฉื่อย (The Principle of Relativity) กล่าวคือ จะไม่มีกรอบอ้างอิงใดที่มีกฎพิเศษ กฎฟิสิกส์ที่เราใช้พิจารณาบนอวกาศและบนพื้นโลกต้องเป็นกฎเดียวกัน
อัตราเร็วของแสงในสุญญากาศเป็นค่าคงที่สากล (c) ซึ่งไม่ขึ้นอยู่กับการเคลื่อนที่ของแหล่งกำเนิดแสงนั้น(The Principle of Invariant Light Speed) กล่าวคือ ต่อให้แหล่งกำเนิดแสงกำลังเคลื่อนที่ ความเร็วแสงจะมีค่าเท่ากับ c เสมอ

เมื่อเราทดลองในจินตนาการ โดยสมมุติให้มีคนสองคน คนหนึ่งอยู่บนจรวด อีกคนมองจากนอกจรวด คนทั้งสองถือนาฬิกาจับเวลาไว้ โดยในจรวดมีแหล่งกำเนิดแสงติดบนเพดาน ด้านใต้แหล่งกำเนิดมีกระจกที่สะท้อนแสงกลับไปยังแหล่งกำเนิดแสง ทั้งสองคนจะจับเวลาตั้งแต่แสงวิ่งออกจากแหล่งกำเนิดจนกลับมายังแหล่งกำเนิดอีกครั้ง ผู้สังเกตทั้งสองจะมองเห็นระยะทางที่แสงใช้วิ่งไม่เท่ากัน คนบนจรวดจะเห็นแสงวิ่งขึ้น-ลง แต่ผู้สังเกตนอกจรวดจะเห็นแสงวิ่งตามแนวทแยง แต่ว่าความเร็วของแสงมีค่าคงที่ในทุกกรอบอ้างอิง แสดงว่าเวลาตามทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษไม่ใช่ค่าสัมบูรณ์ เมื่อวัตถุเดินทางด้วยความเร็วที่สัมพัทธ์กับแสงจะเกิดความเปลี่ยนแปลงของค่าทางฟิสิกส์ต่าง ๆ ดังนี้

การยืดออกของเวลา
การหดสั้นของระยะทาง

สัมพัทธภาพทั่วไป

ส่วงนทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป คือการพยายามของไอสไตน์ที่จะประยุกต์ใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ โดยสัมพัทธภาพทั่วไปจะเป็นการเพิ่มเติมผลของสนามความโน้มถ่วงกับปริภูมิเวลาเข้าไปในทฤษฎีสัมพัทธภาพ โดยหลักและแนวคิดของสัมพัทธภาพทั่วไปคือ มวลของวัตถุสามารถทำให้ปริภูมิเวลาโค้งงอได้ ซึ่งทฤษฎีสนามโน้มถ่วงที่ได้จากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปนี้ สามารถอธิบายพฤติกรรมของแรงโน้มถ่วงที่กฎความโน้มถ่วงของนิวตันไม่สามารถอธิบายได้ โดยสัมพัทธภาพทั่วไปถูกตีพิมพ์ในวารสาร Berlin Academy of Sciences เมื่อปี 1915 บทความนี้เป็นบทความสั้น ๆ ที่ได้เปิดประสบการณ์และแนวคิดเกี่ยวกับความโน้มถ่วงในเชิงเรขาคณิตมากกว่าการมองว่ามันคือแรงหนึ่งที่ส่งผลต่อการเคลื่อนที่

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ทำให้เราสามารถทำนายเหตุการณ์เนื่องจากความโค้งงอของปริภูมิ-เวลาได้ดังนี้

แสงเดินทางเป็นเส้นโค้ง ตามความโค้งงอของปริภูมิเวลา ซึ่งได้ถูกยืนยันเมื่อปี 1919 เมื่อเซอร์อาเธอร์ เอ็ดดิงตัน นักดาราศาสตร์ชาวอังกฤษเดินทางไปที่หมู่เกาะ Principe ในแอฟริกาตะวันตก เพื่อตรวจสอบการเบี่ยงเบนของแสงจากดาวฤกษ์ที่อยู่ด้านหลังดวงอาทิตย์เมื่อแสงนั้นเดินทางผ่านเข้าใกล้ดวงอาทิตย์ เขาพบว่าแสงเดินทางเลี้ยงเบนไปจากแนววิถีเดิม 1.60+0.31 พิลิปดา และ1.60-0.31 พิลิปดา
เวลาไม่เท่ากัน ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปทำนายว่าที่ที่มีสนามโน้มถ่วงมากจะทำให้เวลาเดินช้าลง แต่เนื่องจากผลของสนามโน้มถ่วงมีค่าน้อยมาก จึงยากเกินกว่าที่จะสังเกตเห็นความแตกต่างของเวลาได้ จนกระทั้งปี 1960 โรเบิร์ต พาวด์ และ เกลน เรบกาแห่งมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด ประสบความสำเร็จในการทดลองนำนาฬิกาอะตอมเหล็ก 57 ที่สลายตัวให้รังสีแกมมา 2 เรือน วางไว้บนพื้นดินซึ่งมีแรงโน้มถ่วงมากกว่า และอีกเรือนวางไว้บนยอดตึกสูง 22 เมตร (มีแรงโน้มถ่วงน้อยกว่า) พบว่าเรือนที่อยู่บนพื้นดินเดินช้ากว่าเรือนที่อยู่บนยอดตึก 1 วินาทีใน 10 ล้านปี โดยเวลาที่เดินช้าลงนั้นเป็นผลเนื่องจากสนามโน้มถ่วงทำให้อัตราการสั่นของอะตอมช้าลง ทำให้ความถี่แสงช้าลงนาฬิกาจึงตรวจวัดเวลาได้ช้ากว่าเดิม เราเรียกปรากฎการณ์นี้ว่า การเลื่อนไปทางสีแดงเนื่องจากความโน้มถ่วง (Gravitational red shift)
วงโคจรของดาวพุธไม่ได้เป็นวงรีตายตัว ปี1843 Le Verrier นักดาราศาสตร์ชาวฝรั่งเศส ได้ค้นพบว่าวงโคจรของดาวพุธนั้นไม่ได้เป็นวงรีที่ตายตัวแต่จะมีการหมุนควงไป 574 ฟิลิปดา ทุก ๆ 100 ปี การหมุนควงนี้อาจจะเกิดขึ้นเพราะการดึงดูดจากดาวเคราะห์ดวงอื่น ๆ นอกจากดวงอาทิตย์ เมื่อคำนวณจากกฎแรงโน้มถ่วงของนิวตันพบว่าดาวพุธจะหมุนควงไป 531 ฟิลิปดาในเวลา 100 ปี ซึ่งผิดไปจากค่าที่สังเกตได้อยู่ 43 ฟิลิปดา โดยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปอธิบายว่า การหมุนควงของดาวพุธเกิดจากการโค้งงอของปริภูมิเวลาจะทำให้วงโคจรของดาวพุธหมุนควงเพิ่มขึ้นอีก 43 พิลิปดา