สัมพันธภาพพิเศษ บนกาลเวลาที่บิดเบี้ยว กับสัจธรรมของพระเจ้า

Indirect Credit : ธีรยุทธ บุญมี OSK83: สูตร E=mc^2
 

มติชนรายสัปดาห์ วันที่ 17 และ 24 มิถุนายน พ.ศ. 2548 ปีที่ 25 ฉบับที่ 1296-7 หน้า 34 

บทความพิเศษ โดย ธีรยุทธ บุญมี OSK83

Direct Credit http://www.osknetwork.com/modules.php?name=News&file=read_article&sid=848&mode=&order=0&thold=0

ทฤษฎีสัมพัทธภาพเฉพาะ

ไอน์สไตน์ยิ่งใหญ่ไม่ใช่เพราะสมการ E=mc^2

แต่เป็นเพราะเป็นผู้เปลี่ยนกระบวนทัศน์เกี่ยวกับเวลาและอวกาศ

จากคนอยู่เหนือจักรวาลมาเป็นส่วนหนึ่งของจักรวาล

ปีนี้ครบรอบ 100 ปี การเสนอทฤษฎีสัมพัทธภาพเฉพาะของไอน์สไตน์
ซึ่งไอน์สไตน์ค้นพบสำเร็จในเดือนมิถุนายน 1905
และตีพิมพ์ในวารสารวิทยาศาสตร์ของเยอรมันในเดือนกันยายนปีเดียวกัน
ในโอกาสครบรอบ 100
ปีการค้นพบนี้จึงมีการยกย่องสรรเสริญผลงานไอน์สไตน์กันทั่วโลก

ไอน์สไตน์สำคัญไม่ใช่เพราะไอน์สไตน์อภิมหาอัจฉริยะ
ซึ่งเป็นเรื่องปรุงแต่งจนเกินเลยกันภายหลัง
ไอน์สไตน์เก่งในเรื่องของหลักคิดฟิสิกส์และคณิตศาสตร์
ซึ่งสำคัญกว่าเทคนิคหรือสมการทางคณิตศาสตร์ ครูของไอน์สไตน์เล่าว่า
ไอน์สไตน์หัวช้าทางคณิตศาสตร์ ในการเสนอทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปในปี 1915
เขาก็ต้องหานักคณิตศาสตร์ ซึ่งก็คือ Marcel Grossmann มาเป็นเพื่อนช่วยคิด

ไอน์สไตน์สำคัญไม่ใช่ในระดับการเสนอทฤษฎีใหม่หรือการค้นพบสมการสำคัญ เช่น
E=mc^2
แต่สำคัญเพราะเป็นคนเปลี่ยนกรอบการมองหรือกระบวนทัศน์มนุษย์ให้มองโลกหรือ
จักรวาลไปสู่กรอบใหม่ กระบวนทัศน์ใหม่ทั้งหมด
เพราะถ้ามองในระดับของสมการในช่วงยุคสมัยใหม่ของวิทยาศาสตร์อาจมีสมการที่
เป็นคู่แข่งของสมการ E=mc2 ได้อีกมากมาย เช่น สมการของ Newton, Gauss,
Rieman, Maxwell, Boltzman, Dirac, Feynman, Schrodinger, Alexander,
Jones, Kauffman, Nambu, Gellman, Salam และ Heisenberg อีกนับร้อย
แต่ในระดับกระบวนทัศน์เกี่ยวกับจักรวาลในรอบ 2,000 ปี มีเพียง 2
กระบวนทัศน์คือ แบบยุคลิด-นิวตัน ซึ่งถูกแทนที่โดยกระบวนทัศน์ของไอน์สไตน์
และถ้าจะนับในช่วง 100 ปีที่ผ่านมา มีเพียง 2
กระบวนทัศน์เกี่ยวกับโลกวัตถุซึ่งแข่งกันอยู่คือ
กระบวนทัศน์สัมพัทธภาพกับกระบวนทัศน์แบบควอนตัม

