• ข่าว
  • เทคโนโลยี
    • หุ่นยนต์และปัญญาประดิษฐ์
    • วิศวกรรม
    • ยานพาหนะ
    • พลังงาน
    • เทคโนโลยีอาหาร
    • เทคโนโลยีการคำนวณ
    • เทคโนโลยีอวกาศ
  • ฟิสิกส์
  • เคมี
  • ชีววิทยา
    • วิทยาศาสตร์สุขภาพ
    • ชีววิทยาโมเลกุล
    • วิวัฒนาการ
    • สัตววิทยา
    • พฤกษศาสตร์
    • จุลชีววิทยา
    • กีฏวิทยา
    • นิเวศวิทยา
  • ดาราศาสตร์
    • ฟิสิกส์ดาราศาสตร์
    • จักรวาลวิทยา
    • วิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์
  • อื่น ๆ
    • ศิลปะ & วัฒนธรรม
    • คณิตศาสตร์
    • ประวัติศาสตร์
    • จิตวิทยา
    • ปรัชญา
    • วิทยาศาสตร์การกีฬา
    • Sci-fi
  • ร้านค้า
No Result
View All Result
The Principia
  • ข่าว
  • เทคโนโลยี
    • หุ่นยนต์และปัญญาประดิษฐ์
    • วิศวกรรม
    • ยานพาหนะ
    • พลังงาน
    • เทคโนโลยีอาหาร
    • เทคโนโลยีการคำนวณ
    • เทคโนโลยีอวกาศ
  • ฟิสิกส์
  • เคมี
  • ชีววิทยา
    • วิทยาศาสตร์สุขภาพ
    • ชีววิทยาโมเลกุล
    • วิวัฒนาการ
    • สัตววิทยา
    • พฤกษศาสตร์
    • จุลชีววิทยา
    • กีฏวิทยา
    • นิเวศวิทยา
  • ดาราศาสตร์
    • ฟิสิกส์ดาราศาสตร์
    • จักรวาลวิทยา
    • วิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์
  • อื่น ๆ
    • ศิลปะ & วัฒนธรรม
    • คณิตศาสตร์
    • ประวัติศาสตร์
    • จิตวิทยา
    • ปรัชญา
    • วิทยาศาสตร์การกีฬา
    • Sci-fi
  • ร้านค้า
No Result
View All Result
The Principia
No Result
View All Result

ทฤษฎีสัมพัทธภาพแบบพิเศษ (Special Relativity)

Takol TangphatibyTakol Tangphati
19/01/2022
in Cosmology, Physics
A A
1
ทฤษฎีสัมพัทธภาพแบบพิเศษ (Special Relativity)

ภาพจาก https://www.thegreatcoursesdaily.com/explaining-einsteins-theory-of-special-relativity/

Share on FacebookShare on Twitter

Highlights

  • เกิดอะไรขึ้นกับกฎของนิวตัน
  • ทฤษฎีสัมพัทธภาพแบบพิเศษคืออะไรกันแน่
  • ความเชื่อมโยงของทฤษฎีสัมพัทธภาพแบบพิเศษกับทฤษฎีทางฟิสิกส์อื่น ๆ

เกิดอะไรขึ้นกับกฎของนิวตัน

ในช่วงหัวเลี้ยวหัวต่อของหลาย ๆ ท่าน คงจะเป็นในช่วงมัธยมปลาย ถือได้ว่าเป็นช่วงที่มีความวุ่นวายและการเปลี่ยนแปลงครั้งสำคัญในชีวิตเยอะมาก ตั้งแต่การติวสอบเพื่อให้เข้าสายวิทย์หรือสายศิลป์ในโรงเรียนแล้ว ยังต้องมาเจอบทเรียนปวดเศียรเวียนเกล้าเพื่อเป็นพื้นฐานต่อไปยังระดับอุดมศึกษา เด็ก ๆ สายวิทย์ทุกคนจะต้องผ่านวิชาฟิสิกส์กัน และบทแรก ๆ ที่ท่านจะได้เจอก็คือ การคำนวณการเคลื่อนที่ของวัตถุในหนึ่งถึงสองมิติ ย่อมต้องหนีไม่พ้นทฤษฎีพื้นฐานอย่างกฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน (Newton’s law of motion) ที่มาพร้อมกับแพ็คเกจกฎสามข้อ

