ทฤษฎีสัมพัทธภาพ (Relativity Theory)

ทฤษฎีสัมพัทธภาพ (Relativity Theory)

ทฤษฎีสัมพัทธภาพเป็นรากฐานความสำคัญของฟิสิกส์ยุคใหม่ โดยทฤษฎีนี้ได้แยกออกเป็นสองตอน คือทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ และ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป

ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ (Special Relativity )จะเกี่ยวข้องกับระบบที่มีความเร็วคงที่คือเป็นระบบที่ไม่มีความเร่ง การอธิบายทฤษฎีนี้อย่างง่ายที่สุดก็เปรียบเทียบให้เห็นว่า เมื่อเรารู้สึกว่าทุกสิ่งกำลังหยุดนิ่งหรือมีความเร็วที่เท่ากันเราไม่สามารถบอกได้ว่าสิ่งใดกำลังเคลื่อนที่ เช่น โลกหมุนรอบตัวเองและรอบดวงอาทิตย์ เรายังรู้สึกว่าทุกสิ่งกำลังอยู่กับที่ แต่ที่จริงสิ่งที่เรานึกว่าหยุดอยู่กับที่กลับเคลื่อนที่

ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ (Special Relativity) ถูกเสนอขึ้นในปี ค.ศ. 1905 โดยอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ในบทความของเขา "เกี่ยวกับพลศาสตร์ไฟฟ้าของวัตถุซึ่งเคลื่อนที่ (On the Electrodynamics of Moving Bodies)" สามศตวรรษก่อนหน้านั้น หลักสัมพัทธภาพของกาลิเลโอกล่าวไว้ว่า การเคลื่อนที่ ด้วยความเร็วคงที่ทั้งหมดเป็นการสัมพัทธ์ และไม่มีสถานะของการหยุดนิ่งสัมบูรณ์และนิยามได้ คนที่อยู่บนดาดฟ้าเรือคิดว่าตนอยู่นิ่ง แต่คนที่สังเกตบนชายฝั่งกลับบอกว่า ชายบนเรือกำลังเคลื่อนที่ ทฤษฏีของไอน์สไตน์รวมหลักสัมพัทธภาพของกาลิเลโอเข้ากับสมมติฐานที่ว่า ผู้สังเกตทุกคนจะวัดอัตราเร็วของแสงได้เท่ากันเสมอ ไม่ว่าสภาวะการเคลื่อนที่เชิงเส้นด้วยความเร็วคงที่ของพวกเขาจะเป็นอย่างไร

ทฤษฏีนี้มีข้อสรุปอันน่าประหลาดใจหลายอย่างซึ่งขัดกับสามัญสำนึก แต่สามารถพิสูจน์ได้ด้วยการทดลอง ทฤษฏีสัมพัทธภาพพิเศษล้มล้างแนวคิดของสเปซสัมบูรณ์และเวลาสัมบูรณ์ของนิวตันโดยการยืนยันว่า ระยะทางและเวลาขึ้นอยู่กับผู้สังเกต และเวลากับสเปซนั้นถูกรับรู้ต่างกันไปขึ้นอยู่กับผู้สังเกต มันนำมาซึ่งหลักการสมมูลของสสารและพลังงาน ซึ่งสามารถแสดงเป็นสมการชื่อดัง E=mc2เมื่อ c คืออัตราเร็วของแสง ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษสอดคล้องกับกลศาสตร์นิวตันในสำนึกทั่วไปและในการทดลองเมื่อความเร็วของสิ่งต่างๆ น้อยมากเมื่อเทียบกับอัตราเร็วแสง

