Albert Einstein มีชื่อเสียงในหลาย ๆ สิ่ง แต่การผลิตผลที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของเขาคือทฤษฎีสัมพัทธภาพ มันเปลี่ยนความเข้าใจพื้นที่และเวลาของเราตลอดไป
ทฤษฎีสัมพัทธภาพคืออะไร? มันเป็นความคิดที่ว่ากฎของฟิสิกส์นั้นเหมือนกันทุกที่ เราบนโลกนี้เชื่อฟังกฎแห่งแสงและแรงโน้มถ่วงเช่นเดียวกับใครบางคนในมุมที่ห่างไกลของจักรวาล
ความเป็นสากลของฟิสิกส์หมายถึงประวัติศาสตร์เป็นส่วนภูมิภาค ผู้ชมที่แตกต่างกันจะเห็นเวลาและระยะห่างของเหตุการณ์ต่างกัน สำหรับเราคือล้านปีอาจเป็นเพียงแค่พริบตาสำหรับใครบางคนที่บินด้วยจรวดความเร็วสูงหรือตกลงไปในหลุมดำ
มันคือทั้งหมดที่เกี่ยวข้อง
สัมพัทธภาพพิเศษ
ทฤษฎีของ Einstein แบ่งออกเป็นทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษและทั่วไป
สัมพัทธภาพพิเศษมาก่อนและขึ้นอยู่กับความเร็วของแสงคงที่สำหรับทุกคน นั่นอาจดูง่ายพอ แต่ก็มีผลที่ตามมาอย่างมาก
Einstein มาถึงข้อสรุปนี้ในปี 1905 หลังจากหลักฐานการทดลองแสดงให้เห็นว่าความเร็วของแสงไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อโลกหมุนรอบดวงอาทิตย์
ผลลัพธ์นี้น่าประหลาดใจสำหรับนักฟิสิกส์เพราะความเร็วของสิ่งอื่น ๆ ส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับทิศทางที่ผู้สังเกตเคลื่อนไหว หากคุณขับรถไปตามรางรถไฟรถไฟที่เข้ามาจะดูเหมือนว่าคุณจะเคลื่อนไหวเร็วกว่าที่คุณหมุนไปรอบ ๆ และเดินไปในทิศทางเดียวกัน
ไอน์สไตน์กล่าวว่าผู้สังเกตการณ์ทุกคนจะวัดความเร็วแสงได้ที่ 186,000 ไมล์ต่อวินาทีไม่ว่าความเร็วจะเคลื่อนที่ไปในทิศทางใด
คติพจน์นี้ทำให้นักแสดงตลกสตีเฟ่นไรท์ถามว่า: "ถ้าคุณอยู่ในยานอวกาศที่กำลังเดินทางด้วยความเร็วแสงและคุณเปิดไฟหน้าจะเกิดอะไรขึ้น?"
คำตอบคือไฟหน้าเปิดตามปกติ แต่จากมุมมองของใครบางคนในยานอวกาศ สำหรับคนที่ยืนอยู่ข้างนอกดูเรือกำลังแล่นไปข้างหน้าไฟหน้าจะไม่ปรากฏขึ้น: แสงออกมา แต่มันเดินทางด้วยความเร็วเท่ากับยานอวกาศ
รุ่นที่ขัดแย้งเหล่านี้เกิดขึ้นเพราะผู้ปกครองและนาฬิกา - สิ่งที่ทำเครื่องหมายเวลาและสถานที่ - ไม่เหมือนกันสำหรับผู้สังเกตการณ์ที่แตกต่างกัน หากความเร็วของแสงคงที่ตามที่ Einstein กล่าวดังนั้นเวลาและสถานที่จะไม่สมบูรณ์แบบ พวกเขาจะต้องเป็นอัตนัย
ตัวอย่างเช่นยานอวกาศที่มีความยาว 100 ฟุตเดินทางด้วยความเร็ว 99.99% ของความเร็วแสงจะปรากฏขึ้นหนึ่งฟุตยาวต่อผู้สังเกตการณ์นิ่ง แต่มันจะยังคงความยาวปกติสำหรับผู้ที่อยู่บนเรือ