(1) วัตถุจะคงสภาพการเคลื่อนที่เดิมหากแรงภายนอกรวมกันเป็นศูนย์

    \[   \sum F_{\text{net}} = 0 \rightarrow a = 0 \\ \]

(2) หากวัตถุโดนกระทำด้วยแรงลัพธ์ไม่เป็นศูนย์ วัตถุจะเคลื่อนที่ด้วยความเร่งเป็นอัตราส่วนของแรงลัพธ์ส่วนด้วยมวล

    \[  \sum F_{\text{net}} = m a \\ \]

(3) ทุกแรงกิริยาจะมีแรงปฏิกิริยากระทำในทิศตรงข้ามเสมอ

    \[   F_{\text{action}} = - F_{\text{reaction}} \]

หากเราลองสังเกตดูจากกฎข้อที่สองของนิวตัน เราจะพบความมหัศจรรย์อย่างหนึ่งคือ ไม่ว่าผู้สังเกตสองคนจะมีความเร็วสัมพัทธ์กันเท่าไหร่ก็ตาม กฎข้อนี้ยังคงเป็นจริงอยู่เสมอ เพราะว่าแรงลัพธ์ที่กระทำนั้นไม่ได้ขึ้นกับความเร็วแต่อย่างใด หากแต่ขึ้นกับการเปลี่ยนแปลงความเร็วต่อหนึ่งหน่วยเวลาและมวลเท่านั้น และนี่คือแนวคิดแบบกาลิเลี่ยน (Galilean law)

เราลองจินตนาการตามว่าหากเราวิ่งไปข้างหน้าด้วยความเร็ว 5 เมตรต่อวินาที เทียบกับเพื่อนที่นั่งกินไอติมเฉย ๆ แล้วมีรถวิ่งมาในทิศทางเดียวกับเราด้วยความเร็ว 12 เมตรต่อวินาทีเทียบกับเพื่อน แน่นอนว่าเราจะต้องเห็นรถคันดังกล่าววิ่งมาด้วยความเร็ว 12 – 5 = 7 เมตรต่อวินาที ซึ่งต่างจากมุมมองของเพื่อนอย่างแน่นอน นี่คือหลักการแปลงความเร็วแบบกาลิเลี่ยน (Galilean law of velocity addition)

    \[     v' = v + V.  \]

โดยที่หากเรายึดเพื่อนเป็นกรอบอ้างอิงหลัก ความเร็วของรถสังเกตโดยเราที่กำลังวิ่ง v' = 7 m/s, ความเร็วของรถสังเกตโดยเพื่อนที่นั่งกับที่ v = 12 m/s, ความเร็วของเพื่อนที่เทียบกับเรา V = -5 m/s

แต่หากเรายึดตัวเราที่วิ่งเป็นกรอบอ้างอิงหลัก ความเร็วของรถสังเกตโดยเพื่อนที่นั่งกับที่ v' = 12 m/s, ความเร็วของรถสังเกตโดยเราที่กำลังวิ่ง v = 7 m/s, ความเร็วของเราที่เทียบกับเพื่อน V = +5 m/s จะเห็นได้ว่าการแปลงกลับไปกลับมาของสองกรอบอ้างอิงนั้นทำได้ผ่านการบวกลบความเร็วสัมพัทธ์ของสองกรอบ V ได้โดยตรง ซึ่งเครื่องหมายของความเร็วสัมพัทธ์ก็ขึ้นกับทิศทางของความเร็วนั่นเอง

ถึงแม้กฎการเคลื่อนที่ของนิวตันจะสามารถนำไปอธิบายและทำนายการเคลื่อนที่ของสิ่งต่าง ๆ รอบตัวได้แล้วนั้น แต่ผลการทดลองของปรากฏการณ์บางอย่างไม่สามารถถูกอธิบายได้ด้วยกฎของนิวตัน เช่น

  • ทฤษฎีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของแม็กซ์เวลล์ (Maxwell’s electromagnetic theory) ที่กล่าวว่า แสงมีความเร็วคงที่ และไม่จำเป็นต้องพึ่งตัวกลางให้แสงเคลื่อนที่ ซึ่งมีที่มาจากสมการแม่เหล็กไฟฟ้าทั้งสี่สมการ ซึ่งสามารถเขียนเป็นสมการคลื่นของแม่เหล็กและไฟฟ้า
  • ผลการทดลองวัดความเร็วแสงโดย ไมเคิลสัน – มอร์ลีย์ (Michelson-Morley’s experiment) ซึ่งไม่สามารถวัดหาความแตกต่างของความเร็วแสงในผู้สังเกตที่ความเร็วต่างกันได้

