บทความนี้เขียนโดย David Lyth จากมหาวิทยาลัย Lancaster และเผยแพร่ครั้งแรกโดยการสนทนา
แรงโน้มถ่วงเชื่อมโยงร่างกายของเรากับดาวเคราะห์โลก แต่ไม่ได้กำหนดขีดจำกัดของจิตใจมนุษย์ที่ทะยานขึ้น ในเดือนพฤศจิกายน พ.ศ. 2458 - เมื่อหนึ่งศตวรรษก่อน - สิ่งนี้ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเป็นจริงเมื่อ Albert Einstein นำเสนอในการบรรยายชุดที่ Prussian Academy of Sciencesทฤษฎีนั่นจะปฏิวัติวิธีที่เรามองแรงโน้มถ่วง - และตัวฟิสิกส์เอง เป็นเวลาสองศตวรรษแล้วที่ทฤษฎีแรงโน้มถ่วงสากลที่เรียบง่ายและสง่างามอย่างน่าทึ่งของนิวตันดูเหมือนจะอธิบายเรื่องนี้ได้ดี แต่ดังที่เป็นจริงมากขึ้นในวิชาฟิสิกส์ ความเรียบง่ายไม่ได้ตัดทอนอีกต่อไป
จุดเริ่มต้นของไอน์สไตน์สำหรับเป็นทฤษฎีของเขาเกี่ยวกับทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษตีพิมพ์ในปี 1905 สิ่งนี้อธิบายวิธีกำหนดกฎของฟิสิกส์ในกรณีที่ไม่มีแรงโน้มถ่วง จุดศูนย์กลางของทั้งสองทฤษฎีคือคำอธิบายของอวกาศและเวลาซึ่งแตกต่างจากที่สามัญสำนึกจะแนะนำ
ทฤษฎีนี้อธิบายวิธีตีความการเคลื่อนที่ระหว่างสถานที่ต่างๆ ที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่สัมพันธ์กัน แทนที่จะสัมพันธ์กับอีเทอร์สัมบูรณ์บางประเภท (ดังที่นิวตันสันนิษฐานไว้) แม้ว่ากฎแห่งฟิสิกส์จะเป็นสากล แต่ก็มีกล่าวไว้ว่า ผู้ชมที่แตกต่างกันจะเห็นช่วงเวลาของเหตุการณ์ที่แตกต่างกันไป ขึ้นอยู่กับว่าพวกเขาเดินทางเร็วแค่ไหน เหตุการณ์ที่ดูเหมือนจะต้องใช้เวลา 1,000 ปีเมื่อมองจากโลกอาจดูเหมือนใช้เวลาเพียงเสี้ยววินาทีสำหรับคนที่อยู่ในยานอวกาศที่เดินทางด้วยความเร็วสูง
หัวใจสำคัญของทฤษฎีของไอน์สไตน์คือความจริงที่ว่าความเร็วแสงไม่ขึ้นกับการเคลื่อนที่ของผู้สังเกตการณ์ที่กำลังวัดความเร็ว เรื่องนี้แปลก เพราะสามัญสำนึกบอกเป็นนัยว่า หากคุณนั่งอยู่ในรถข้างรางรถไฟ รถไฟที่ผ่านไปจะดูเหมือนเคลื่อนที่เร็วกว่าการที่คุณติดตามไปในทิศทางเดียวกันมาก
อย่างไรก็ตาม หากคุณนั่งดูลำแสงที่ผ่านไปแทน มันจะเคลื่อนที่เร็วพอๆ กัน ไม่ว่าคุณจะตามมันหรือไม่ก็ตาม ซึ่งเป็นข้อบ่งชี้ที่ชัดเจนว่ามีสิ่งผิดปกติเกิดขึ้นตามสามัญสำนึก
ความหมายโดยนัยของทฤษฎีนี้คือ เราต้องละทิ้งความคิดที่ว่ามีเวลาสากล และยอมรับว่าเวลาที่นาฬิกาลงทะเบียนไว้นั้นขึ้นอยู่กับวิถีของมันในขณะที่มันเคลื่อนที่ไปในจักรวาล นอกจากนี้ยังหมายความว่าเวลาจะผ่านไปช้ากว่าเมื่อคุณเดินทางเร็ว ซึ่งหมายความว่าแฝดที่ออกไปในอวกาศจะแก่ช้ากว่าพี่น้องบนโลก
'ความขัดแย้งคู่' นี้อาจดูเหมือนเป็นนิสัยทางคณิตศาสตร์ แต่มันก็เป็นเช่นนั้นได้รับการยืนยันจากการทดลองจริงในปี พ.ศ. 2514 ในการทดลองนำนาฬิกาอะตอมไปใช้กับเที่ยวบินเชิงพาณิชย์
ใช้งานได้เฉพาะกับเฟรมเฉื่อยที่เคลื่อนที่สัมพันธ์กันหากเฟรมเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ - ไม่สามารถอธิบายได้ว่าเกิดอะไรขึ้นหากเฟรมเร่งความเร็ว ไอน์สไตน์สงสัยว่าจะขยายมันให้รวมความเร่งดังกล่าวและยอมให้เกิดแรงโน้มถ่วงได้อย่างไร ซึ่งทำให้เกิดการเร่งความเร็ว และท้ายที่สุดแล้ว ก็มีอยู่ทุกหนทุกแห่ง