ทฤษฎีนี้เรียกว่า "พิเศษ" เนื่องจากมันประยุกต์หลักสัมพัทธภาพกับกรอบอ้างอิงเฉื่อยเท่านั้น ไอน์สไตน์พัฒนาทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปโดยประยุกต์หลักสัมพัทธภาพให้ใช้ทั่วไปกล่าวคือ ใช้ได้กับทุกกรอบอ้างอิง และทฤษฎีดังกล่าวยังรวมผลของความโน้มถ่วง ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษไม่ได้รวมผลของความโน้มถ่วง แต่มันสามารถจัดการกับความเร่งได้ ถึงแม้ว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพจะทำให้เกิดการสัมพัทธ์กันของปริมาณบางอย่าง เช่น เวลาซึ่งเรามักคิดว่าเป็นปริมาณสัมบูรณ์เนื่องจากประสบการณ์ในชีวิตประจำวัน ถึงกระนั้นมันก็มีปริมาณบางอย่างที่เป็นปริมาณสัมบูรณ์ทั้งๆที่เราคิดว่ามันน่าจะเป็นปริมาณสัมพัทธ์ กล่าวให้ชัดคือว่า อัตราเร็วของแสงจะเท่ากันสำหรับทุกผู้สังเกต แม้ว่าพวกเขาจะเคลื่อนที่สัมพัทธ์กันก็ตาม ทฤษฎีสัมพัทธภาพแสดงให้เห็นว่า c ไม่ใช่แค่ความเร็วของปรากฏการณ์ที่เรียกว่า -- แสง -- เท่านั้น แต่ยังเป็นค่าพื้นฐานที่เชื่อมสเปซกับเวลาเข้าด้วยกัน กล่าวโดยเจาะจงคือว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพยืนยันว่าไม่มีวัตถุใดเคลื่อนที่เร็วเท่ากับแสงได้

1.สมมติฐานข้อที่หนึ่ง - หลักสัมพัทธภาพอย่างพิเศษ - กฎทางฟิสิกส์ย่อมเหมือนกันในทุกกรอบอ้างอิงเฉื่อย กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ ไม่มีกรอบอ้างอิงพิเศษใดๆ
2.สมมติฐานข้อที่สอง - ความไม่แปรเปลี่ยนของ c - อัตราเร็วของแสงในสุญญากาศเป็นค่าคงที่สากล (c) ซึ่งไม่ขึ้นอยู่กับการเคลื่อนที่ของแหล่งกำเนิดแสงนั้น

พลังของทฤษฎีไอน์สไตน์เกิดขึ้นจากวิธีที่เขาได้มาซึ่งผลลัพธ์อันน่าตื่นตระหนกและดูจะไม่น่าถูกต้องจากข้อสมมุติง่าย ๆ สองอย่างซึ่งค้นพบจากการสังเกต ผู้สังเกตพยายามวัดอัตราเร็วของแสงที่แผ่ออกมา พบว่าได้คำตอบเท่าเดิมไม่ว่าผู้สังเกตหรือองค์ประกอบของระบบวัดจะเคลื่อนที่อย่างไร

หลักสัมพัทธภาพ ซึ่งกล่าวว่าไม่มีกรอบอ้างอิงที่อยู่กับที่ นั้นสืบเนื่องมาจากกาลิเลโอ และถูกรวมเข้ากันฟิสิกส์ของนิวตัน อย่างไรก็ตาม ในช่วงปลายศตวรรษที่ 19 การมีอยู่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทำให้นักฟิสิกส์เสนอแนวคิดว่า เอกภพเต็มไปด้วยสารที่รู้จักในนาม "อีเทอร์" ซึ่งทำตัวเป็นตัวกลางยามที่การสั่นของคลื่นเคลื่อนไป อีเทอร์ถูกตั้งขึ้นเพื่อการมีกรอบอ้างอิงสัมบูรณ์ต้านกับหลักที่ว่าอัตราเร็วของกรอบอ้างอิงใดๆ สามารถวัดได้ กล่าวอีกอย่างคือ อีเทอร์เป็นสิ่งเดียวที่ถูกตรึงหรือไม่เคลื่อนที่ในเอกภพ อีเทอร์ถูกสมมุติให้มีคุณสมบัติอันอัศจรรย์: มันยืดหยุ่นพอที่จะรองรับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และคลื่นนั้นต้องสามารถมีการกระทำกับสสาร ในขณะที่ตัวอีเทอร์เองต้องไม่มีความต้านทานในการเคลื่อนที่สำหรับวัตถุที่ทะลุผ่านมันไป ผลการทดลองต่างๆ รวมทั้งการทดลองของไมเคิลสันและเมอร์เลย์ ชี้ให้เห็นว่าโลก 'อยู่กับที่' -- ซึ่งเป็นอะไรที่ยากจะอธิบายได้ เพราะโลกอยู่ในวงโคจรรอบดวงอาทิตย์ ผลลัพธ์อันสละสลวยของไอน์สไตน์ล้มล้างแนวคิดเรื่องอีเทอร์และการอยู่นิ่งสัมบูรณ์ ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษถูกเขียนขึ้นไม่ใช่แค่ถือว่ากรอบอ้างอิงเฉพาะใดๆนั้นพิเศษ แต่ว่าในสัมพัทธภาพ กรอบหนึ่งๆ ต้องสังเกตพบกฎทางฟิสิกส์แบบเดียวกันโดยไม่ขึ้นอยู่กับความเร็วของผู้สังเกต กล่าวให้ชัดคือ อัตราเร็วของแสงในสุญญากาศต้องวัดได้ c เสมอ แม้ว่าจะวัดโดยระบบต่าง ๆ ซึ่งเคลื่อนที่ด้วยความเร็วต่าง ๆ (แต่คงที่)