ซึ่งตรงนี้นี่เองทำให้ ในปีค.ศ. 1905 ไอสไตน์ได้นำเสนอทฤษฎีสัมพัทธภาพแบบพิเศษ (Einstein’s theory of special relativity) ผ่านสัจพจน์ 2 ข้อ

  • หลักสัมพัทธภาพ (Principle of relativity) กล่าวคือ ไม่มีการทดลองไหนที่สามารถชี้เฉพาะเจาะจงเพื่อหาความเร็วสัมบูรณ์ของผู้สังเกตได้ นั่นคือไม่มีกรอบที่หยุดนิ่งอย่างแท้จริงนั่นเอง
  • ความเร็วแสงในสุญญากาศมีค่าคงที่ (Universality of the speed of light) กล่าวคือ ผู้สังเกตไม่ว่าจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่าไหร่ จะวัดความเร็วของแสงได้ที่ 3 แสนกิโลเมตรต่อวินาที เสมอ

สัจพจน์ข้อแรกของไอสไตน์ยังคงเป็นไปตามกฎทั้งสามข้อของนิวตัน แต่สัจพจน์ข้อสองที่ไอสไตน์เสนอถือเป็นการแตกหักกับทฤษฎีเดิมอย่างไม่ต้องสงสัย จากตัวอย่างที่เราวิ่งไปข้างหน้าเทียบกับเพื่อนแล้ววัดความเร็วรถ แต่หากสิ่งที่เคลื่อนที่นั้นไม่ใช่รถล่ะ หากเป็นแสง ไม่ว่าเราที่วิ่งอยู่หรือเพื่อนที่นั่งกินไอติมอย่างสบายใจ จะวัดความเร็วแสงได้เท่ากันเป๊ะ ๆ แบบไม่แตกต่างกันแม้แต่น้อย ซึ่งขัดกับหลักการแปลงความเร็วแบบกาลิเลี่ยน (Galilean law of velocity addition) ที่ถูกประยุกต์ใช้ในกฎของนิวตัน

ทฤษฎีสัมพัทธภาพแบบพิเศษคืออะไรกันแน่

หากอ่านมาถึงตรงนี้ สิ่งที่ไอสไตน์ได้นำเสนอมาคือ 2 สัจพจน์ ที่พยายามจะรวมพฤติกรรมประหลาดของแสงเข้าไปในการคำนวณการเคลื่อนที่ นั่นหมายความว่า การทำนายการเคลื่อนที่ใด ๆ ที่ความเร็วมาก ๆ ใกล้กับความเร็วของแสง จะต้องอาศัยทฤษฎีสัมพัทธภาพแบบพิเศษของไอสไตน์นั่นเอง แต่หากเรากำลังคำนวณความเร็วของรถยนต์ เครื่องบิน การก่อสร้างบ้านเรือน หรืออาคารสำนักงาน เรายังคงสามารถใช้ทฤษฎีของนิวตันได้ เพราะสเกลของความเร็วนั้นช่างห่างไกลกับความเร็วแสงนัก ดังนั้นหลักการของกาลิเลี่ยน (Galilean law of velocity addition) ยังใช้ได้อยู่

ดังนั้นเราจะก้าวเข้าสู่สถานการณ์ที่ไวมาก ๆ ว่าการทำนายโดยใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพจะมีอะไรแปลก ๆ ให้เราได้ศึกษาและอึ้งไปกับมัน อย่างแรกเลยในเมื่อหลักการแปลงความเร็วระหว่างผู้สังเกตการณ์สองคนไม่สามารถใช้แบบกาลิเลี่ยน (Galilean law of velocity addition) แล้วอะไรล่ะจะเข้ามาแทนที่ คำตอบก็คือ การแปลงแบบลอเรนซ์ (Lorentz transformation) เป็นรูปแบบการแปลงพิกัดตำแหน่งและเวลาดังต่อไปนี้

    \[ t' = \gamma (t - V x / c^2) \]

    \[ x' = \gamma (x - V t) \]

    \[y' = y\]

    \[z' = z\]

    \[ \gamma = \frac{1}{\sqrt{1 - \frac{V^2}{c^2} } } \geq 1 \]

