ทฤษฎีสัมพัทธภาพเฉพาะ

ทฤษฎีสัมพัทธภาพเฉพาะ
บทความพิเศษ ธีรยุทธ บุญมี มติชนรายสัปดาห์ วันที่ 17 มิถุนายน พ.ศ. 2548 ปีที่ 25 ฉบับที่ 1296
ไอน์สไตน์ยิ่งใหญ่ไม่ใช่เพราะสมการ E=mc2
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=mc2 แต่สำคัญเพราะเป็นคนเปลี่ยนกรอบการมองหรือกระบวนทัศน์มนุษย์ให้มองโลกหรือจักรวาลไปสู่กรอบใหม่ กระบวนทัศน์ใหม่ทั้งหมด เพราะถ้ามองในระดับของสมการในช่วงยุคสมัยใหม่ของวิทยาศาสตร์ อาจมีสมการที่เป็นคู่แข่งของสมการ 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 คือมองว่าจักรวาลเป็นที่ว่าง หรือภาชนะขนาดใหญ่ ที่คล้ายมีแกนเส้นตรงวิ่งไปทั้งหน้า-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 และสร้างกระบวนทัศน์ใหม่ที่ถือมนุษย์เป็นส่วนหนึ่ง ของจักรวาล เป็นการลดอำนาจมนุษย์ในจักรวาลให้น้อยลง และมองความสัมพันธ์ระหว่างอวกาศ เวลา และชีวิตมนุษย์ให้ละเอียดอ่อนลึกซึ้งยิ่งขึ้น ไม่น่าเชื่อว่าเพียงแค่มนุษย์เปลี่ยนกระบวนทัศน์เป็นแบบใหม่ เราก็สามารถเข้าใจความสัมพันธ์อวกาศกับเวลาใหม่ มวลสารกับพลังงานใหม่ และเข้าใจจักรวาล เช่น การกำเนิด การล่มสลายของจักรวาลได้อีกมากมาย นี่เป็นเหตุผลให้เราต้องสนใจทฤษฎีทั้งหลายในระดับกระบวนทัศน์มากกว่าระดับสมการ
กระบวนทัศน์ที่มองทั่วจักรวาลได้แบบพระเจ้า เรียกว่ากระบวนทัศน์แบบสมบูรณ์ แต่กระบวนทัศน์ใหม่แบบเป็นส่วนหนึ่งของจักรวาลบอกว่า จักรวาลไม่อนุญาตให้ทำเช่นนั้นได้ จักรวาลอนุญาตให้สังเกตจักรวาลได้จากตำแหน่ง เวลาหนึ่งๆ เท่านั้น ณ จุดที่ต่างกันไป ก็จะสังเกตจักรวาลได้จากอีกแง่มุมหนึ่งไม่เหมือนกัน จึงเรียกกระบวนทัศน์ใหม่นี้ว่ากระบวนทัศน์แบบสัมพัทธ์
ไม่มีใครมองจักรวาลได้ทั้งหมด หรือรู้ได้ว่าช่วงเวลาหนึ่งๆ ส่วนต่างๆ ของจักรวาลมีความเป็นอยู่อย่างไร ไม่มีใครสามารถจินตนาการตัวเองไปอยู่นอกจักรวาล แล้วมองกลับมาเห็นจักรวาลได้ชัดเจนว่ามีรูปร่างอย่างไร ขนาดเท่าใด ทุกคนสังเกตจักรวาลได้จากส่วนเสี้ยวของตน และถึงแม้แต่ละคนจะเอาข้อมูลมารวมกันก็ไม่มีใครสามารถสรุปภาพได้ว่าจักรวาลที่แท้จริงมีลักษณะเป็นเช่นไร เป็นข้อจำกัดของมนุษย์ที่ทุกคนต้องยอมรับ
อันที่จริงนักวิทยาศาสตร์รู้มานานแล้วว่า ณ เทศะ เวลาต่างกัน การสังเกตจะต่างกัน เช่น ถ้าเรานั่งในเครื่องบินเจ๊ตเหนือเสียง รินน้ำใส่แก้ว เราคิดว่าน้ำไหลลงแก้วตรงจุดเดิมข้างหน้าเรา แต่คนบนพื้นโลกจะมองเห็นว่าเราเริ่มรินน้ำที่อโศก แต่น้ำหล่นลงถึงก้นถ้วยที่ราชประสงค์ 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 ผลการสังเกตของเขาไม่ว่าจะเป็นปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์ หรือทางธรรมชาติอื่นใดล้วนมีฐานะความจริงเท่าๆ กัน
กล่าวอีกนัยหนึ่ง กระบวนทัศน์แบบสัมบูรณ์ยินยอมให้มนุษย์มีฐานะเป็นเจ้าของจักรวาล มีอำนาจเหนือจักรวาล เพราะสามารถคิดว่าตัวเองอยู่นิ่งๆ ภายในหรือภายนอกจักรวาล แล้วในแต่ละชั่วขณะก็สามารถมองดูจักรวาลทั้งหมดได้ แต่กระบวนทัศน์แบบสัมพัทธ์บอกว่า ไม่มีใครรู้ว่าตัวเองอยู่ในสถานะอย่างไรแน่ เพราะเราคิดว่าเราอยู่นิ่ง แต่คนอื่นกลับมองเราเคลื่อนไปกับโลก ระบบสุริยะและกาแล็กซี่ในลักษณะที่ซับซ้อนมาก เช่นเดียวกับที่เราก็จะสังเกตมนุษย์ หรือวัตถุบนดวงดาวอื่นๆ เคลื่อนที่อย่างซับซ้อนเช่นกัน จึงสรุปได้ว่าทุกๆ สิ่งในจักรวาลอยู่ในสภาวะเคลื่อนที่อย่างสัมพัทธ์ (เปรียบเทียบ) กันเอง โดยไม่มีใครรู้ว่าจุดที่อยู่นิ่งๆ จริงๆ เป็นอย่างไร เราต้องยอมรับสถานะเช่นนี้ เริ่มต้นมองโลกจากเงื่อนไขจำกัดเช่นนี้ จึงจะสร้างทฤษฎีที่ถูกต้องได้ ไม่ใช่ตั้งเงื่อนไขสมมติว่า เราสามารถหาสภาวะที่อยู่นิ่งๆ จริงๆ ในจักรวาลได้
ไอน์สไตน์บอกกับเราว่า ทฤษฎีที่ตั้งอยู่บนเงื่อนไขสมมตินี้ผิดพลาด และให้ภาพความจริงจักรวาลได้อย่างจำกัด
กระบวนทัศน์ใหม่ของไอน์สไตน์ฟังดูง่าย ไม่ซับซ้อนยุ่งยากมากนัก แต่ผลของมันลึกซึ้งมาก เพราะมันได้ไขความคิด และช่วยแก้ปมปัญหาหลายอย่างให้กับนักวิทยาศาสตร์ 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 แต่อีกคนในอีกสถานะหนึ่งค้นพบว่า มันเป็นพลังงาน ทั้งสองคนต่างเป็นฝ่ายถูกต้อง ทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ช่วยให้เรารู้ได้ว่า พลังงานและมวลสารเป็นสิ่งเดียวกัน แสดงออกมาในภาวะต่างๆ กันเท่านั้น
นักวิทยาศาสตร์รุ่นหลังเรียกกระบวนทัศน์ของไอน์สไตน์ ซึ่งบอกให้ทุกคนอยู่ในส่วนย่อยๆ ของตน แต่ก็เคารพทุกๆ คน ว่าคือหลัก “ประชาธิปไตย” ที่แท้จริง

Add a Comment

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