กระบวนทัศน์หรือกรอบการมองอวกาศแบบเดิมที่เราคุ้นเคย
คือมองว่าจักรวาลเป็นที่ว่างหรือภาชนะขนาดใหญ่ที่คล้ายมีแกนเส้นตรงวิ่งไป
ทั้งหน้า-หลัง ซ้าย-ขวา บน-ล่าง แล้วมีวัตถุ คือ ดวงดาว กาแล็กซี่
มาล่องลอยอยู่ตามจุดต่างๆ
กรอบการมองเช่นนี้ยกฐานะมนุษย์มาอยู่ให้เสมือนพระเจ้า
คือมองจักรวาลได้เสมือนว่าจักรวาลเป็นบ้านของตัวเอง คือรู้ได้หมดว่า ณ
เวลาหนึ่ง เช่นปัจจุบันหรือเวลา 1 วินาที 1 นาที 5 นาทีข้างหน้า วัตถุต่างๆ
ในจักรวาลอยู่ในตำแหน่งใด เคลื่อนไหว แตกดับอย่างไร

ส่วนทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ได้ล้มกระบวนทัศน์แบบเดิมดังกล่าว
และสร้างกระบวนทัศน์ใหม่ที่ถือมนุษย์เป็นส่วนหนึ่งของจักรวาล
เป็นการลดอำนาจมนุษย์ในจักรวาลให้น้อยลง และมองความสัมพันธ์ระหว่างอวกาศ
เวลา และชีวิตมนุษย์ให้ละเอียดอ่อนลึกซึ้งยิ่งขึ้น
ไม่น่าเชื่อว่าเพียงแค่มนุษย์เปลี่ยนกระบวนทัศน์เป็นแบบใหม่
เราก็สามารถเข้าใจความสัมพันธ์อวกาศกับเวลาใหม่ มวลสารกับพลังงานใหม่
และเข้าใจจักรวาล เช่น การกำเนิด การล่มสลายของจักรวาลได้อีกมากมาย
นี่เป็นเหตุผลให้เราต้องสนใจทฤษฎีทั้งหลายในระดับกระบวนทัศน์มากกว่าระดับ
สมการ

กระบวนทัศน์ที่มองทั่วจักรวาลได้แบบพระเจ้า เรียกว่ากระบวนทัศน์แบบสมบูรณ์
แต่กระบวนทัศน์ใหม่แบบเป็นส่วนหนึ่งของจักรวาลบอกว่า
จักรวาลไม่อนุญาตให้ทำเช่นนั้นได้
จักรวาลอนุญาตให้สังเกตจักรวาลได้จากตำแหน่ง เวลาหนึ่งๆ เท่านั้น ณ
จุดที่ต่างกันไป ก็จะสังเกตจักรวาลได้จากอีกแง่มุมหนึ่งไม่เหมือนกัน
จึงเรียกกระบวนทัศน์ใหม่นี้ว่ากระบวนทัศน์แบบสัมพัทธ์

ไม่มีใครมองจักรวาลได้ทั้งหมด หรือรู้ได้ว่าช่วงเวลาหนึ่งๆ ส่วนต่างๆ
ของจักรวาลมีความเป็นอยู่อย่างไร
ไม่มีใครสามารถจินตนาการตัวเองไปอยู่นอกจักรวาล
แล้วมองกลับมาเห็นจักรวาลได้ชัดเจนว่ามีรูปร่างอย่างไร ขนาดเท่าใด
ทุกคนสังเกตจักรวาลได้จากส่วนเสี้ยวของตน
และถึงแม้แต่ละคนจะเอาข้อมูลมารวมกันก็ไม่มีใครสามารถสรุปภาพได้ว่าจักรวาล
ที่แท้จริงมีลักษณะเป็นเช่นไร เป็นข้อจำกัดของมนุษย์ที่ทุกคนต้องยอมรับ

อันที่จริงนักวิทยาศาสตร์รู้มานานแล้วว่า ณ เทศะ เวลาต่างกัน
การสังเกตจะต่างกัน เช่น ถ้าเรานั่งในเครื่องบินเจ๊ตเหนือเสียง
รินน้ำใส่แก้ว เราคิดว่าน้ำไหลลงแก้วตรงจุดเดิมข้างหน้าเรา
แต่คนบนพื้นโลกจะมองเห็นว่าเราเริ่มรินน้ำที่อโศกแต่น้ำหล่นลงถึงก้นถ้วยที่
ราชประสงค์ ซึ่งห่างกันไปตั้งหลายกิโล
หรือเด็กหญิงคนหนึ่งตบลูกเทนนิสอยู่บนรถไฟ
เธอจะสังเกตเห็นลูกบอลกระเด้งขึ้นลงจากจุดเดิมเสมอ
แต่ในสายตาผู้สังเกตข้างนอก จะเห็นลูกบอลกระดอนขึ้นลงจากคนละจุด