กลุ่มสมการด้านบนนี้คือการพิกัดตำแหน่งและเวลาจากกรอบอ้างอิง (t, x, y, z) ไปเป็น (t', x', y', z'), V คือความเร็วสัมพัทธ์ของกรอบทั้งสอง โดย c คือความเร็วแสงในสุญญากาศ และสมมติว่า สองกรอบอ้างอิงนี้มีความเร็วต่างกันในแนวแกน x เท่านั้น การแปลงกลับจาก (t', x', y', z') ไปเป็น (t, x, y, z) จะเป็นตามสมการต่อไปนี้

    \[ t = \gamma (t' + V x' / c^2) \]

    \[ x = \gamma (x' + V t) \]

    \[y = y'\]

    \[z = z'\]

ตัวแปรใหม่ที่ถูกแนะนำเข้ามาคือ \gamma = \frac{1}{\sqrt{1 - \frac{V^2}{c^2} } } หากลองพิจารณาที่สองกรอบซึ่งมีความเร็วสัมพัทธ์กันต่ำมาก ๆ เมื่อเทียบกับความเร็วแสง หรือ V \ll c จะทำให้ค่า \gamma เข้าใกล้หนึ่ง และการแปลงลอเรนซ์ก็จะกลายเป็นการแปลงกาลิเลี่ยนทันที

    \[ t' = t \]

    \[ x' = x - V t \]

    \[y' = y\]

    \[z' = z\]

ดังนั้นการค้นพบทฤษฎีสัมพัทธภาพแบบพิเศษนั้น ไม่ได้ทำลายล้างทฤษฎีเดิมอย่างกฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน เพียงแต่ได้ทำการขยายขอบข่ายเพิ่มเติมว่า หากเราสนใจบริเวณที่ความเร็วสัมพัทธ์กันมาก ๆ เกือบถึงความเร็วแสงนั้น การใช้กฎการเคลื่อนที่ของนิวตันจึงไม่เพียงพอต่อการคำนวณให้สอดคล้องกับฟิสิกส์ของธรรมชาติ

ในการแปลงแบบกาลิเลี่ยนนั้นเวลาเป็นสิ่งสัมบูรณ์ ไม่ว่าจะอยู่ภายใต้กรอบอ้างอิงไหนเวลาย่อมเดินด้วยอัตราเท่ากัน แต่ภายใต้การแปลงแบบลอเรนซ์นั้นมีการแปลงเวลา t' กับ t ซึ่งชี้ว่าอัตราการไหลของเวลาย่อมต่างกัน มาดูตัวอย่างประกอบกัน หากเรามีนาฬิกาเรือนที่หนึ่งอยู่ในกรอบอ้างอิง (t, x, y, z) ซึ่งเคลื่อนที่สัมพัทธ์เทียบกับผู้สังเกตที่ถือนาฬิกาเรือนที่สองในกรอบ (t', x', y', z') การไหลของเวลาในสองกรอบจะเขียนเป็นสมการต่อไปนี้

    \[       \Delta t' = \gamma \Delta t \geq \Delta t \]

หากเวลาในนาฬิกาเรือนที่หนึ่งวิ่งไปเป็นเวลา 1 วินาที (\Delta t = 1 s) ผู้สังเกตซึ่งถือนาฬิกาเรือนที่สองจะพบว่าเวลาผ่านไปนานกว่า 1 วินาที (\Delta t' > 1 s) ปรากฏการณ์นี้ถูกเรียกว่าการยืดออกของเวลา (Time dilation) ดังนั้นหากเรากำลังสังเกตวัตถุที่กำลังวิ่งด้วยความเร็วสูงเทียบกับเรามากเท่าไหร่ เราจะสังเกตว่าอัตราการไหลของเวลาในวัตถุก็ช้าลงเท่านั้น

ทีนี้เรามาดูขนาดของวัตถุกันบ้าง สมมติว่าเรามีแท่งยาวขนาด \Delta x = L อยู่ในกรอบอ้างอิง (t, x, y, z) ซึ่งเคลื่อนที่สัมพัทธ์เทียบกับผู้สังเกตในกรอบ (t', x', y', z') จะวัดความยาวของวัตถุได้สั้นลงกว่าเดิมเท่ากับ \Delta x' = L' ตามความสัมพันธ์ต่อไปนี้

    \[       \Delta x' = \Delta x / \gamma < \Delta x \]

