พิสูจน์คำทำนายของไอน์สไตน์

พิสูจน์คำทำนายของไอน์สไตน์

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (General Theory of Relativity)

ในปี ค.ศ. 1915 ไอน์สไตน์กลับมาสั่นคลอนวงการฟิสิกส์ในระดับรากฐานอีกครั้ง โดยครั้งนี้เขาได้นำเสนอผลงานตีพิมพ์ของ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (General Theory of Relativity) โดยไอน์สไตน์ตั้งข้อเสนอว่า ความโน้มถ่วงไม่ได้เป็นแรงที่ปฎิบัติเหมือนกันกับแรงชนิดอื่นๆ แต่เป็นผลของความจริงที่ว่ากาลอวกาศไม่ได้แบนเรียบดังที่มนุษย์ได้เคยเชื่อกันมานับพันปี หากอวกาศเวลาเวลานั้นมีความโค้ง หรือมีการ “บิดเบี้ยว” ได้ด้วยการกระจายตัวของมวลสารและพลังงานภายในกาลอวกาศนั้นๆ เช่นวัตถุเช่นโลกไม่ได้ถูกทำให้เคลื่อนที่ไปตามทางโคจรที่โค้งโดยแรงโน้มถ่วงตามแบบของนิวตัน หากเพียงแต่มันกำลังเคลื่อนที่ไปตามเส้นทางที่ใกล้เคียงกับเส้นตรงที่สุดบนอวกาศที่โค้ง หรือที่เราเรียกว่า เส้นจีโอเดสิก (Geodesic) โดยเส้นจีโอเดสิกที่ว่าก็คือ เส้นทางที่สั้นที่สุด (หรือยาวที่สุด) ระหว่างจุดสองจุดที่อยู่ใกล้กัน ตัวอย่างเช่น ผิวของโลกที่เป็นอวกาศโค้งสองมิติ นี่จึงทำให้เส้นจีโอเดสิกบนผิวโลกที่มีชื่อเรียกว่า เกรทเซอร์เคิล (Great Circle) ได้กลายมาเป็นเส้นทางที่สั้นที่สุดระหว่างจุดสองจุด เช่นจุดที่ว่านี้ก็คือระยะห่างระหว่างสองสนามบินใดๆบนพื้นโลก ซึ่งมันจะถูกกำหนดให้เป็นเส้นทางบินหลักโดย เนวิเกเตอร์ (Navigator) หรือผู้นำทางของสายการบินที่มักจะบอกให้นักบินได้เลือกใช้เส้นทางบินนี้ ซึ่งในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปกล่าวว่า วัตถุต่างๆ จะเคลื่อนที่ไปตามเส้นตรงในกาลอวกาศ 4 มิติ แต่มันก็ยังปรากฏเหมือนกับว่า เครื่องบินเองก็กำลังเคลื่อนที่ไปในเส้นทางโค้งของอวกาศ 3 มิติ ด้วยเช่นกัน

