ประวัติศาสตร์

ก่อน Einstein นักดาราศาสตร์ (ส่วนใหญ่) เข้าใจจักรวาลในแง่ของกฎการเคลื่อนที่สามข้อที่นำเสนอโดย Isaac Newton ในปี 1686 กฎสามข้อนี้คือ:

(1) วัตถุที่กำลังเคลื่อนที่ (หรืออยู่นิ่ง) ยังคงเคลื่อนที่ (หรือหยุดนิ่ง) เว้นแต่ว่าแรงภายนอกจะกระทำกับการเปลี่ยนแปลง

(2) แรงเท่ากับการเปลี่ยนแปลงของโมเมนตัมทุกครั้งที่เปลี่ยน สำหรับมวลคงที่ แรงเท่ากับมวลคูณความเร่ง

(3) สำหรับทุกการกระทำมีปฏิกิริยาที่เท่ากันและตรงกันข้าม

แต่มีรอยแตกในทฤษฎีในช่วงหลายทศวรรษก่อนที่ไอน์สไตน์จะมาถึง ในปี 1865 James Clerk Maxwell นักฟิสิกส์ชาวสก็อตได้พิสูจน์ว่าแสงเป็นคลื่นที่มีส่วนประกอบทางไฟฟ้าและแม่เหล็กและกำหนดความเร็วของแสง (186,000 ไมล์ต่อวินาที) แนะนำว่าแสงจะต้องถูกส่งผ่านตัวกลางที่เรียกว่าอีเธอร์ (ตอนนี้เราทราบแล้วว่าไม่จำเป็นต้องส่งผ่าน และแสงนั้นในอวกาศเดินทางในสุญญากาศ)

ยี่สิบปีต่อมา ผลลัพธ์ที่คาดไม่ถึงได้ทำให้เกิดคำถามนี้ขึ้น นักฟิสิกส์ AA Michelson และนักเคมี Edward Morley (ชาวอเมริกันทั้งคู่ในขณะนั้น) ได้คำนวณว่าการเคลื่อนที่ของโลกผ่าน “อีเธอร์” นี้ส่งผลต่อวิธีการวัดความเร็วของแสงอย่างไร และพบว่าความเร็วของแสงเท่ากันไม่ว่าการเคลื่อนที่ของวัตถุจะเป็นอย่างไร โลกคือ สิ่งนี้นำไปสู่ความคิดเพิ่มเติมเกี่ยวกับพฤติกรรมของแสง – และความเข้ากันไม่ได้กับกลไกคลาสสิก – โดยนักฟิสิกส์ชาวออสเตรีย Ernst Mach และนักคณิตศาสตร์ชาวฝรั่งเศส Henri Poincare

ไอน์สไตน์เริ่มคิดเกี่ยวกับพฤติกรรมของแสงเมื่ออายุได้ 16 ปี ในปี พ.ศ. 2438 เขาทำการทดลองทางความคิด สารานุกรมกล่าว ซึ่งเขาขี่คลื่นแสงและมองเข้าไปในคลื่นแสงอีกลูกหนึ่งซึ่งเคลื่อนที่ขนานกับฉัน

ฟิสิกส์คลาสสิกควรกล่าวว่าคลื่นแสงที่ไอน์สไตน์มองไปจะมีความเร็วสัมพัทธ์เท่ากับศูนย์ แต่สิ่งนี้ขัดแย้งกับสมการของแมกซ์เวลล์ซึ่งแสดงว่าแสงมีความเร็วเท่ากันเสมอ: 186,000 ไมล์ต่อวินาที: 186,000 ไมล์ต่อวินาที ปัญหาอีกประการของความเร็วสัมพัทธ์คือ กฎเหล่านี้จะแสดงว่ากฎของแม่เหล็กไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงไปตามจุดชมวิวของคุณ ซึ่งขัดแย้งกับฟิสิกส์คลาสสิกด้วย (ซึ่งระบุว่ากฎของฟิสิกส์ไม่เปลี่ยนแปลง) จะเหมือนกันสำหรับทุกคน)