และสองปรากฏการณ์นี้ถูกทำนายไว้ในทฤษฎีสัมพัทธภาพแบบพิเศษตั้งแต่ปีค.ศ. 1905 แน่นอนว่าเป็นเรื่องยากที่แนวคิดนี้ในจะได้รับการยอมรับในช่วงแรก เป็นเรื่องปกติที่จะมีนักวิทยาศาสตร์ชื่อดังหลาย ๆ ท่านออกมาคัดค้าน แต่ด้วยการทดลองและสังเกตธรรมชาติรอบข้างเรา และต่อยอดความรู้กันมาจนถึงยุคปัจจุบัน ทำให้ทฤษฎีสัมพัทธภาพแบบพิเศษเป็นที่ยอมรับในวงวิชาการและเทคโนโลยี

นอกจากนี้ยังมีเรื่องที่น่าชวนปวดหัวอีกเรื่องนั่นคือ ทั้งอนุภาคและคลื่นต่างมีความเร็วจำกัดในการเดินทาง โดยความเร็วสูงสุดคือความเร็วแสง อยู่ที่ประมาณ 3 แสนกิโลเมตรต่อวินาที ซึ่งทฤษฎีการเคลื่อนที่ของนิวตันนั้นไม่เคยมีการระบุความเร็วสูงสุดของอนุภาคหรือคลื่นมาก่อน มาลองดูตัวอย่างเล่น ๆ หากเราอยู่ในกรอบอ้างอิง (t, x, y, z) แล้วกำลังสังเกตกระสวยอวกาศที่มีความเร็วสัมพัทธ์ในกรอบอ้างอิง (t', x', y', z') หากกระสวยค่อย ๆ เพิ่มความเร็วไปเรื่อย ๆ จนไปแตะที่ความเร็วแสง จะเกิดปัญหาทันทีเนื่องจากตัวแปร \gamma \rightarrow \infty ซึ่งตีความว่าวัตถุนั้นจะเร็วมากจนหยุดนิ่ง อ่านไม่ผิดครับ เพราะว่า \Delta t' = 0 หากนี่ยังไม่รู้สึกเดือดร้อนเท่าไหร่ เรามาดูว่าพลังงานจลน์ที่เราจะให้กับกระสวยจะเป็นไปตามสมการต่อไปนี้ครับ

    \[      E_{kinetic} = (\gamma - 1) m_0 c^2. \]

โดยที่ m_0 คือมวลนิ่งของวัตถุ นั่นเท่ากับว่าการจะทำให้กระสวยมีความเร็วเท่ากับความเร็วแสง เราเอาพลังงานทั้งจักรวาลมาแปลงเป็นพลังงานจลน์ให้กับกระสวยก็ไม่พอ เหล่านี้คือเหตุผลที่ว่าอนุภาคที่มีมวลจะไม่สามารถเคลื่อนที่ได้เท่ากับความเร็วแสงนั่นเอง

‘กรวยแสง’
ภาพนี้อธิบายอดีต ปัจจุบัน และอนาคต โดยมีความเร็วแสงเป็นการจำกัดการเคลื่อนที่ วิธีการดูภาพนี้ให้เริ่มต้นจากตรงกึ่งกลางของภาพที่เขียนว่า Observer หรือ ผู้สังเกตการณ์ เป็นตัวแทนบุคคลหรือเหตุการณ์ใด ๆ ณ ปัจจุบัน ในแกนตั้งจะแทนเป็นแกนเวลา ส่วนแกนนอนอีกสองแกนที่เหลือจะแทนเป็นตำแหน่งพิกัดในสองมิติ (ในทฤษฎีสัมพัทธภาพ เราจะมีทั้งหมดสี่มิติ นั่นคือมีสี่แกน แต่ด้วยข้อจำกัดของการวาดภาพในสองมิติ ทำให้เรา วาดภาพกรวยแสงได้เพียงสามมิติ นั่นคือ เวลา + ตำแหน่ง + ตำแหน่ง) หากเราเริ่มเปิดไฟจากหลอดไฟ เมื่อเวลาผ่านทุก ๆ หนึ่งวินาที แสงจะสามารถเคลื่อนที่ห่างออกไป 300,000 กิโลเมตร จากจุดปัจจุบัน โดยแต่ละจุดที่แทนการเคลื่อนที่ของแสงจะอยู่บนพื้นผิวของกรวยที่อยู่บน Future light cone และนี่คือขอบเขตเร็วที่สุดที่อนุภาคและคลื่นจะเคลื่อนที่ได้ในจักรวาลของเรา ในขณะที่ Past light cone คือเส้นทางของแสงในอดีตที่จะวิ่งเข้าหาจุดปัจจุบันนั่นเอง
ที่มา: https://en.wikipedia.org/wiki/Special_relativity