พิสูจน์คำทำนายของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป

มวลของดวงอาทิตย์นั้นทำให้กาลอวกาศโค้ง และในลักษณะที่ว่านี้จึงทำให้โลกเคลื่อนที่ไปในเส้นตรงของกาลอวกาศ 4 มิติ! แต่ด้วยตาเราเห็นมันจึงเสมือนราวกับว่าโลกของเรากำลังเคลื่อนที่เป็นวงโคจรรูปวงรีในอวกาศ 3 มิติ! ซึ่งอันที่จริงแล้ววงโคจรของดาวเคราะห์ต่างๆรวมถึงโลก จากคำทำนายลักษณะการเคลื่อนที่ของไอน์สไตน์เองแล้ว มันก็ไม่ได้ต่างอะไรไปจากการคำนวณของการเคลื่อนที่ในทฤษฎีความโน้มถ่วงของนิวตันเลย อย่างไรก็ดี ด้วยความแตกต่างเพียงน้อยนิดของทฤษฎีความโน้มถ่วงของนิวตันและไอน์สไตน์ก็สามารถสังเกตได้จากกรณีของวงโคจรในดาวพุธ ซึ่งเป็นดาวที่ได้รับผลของความโน้มถ่วงมากที่สุด จึงทำให้มันมีลักษณะวงโคจรที่ยืดยาวออกไป โดยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปทำนายเอาไว้ว่า แกนยาวของวงรี ก็ควรจะต้องควงตัวไปรอบๆดวงอาทิตย์ด้วยเช่นกัน! หรือจากการคำนวณก็คือ ประมาณหนึ่งองศาในหมื่นปี ซึ่งจากคำทำนายดังกล่าวปัจจุบันก็สามารถยืนยันถึงความถูกต้องได้แล้วจริงๆ จากการวัดค่าความเบี่ยงเบนของเส้นวงโคจรในดาวเคราะห์ดวงอื่นๆ หรืออีกหนึ่งวิธีที่เราจะสามารถพิสูจน์คำทำนายของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปว่าถูกต้องจริงไหมก็คือ การทดลองในเรื่องของการตรวจสอบลักษณะการเบี่ยงเบนของแสงที่ความโค้งไปตามความโน้มถ่วงของดวงอาทิตย์ จากทำอธิบายในเรื่องของการที่กาลอวกาศสามารถถูกทำให้โค้งได้โดยแรงโน้มถ่วงดังที่ได้กล่าวมาก่อนหน้า มันก็ควรจะส่งผลทำให้รังสีของแสงเอง ได้เกิดการเคลื่อนที่ไปตามเส้นจีโอเดสิกของกาลอวกาศด้วยเช่นกัน หรือจะให้อธิบายง่ายๆก็คือ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปทำนายเอาไว้ว่าแสง ก็ควรที่จะเดินทางโค้งไปตามสนามความโน้มถ่วง หรือลักษณะของเส้นโค้งในมุมมองของผูสังเกตุในอวกาศ 3 มิติ หากจะกล่าวในทางทฤษฎีคือ ดวงอาทิตย์ของเรานั้นสามารถทำให้แสงดาวฤกษ์จากอวกาศอันไกลโพ้นได้ถูกเบี่ยงเบนในมุมเล็กน้อยได้ ซึ่งเราจะสังเกตุได้จากการเปรียบเทียบตำแหน่งของดาวฤกษ์บนท้องฟ้าที่ถูกเบี่ยงเบนตำแหน่งไปได้ ครั้งที่ดวงอาทิตย์ได้เคลื่อนที่ผ่าน แต่ปัญหาของการทดลองในครั้งนี้ก็คือการจะสังเกตุแสงจากดาวฤกษ์เหล่านั้นในเวลากลางวัน เป็นเรื่องที่ยากมากๆ เพราะแสงจากดวงอาทิตย์ของเรา จะไปทำให้เกิดการรบกวนต่อการสังเกตุการณ์ไปจนหมด แต่ปัหญหาดังกล่าวมีวิธีแก้ นั่นก็คือเราจะต้องรอ และรอจนกว่าจะเกิดสุริยุปราคาขึ้น เมื่อแสงจากดวงอาทิตย์ได้ถูกบดบังโดยดวงจันทร์ ซึ่งปรากฏการณ์เช่นนี้จะทำให้ในเวลากลางวันของคนบนพื้นโลก ได้ถูกแปรเปลี่ยนให้กลายเป็นเวลากลางคืนชั่วขณะ แต่ถึงกระนั้นคำทำนายของไอน์สไตน์ก็ยังไม่ได้รับการตรวจสอบอย่างทันท่วงทีในปี ค.ศ. 1915 เพราะเนื่องจากว่า ช่วงนั้นได้เกิดมีสงครามโลกครั้งที่ 1 ขึ้น ซึ่งมันรบกวนต่อการเดินทางของคณะนักวิทยาศาสตร์ ทำให้พวกเขาต้องเลื่อนเวลาไปนานอีก 4 ปี ในปี ค.ศ. 1919 คณะตรวบสอบของอังกฤษก็สามารถทำการสังเกตสุริยุปราคาในแอฟริกาตะวันตกได้สำเร็จ และที่สำคัญคือพวกเขาสามารถตรวจพบค่าการเบี่ยงเบนของแสงรอบดวงอาทิตย์ได้ ดังที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ได้เคยทำนายเอาไว้! อีกทั้งการพิสูจน์ทฤษฎีของชาวเยอรมันอย่างไอน์สไตน์กับคณะนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ ยังถือได้ว่านี้คือนิมิตหมายอันดีของการฟื้นฟูความสัมพันธ์ระหว่างสองประเทศ หลังผ่านพ้นจากสงครามโลกครั้งที่ 1 อีกด้วย และแน่นอนองค์ประกอบสำคัญของระเบียบวิธีแบบวิทยาศาสตร์ก็คือ ทุกๆครั้งที่มีการทดลองเพื่อตรวจสอบค่าอะไรบางอย่าง ผลของมันก็จะต้องออกมาเหมือนกันทุกครั้ง (หรือใกล้เคียงกับค่าที่ยอมรับได้) ดังนั้นในทุกๆครั้งเมื่อเกิดสุริยะปราคาขึ้น (ซึ่งโอกาสไม่ง่ายเลยที่จะเกิดขึ้น) นักวิทยาศาสตร์ก็มักจะทำการวัดค่าความเบี่ยงเบนของแสงดาวฤกษ์รอบดวงอาทิตย์เอาไว้เสมอ เรื่อยมาตลอดจนถึงปจจุบัน และทุกๆครั้งที่มีการตรวจสอบค่าเหล่านั้นก็พบว่า มันตรงกับคำทำนายของไอน์สไตน์ได้อย่างแม่นยำเสมอ แม้เวลาจากผ่านไปนานเป็นร้อยปีแล้วก็ตาม