หรืออีกตัวอย่างหนึ่ง เป็นตัวอย่างบนรถไฟเช่นกัน เมื่อผ่านสถานี
ไฟสัญญาณที่หัวท้ายขบวนจะเปิดขึ้น
ผู้สังเกตบนชานชาลาซึ่งอยู่ตรงกลางขบวนพอดี
จะสังเกตเห็นสัญญาณไฟเปิดขึ้นพร้อมกัน แต่ผู้สังเกตที่อยู่บนรถไฟ
(ตรงจุดกึ่งกลางเช่นกัน) จะสังเกตว่าสัญญาณ A เกิดขึ้นก่อนสัญญาณ B
เพราะตัวเองเป็นฝ่ายวิ่งเข้าหาแสง และเห็นแสงจาก A ก่อนแสงจาก B

ดังนี้ ผู้สังเกตบนรถจะสรุปว่า เหตุการณ์ A เกิดก่อนเหตุการณ์ B ใครเป็นฝ่ายผิด ใครเป็นฝ่ายถูก ?

ปกติเรามักจะบอกว่า การสังเกตของผู้อยู่นิ่ง (บนดิน) เป็นพื้นฐานกว่า
ถึงแม้เด็กหญิงคนนั้นจะสังเกตต่างกันไป แต่เมื่อเราอธิบายเหตุผลได้
เธอก็จะเข้าใจได้ว่าที่จริงลูกบอลไม่ได้ตกซ้ำ ณ จุดเดิมแต่ไอน์สไตน์แย้งว่า
“พระเจ้า” นอกจากไม่อนุญาตให้ใครเป็น “พระเจ้า” ได้แล้ว
ยังไม่ให้อภิสิทธิ์เป็นพิเศษแก่คนใดคนหนึ่งด้วย ไอน์สไตน์บอกว่า
อาจมีคนอีกหลายร้อยล้านคนอยู่บนดาวดวงหนึ่ง
หรือบนยานอวกาศลำใหญ่ที่วิ่งสวนโลก หรือแซงโลกไป
คล้ายขบวนรถไฟที่ยกตัวอย่าง จะไม่ง่ายกว่าหรือว่าพวกเขาจะบอกว่า
ลูกบอลที่พวกเขาตบนั้นขึ้นลงจากจุดเดิม
เพราะนั่นจะเป็นการสังเกตที่ให้ภาพที่ง่ายกว่าการสังเกตของเราบนโลกด้วยซ้ำ

กล่าวเป็นภาษาทางวิทยาศาสตร์ให้มากขึ้น
ผลการสังเกตของเขาไม่ว่าจะเป็นปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์หรือทางธรรมชาติอื่นใด
ล้วนมีฐานะความจริงเท่าๆ กัน

กล่าวอีกนัยหนึ่ง
กระบวนทัศน์แบบสัมบูรณ์ยินยอมให้มนุษย์มีฐานะเป็นเจ้าของจักรวาล
มีอำนาจเหนือจักรวาล เพราะสามารถคิดว่าตัวเองอยู่นิ่งๆ
ภายในหรือภายนอกจักรวาล แล้วในแต่ละชั่วขณะก็สามารถมองดูจักรวาลทั้งหมดได้
แต่กระบวนทัศน์แบบสัมพัทธ์บอกว่า
ไม่มีใครรู้ว่าตัวเองอยู่ในสถานะอย่างไรแน่ เพราะเราคิดว่าเราอยู่นิ่ง
แต่คนอื่นกลับมองเราเคลื่อนไปกับโลก
ระบบสุริยะและกาแล็กซี่ในลักษณะที่ซับซ้อนมาก
เช่นเดียวกับที่เราก็จะสังเกตมนุษย์หรือวัตถุบนดวงดาวอื่นๆ
เคลื่อนที่อย่างซับซ้อนเช่นกัน จึงสรุปได้ว่าทุกๆ
สิ่งในจักรวาลอยู่ในสภาวะเคลื่อนที่อย่างสัมพัทธ์ (เปรียบเทียบ) กันเอง
โดยไม่มีใครรู้ว่าจุดที่อยู่นิ่งๆ จริงๆ เป็นอย่างไร
เราต้องยอมรับสถานะเช่นนี้ เริ่มต้นมองโลกจากเงื่อนไขจำกัดเช่นนี้
จึงจะสร้างทฤษฎีที่ถูกต้องได้ ไม่ใช่ตั้งเงื่อนไขสมมติว่า
เราสามารถหาสภาวะที่อยู่นิ่งๆ จริงๆ ในจักรวาลได้

