Origin and Evolution of The Universe, Universe

กำเนิดและวิวัฒนาการของจักรวาล#35 กรวยแสง

Posted: 26/07/2021 at 15:06 / by ตติยา วิชัยดิษฐ / comments (0)

ตลอดประวัติศาสตร์ แสงเป็นสัญญาณที่เชื่อมอดีต ปัจจุบัน และอนาคต และนำมาซึ่งจุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุดของเวลา คุณสมบัติของแสง: แสงมีความเร็วคงที่ไม่เปลี่ยนแปลง ประมาณ 300,000 กม./วินาที มันไม่มีมวล แสงเดินทางเป็นเส้นตรง (แต่มันจะโค้งงอเมื่อเข้าใกล้วัตถุขนาดใหญ่) และไม่มีสิ่งใดเดินทางได้เร็วกว่าแสง

ในทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษและสัมพัทธภาพทั่วไป กรวยแสง (Light cone) เป็นแผนภาพของอวกาศ-เวลา (space-time) ซึ่งแสดงถึงการแพร่กระจายของแสงออกจากจุดกำเนิดไปในอวกาศ-เวลา เหตุการณ์ทั้งหมดภายในกรวยแสงมีความเชื่อมโยงกัน

ให้เราจินตนาการถึงเหตุการณ์ที่มีการระเบิด ณ จุดใดจุดหนึ่งในอวกาศ แสงที่แผ่ออกมาจากเหตุการณ์นี้จะก่อตัวเป็นวงกลมที่ขยายตัวออกไป มันจะเหมือนกับระลอกคลื่นที่กระจายออกไปบนพื้นผิวของสระน้ำเมื่อโยนก้อนหินลงไป ระลอกคลื่นจะกระจายออกเป็นวงกลมที่ใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ เมื่อเวลาผ่านไป ดังที่แสดงในแอนิเมชั่นด้านล่างนี้

วิธีการง่ายที่สุดที่จะจินตนาการถึงสิ่งที่เกิดขึ้นในอวกาศ-เวลา (space-time) สามารถทำโดยการนำภาพถ่ายของระลอกคลื่นที่เกิดขึ้นในแต่ละวินาทีมาวางเรียงซ้อนกัน เราจะสามารถมองเห็นแสงที่แผ่กระจายออกจากเหตุการณ์หนึ่งๆ ครอบคลุมพื้นที่มากขึ้นเรื่อยๆ ตามเวลาที่ผ่านไป จนได้เป็นรูปทรงกรวย

ในทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ ไอน์สไตน์ระบุว่าความเร็วแสงมีค่าคงที่ ดังนั้นการแผ่ขยายตัวของกรวยแสงนั้น เป็นไปอย่างคงที่และแน่นอน

กรวยแสง (Light cone) เป็นรูปทรงกรวย 3 มิติในอวกาศ-เวลา 4 มิติ โดยมีเวลาเป็นแกนตั้ง และอีกสองแกนนอนแสดงมิติของอวกาศ อันที่จริงอวกาศมี 3 มิติ แต่เนื่องจากมนุษย์สามารถรับรู้ได้เพียง 3 มิติเท่านั้น จึงแสดงอวกาศให้อยู่ในระนาบ 2 มิติ เพื่อให้ง่ายขึ้น ความกว้างของกรวยแสงถูกกำหนดโดยการวาดเส้นตั้งฉาก 45° สองเส้นบนระนาบพิกัดอวกาศ-เวลา หากคุณผ่านความเอียง 45° ออกนอกกรวยแสงด้านใดด้านหนึ่ง แสดงว่าคุณกำลังเคลื่อนที่เร็วกว่าแสง

จุดใดๆ ก็ตามในอวกาศ-เวลา มีทั้งรูปกรวยแสงในอดีตและอนาคต

กรวยข้างบนคือ ตำแหน่งของแสงในอวกาศและเวลา (space-time) สำหรับอนาคต ที่เรียกว่า “กรวยแสงแห่งอนาคตของเหตุการณ์ (Future light cone of the event)” เมื่อเวลาผ่านไป กรวยแสงแห่งอนาคตของเหตุการณ์จะขยายออกกว้างขึ้นเพื่อห้อมล้อมสถานที่มากขึ้นเรื่อยๆ

หากคุณย้อนทิศทางของเวลา กรวยจะกลับด้าน และคุณอยู่ในอดีต นั่นคือจะมี “กรวยแสงแห่งอดีตของเหตุการณ์ (Past light cone of the event)” เช่นกัน กรวยแสงในอดีตจะกว้างขึ้น เมื่อคุณมองย้อนกลับไปในอวกาศในระยะไกลมากขึ้น นั่นเพราะว่าแสงนั้นใช้เวลานานกว่าจะเดินทางมาถึงเรา ดังนั้นการจะมองเห็นและได้รับผลกระทบจากบางสิ่งที่อยู่ไกลและเกิดขึ้นเมื่อนานมาแล้ว เราต้องรอจนว่าแสงจะเดินทางมาถึงเรา