บางทีอาจจะยิ่งแปลกกว่าเดิมเวลาผ่านไปช้ากว่า หากแฝดขี่ยานอวกาศไปยังดาวไกลโพ้นแล้วกลับมาเธอจะอายุน้อยกว่าน้องสาวของเธอที่อยู่บนโลก
มวลก็ขึ้นอยู่กับความเร็ว ยิ่งวัตถุเคลื่อนที่เร็วเท่าไหร่ก็จะยิ่งมีมวลมากขึ้นเท่านั้น ในความเป็นจริงยานอวกาศไม่สามารถเข้าถึงความเร็วแสงได้ 100% เลยทีเดียวเพราะมวลของมันจะเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ
ความสัมพันธ์ระหว่างมวลและความเร็วนี้มักแสดงเป็นความสัมพันธ์ระหว่างมวลและพลังงาน: E = mc ^ 2 โดยที่ E คือพลังงาน m คือมวลและ c คือความเร็วของแสง
ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป
Einstein ไม่ได้ทำให้เราเข้าใจเรื่องเวลาและสถานที่ เขายังพูดถึงทฤษฎีของเขาโดยรวมถึงการเร่งความเร็วและพบว่าสิ่งนี้บิดเบือนรูปร่างของเวลาและสถานที่
ในการยึดติดกับตัวอย่างด้านบน: จินตนาการว่ายานอวกาศเร่งความเร็วโดยการยิงยานอวกาศ ออนบอร์ดเหล่านั้นจะติดกับพื้นราวกับว่าพวกมันอยู่บนโลก Einstein อ้างว่าแรงที่เราเรียกว่าแรงโน้มถ่วงนั้นแยกไม่ออกจากการอยู่ในยานเร่ง
โดยตัวมันเองไม่ได้เป็นการปฏิวัติ แต่เมื่อ Einstein ทำงานคณิตศาสตร์ที่ซับซ้อน (ใช้เวลา 10 ปี) เขาค้นพบว่าพื้นที่และเวลาโค้งใกล้วัตถุขนาดใหญ่และความโค้งนี้เป็นสิ่งที่เราประสบในฐานะแรงโน้มถ่วง
เป็นการยากที่จะจินตนาการถึงรูปทรงเรขาคณิตโค้งของสัมพัทธภาพทั่วไป แต่ถ้าใครคิดว่าอวกาศ - เวลาเป็นผ้าชนิดหนึ่งวัตถุขนาดใหญ่ก็จะยืดผ้ารอบ ๆ
สมการของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปทำนายจำนวนปรากฎการณ์หลายแห่งซึ่งได้รับการยืนยันแล้ว:
- การก้มของแสงรอบ ๆ วัตถุขนาดใหญ่ (lensing ความโน้มถ่วง)
- วิวัฒนาการช้าในวงโคจรของดาวเคราะห์พุธ (perihelion precession)
- การลากกรอบของเวลาว่างรอบ ๆ วัตถุที่หมุน
- การลดลงของแรงดึงของแรงโน้มถ่วงของแสงที่หลบหนี (redshift แรงโน้มถ่วง)
- คลื่นความโน้มถ่วง (ระลอกคลื่นในผืนผ้าเวลา) เกิดจากการชนของจักรวาล
- การมีอยู่ของหลุมดำที่ดักจับทุกสิ่งรวมถึงแสง
การแปรปรวนของกาลอวกาศรอบหลุมดำนั้นรุนแรงกว่าที่อื่น หากแฝดที่พุ่งออกไปในอวกาศตกลงไปในหลุมดำเธอก็จะถูกเหยียดออกเหมือนปาเก็ตตี้
โชคดีสำหรับเธอทุกอย่างจะเสร็จสิ้นในไม่กี่วินาที แต่น้องสาวของเธอบนโลกคงไม่มีวันจบ - ดูน้องสาวที่น่าสงสารของเธอเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ไปทางหลุมดำตลอดอายุของจักรวาล
บทความนี้ได้รับการปรับปรุงเมื่อวันที่ 2 กรกฎาคม 2019 โดย Tim Childers ผู้ให้การสนับสนุนด้านวิทยาศาสตร์สด