สิ่งนี้นำไปสู่ความคิดสุดท้ายของไอน์สไตน์เกี่ยวกับทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษซึ่งเขาได้อธิบายตัวอย่างประจำวันของบุคคลที่ยืนอยู่ข้างรถไฟที่กำลังเคลื่อนที่โดยเปรียบเทียบการสังเกตกับบุคคลที่อยู่ภายในเรือ เขาจินตนาการว่ารถไฟจะอยู่ที่จุดบนรางระหว่างต้นไม้สองต้นที่เท่ากัน หากฟ้าผ่ากระทบต้นไม้ทั้งสองต้นพร้อมกัน เนื่องจากการเคลื่อนที่ของรถไฟ คนบนรถไฟจะเห็นฟ้าผ่าที่ต้นไม้ต้นหนึ่งก่อนต้นไม้อีกต้นหนึ่ง แต่ผู้ที่อยู่ถัดจากแทร็กจะเห็นการนัดหยุดงานพร้อมกัน

“ไอน์สไตน์สรุปว่าความพร้อมกันนั้นสัมพันธ์กัน เหตุการณ์ที่เกิดขึ้นพร้อมกันสำหรับผู้สังเกตการณ์คนหนึ่งอาจไม่เกิดขึ้นกับอีกคนหนึ่ง” สารานุกรมระบุ “สิ่งนี้นำเขาไปสู่ความคิดที่ขัดกับสัญชาตญาณว่าเวลาไหลต่างกันไปตามสถานะของการเคลื่อนไหว และสรุปได้ว่าระยะทางนั้นสัมพันธ์กันด้วย”

สมการที่มีชื่อเสียง E = mc 2

ผลงานของไอน์สไตน์ทำให้เกิดผลลัพธ์ที่น่าตกใจ ซึ่งยังคงดูขัดแย้งกันอยู่ในปัจจุบัน แม้ว่าฟิสิกส์ของเขามักจะได้รับการแนะนำในระดับมัธยมศึกษาตอนปลายก็ตาม

สมการที่มีชื่อเสียงที่สุดในวิชาคณิตศาสตร์มาจากทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ สมการ –  E = mc 2  – หมายถึง “พลังงานเท่ากับมวลคูณกำลังสองของความเร็วแสง” มันแสดงให้เห็นว่าพลังงาน ( E ) และมวล ( m ) นั้นใช้แทนกันได้ พวกเขาเป็นรูปแบบที่แตกต่างกันของสิ่งเดียวกัน หากมวลถูกแปลงเป็นพลังงานอย่างสมบูรณ์ มันก็จะแสดงให้เห็นว่ามีพลังงานอยู่ภายในมวลนั้นมากเพียงใด: ค่อนข้างมาก (สมการนี้เป็นสาเหตุหนึ่งที่ทำให้ระเบิดปรมาณูมีพลังมาก เมื่อมวลของมันถูกแปลงเป็นการระเบิด)

สมการนี้ยังแสดงให้เห็นว่ามวลเพิ่มขึ้นด้วยความเร็ว ซึ่งจำกัดอัตราอย่างมีประสิทธิภาพว่าสิ่งต่าง ๆ สามารถเคลื่อนที่ผ่านจักรวาลได้เร็วเพียงใด พูดง่ายๆ คือ ความเร็วแสง (  c  ) คือความเร็วที่เร็วที่สุดที่วัตถุสามารถเคลื่อนที่ได้ในสุญญากาศ เมื่อวัตถุเคลื่อนที่ มวลของวัตถุก็จะเพิ่มขึ้นด้วย ใกล้ความเร็วแสง มวลสูงมากจนไปถึงอนันต์ และจะใช้พลังงานอนันต์ในการเคลื่อนย้าย ดังนั้นจึงจำกัดความเร็วของวัตถุที่จะเคลื่อนที่ได้ เหตุผลเดียวที่แสงเดินทางด้วยความเร็วดังกล่าวก็เพราะโฟตอน ซึ่งเป็นอนุภาคควอนตัมที่ประกอบเป็นแสง มีมวลเป็นศูนย์