แต่ทฤษฎีสัมพัทธภาพแบบพิเศษยังไม่จบเพียงเท่านี้ มาลองดูปัญหาปวดสมองกันต่อ ย้อนกลับไปที่ปัญหานาฬิกาสองเรือนที่วิ่งสัมพัทธ์กัน ทีนี้จะสมมติใหม่ว่า มีผู้สังเกตสองคนวิ่งสัมพัทธ์กัน คนแรกอยู่ในกรอบอ้างอิง (t, x, y, z) และวิ่งสัมพัทธ์เทียบกับผู้สังเกตคนที่สองในกรอบอ้างอิง (t', x', y', z') ในมุมมองของคนที่สองสังเกตคนแรกว่านาฬิกาของคนแรกวิ่งช้ากว่าของตนตามสมการต่อไปนี้

    \[       \Delta t' = \gamma \Delta t \geq \Delta t \]

ในขณะที่คนแรกจะสังเกตว่านาฬิกาของคนที่สองวิ่งช้ากว่า ซึ่งค้านกับมุมมองก่อนหน้า

    \[       \Delta t = \gamma \Delta t' \geq \Delta t' \]

จากสัจพจน์ข้อแรกของทฤษฎีสัมพัทธภาพแบบพิเศษ หลักสัมพัทธภาพ (Principle of relativity) บอกว่าเราไม่สามารถหากรอบอ้างอิงที่สัมบูรณ์ได้ แล้วตกลงใครกันแน่ที่ถูก หากใครมีแนวคิดหรือวิธีการอธิบายคำตอบนี้ ลองคอมเม้นหรือส่งข้อความมาบอกพวกเรากันได้นะครับ ต่อไปจะเป็นเฉลยแนวคิดนะครับ ผมจะลองใช้เรื่องแนวคิดเรื่องปฏิทรรศน์ฝาแฝด (Twin paradox) มาตอบนะ มันคือเหตุการณ์ที่คู่แฝดสองคนเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสัมพัทธ์กัน คนนึงใช้ชีวิตบนโลก ในขณะที่อีกคนเคลื่อนที่ไปบนยานอวกาศความเร็วใกล้แสงแล้วกลับมาบนโลก ปรากฎว่าอายุของสองคนไม่เท่ากัน คนที่อยู่บนโลกมีอายุที่มากกว่าหรือเวลาเดินเร็วกว่าคนที่อยู่บนยานอวกาศ แม้จะไม่สามารถหากรอบอ้างอิงที่สัมบูรณ์ได้จริง แต่แฝดคนที่ขึ้นยานอวกาศไปนั้นได้เคลื่อนที่ออกไปแล้วหยุดเพื่อวกกลับมาในเส้นทางเดิมด้วยความเร็วสูงก่อนจะถึงโลก keyword คือคำว่า ‘หยุด’ เพราะเท่ากับว่าแฝดที่อยู่บนยานได้ใช้โลกเป็นกรอบอ้างอิงเพื่อที่จะได้หยุดเทียบกับโลกแล้วเดินทางกลับ นั่นทำให้เวลาที่อยู่บนโลกนั้นจะไหลไปเร็วกว่าคนที่อยู่บนยานนั่นเอง แล้วทีนี้มันเกี่ยวยังไงกับปัญหาที่ถามไป เพราะว่าสองเหตุการณ์ที่วิ่งสัมพัทธ์กันยังไม่มีการวกกลับมาเจอกันอีกครั้ง ทำให้โจทย์ข้อนี้ไม่สามารถบอกว่าได้ว่าใครใช้เวลามากกว่าใคร เพราะไม่มีคำว่า ‘หยุด’ หรือ ‘วกกลับ’ นั่นเอง