ไอน์สไตน์บอกกับเราว่า ทฤษฎีที่ตั้งอยู่บนเงื่อนไขสมมตินี้ผิดพลาด และให้ภาพความจริงจักรวาลได้อย่างจำกัด

กระบวนทัศน์ใหม่ของไอน์สไตน์ฟังดูง่าย ไม่ซับซ้อนยุ่งยากมากนัก
แต่ผลของมันลึกซึ้งมาก
เพราะมันได้ไขความคิดและช่วยแก้ปมปัญหาหลายอย่างให้กับนักวิทยาศาสตร์ เช่น
ถ้าคนบนรถไฟถือกระบอกซึ่งแช่แข็งอิเล็กตรอนไว้กับตัว
เขาจะวัดได้ว่ากระบอกนั้นมีประจุไฟฟ้าอยู่จำนวนหนึ่ง
แต่เราที่อยู่กับที่บนพื้นโลก จะตรวจพบสนามแม่เหล็กไฟฟ้าวิ่งวนอยู่รอบๆ
กระบอกอิเล็กตรอน ถ้าไม่มีทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์
คนสองคนที่สังเกตผลได้ต่างกันคงจะเถียงกันไม่จบ คนหนึ่งว่า
“มีไฟฟ้าแต่ไม่มีแม่เหล็ก” อีกคนว่า “มีทั้งแม่เหล็กและไฟฟ้า”
แต่เมื่อมีทฤษฎีสัมพัทธภาพ เราจะได้แง่คิดทันทีว่า “อ้อ
ที่จริงแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นสิ่งเดียวกัน แสดงออกมาเป็นสิ่งต่างกัน”

ทฤษฎีที่รวมความเข้าใจของมนุษย์เกี่ยวกับแม่เหล็กไฟฟ้า เป็นทฤษฎีที่ยิ่งใหญ่ทฤษฎีหนึ่ง (แต่เผอิญค้นพบมาก่อนไอน์สไตน์ โดย Maxwell
ตั้งแต่ปี 1873
ไอน์สไตน์มาช่วยให้เราเข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างแม่เหล็กไฟฟ้าอย่างง่ายๆ
มากขึ้น ถ้าอยากจะรู้ว่าการเชื่อมแม่เหล็กไฟฟ้าสำคัญมากขนาดไหน
ก็อาจจะมองไปรอบๆ ตัวเรา เพราะไฟฟ้า วิทยุ โทรทัศน์ คอมพิวเตอร์ รถยนต์
เครื่องบิน ยานอวกาศ ตู้เย็น เตาไมโครเวฟ ทั้งหมดอาศัยสมการของ Maxwell
ทั้งสิ้น)

ในลักษณะเช่นเดียวกัน
นักวิทยาศาสตร์คนหนึ่งอาจสังเกตพบว่าสิ่งหนึ่งเป็นมวลสาร
แต่อีกคนในอีกสถานะหนึ่งค้นพบว่ามันเป็นพลังงาน
ทั้งสองคนต่างเป็นฝ่ายถูกต้อง
ทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ช่วยให้เรารู้ได้ว่า
พลังงานและมวลสารเป็นสิ่งเดียวกัน แสดงออกมาในภาวะต่างๆ กันเท่านั้น

นักวิทยาศาสตร์รุ่นหลังเรียกกระบวนทัศน์ของไอน์สไตน์
ซึ่งบอกให้ทุกคนอยู่ในส่วนย่อยๆ ของตน แต่ก็เคารพทุกๆ คน ว่าคือหลัก
“ประชาธิปไตย” ที่แท้จริง