ไอน์สไตน์ได้กล่าวไว้ว่าผลที่ตามมาของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษสามารถหาได้จากการพิจารณาการแปลงแบบลอเรนซ์ การแปลงเหล่านี้ รวมทั้งทฤษฏีสัมพัทธภาพพิเศษ นำไปสู่การทำนายลักษณะกายภาพที่ต่างไปจากกลศาสตร์นิวตันเมื่อความเร็วสัมพัทธ์มีค่าเทียบเคียงอัตราเร็วแสง อัตราเร็วแสงนั้นมากกว่าทุกสิ่งที่มนุษย์เคยประสบจนทำให้ผลบางอย่างซึ่งทำนายจากหลักการสัมพัทธ์นั้นจะขัดกับสัญชาตญาณตั้งแต่แรก:

1) การยืดออกของเวลา - เวลาที่ล่วงไประหว่างเหตุการณ์สองอย่างนั้นไม่แปรเปลี่ยนจากผู้สังเกตหนึ่งไปยังผู้สังเกตหนึ่ง แต่มันขึ้นอยู่กับความเร็วสัมพัทธ์ของกรอบอ้างอิงของผู้สังเกต(ตัวอย่างเช่น ปัญหา twin paradox ซึ่งพูดถึงฝาแฝดซึ่งคนหนึ่งบินไปกับยานอวกาศซึ่งเคลื่อนที่ไปด้วยความเร็วใกล้แสง แล้วกลับมาพบว่าแฝดของเขาที่อยู่บนโลกมีอายุมากกว่า)
2) สัมพัทธภาพของความพร้อมกัน - เหตุการณ์สองอย่างเกิดขึ้นในที่ที่ต่างกันสองแห่งอย่างพร้อมกันสำหรับผู้สังเกตหนึ่ง อาจไม่พร้อมกันสำหรับผู้สังเกตคนอื่น (ความบกพร่องของความพร้อมกันสัมบูรณ์)
3) การหดสั้นเชิงลอเรนซ์ - มิติ (เช่น ความยาว) ของวัตถุเมื่อวัดโดยผู้สังเกตคนหนึ่งอาจเล็กลงกว่าผลการวัดของผู้สังเกตอีกคนหนึ่ง (ตัวอย่างเช่น ladder paradox เกี่ยวข้องกับบันไดยาวซึ่งเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วใกล้แสงและเข้าเก็บในห้องซึ่งเล็กกว่า)
4) การรวมความเร็ว - ความเร็ว (และอัตราเร็ว) ไม่ได้ 'รวม' กันง่าย ๆ ยกตัวอย่างเช่นถ้าจรวดลำหนึ่งกำลังเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็ว ? ของอัตราเร็วแสงสัมพัทธ์กับผู้สังเกตคนหนึ่ง แล้วจรวดก็ปล่อยมิซไซล์ที่มีอัตราเร็วเท่ากับกี่เท่าของอัตราเร็วแสงสัมพัทธ์กับจรวด มิซไซล์ไม่ได้มีอัตราเร็วมากกว่าอัตราเร็วแสงสัมพัทธ์กับผู้สังเกต (ในตัวอย่างนี้ ผู้สังเกตจะเห็นมิซไซล์วิ่งไปด้วยอัตราเร็ว 12/13 ของอัตราเร็วแสง)
4) ความเฉื่อยกับโมเมนตัม - เมื่อความเร็วของวัตถุเข้าใกล้อัตราเร็วแสง วัตถุจะเร่งได้ยากขึ้นและยากขึ้นเรื่อย ๆ

การสมมูลของมวลและพลังงาน, E=mc2- มวลและพลังงานสามารถแปลงกลับกันไปมา และมีบทบาทเทียบเท่ากัน (ตัวอย่างเช่น แรงโน้มถ่วงของแอปเปิลที่กำลังหล่น ส่วนหนึ่งเกิดจากพลังงานจลน์ของอนุภาคย่อยซึ่งประกอบเป็นแอปเปิลขึ้นมา)

