วิธีคิดเกี่ยวกับสัมพัทธภาพ

ในฟิสิกส์ของนิวตัน อวกาศและเวลามีเอกลักษณ์ที่เป็นอิสระจากกัน และไม่เคยมีใครมาผสมปนเปกัน ด้วยทฤษฎีสัมพัทธภาพซึ่งรวมเข้าด้วยกันในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 การพูดถึงกาล-อวกาศแทบจะเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ ในทฤษฎีสัมพัทธภาพ ไม่เป็นความจริงอีกต่อไปที่พื้นที่และเวลามีความหมายที่แยกจากกันและมีวัตถุประสงค์ สิ่งที่มีอยู่จริงคืออวกาศ-เวลา และการแบ่งมันออกเป็นอวกาศและเวลาเป็นเพียงข้อตกลงที่มีประโยชน์ของมนุษย์เท่านั้น

สาเหตุสำคัญประการหนึ่งที่ทำให้ทฤษฎีสัมพัทธภาพมีชื่อเสียงว่ายากต่อการเข้าใจก็คือสัญชาตญาณของเราฝึกเราให้คิดว่าอวกาศและเวลาเป็นสิ่งที่แยกจากกัน เราพบว่าวัตถุมีขอบเขตใน "อวกาศ" และนั่นดูเหมือนเป็นความจริงที่ค่อนข้างเป็นกลาง ในที่สุดมันก็เพียงพอแล้วสำหรับเรา เพราะโดยทั่วไปแล้วเราเดินทางผ่านอวกาศด้วยความเร็วที่ต่ำกว่าความเร็วแสงมาก ดังนั้นฟิสิกส์ยุคก่อนสัมพัทธภาพจึงใช้ได้

แต่ความไม่ลงรอยกันระหว่างสัญชาตญาณและทฤษฎีนี้ทำให้การก้าวกระโดดไปสู่มุมมองของกาล-อวกาศค่อนข้างน่ากลัว ที่แย่กว่านั้น การนำเสนอทฤษฎีสัมพัทธภาพมักจะใช้แนวทางจากล่างขึ้นบน — สิ่งเหล่านี้เริ่มต้นด้วยแนวคิดเกี่ยวกับพื้นที่และเวลาในชีวิตประจำวันของเรา และปรับเปลี่ยนสิ่งเหล่านี้ในบริบทใหม่ของทฤษฎีสัมพัทธภาพ

เราจะแตกต่างกันเล็กน้อย เส้นทางสู่ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของเราอาจถูกพิจารณาจากบนลงล่าง โดยพิจารณาจากแนวคิดเรื่องกาลอวกาศที่เป็นเอกภาพอย่างจริงจังตั้งแต่เริ่มต้นและดูว่ามีความหมายอย่างไร เราจะต้องยืดสมองสักหน่อย แต่ผลที่ได้คือความเข้าใจที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นเกี่ยวกับมุมมองสัมพัทธภาพในจักรวาลของเรา

พัฒนาการของทฤษฎีสัมพัทธภาพมักเกิดจากอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ แต่เขาเป็นผู้ให้รากฐานที่สำคัญสำหรับโครงสร้างทางทฤษฎีที่อยู่ระหว่างการก่อสร้างตั้งแต่เจมส์ เคลิร์ก แมกซ์เวลล์รวมไฟฟ้าและแม่เหล็กเข้าด้วยกันเป็นทฤษฎีเดียวของแม่เหล็กไฟฟ้าในทศวรรษที่ 1860 ทฤษฎีของ Maxwell อธิบายว่าแสงคืออะไร ซึ่งเป็นคลื่นสั่นในสนามแม่เหล็กไฟฟ้า และดูเหมือนว่าจะมีความสำคัญเป็นพิเศษต่อความเร็วที่แสงเดินทาง แนวคิดเกี่ยวกับสนามที่มีอยู่โดยตัวมันเองนั้นไม่เป็นไปตามสัญชาตญาณของนักวิทยาศาสตร์ในตอนนั้น และเป็นเรื่องปกติที่จะสงสัยว่าจริงๆ แล้วอะไรคือ "การโบก" ในคลื่นแสง

นักฟิสิกส์หลายคนตรวจสอบความเป็นไปได้ที่แสงจะแพร่กระจายผ่านตัวกลางที่พวกเขาขนานนามว่าอีเทอร์เรืองแสง แต่ไม่มีใครสามารถหาหลักฐานของอีเทอร์ดังกล่าวได้ ดังนั้นพวกเขาจึงถูกบังคับให้คิดค้นเหตุผลที่ซับซ้อนมากขึ้นว่าเหตุใดสารนี้จึงไม่สามารถตรวจจับได้ ผลงานของไอน์สไตน์ในปี พ.ศ. 1905 คือการชี้ให้เห็นว่าอีเธอร์กลายเป็นสิ่งไม่จำเป็นโดยสิ้นเชิง และทำให้เราเข้าใจกฎของฟิสิกส์ได้ดีขึ้นหากไม่มีอีเธอร์ สิ่งที่เราต้องทำคือยอมรับแนวคิดใหม่เกี่ยวกับพื้นที่และเวลา (ตกลงนั่นมาก แต่กลับกลายเป็นว่าคุ้มค่าโดยสิ้นเชิง)

