ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (General Theory of Relativity)

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (General Theory of Relativity)
บทความพิเศษ ธีรยุทธ บุญมี มติชนรายสัปดาห์ วันที่ 15 กรกฎาคม พ.ศ. 2548 ปีที่ 25 ฉบับที่ 1300
ในตอนที่ผ่านมาผู้เขียนได้ชี้ว่า แม้แต่คนที่นั่งอยู่ในรถยนต์บนทางด่วนหรือไฮเวย์กับคนที่เดินถนน จะอยู่ในเวลาอวกาศที่ต่างๆ กันไป บางคนเวลาสั้นลง ระยะทางยาวขึ้น บางคนระยะทาง-เวลาเป็นปกติ เวลา-อวกาศจึงไม่เป็นผืนเดียวกัน การสังเกตการณ์ของแต่ละคนก็จะต่างกันไปหมด (วัวควายข้างทางตัวสั้นลง เดินเร็วขึ้น ช้าลง ฯลฯ) ถ้าจะเทียบเคียงกับศาสนาพุทธก็คล้ายกับว่า แต่ละคนอยู่ในสถานะต่างๆ กัน ก็เพราะบุญกรรมทำแต่งมาให้ต่างๆ กัน พวกเขามองโลก มองทุกข์สุขของชีวิตไปต่างๆ กัน ตามกรรมตามทิฐิอุปาทานที่มีมาต่างๆ กัน
ไอน์สไตน์กับ Minkowski บอกว่า ถ้าเรายกระดับตัวเองไปอยู่ในโลก 4 มิติ ที่เชื่อมเวลา-อวกาศเข้าด้วยกัน คือไปอยู่ในมิติที่สูงขึ้น เช่น แทนที่จะมองระยะทาง มองความต่างเวลาแบบเดิม ให้มองเป็นระยะหว่างของเวลา-อวกาศ (ศัพท์ศาสนาพุทธก็คือ ไปอยู่ในภพภูมิที่สูงขึ้น) เราจะพบว่า ทฤษฎีฟิสิกส์ต่างๆ นั้นง่ายขึ้น อธิบายโลกได้มากขึ้น เช่น อธิบายมวลสารเป็นพลังงาน อธิบายแม่เหล็กเป็นไฟฟ้าได้
ถ้าดึงมาเทียบเคียงศาสนาพุทธอีกก็คล้ายว่า ถ้ายกระดับจิตใจเราสูงขึ้น ก็จะได้ค้นพบกฎแห่งกรรม กฎอิทัปปัจจยตา หรือกฎความเป็นไปของโลก หลุดพ้นมาจากการมองโลกด้วยความเคยชินแบบเคลื่อนด้วยกิเลส ตัณหา อุปาทาน การมองโลกในระดับมิติที่สูงขึ้นนี้ ต่อมาเป็นทิศทางใหญ่ในการทำความเข้าใจจักรวาลของนักวิทยาศาสตร์
อย่างไรก็ตาม ในตอนนี้เราจะพูดถึงความพยายามสำคัญอีกครั้งของไอน์สไตน์ในการขยายทฤษฎีสัมพัทธภาพจากเฉพาะไปสู่ทั่วไป
ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเป็นความสำเร็จยิ่งใหญ่ที่สุดในชีวิตของไอน์สไตน์ เป็นกระบวนทัศน์ใหญ่ทางฟิสิกส์ ซึ่งทำให้เกิดการพัฒนาทฤษฎีต่างๆ ตามหลังมาอีกมากมาย
การเคลื่อนที่ในจักรวาลมีเพียง 3 แบบคือ การหมุนรอบตัวเอง การเคลื่อนที่ไปด้วยความเร็วสม่ำเสมอ (หยุดนิ่งคือเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่ากับศูนย์) กับเคลื่อนที่ไปด้วยอัตราเร่ง คือเร็วขึ้นเรื่อยๆ หรือความเร็วลดลงเรื่อยๆ หัวใจทฤษฎีสัมพัทธภาพเฉพาะ (Special Theory of Relativity) ก็คือ คนที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วต่างๆ กัน มีสถานะเท่าเทียมกันในการสังเกตการณ์ทางวิทยาศาสตร์
หัวใจของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (General Theory of Relativity) โดยชื่อของมันก็บอกว่าครอบคลุมลักษณะการเคลื่อนที่ที่หลากหลายรูปแบบขึ้น กล่าวคือ ถ้ามีการเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร่ง (คือเร็วขึ้นเรื่อยๆ หรือลดความเร็วลงเรื่อยๆ) ต่างๆ กัน หรืออยู่กับที่ หรือด้วยความเร็วคงที่ ก็มีสถานะเท่าเทียมกันในการสังเกตทางวิทยาศาสตร์
ไอน์สไตน์กล่าวในปี 1915 ถึงการค้นพบว่าการเคลื่อนที่ทุกอย่างทัดเทียมกัน คือเป็นการเคลื่อนที่อย่างวิถีธรรมชาติทั้งหมดว่าเป็น “ความคิดที่ทำให้ผมมีความสุขที่สุดในชีวิต” ซึ่งไอน์สไตน์จะสรุปจุดนี้ได้ ไอน์สไตน์จะต้องหาทางพิสูจน์ว่า การเคลื่อนที่ในสนามโน้มถ่วงซึ่งทำให้เกิดอัตราเร่งเช่นกันเป็นสิ่งเดียวกัน ไอน์สไตน์จะทำได้หรือในเมื่อนิวตันได้ตั้งทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของเขามาได้ 200 ปีเศษ และก็ใช้ได้ผลในการปฏิบัติตลอดมา ?