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปจะเกี่ยวข้องกับระบบที่มีความเร็วไม่คงที่เมื่อ เทียบกับระบบที่มีความเร่ง เพื่ออธิบายปรากฎการณ์ต่างๆ ในเอกภพโดยใช้พื้นฐานความคิดที่แตกต่างจากฟิสิกส์ดั้งเดิมแบบนิวตัน ส่วนใหญ่ทฤษฎีนี้จะ เกี่ยวข้องกับแรงดึงดูดระหว่างมวลและมีการพิสูจน์ให้เห็นเป็นรูปธรรมได้ด้วย ใจความสำคัญของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปมีดังนี้

1.ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปใช้อธิบายกับการเคลื่อนที่ทุกรูปแบบ ไม่ว่าจะเป็นการเร่งความเร็ว หักโค้งหรือหมุนไปรอบๆ
2.แรงโน้มถ่วงเป็นสิ่งที่สสารทำให้เกิดขึ้นกับระยะทางและเวลา
3.ถ้าคุณตกตึก แรงเฉื่อยที่ชะลอการตกของคุณจะไปหักล้างแรงโน้มถ่วง ทำให้คุณไม่รู้สึกว่ามีแรงโน้มถ่วงอีกต่อไป
4.แสงและวัตถุเคลื่อนที่ตามรูปร่างของกาลอวกาศ (ถ้ามันโค้ง แสงหรือวัตถุก็จะเคลื่อนที่โค้ง)
5.ไม่มีใครพิสูจน์ได้ว่าคุณเคลื่อนที่อย่างราบรื่น หรือแม้แต่จะพิสูจน์ว่าคุณกำลังเร่งอัตราเร็วอยู่หรือไม่ คุณนึกเอาเองจากสิ่งที่คุณเห็น
6.ไม่ว่าแรงโน้มถ่วงจะทำอะไรได้ ความเร่งก็ทำสิ่งนั้นได้เช่นกัน (ทางกลับกันก็ทำได้)
- ความเร่งทำให้แสงโค้งได้ฉันใด แรงโน้มถ่วงก็ทำให้แสงโค้งได้ฉันนั้น
- เมื่อแรงโน้มถ่วงทำให้แสงโค้ง แสงจะเดินทางช้าลง
- เมื่อแสงเดินทางช้าลง เวลาก็ช้าลง
7.จึงสรุปได้ว่าแรงโน้มถ่วงทำให้เวลาช้าลง และทำให้ระยะทางโค้ง

สภาพสัมพัทธ์ (Relativity)

- การบอกตำแหน่งของวัตถุใดๆจะไม่มีความหมาย ชัดเจนถ้าไม่มีสิ่งอื่นเป็นหลักสำหรับเปรียบเทียบ
- เวลาก็เช่นเดียวกันต้องอาศัยเหตุการณ์บางอย่างเป็นหลักในการเปรียบเทียบเวลา
- ความเร็วซึ่งบอกอัตราการเปลี่ยนตำแหน่งย่อมเป็นปริมาณเปรียบเทียบกับแกนอ้างอิง

กรอบอ้างอิง (Frame of Reference)
แกนโคออร์ดิเนตหรือกรอบอ้างอิงที่มีความเร่งเป็นศูนย์อย่างแท้จริงมี ชื่อเรียกกว่า “กรอบเฉื่อย” เพราะฉะนั้นแกนโคออร์ดิเนตอื่นๆ ที่มีความเร็วสัมพัทธ์คงที่เมื่อเทียบกับกรอบเฉื่อยย่อมเป็นกรอบเฉื่อยด้วย

คำถาม: ใครเป็นคนคิดทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ
คำตอบ: อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์

คำถาม: สมการ E=mc2 มาจากไหน
คำตอบ: ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ

คำถาม: การมีอยู่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทำให้นักฟิสิกส์เสนอแนวคิดว่า เอกภพเต็มไปด้วยสารอะไร
คำตอบ: อีเทอร์

คำถาม: ใครเป็นผู้ล้มล้างแนวคิดเรื่องอีเทอร์
คำตอบ: ไอน์สไตน์

คำถาม: กรอบอ้างอิง (Frame of Reference) คืออะไร
คำตอบ: กรอบอ้างอิงที่มีความเร่งเป็นศูนย์อย่างแท้จริง