การพิสูจน์เวลาที่เดินช้าลงใน ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป

คำทำนายอีกหนึ่งประการของทฤษฎีสัมพัทธทั่วไปของไอน์สไตน์ก็คือในเรื่องของ “เวลา” ที่มันก็ควรที่จะปรากฏเหมือนเดินช้าลงเมื่ออยู่ใกล้วัตถุมวลมากเช่นโลก และที่มันช้าลงก็เพราะเรายังมีความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานของแสงและความถี่อยู่ (จำนวนคลื่นแสงต่อวินาที) คำอธิบายอีกอย่างก็คือ ยิ่งพลังงานมีค่าที่มากขึ้น ความถี่ก็จะมีค่าสูงขึ้นด้วย และเมื่อแสงเคลื่อนที่ขึ้นในสนามความโน้มถ่วงโลก มันก็จะสูญเสียพลังงานไป และความถี่ของมันก็จะมีค่าน้อยลง (ในความหมายก็คือ ช่วงเวลาของระหว่างในแต่ละยอดคลื่นนั้นมีค่าที่เพิ่มมากขึ้น) จะกล่าวได้อีกแง่หนึ่งก็คือ สำหรับคนที่อยู่สูงกว่า ภาพที่ปรากฏของคนเบื้องล่างก็จะดูเหมือนถูกทำให้ช้าลง หรือเคลื่อนไหวช้าลง และคำทำนายดังที่ได้กล่าวมาก็ได้รับการพิสูจน์ ตรวจสอบขึ้นเป็นครั้งแรกในปี ค.ศ. 1962 ด้วยการใช้นาฬิกาที่มีความแม่นยำ (มากสุด) สองเรือนไปวางไว้ที่ฐานและยอดของหอคอย ผลจากการทดลองอย่างง่ายๆในครั้งนั้น ก็สามารถพิสูจน์ได้ถึงความถูกต้องของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปได้จริงๆ นั่นคือ นาฬิกาที่อยู่บนหอคอย จะเดินเร็วกว่านาฬิกาที่อยู่ข้างล่าง! และจากประโยชน์ในเรื่องของเวลาที่เดินไม่เท่ากันนี้ๆเอง จึงทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถพัฒนาระบบการนำทาง (GPS) ได้อย่างมีความแม่นยำสูงเอามากๆ ซึ่งระบบดังกล่าวจำเป็นต้องอาศัยสัญญาณจากดาวเทียมหลายๆดวงมาผสานเวลากัน ดังนั้นหากเราไม่คำนึงถึงผลของทฤษฎีสัมพัทธภาพแล้วละก็ ตำแหน่งจุดบอกพิกัดของคนบนพื้นโลกก็อาจจะมีความคาดเคลื่อนได้หลายกิโลเมตรเลยทีเดียว