ไอน์สไตน์เสนอทฤษฎีนี้ในปี 1915 ทฤษฎีได้รับการยืนยันในปี 1919 ซึ่งทำให้ไอน์สไตน์มีชื่อเสียงขจรขจายไปทั่วโลกยิ่งขึ้นไปอีก และได้รับการยกย่องจากหนังสือพิมพ์และวารสารชั้นนำของโลก เช่น Times ของลอนดอน New York Times กับอีกนับร้อยฉบับ ให้ทัดเทียมกับนิวตันและ Copernicus
จากหลักแห่งความสัมพัทธ์ เนื่องจากการบอกว่าทุกๆ จุด ทุกๆ ส่วนของจักรวาล ไม่ว่าจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่าไร ล้วนมีศักดิ์มีฐานะเท่าเทียมกัน ถือเป็นการปฏิวัติความคิดครั้งใหญ่ ไม่แพ้ความคิดของ Copernicus หรือนิวตัน
หลักการใหม่นี้ส่งผลต่อการปฏิวัติความคิดใหญ่ของนักคิดตะวันตกทุกสาขาวิชา ไม่ใช่เฉพาะแต่วงการวิทยาศาสตร์เท่านั้น เนื่องจากประวัติศาสตร์ความคิดของยุโรปสมัยใหม่ซึ่งเริ่มจากการปฏิวัติ renaissance หรือยุคฟื้นฟูศิลปวิทยาการ ที่จริงก็คือปรัชญาความคิดแบบมนุษยนิยม กล่าวคือ การลดฐานะของพระเจ้าลงแล้วเอามนุษย์เข้าไปแทนที่ เกิดลัทธิมนุษยนิยม คือมนุษย์เป็นใหญ่ เป็นอธิการ (ประธาน) ของความรู้ เป็นผู้กำหนดศีลธรรมจรรยาของตัวเอง เป็นผู้กำหนดว่าความงามคืออะไร การเมืองควรจะต้องเป็นอย่างไร
แนวคิดมนุษยนิยมนี้นิวตันได้รับเอามาสร้างทฤษฎีเกี่ยวกับจักรวาลแบบภาพนิ่ง ที่มนุษย์เป็นสัตว์พิเศษ เป็นอธิการที่รับรู้ภาพรวมของจักรวาลในลักษณะภาพนิ่งนี้ได้ และคำนวณการเคลื่อนไหวของวัตถุในจักรวาลภาพนิ่งนี้ได้ ก็เป็นหลักคิดเดียวกับลัทธิมนุษยนิยมหรือมนุษย์เป็นศูนย์กลาง
ในประเทศตะวันตกในยุคของไอน์สไตน์ ในทางการเมืองได้เคลื่อนตัวมาเป็นประชาธิปไตยมากขึ้น ด้านสังคมวัฒนธรรมก็กำลังเคลื่อนตัวเช่นกัน ดังนั้น เมื่อไอน์สไตน์เสนอทฤษฎีซึ่งทำให้มนุษย์ไม่ว่าเป็นใครในสภาวะใดจะมีความทัดเทียมกันหมด (The Equivalence Principle) จึงได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวาง และส่งผลสะเทือนต่อโลกศิลปวัฒนธรรมและสังคมดังที่ได้กล่าวมาแล้ว
แต่ก็มีคำถามต่อมาว่า ถ้าทุกๆ คนเป็นฝ่ายถูกต้อง จะมองอะไร จะสังเกตอะไรก็ถูกต้องใช้ได้หมด จักรวาลซึ่งมีผู้คนอยู่หลากหลายสถานะ (เช่น วิ่งด้วยความเร็วคงที่ หกคะเมนตีลังกา หมุนรอบตัวเอง หมุนรอบดวงอาทิตย์ ฯลฯ) จะมิกลายเป็นจักรวาลอนาธิปไตย ? เป็นอภิมหาโกลาหล ?