สถานการณ์พิเศษในจักรวาลขนาดเล็กที่เรียกว่า “ควอนตัมพัวพัน” นั้นน่าสับสนมากเพราะดูเหมือนว่าจะเกี่ยวข้องกับอนุภาคควอนตัมที่มีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกันด้วยความเร็วที่เร็วกว่าความเร็วแสง โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การวัดคุณสมบัติของอนุภาคหนึ่งสามารถบอกคุณสมบัติของอนุภาคอื่นได้ทันที ไม่ว่าจะอยู่ไกลแค่ไหน มีการเขียนมากมายเกี่ยวกับปรากฏการณ์นี้ ซึ่งยังไม่ได้อธิบายอย่างเต็มที่ในแง่ของข้อสรุปของไอน์สไตน์

ข้อสรุปที่น่าสงสัยอีกประการหนึ่งเกี่ยวกับงานของไอน์สไตน์มาจากการตระหนักว่าเวลาเคลื่อนที่สัมพันธ์กับผู้สังเกต วัตถุที่กำลังเคลื่อนที่ประสบกับการขยายเวลา ซึ่งหมายความว่าเวลาจะเคลื่อนที่ช้ากว่าเมื่อวัตถุเคลื่อนที่ มากกว่าเมื่อวัตถุหยุดนิ่ง ดังนั้นคนที่เคลื่อนไหวมีอายุช้ากว่าคนที่กำลังพักผ่อน ใช่แล้ว เมื่อนักบินอวกาศสก็อตต์ เคลลี ใช้เวลาเกือบหนึ่งปีในสถานีอวกาศนานาชาติระหว่างปี 2015-16  มาร์ค เคลลี น้องชายนักบินอวกาศฝาแฝดของเขามีอายุเร็วกว่าสก็อตต์ เล็กน้อย

สิ่งนี้จะชัดเจนอย่างยิ่งเมื่อเข้าใกล้ความเร็วแสง ลองนึกภาพเด็กอายุ 15 ปีเดินทางด้วยความเร็ว 99.5% ของความเร็วแสงเป็นเวลา 5 ปี (จากมุมมองของนักบินอวกาศ) ตามรายงานของ NASA  เมื่อเด็กชายอายุ 15 ปี กลับมายังโลก เขาอายุเพียง 20 ปีเท่านั้น อย่างไรก็ตาม เพื่อนร่วมชั้นของเขาจะมีอายุ 65 ปี

แม้ว่าการขยายเวลานี้จะฟังดูเป็นทฤษฎี แต่ก็มีการใช้งานจริงด้วย หากคุณมีเครื่องรับ Global Positioning Satellite (GPS) ในรถของคุณ ระบบจะพยายามค้นหาสัญญาณจากดาวเทียมอย่างน้อยสามดวงเพื่อประสานตำแหน่งของคุณ ดาวเทียม GPS จะส่งสัญญาณวิทยุแบบหมดเวลาที่เครื่องรับฟัง โดยกำหนดตำแหน่ง (หรือมากกว่าสามครั้ง) ตามเวลาเดินทางของสัญญาณ ความท้าทายคือ นาฬิกาอะตอมบน GPS กำลังเคลื่อนที่ ดังนั้นจะวิ่งเร็วกว่านาฬิกาอะตอมบนโลก ทำให้เกิดปัญหาเรื่องเวลา ดังนั้น วิศวกรจึงต้องทำให้  นาฬิกา GPS ทำงานช้าลง Richard Pogge นักดาราศาสตร์จาก Ohio State University กล่าว