เขาตระหนักว่าผลกระทบของแรงโน้มถ่วงจะหายไปหากใครไม่พยายามเอาชนะมัน เขาจินตนาการถึงผู้คนในลิฟต์ที่สายเคเบิลขาดจากการตกอย่างอิสระ และคิดได้ว่าเนื่องจากวัตถุต่างๆ จะลอยอยู่นิ่งๆ หรือด้วยความเร็วคงที่ ผู้คนจึงไม่รู้สึกถึงแรงโน้มถ่วง แต่ปัจจุบันนี้เรารู้แล้วว่าสิ่งนี้เป็นเรื่องจริงดังที่เราได้เห็นด้วยตนเองในผู้คนที่สถานีอวกาศนานาชาติ ในทั้งสองกรณี ไม่มีแรงใดที่จะต่อต้านผลกระทบของแรงโน้มถ่วง และผู้คนก็ไม่ได้รับแรงดึงดูดจากแรงโน้มถ่วง
ไอน์สไตน์ยังตระหนักด้วยว่าผลกระทบของแรงโน้มถ่วงนั้นเหมือนกับผลของความเร่ง การขับรถออกไปด้วยความเร็วสูงจะผลักเราถอยหลัง เหมือนกับว่าแรงโน้มถ่วงดึงเราอยู่ เบาะแสทั้งสองนี้นำไอน์สไตน์ไปสู่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ในขณะที่นิวตันมองว่าแรงโน้มถ่วงเป็นแรงที่แพร่กระจายระหว่างวัตถุ ไอน์สไตน์อธิบายว่าเป็นเสมือนแรงหลอกที่เกิดขึ้นเพราะโครงสร้างที่ถักทอกันของอวกาศและเวลาโค้งงอรอบวัตถุขนาดใหญ่
ไอน์สไตน์เองกล่าวว่าเส้นทางของเขายังห่างไกลจากความง่าย เขาเขียน“ตลอดชีวิตนี้ ฉันไม่ได้ทำงานหนักเกือบขนาดนี้ และฉันก็รู้สึกตื้นตันใจด้วยความเคารพต่อคณิตศาสตร์เป็นอย่างมาก ซึ่งส่วนที่ละเอียดอ่อนกว่านั้นซึ่งฉันมีในความมีจิตใจเรียบง่ายถือเป็นความฟุ่มเฟือยอันบริสุทธิ์มาจนถึงปัจจุบัน”
หลักฐาน
ทันทีที่ไอน์สไตน์ค้นพบทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเขาตระหนักมันอธิบายความล้มเหลวของทฤษฎีของนิวตันในการอธิบายวงโคจรของ- วงโคจรไม่ค่อนข้างเป็นวงกลมซึ่งหมายความว่ามีจุดที่ใกล้กับดวงอาทิตย์มากที่สุด ทฤษฎีของนิวตันทำนายว่าจุดนี้คงที่ แต่การสังเกตแสดงให้เห็นว่ามันหมุนรอบดวงอาทิตย์อย่างช้าๆ และไอน์สไตน์พบว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปอธิบายการหมุนได้อย่างถูกต้อง
“ฉันอยู่ข้างๆ ตัวเองด้วยความตื่นเต้นอันสนุกสนาน” เขาเขียนไม่กี่เดือนภายหลัง. ตั้งแต่นั้นมา ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปได้ผ่านการทดสอบเชิงสังเกตหลายครั้งด้วยการบินสีต่างๆ
คุณกำลังใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปทุกครั้งที่คุณเรียกใช้ระบบ GPS เพื่อค้นหาตำแหน่งของคุณบนพื้นผิวโลก ระบบนั้นจะส่งสัญญาณวิทยุจากดาวเทียม 24 ดวง และเครื่องรับ GPS ในโทรศัพท์หรือรถยนต์ของคุณจะวิเคราะห์สัญญาณเหล่านี้สามสัญญาณขึ้นไปเพื่อค้นหาตำแหน่งของคุณโดยใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป หากคุณใช้ทฤษฎีของนิวตัน ระบบ GPS อาจจะให้ตำแหน่งที่ผิด
แม้ว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปจะทำงานได้ดีในการอธิบายโลกทางกายภาพในวงกว้าง กลศาสตร์ควอนตัมก็กลายเป็นทฤษฎีที่ประสบความสำเร็จมากที่สุดสำหรับอนุภาคขนาดเล็ก เช่น อนุภาคที่ประกอบเป็นอะตอม เช่นเดียวกับทฤษฎีสัมพัทธภาพ กลศาสตร์ควอนตัมก็ขัดกับสัญชาตญาณ ไม่ว่าจะเป็นไปได้ก็ตามรวมทั้งสองเข้าด้วยกันยังคงต้องรอดูต่อไป แต่ก็ไม่น่าจะนำสามัญสำนึกกลับมาสู่วิชาฟิสิกส์ได้
เดวิด ลิธ, ศาสตราจารย์เกียรติคุณสาขาฟิสิกส์,มหาวิทยาลัยแลงคาสเตอร์-
บทความนี้เผยแพร่ครั้งแรกโดยการสนทนา- อ่านบทความต้นฉบับ-