ทีนี้ขอเสริมเรื่องคู่แฝดอีกหน่อยแล้วกัน หากเราเปลี่ยนแผนนิดหน่อยคือ ให้แฝดคนแรกนั่งยานที่วิ่งออกจากโลกด้วยความเร็วสูง ไปยังดาวดวงนึงแล้วหยุดไม่วกกลับแต่ใช้ชีวิตต่อ ตอนนี้เราจะพบว่าแฝดคนที่อยู่บนโลกจะแก่กว่าแฝดคนที่อยู่บนดาวใหม่ ต่อมาแฝดคนที่สองนั่งยานที่วิ่งออกจากโลกด้วยความเร็วเท่ากันกับแฝดคนแรกไปยังดาวเดียวกัน เมื่อแฝดคนที่สองไปถึง จะพบว่าแฝดทั้งสองคนมีอายุเท่ากันอีกครั้ง

ความเชื่อมโยงของทฤษฎีสัมพัทธภาพแบบพิเศษกับทฤษฎีทางฟิสิกส์อื่น ๆ

(1) การเชื่อมโยงไปสู่ ทฤษฏีสัมพัทธภาพแบบทั่วไป (General relativity)
แม้ว่าชื่อของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั้งสองแบบนั้นจะคล้ายและใกล้เคียงกันมากก็ตาม แต่อย่าให้ชื่อมันหลอกเราเพราะว่าคำว่า ‘พิเศษ’ แปลเป็นอีกแบบคือ ‘ง่ายเป็นพิเศษ’ นั่นเอง กล่าวคือ ทฤษฎีสัมพัทธภาพแบบพิเศษสนใจภายใต้ขอบเขตของฟิสิกส์ของวัตถุที่มีความเร็วสัมพัทธ์ซึ่งกันและกัน แต่ยังไม่ได้รวมความเป็นสนามโน้มถ่วงเข้าไปพิจารณาด้วยซ้ำ หากท่านใดอ่านมาถึงจุดนี้และสนใจว่าการประยุกต์สนามโน้มถ่วงเข้ามาแล้วเกิดเป็นทฤษฎีสัมพัทธภาพแบบทั่วไปแล้วเกิดเป็นอะไรบ้าง มาติดตามต่อได้ในบทความถัดไปนะครับ

(2) การเชื่อมโยงกับ ทฤษฎีควอนตัม (Quantum theory)
เรียกได้ว่าการพัฒนาทฤษฎีทั้งสองนั้นมีความแตกต่างกันอย่างมหาศาล ตัวทฤษฎีสัมพัทธภาพแบบพิเศษนั้นถูกนำมาใช้ในการอธิบายเหตุการณ์ที่มีความเร็วสูง ๆ อยู่ห่าง ๆ กันมาก ๆ และมีมุมมองต่อทั้งจักรวาลเป็นแบบต่อเนื่อง ถูกกำหนดและทำนายได้อย่างแม่นยำ ในขณะที่ทฤษฎีควอนตัมถูกใช้ในการอธิบายเหตุการณ์ระดับอะตอม ให้ความรู้สึกเป็นกลุ่มก้อน ไม่สามารถอธิบายได้อย่างแม่นยำและยังใช้ความน่าจะเป็นในการทำนายผล ถึงอย่างนั้นก็ได้มีความสำเร็จในการรวมสองอันเข้าด้วยกันเป็น ควอนตัมสัมพัทธ์ (Relativistic quantum) ซึ่งสนใจในพฤติกรรมของกลุ่มอนุภาคในระดับที่เล็กกว่าอะตอมแต่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูง ซึ่งทำให้เราได้ทฤษฎีสนามควอนตัม (Quantum field) ออกมานั่นเอง และทำให้เราได้ภาพรวมกว้าง ๆ ของอนุภาคมูลฐานต่าง ๆ ในจักรวาลของเราในแบบจำลองมาตรฐาน (Standard model) ซึ่งประสบความสำเร็จในการรวมแรงพื้นฐานได้ถึง 3 ชนิด นั่นคือ แรงแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic force), แรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม (Strong nuclear force), และแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน (Weak nuclear force) แต่อย่าสับสนกับทฤษฎีสตริงหรือทฤษฎีเส้นเชือก (String theory) ที่มีความต้องการจะรวมทฤษฎีสัมพัทธภาพแบบทั่วไปเข้ากับทฤษฎีควอนตัมนะครับ อันนั้นเป็นอีกประเด็นที่ยังคงเป็นปลายเปิดไว้จนถึงตอนนี้ และความท้าทายในการรวมสนามโน้มถ่วงที่เชื่อว่าเป็นแรงสุดท้ายจาก 4 แรงนี้ยังรอให้นักคิดในยุคถัด ๆ ไป ได้ขบคิดกันต่อไปครับ