วิธีคำนวณสูตร E=mc^2 โดยคณิตศาสตร์ระดับมัธยม

การค้นพบที่มีชื่อเสียงที่สุดคือสมการ E=mc^2 ซึ่งไอน์สไตน์บอกกับเราว่า
มวลสารกับพลังงานที่จริงเป็นสิ่งเดียวกัน ที่แสดงออกมาในรูปที่ต่างกัน
หลักสัมพัทธ์ของไอน์สไตน์ที่บอกว่า สิ่งที่ผู้สังเกตทุกคนสังเกตได้
แม้จะอยู่ในสภาวะความเร็วที่ต่างๆ กันไป ล้วนเป็นความจริง
ความถูกต้องทั้งสิ้น นี้แม้ฟังดูง่าย เป็นประชาธิปไตยดี
แต่พอเรายอมรับความคิดใหม่นี้ของไอน์สไตน์ เราจะพบความมหัศจรรย์ของจักรวาล
พบปริศนาที่น่างวยงง

(คนส่วนใหญ่ที่ได้ฟังผลซึ่งเกิดจากทฤษฎีสัมพัทธภาพเฉพาะเป็นครั้งแรกแล้ว
ส่วนใหญ่จะไม่เชื่อ และมักจะถามว่าเป็นไปได้อย่างไร ? แต่ขอให้เชื่อเถิด
เพราะมีการทดสอบทดลองมาแล้วจนนับครั้งไม่ถ้วน
ล้วนปรากฏว่าทฤษฎีไอน์สไตน์ถูกต้อง โดยมีโอกาสผิดพลาดน้อยมาก
ในการทดลองบางครั้งผิดพลาดเพียง 1 ในล้านล้านส่วน
ทฤษฎีควอนตัมก็มีโอกาสผิดพลาดเพียง 1 ในพันล้านส่วน)

ไอน์สไตน์บอกกับเราว่า
คนที่เคลื่อนที่จะวัดระยะทางได้สั้นกว่าคนที่อยู่กับที่ พวกเขาจะวัดมวลสาร
เวลา ได้มากกว่าคนที่อยู่กับที่ เช่น ผู้ที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูง 0.8
ของความเร็วแสง เขาจะพบว่าไม้เมตรยาว 1 เมตร ลดลงเหลือเพียงครึ่งหนึ่ง
ส่วนเวลาบนนาฬิกาข้อมือ 1 ชั่วโมง ก็จะเพิ่มขึ้นเป็น 1/2 ชั่วโมง
เวลานี้จะรวมถึงเวลาชีวะ คือความเร็วในการแก่ตัวด้วย จึงเกิดปริศนาฝาแฝดว่า
ถ้าแฝดคนหนึ่งเดินทางด้วยความเร็วสูงไปในอวกาศ แล้วย้อนกลับลงมา
อาจพบว่าคู่แฝดบนโลกอายุ 80 ปีแล้ว ขณะที่ตัวเองยังอายุ 20 ปีเศษๆ
เหมือนเดิม

นักวิทยาศาสตร์พิสูจน์ความถูกต้องของทฤษฎีสัมพัทธภาพเฉพาะของไอน์สไตน์
อย่างชนิดไม่ต้องให้มีใครมาเถียงด้วยการผลิตระเบิดปรมาณู ซึ่งยืนยันสูตร
E=mc^2 อย่างแม่นยำน่าสะพรึงกลัว มีการทดสอบเพื่อวัดเวลาที่เพิ่มขึ้น
และระยะทางที่หดสั้นลงหลายหนในยานอวกาศรุ่นต่างๆ ซึ่งส่งขึ้นไปโคจรรอบโลก
ซึ่งก็สามารถพิสูจน์ได้ว่าถูกต้องหมดทุกอย่าง
นักวิทยาศาสตร์ตรวจจับอนุภาคซึ่งเกิดจากรังสีคอสมิกจากดวงอาทิตย์วิ่งมากระ
ทบชั้นบรรยากาศได้บนพื้นโลก ทั้งๆ ที่เมื่อคำนวณอายุขัยของมันตามทฤษฎีแล้ว
จะสามารถเคลื่อนที่จากจุดแตกตัวได้ไม่กี่เมตร
แต่มันวิ่งลงมาถึงพื้นโลกจนตรวจจับได้ ไม่ใช่เพราะมันวิ่งเร็วอย่างเดียว
แต่เป็นเพราะช่วงอายุขัยหรือเวลาของมันยืดยาวขึ้นด้วย
(ทั้งหมดนี้ตรงตามที่ไอน์สไตน์คำนวณไว้ทุกประการ)

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s