กรวยแสงทั้งสองมาบรรจบกันที่เหตุการณ์ปัจจุบัน (Present event) ซึ่งเป็นเวลาและสถานที่ที่แสงกำเนิดออกมา ดังแสดงในรูปด้านล่าง การเชื่อมต่อของกรวยบอกเราว่าเหตุการณ์หนึ่งสามารถมีอิทธิพลต่ออีกเหตุการณ์หนึ่งได้หรือไม่

สำหรับเหตุการณ์ปัจจุบันเราจะแทนที่ด้วยตัวอักษร P (Present) เราสามารถแบ่งเหตุการณ์ในจักรวาลออกเป็น 3 ประเภท

(1) อนาคตของเหตุการณ์ P: เหตุการณ์ P สามารถเป็นสาเหตุและส่งผลกระทบต่อเหตุการณ์ทั้งหมดที่อยู่ในกรวยแสงแห่งอนาคต

(2) อดีตของเหตุการณ์ P: เหตุการณ์ในกรวยแสงแห่งอดีตเท่านั้น ที่สามารถส่งผลกระทบต่อสิ่งที่เกิดขึ้นกับเหตุการณ์ P

(3) พื้นที่อื่นๆ : สำหรับเหตุการณ์ที่ไม่ได้อยู่ในอนาคตหรืออดีตของ P จะอยู่ในพื้นที่อื่นๆ ของ P (Elsewhere) สิ่งที่อยู่นอกกรวยแสงคือสิ่งที่เราสังเกตไม่ได้ และไม่ได้เป็นสาเหตุหรือได้รับผลกระทบใดๆ จากเหตุการณ์ P เพราะแสงยังเดินทางมาไม่ถึงเราในเวลานั้น

กล่าวโดยสรุป เหตุการณ์ในอวกาศ-เวลา (space-time) สามารถส่งผลกระทบต่อพื้นที่ที่แสงเดินทางถึงได้เท่านั้น เนื่องจากข้อมูลไม่สามารถเดินทางได้เร็วกว่าความเร็วแสง ตามที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษระบุ

Avril Lavigne – Let Me Go ft. Chad Kroeger

ตัวอย่างเช่น หากดวงอาทิตย์ดับลงในขณะนี้ก็จะไม่ส่งผลกระทบต่อเราในทันที เพราะโลกของเราอยู่ข้างนอกกรวยแสง ซึ่งกว่าเราจะรับรู้ได้ว่าดวงอาทิตย์ดับไป ก็ต่อเมื่อเวลาได้เลยผ่านไปแล้ว 8 นาที เนื่องจากวิธีที่เร็วที่สุดที่เราสามารถรับรู้เหตุการณ์ที่อยู่ห่างไกลได้คือผ่านแสง ทิศทางและความเร็วในการเดินทางของแสงจึงจำกัดความเร็วที่เราสามารถสัมผัสเหตุการณ์ได้ ซึ่งต้องใช้เวลา 8 นาทีกว่าที่แสงของดวงอาทิตย์จะมาถึงเรา และโลกได้เข้าไปอยู่ในกรวยแสงแห่งอนาคตและได้รับผลกระทบจากเหตุการณ์ที่ดวงอาทิตย์ดับ

จะเห็นได้ว่าเหตุการณ์สร้างรูปกรวยรอบตัวเองซึ่งกำหนดความกว้างโดยความเร็วของแสง หากผู้สังเกตการณ์อยู่ภายในขอบเขตของกรวยแสง เราสามารถรับรู้เหตุการณ์ได้ แต่ถ้าอยู่ข้างนอก ไม่มีทางที่เราจะรู้ได้เลย กล่าวอีกนัยหนึ่งจักรวาลของเรามีโครงสร้างเพื่อให้เรามองดูอดีตอยู่เสมอ เราไม่รู้ว่าตอนนี้เกิดอะไรขึ้นในอวกาศอันห่างไกล ซึ่งเราจะรับรู้ได้ก็ต่อเมื่อเราได้เข้าไปอยู่ภายในกรวยแสงแห่งอนาคตของเหตุการณ์นั้นๆ แล้วนั่นเอง นี้จึงเท่ากับว่าแม้แต่แสงของดาวฤกษ์ที่เรามองเห็นบนท้องฟ้า หรือแม้แต่แสงจากกาแล็กซี่อื่นที่อยู่ห่างไกลออกไป ก็คือแสงที่เคยถูกปล่อยออกมาจากเหตุการณ์ครั้งอดีตเมื่อนานมาแล้ว ดังนั้นสิ่งที่เราเห็นทั้งหมดในจักรวาลก็คือ อดีตของมัน!

Russell Dickerson – Home Sweet

Post Views: 509