นาฬิกาในอวกาศทำงานเร็วขึ้น ตามข้อมูลของ  Physics Central  เนื่องจากดาวเทียม GPS อยู่เหนือโลกและอยู่ภายใต้แรงโน้มถ่วงที่อ่อนลง ดังนั้นแม้ว่าดาวเทียม GPS จะเคลื่อนที่และชะลอตัวลงเจ็ดไมโครวินาทีต่อวันอันเนื่องมาจากการเคลื่อนที่ของพวกมัน แต่ผลของแรงโน้มถ่วงที่ลดลงทำให้นาฬิกาทำงานเร็วกว่านาฬิกาภาคพื้นดินประมาณ 45 ไมโครวินาที . เมื่อนำทั้งสองเข้าด้วยกันส่งผลให้นาฬิกาดาวเทียม GPS เดินเร็วกว่านาฬิกาภาคพื้นดิน ประมาณ 38 ไมโครวินาทีต่อวัน

ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษและกลศาสตร์ควอนตัม

เมื่อความรู้ด้านฟิสิกส์ของเราก้าวหน้า นักวิทยาศาสตร์พบว่าตัวเองอยู่ในสถานการณ์ที่ตอบโต้กับสัญชาตญาณได้มากกว่า บางคนพยายามที่จะกระทบยอดทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป – ซึ่งอธิบายได้ดีว่าเกิดอะไรขึ้นกับวัตถุขนาดใหญ่ – ด้วยกลศาสตร์ควอนตัมซึ่งเหมาะที่สุดสำหรับสิ่งเล็กๆ น้อยๆ (เช่น การสลายของอะตอม) ยูเรเนียม) ทั้งสองสาขาซึ่งเป็นคำอธิบายที่ยอดเยี่ยมของแต่ละสาขานั้นเข้ากันไม่ได้ ซึ่งทำให้ไอน์สไตน์และนักวิทยาศาสตร์รุ่นหลังเขาผิดหวัง

“ทฤษฎีสัมพัทธภาพให้คำตอบที่ไร้สาระเมื่อคุณพยายามย่อขนาดให้เล็กลงเป็นขนาดควอนตัม ในที่สุดก็ลดขนาดลงจนเป็นค่าอนันต์ในคำอธิบายของแรงโน้มถ่วง ในทำนองเดียวกัน  กลศาสตร์ควอนตัมประสบปัญหาร้ายแรง เมื่อคุณระเบิดมันขึ้นไปถึงมิติจักรวาล” บทความใน The Guardian ชี้ให้เห็นในปี 2558

“สนามควอนตัมมีพลังงานจำนวนหนึ่ง แม้ในพื้นที่ที่ดูเหมือนว่างเปล่า และปริมาณพลังงานจะเพิ่มขนาดของสนามให้ใหญ่ขึ้น ตามที่ไอน์สไตน์กล่าว พลังงานและมวลมีค่าเท่ากัน (นั่นคือข้อความของ E = mc  2 ) ดังนั้นการซ้อนทับของพลังงานจึงเหมือนกันทุกประการกับการซ้อนทับของมวล การเพิ่มขึ้นนั้นมากเพียงพอ และปริมาณพลังงานในสนามควอนตัมก็ใหญ่มากจนทำให้เกิดหลุมดำที่ทำให้จักรวาลยุบตัวลงเอง เสียใจ. ”

มีแนวคิดหลายอย่างในการแก้ปัญหานี้ (ซึ่งอยู่นอกเหนือขอบเขตของบทความนี้) แต่วิธีหนึ่งคือ  การจินตนาการถึงทฤษฎีควอนตัมของแรงโน้มถ่วงที่ จะมีอนุภาคไร้มวล (เรียกว่า กราวิตอน) เพื่อสร้างแรง แต่ตามที่นักฟิสิกส์ Dave Goldberg ชี้ให้เห็นใน io9 ในปี 2013 มีปัญหากับสิ่งนั้น ในระดับที่เล็กที่สุด อนุภาคความโน้มถ่วงจะมีความหนาแน่นของพลังงานไม่สิ้นสุด ทำให้เกิดสนามโน้มถ่วงที่แรงเกินจินตนาการ จำเป็นต้องมีการวิจัยเพิ่มเติมเพื่อดูว่าเป็นไปได้หรือไม่

ใส่ความเห็น

อีเมลของคุณจะไม่แสดงให้คนอื่นเห็น ช่องข้อมูลจำเป็นถูกทำเครื่องหมาย *