ทฤษฎีของไอน์สไตน์เป็นที่รู้จักในชื่อทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษหรือทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ ในเอกสารพื้นฐานของเขา “เรื่อง ไฟฟ้าพลศาสตร์ของวัตถุเคลื่อนที่” เขาแย้งถึงวิธีคิดใหม่เกี่ยวกับความยาวและระยะเวลา เขาอธิบายบทบาทพิเศษของความเร็วแสงโดยอ้างว่าในเอกภพมีขีดจำกัดความเร็วสัมบูรณ์ ซึ่งเป็นความเร็วที่แสงจะเดินทางเมื่อเคลื่อนที่ผ่านพื้นที่ว่างเปล่า และทุกคนจะวัดความเร็วนั้นให้เท่ากัน ไม่ว่าพวกเขาจะเคลื่อนไหวอย่างไร เพื่อให้บรรลุผลสำเร็จ เขาต้องเปลี่ยนแนวคิดดั้งเดิมของเราเกี่ยวกับเวลาและอวกาศ

แต่เขาไม่ได้ไปไกลถึงขนาดสนับสนุนการรวมอวกาศและเวลาให้เป็นอวกาศ-เวลาที่เป็นหนึ่งเดียว ขั้นตอนดังกล่าวถูกปล่อยให้เป็นของอดีตอาจารย์มหาวิทยาลัย Hermann Minkowski ในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 เวทีของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษในปัจจุบันเป็นที่รู้จักกันในชื่อ Minkowski space-time

เมื่อคุณมีความคิดที่จะคิดว่ากาลอวกาศเป็นความต่อเนื่องสี่มิติที่รวมเป็นหนึ่งแล้ว คุณสามารถเริ่มถามคำถามเกี่ยวกับรูปร่างของมันได้ กาลอวกาศแบนหรือโค้ง คงที่หรือไดนามิก ไม่จำกัดหรือไม่มีที่สิ้นสุด? กาลอวกาศ Minkowski นั้นแบนราบ คงที่ และไม่มีที่สิ้นสุด

ไอน์สไตน์ทำงานมาสิบปีเพื่อทำความเข้าใจว่าแรงโน้มถ่วงสามารถรวมเข้ากับทฤษฎีของเขาได้อย่างไร ความก้าวหน้าในที่สุดของเขาคือการตระหนักว่ากาลอวกาศสามารถเปลี่ยนแปลงได้และมีความโค้ง และผลกระทบของความโค้งนั้นเป็นสิ่งที่คุณและฉันสัมผัสได้ว่าเป็น "แรงโน้มถ่วง" ผลของการดลใจนี้คือสิ่งที่เราเรียกว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป

ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษคือทฤษฎีของกาลอวกาศที่คงที่และแบนราบ ปราศจากแรงโน้มถ่วง ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเป็นทฤษฎีของอวกาศ-เวลาแบบไดนามิก ซึ่งความโค้งก่อให้เกิดแรงโน้มถ่วง ทั้งสองนับเป็นทฤษฎี "คลาสสิก" แม้ว่าจะแทนที่หลักการบางอย่างของกลศาสตร์นิวตันก็ตาม สำหรับนักฟิสิกส์ คลาสสิกไม่ได้หมายความว่า มันหมายถึง "ไม่ใช่ควอนตัม" หลักการทั้งหมดของฟิสิกส์คลาสสิกยังคงสมบูรณ์ในบริบทเชิงสัมพัทธภาพ

เราควรเต็มใจที่จะละทิ้งความชื่นชอบในยุคก่อนทฤษฎีสัมพัทธภาพของเราที่มีต่อการแยกพื้นที่และเวลา และปล่อยให้สิ่งเหล่านั้นสลายไปในเวทีเอกภาพของอวกาศ-เวลา วิธีที่ดีที่สุดในการไปถึงจุดนั้นคือการคิดให้รอบคอบยิ่งขึ้นว่า "เวลา" หมายถึงอะไร และวิธีที่ดีที่สุดในการทำเช่นนั้นก็คือ ย้อนกลับไปดูวิธีที่เราคิดเกี่ยวกับอวกาศอีกครั้ง

พิจารณาสถานที่สองแห่งในอวกาศ เช่น บ้านและร้านอาหารโปรดของคุณ ระยะห่างระหว่างพวกเขาคืออะไร?