ไอน์สไตน์ย้ำหลักแห่งความทัดเทียม ไม่ใช่เท่าเทียม (ซึ่งตรงจุดนี้คนส่วนใหญ่มักมองข้ามไป และมองว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพบอกว่า มุมมองใดๆ ก็ย่อมถูกต้อง เท่าเทียมกันทั้งหมด) หลักแห่งความทัดเทียมนี้มีแง่มุมรายละเอียดซึ่งลึกซึ้งมาก ทั้งในทางวิทยาศาสตร์ธรรมชาติ และศาสตร์เกี่ยวกับสังคมและมนุษย์
แม้ไอน์สไตน์จะเคารพผลการสังเกตของแต่ละผู้สังเกตการณ์ แต่หลักแห่งความทัดเทียมไม่ได้บ่งบอกว่าทุกคนเท่าเทียมกันทั้งหมด สังเกตสิ่งต่างๆ ได้เท่ากัน เหมือนกันทั้งหมด การสังเกตสิ่งต่างๆ ซึ่งศัพท์ทางปรัชญาเรียกว่า phenomenon เป็นเปลือกหรือปรากฏการณ์มากกว่าเป็นแก่นแท้อาจได้ผลออกมาต่างกันได้
ไอน์สไตน์เสนอว่า ทฤษฎีฟิสิกส์ต้องมีลักษณะเป็นแก่นแท้ที่ไม่ผันแปร “ทฤษฎีฟิสิกส์จะเหมือนๆ กัน คือมีลักษณะคงรูป (invariant) ไม่ว่าจะสังเกตจากผู้สังเกตในสถานะใดๆ ก็ตาม” (ในที่นี้กล่าวโดยภาษาง่ายๆ ที่จริงไอน์สไตน์ค้นพบเฉพาะภาวะคงรูปของผู้ที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วธรรมดาและเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร่งเท่านั้น ส่วนกฎแห่งสภาวะคงตัวค้นพบโดย Noether อัจฉริยะสตรีทางด้านคณิตศาสตร์ของโลกศตวรรษที่ 20 ส่วนกฎการคงรูปของการเคลื่อนที่แบบแปลกๆ เช่นใน internal space เป็นผลงานนักวิทยาศาสตร์ท่านอื่นๆ)
กล่าวอีกนัยหนึ่งก็คือ แม้เราจะสังเกตได้ผลที่ต่างกัน แต่เมื่อสรุปเป็นทฤษฎีแล้วจะต้องได้ทฤษฎีที่เสมือนๆ กัน ในปี 1915 ไอน์สไตน์บรรลุแง่คิดนี้และเรียกมันว่า “ความคิดที่ทำให้ผมมีความสุขที่สุดในชีวิต” (The happiest thought of my life)
สูตรหรือสมการที่คงรูปคงตัว (invariant) ที่ไอน์สไตน์ค้นพบในปี 1915 นั้นทำให้เขาเสนอทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ซึ่งอธิบายแรงโน้มถ่วงได้ถูกต้องกว่าของนิวตัน และเป็นที่มาของทฤษฎีเกี่ยวกับจักรวาลวิทยา (cosmology) ที่อธิบายกำเนิดจักรวาล การขยายตัวจักรวาล หลุมดำ ฯลฯ ได้
ในปัจจุบันไม่ว่าจะเป็นทฤษฎีที่ซับซ้อนยุ่งยากเพียงใด เช่น ทฤษฎีซุปเปอร์สตริง ทฤษฎี M ทฤษฎีทวิสเตอร์ ทั้งหมดล้วนต้องเริ่มต้นจากการค้นหาสูตร สมการ หรือสิ่งที่คงตัวคงรูป (invariant) ดังกล่าวนี้ทั้งสิ้น
นี่จึงเป็นการปฏิวัติกระบวนทัศน์ใหญ่ เป็นมรดกล้ำค่าที่ไอน์สไตน์ทิ้งไว้ให้นักวิทยาศาสตร์รุ่นหลัง

Add a Comment

Your email address will not be published. Required fields are marked *