พูดคุยท้ายบทความ

อ่านกันมาถึงตรงนี้ ไม่ต้องแปลกใจหากท่านจะยังไม่เข้าใจและยังสงสัยในตัวทฤษฎีที่ถูกอธิบายด้วยตัวอย่างที่ขัดกับสามัญสำนึกของเรา อย่าไปโทษไอสไตน์ที่ไปเจอเลย โทษธรรมชาติที่เล่นตลกกับกฎทางฟิสิกส์ของเราจะดีกว่า ในฐานะนักฟิสิกส์ก็จะขอมาแลกเปลี่ยนเรื่องราวแปลก ๆ แบบนี้ไปเรื่อย ๆ หวังว่าจะชอบกันนะครับ หากใครมีเรื่องราวทางฟิสิกส์หรือวิทยาศาสตร์ด้านต่าง ๆ ที่อยากจะถามหรืออยากแชร์ ก็ส่งกันเข้ามาได้เรื่อย ๆ แล้วพวกเราจะไปหาความรู้มาเล่าให้ท่านได้อ่านต่อในเพจ The Principia กันครับ

อ้างอิงจาก:

  • https://www.space.com/36273-theory-special-relativity.html
  • https://en.wikipedia.org/wiki/Special_relativity
  • Bernard F. Schutz. (2009). “A First Course in General Relativity”. Cambridge University Press.

Tags: Length contractionNewton's laws of motionSpecial relativityTime dilation
Takol Tangphati

Takol Tangphati

นักฟิสิกส์ด้านฟิสิกส์ทฤษฎีพลังงานสูง สมาชิกสมาคมฟิสิกส์ X

Related Posts

Rogue wave คลื่นที่ไม่ได้อยู่แค่ในจินตนาการ
Physics

Rogue wave คลื่นที่ไม่ได้อยู่แค่ในจินตนาการ

byPeeravut Boonsat
26/12/2022
รูหนอนในฟิสิกส์ กับ Bifrost (God of war: Ragnarok)
Cosmology

รูหนอนในฟิสิกส์ กับ Bifrost (God of war: Ragnarok)

byTakol Tangphati
15/12/2022
งานวิจัยล่าสุดพบ ดวงจันทร์ของโลกอาจใช้เวลาไม่กี่ชั่วโมงในการก่อตัวขึ้นจากเศษซากของดาว
Astronomy

งานวิจัยล่าสุดพบ ดวงจันทร์ของโลกอาจใช้เวลาไม่กี่ชั่วโมงในการก่อตัวขึ้นจากเศษซากของดาว

byNakarin Chantaso
11/10/2022
ทฤษฎีความพัวพัน ปัญหาโลกควอนตัม กับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ 2022
Computing

ทฤษฎีความพัวพัน ปัญหาโลกควอนตัม กับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ 2022

byTanakrit Srivilasand1 others
09/11/2022

Comments 1

  1. Pingback: จากทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ สู่ภาพถ่ายแรกของหลุมดำ – The Principia
The Principia

ส่งเสริมสังคมสร้างสรรค์ ด้วยการสื่อสารวิทยาศาสตร์

© 2021 ThePrincipia. All rights reserved.

The Principia Media

About Us
Members
Contact Us
theprincipia2021@gmail.com

Follow us

No Result
View All Result
  • ข่าว
  • เทคโนโลยี
    • หุ่นยนต์และปัญญาประดิษฐ์
    • วิศวกรรม
    • ยานพาหนะ
    • พลังงาน
    • เทคโนโลยีอาหาร
    • เทคโนโลยีการคำนวณ
    • เทคโนโลยีอวกาศ
  • ฟิสิกส์
  • เคมี
  • ชีววิทยา
    • วิทยาศาสตร์สุขภาพ
    • ชีววิทยาโมเลกุล
    • วิวัฒนาการ
    • สัตววิทยา
    • พฤกษศาสตร์
    • จุลชีววิทยา
    • กีฏวิทยา
    • นิเวศวิทยา
  • ดาราศาสตร์
    • ฟิสิกส์ดาราศาสตร์
    • จักรวาลวิทยา
    • วิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์
  • อื่น ๆ
    • ศิลปะ & วัฒนธรรม
    • คณิตศาสตร์
    • ประวัติศาสตร์
    • จิตวิทยา
    • ปรัชญา
    • วิทยาศาสตร์การกีฬา
    • Sci-fi
  • ร้านค้า