ขึ้นอยู่กับว่าคุณคิดทันที มีระยะทาง "เหมือนกาบิน" ถ้าเราสามารถจินตนาการถึงเส้นทางที่เป็นเส้นตรงระหว่างจุดสองจุด แต่ก็มีระยะทางที่คุณจะเดินทางด้วยการเดินทางในโลกแห่งความเป็นจริง ซึ่งบางทีคุณอาจถูกจำกัดให้ใช้ถนนสาธารณะและทางเท้า หลีกเลี่ยงอาคารและสิ่งกีดขวางอื่นๆ ระหว่างทาง เส้นทางที่คุณใช้มักจะยาวกว่าระยะทางที่อีกาบินเสมอ เนื่องจากเส้นตรงเป็นระยะทางที่สั้นที่สุดระหว่างจุดสองจุด

ตอนนี้ให้พิจารณาสองเหตุการณ์ในกาลอวกาศ ในศัพท์แสงทางเทคนิคของทฤษฎีสัมพัทธภาพ "เหตุการณ์" เป็นเพียงจุดเดียวในเอกภพ ซึ่งระบุโดยตำแหน่งทั้งในอวกาศและเวลา เหตุการณ์หนึ่งเรียกว่า A อาจเป็น "ที่บ้านเวลา 6 น." และเหตุการณ์ B อาจเป็น "ที่ร้านอาหารเวลา 7 น." เก็บสองเหตุการณ์นี้ไว้ในใจและคิดถึงการเดินทางระหว่าง A และ B คุณ จะรีบไปหาบีเร็วกว่านี้ไม่ได้ หากคุณมาถึงร้านอาหารเวลา 6:45 น. คุณจะต้องนั่งรอจนถึง 7:XNUMX น. จึงจะไปถึงงานในเวลาที่เรากำหนดให้เป็น B

ตอนนี้เราสามารถถามตัวเองได้ เช่นเดียวกับที่เราถามเกี่ยวกับระยะห่างระหว่างบ้านกับร้านอาหาร ว่าเวลาผ่านไปเท่าใดระหว่างสองเหตุการณ์นี้

คุณอาจคิดว่านี่เป็นคำถามหลอกลวง ถ้างานหนึ่งออกเวลา 6 น. และอีกงานหนึ่งออกเวลา 7 น. จะมีเวลาระหว่างนั้นหนึ่งชั่วโมงใช่ไหม?

ไม่เร็วนัก ไอน์สไตน์กล่าว แน่นอนว่าในแนวคิดแบบนิวตันเกี่ยวกับโลกแบบโบราณ เวลาเป็นสิ่งสัมบูรณ์และเป็นสากล และถ้าเวลาระหว่างสองเหตุการณ์คือหนึ่งชั่วโมง นั่นคือทั้งหมดที่ต้องพูด

ทฤษฎีสัมพัทธภาพบอกเล่าเรื่องราวที่แตกต่างกัน ขณะนี้มีแนวคิดที่แตกต่างกันสองประการเกี่ยวกับความหมายของ "เวลา" แนวคิดหนึ่งของเวลาคือพิกัดของกาลอวกาศ กาล-อวกาศเป็นคอนตินิวอัมสี่มิติ และถ้าเราต้องการระบุตำแหน่งภายในนั้น จะเป็นการสะดวกที่จะแนบตัวเลขที่เรียกว่า “เวลา” กับทุกจุดภายในนั้น นั่นคือสิ่งที่เราคิดโดยทั่วไปเมื่อเรานึกถึง “6 น.” และ “7 น.” สิ่งเหล่านี้คือค่าของพิกัดบนพื้นที่-เวลา ป้ายชื่อที่ช่วยให้เราระบุตำแหน่งเหตุการณ์ ทุกคนควรจะเข้าใจว่าเราหมายถึงอะไรเมื่อพูดว่า “พบกันที่ร้านอาหารเวลา 7 น.”

แต่ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพ ระยะทางที่อีกาบินโดยทั่วไปแตกต่างจากระยะทางที่คุณเดินทางระหว่างจุดสองจุดในอวกาศ ระยะเวลาที่คุณพบโดยทั่วไปจะไม่เท่ากับเวลาพิกัดสากล คุณจะได้สัมผัสกับระยะเวลาที่สามารถวัดได้ด้วยนาฬิกาที่คุณพกติดตัวไปตลอดการเดินทาง นี่เป็นเวลาอันสมควรตามทาง และระยะเวลาที่วัดโดยนาฬิกา เช่นเดียวกับระยะทางที่เดินทางที่วัดโดยมาตรวัดระยะทางบนรถของคุณจะขึ้นอยู่กับเส้นทางที่คุณใช้