สรุป

ก่อนปี 1915 เราเชื่อกันว่าอวกาศและเวลาเป็นเวทีที่ไม่แปรเปลี่ยน นั่นก็คือมันเป็นเวทีที่ซึ่งเหตุการณ์ต่างๆเกิดขึ้น และเป็นเวทีที่ไม่ได้รับผลกระทบใดๆจากสิ่งที่เกิดเหล่านั้น นี่ดูเหมือนจะเป็นจริง แม้แต่ในทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ ที่กล่าวถึงมวลและพลังงานของการเคลื่อนที่เองก็ตาม ในขณะที่อวกาศและเวลาซึ่งมีอยู่เป็นจำนวนเกือบร้อยละ 99 ในจักรวาลของเรา พวกมันก็จะยังคงปฏิบัติตัวเหมือนเดิมอย่างไม่เปลี่ยนแปลงและจะสืบสานต่อไปอย่างไม่รู้จบ ทว่าหลังการมาของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป นับตั้งปี ค.ศ. 1915 เป็นต้นมา ก็เปลี่ยนโฉมอวกาศและเวลาของเราไปจนหมดสิ้น ที่กล่าวว่ากาลอวกาศ (Space-Time) นั้นเป็นปริมาณพลวัตสองปริมาณ เช่นเมื่อวัตถุก้อนหนึ่งเคลื่อนที่ หรือมีแรงมากระทำต่อมัน มันก็จะส่งผลกระทบต่อความโค้งของกาลอวกาศ จนทำให้โครงสร้างของมันได้เกิดบิดเบี้ยวไป อีกทั้งจากการบิดโค้งของกาลอวกาศยังส่งผลโดยตรงต่อวิถีวงโคจรหรือการเคลื่อนที่ของวัตถุต่างๆในอวกาศอีกด้วย และในเวลาหลายสิบปีให้หลังจากการมาของทฤษฎีสัมพัทธภาพ ก็ทำให้เราได้เกิดความเข้าใจอะไรใหม่ๆที่เกี่ยวกับอวกาศและเวลา จนนำไปสู่การปฏิวัติมุมองของเราที่เกี่ยวกับเอกภพไปอย่างสิ้นเชิง จากความคิดเก่าๆที่กล่าวว่าเอกภพไม่มีการแปรเปลี่ยนและดำรงอยู่มาเช่นนั้นมาชั่วกาลปาวสานและจะดำรงอยู่ต่อไปนิรันดร์นั้น ก็ได้ถูกแทนที่ด้วยแนวคิดใหม่ ที่ได้รับการพิสูจน์อย่างถูกต้องแล้วว่าเป็นจริงก็คือ เอกภพของเรามีการขยายตัวมาจากจุดเริ่มต้น ณ เวลาที่จำกัดในอดีต (เมื่อหลายหมื่นล้านปีก่อน) ในขณะเดียวกันเอกภพก็ไม่อาจหลีกเลี่ยงที่จะต้องพบกับจุดจบด้วยเช่นกัน ณ เวลาสิ้นสุดที่จำกัดของอนาคต

แหล่งที่มา