นั่นคือแง่มุมหนึ่งของความหมายของการพูดว่า “เวลาเป็นสิ่งสัมพัทธ์” เราสามารถคิดทั้งเกี่ยวกับเวลาทั่วไปในแง่ของพิกัดบนพื้นที่-เวลา และเกี่ยวกับเวลาส่วนตัวที่เราแต่ละคนประสบตามเส้นทางของเรา และเวลาก็เหมือนอวกาศ แนวคิดทั้งสองนี้ไม่จำเป็นต้องตรงกัน (ดังที่นักประวัติศาสตร์ ปีเตอร์ กาลิสัน กล่าวไว้ ไม่ใช่เรื่องบังเอิญที่ไอน์สไตน์ทำงานในสำนักงานสิทธิบัตรของสวิสในช่วงเวลาที่การเดินทางด้วยรถไฟด่วนบังคับให้ชาวยุโรปต้องคิดถึงเวลาในเมืองอื่นๆ ทั่วทั้งทวีป เพื่อให้สร้างอาคารได้ดีขึ้น นาฬิกากลายเป็นพรมแดนทางเทคโนโลยีที่สำคัญ)

ถึงกระนั้นก็ต้องมีบางวิธีที่เวลาไม่เหมือนอวกาศ มิฉะนั้น เราก็แค่พูดถึงอวกาศสี่มิติ แทนที่จะแยกเอาเวลาว่าสมควรได้รับฉลากของมันเอง และเราไม่ได้คิดถึงลูกศรของเวลาที่นี่ — สำหรับตอนนี้ เราอยู่ในโลกที่เรียบง่ายซึ่งมีส่วนที่เคลื่อนไหวน้อย โดยที่เอนโทรปีและการย้อนกลับไม่ได้ไม่ใช่สิ่งที่เราต้องกังวล

ข้อแตกต่างคือ: ในอวกาศ เส้นตรงอธิบายระยะทางที่สั้นที่สุดระหว่างจุดสองจุด ในทางตรงกันข้าม ในกาลอวกาศ เส้นทางตรงจะให้เวลาที่ผ่านไปนานที่สุดระหว่างสองเหตุการณ์ เป็นการพลิกจากระยะทางที่สั้นที่สุดไปสู่เวลาที่ยาวที่สุดที่ทำให้เวลาแตกต่างจากอวกาศ

"เส้นทางตรง" ในอวกาศ-เวลา เราหมายถึงทั้งเส้นตรงในอวกาศและความเร็วคงที่ของการเดินทาง กล่าวอีกนัยหนึ่งคือวิถีเฉื่อยซึ่งไม่มีการเร่งความเร็ว แก้ไขสองเหตุการณ์ในกาลอวกาศ — สองสถานที่ในอวกาศและช่วงเวลาที่สอดคล้องกัน ผู้เดินทางสามารถเดินทางระหว่างพวกเขาเป็นเส้นตรงด้วยความเร็วคงที่ (ไม่ว่าพวกเขาจะต้องการความเร็วเท่าใดก็ตามเพื่อให้มาถึงในเวลาที่เหมาะสม) หรืออาจบินกลับไปกลับมาในเส้นทางที่ไม่เฉื่อย เส้นทางกลับไปกลับมาจะมีระยะห่างเชิงพื้นที่มากกว่าเสมอ แต่เวลาที่ผ่านไปจะน้อยกว่าเส้นทางตรง

ทำไมมันเป็นเช่นนั้น? เพราะฟิสิกส์บอกอย่างนั้น หรือถ้าคุณต้องการ เพราะนั่นคือสิ่งที่จักรวาลเป็น บางทีในที่สุดเราอาจจะค้นพบเหตุผลที่ลึกซึ้งว่าทำไมมันถึงต้องเป็นแบบนี้ แต่ในสถานะความรู้ปัจจุบันของเรา มันเป็นหนึ่งในสมมติฐานพื้นฐานที่เราสร้างฟิสิกส์ ไม่ใช่ข้อสรุปที่เราได้รับจากหลักการที่ลึกกว่านั้น เส้นตรงในอวกาศเป็นระยะทางที่สั้นที่สุด เส้นทางตรงในกาลอวกาศเป็นเวลาที่ยาวที่สุด

อาจดูขัดกับสัญชาตญาณที่ว่าเส้นทางที่มีระยะทางไกลกว่านั้นใช้เวลาที่เหมาะสมน้อยกว่า ไม่เป็นไร. ถ้ามันเป็นสัญชาตญาณ คุณไม่จำเป็นต้องเป็นไอน์สไตน์ในการคิดไอเดียนี้

ดัดแปลงมาจาก ไอเดียที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในจักรวาล โดย Sean Carroll โดยได้รับอนุญาตจาก Dutton ซึ่งเป็นสำนักพิมพ์ของ Penguin Publishing Group ซึ่งเป็นแผนกหนึ่งของ Penguin Random House LLC ลิขสิทธิ์ © 2022 โดย Sean Carroll