ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#11 บทที่ 2 อวกาศ-เวลา : การวัดความเร็วแสงและคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

มีสิ่งที่แตกต่างอย่างมากระหว่างแนวคิดของอริสโตเติลกับของกาลิเลโอและนิวตัน คืออริสโตเติลเชื่อในสภาวะที่อยู่กับที่ ซึ่งหมายความว่าวัตถุจะยังคงอยู่นิ่งหากไม่มีแรงกระทำกับมัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งอริสโตเติลคิดว่าโลกกำลังอยู่นิ่ง แต่กฎการเคลื่อนที่ของนิวตันบอกเราว่าไม่มีมาตรฐานเดียวในการอยู่กับที่ เราสามารถพูดได้ดีพอๆ กันว่าวัตถุ A อยู่กับที่ และวัตถุ B กำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ หรือวัตถุ B นั้นอยู่นิ่งและวัตถุ A กำลังเคลื่อนที่ ตัวอย่างเช่นหากเราละเลยความจริงที่ว่าโลกกำลังโคจรรอบดวงอาทิตย์ อาจกล่าวได้ว่าโลกอยู่กับที่ เราอาจพูดได้ว่ารถไฟกำลังเดินทางไปทางเหนือด้วยความเร็ว 90 ไมล์ต่อชั่วโมงหรือรถไฟกำลังหยุดนิ่ง คุณสามารถพูดได้อีกอย่างว่าโลกกำลังเคลื่อนที่ไปทางทิศใต้ด้วยความเร็ว 90 ไมล์ต่อชั่วโมง หากมีการทดลองกับวัตถุที่เคลื่อนที่บนรถไฟ กฎทั้งหมดของนิวตันยังคงใช้ได้กับกรณีนี้ ตัวอย่างเช่น การเล่นปิงปองบนรถไฟ เราจะพบว่าลูกบอลบนรถไฟที่กำลังวิ่งนั้นเป็นไปตามกฎของนิวตันเช่นเดียวกับลูกบอลบนโต๊ะข้างรางรถไฟ ดังนั้นจึงไม่มีทางบอกได้ว่ารถไฟกำลังวิ่งหรือพื้นโลกที่กำลังเคลื่อนที่

การขาดมาตรฐานที่สัมบูรณ์ของการอยู่กับที่ หมายความว่าเราไม่สามารถระบุได้ว่าสองเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นในเวลาต่างกันเกิดขึ้นในตำแหน่งเดียวกันในอวกาศหรือไม่ ตัวอย่างเช่น สมมติว่าลูกปิงปองของเราบนรถไฟกระดอนขึ้นลงบนโต๊ะสองครั้งในจุดเดิมห่างกันหนึ่งวินาที สำหรับใครบางคนที่อยู่ข้างรางรถไฟ เขากลับเห็นการตีกลับของลูกปิงปองดูเหมือนจะเกิดขึ้นห่างกันประมาณ 40 เมตร เนื่องจากรถไฟมีการเคลื่อนที่ไปไกลระหว่างการตีกลับลูกปิงปอง การไม่อยู่กับที่อย่างสัมบูรณ์จึงหมายความว่าเราไม่สามารถให้เหตุการณ์มีตำแหน่งที่แน่นอนในอวกาศได้อย่างที่อริสโตเติลเชื่อ คนบนรถไฟและอีกคนหนึ่งบนรางรถไฟจะมองเห็นตำแหน่งของเหตุการณ์และระยะทางระหว่างเหตุการณ์นั้นจะแตกต่างกันไป

เส้นทางที่วัตถุเคลื่อนที่ไปอาจมีลักษณะแตกต่างไปจากมุมมองของผู้สังเกตการณ์ที่อยู่ในสถานที่แตกต่างกัน (ภาพบน) ภาพจากมุมมองของผู้ที่ยืนอยู่ข้างทางรถไฟ (ภาพล่าง) ภาพจากมุมมองของผู้ที่อยู่บนรถไฟ (brieferhistoryoftime.com)

นิวตันกังวลมากกับการขาดตำแหน่งสัมบูรณ์หรืออวกาศสัมบูรณ์ (absolute space) ตามที่เรียก เพราะมันไม่สอดคล้องกับความคิดของเขาที่มีต่อพระผู้เป็นเจ้า ในความเป็นจริงเขาปฏิเสธที่จะยอมรับการขาด absolute space แม้ว่ากฎของเขาเองจะบอกเป็นนัยก็ตาม เขาถูกวิพากษ์วิจารณ์อย่างรุนแรงถึงความเชื่อที่ไร้เหตุผลนี้โดยคนจำนวนมากโดยเฉพาะอย่างยิ่งโดยบิชอปเบิร์กลีย์ นักปรัชญาที่เชื่อว่าวัตถุและอวกาศและเวลาทั้งหมดเป็นภาพลวงตา ดร.จอห์นสันผู้โด่งดังไม่เห็นด้วยกับบิชอป จึงเตะก้อนหินเพื่อแสดงความไม่พอใจกับแนวคิดดังกล่าว

ทั้งอริสโตเติลและนิวตันเชื่อในเวลาสัมบูรณ์ (absolute time) นั่นคือพวกเขาเชื่อว่าเราสามารถวัดช่วงเวลาระหว่างสองเหตุการณ์ได้อย่างแน่นอน และเวลานี้จะเหมือนกันกับใครก็ตามที่วัดได้ หากพวกเขาใช้นาฬิกาที่ดี เวลาถูกแยกออกจากกันโดยสิ้นเชิงและเป็นอิสระจากอวกาศ นี่คือสิ่งที่คนส่วนใหญ่ถือเป็นมุมมองทั่วไป อย่างไรก็ตามเราต้องเปลี่ยนความคิดเกี่ยวกับอวกาศและเวลา แม้ว่าแนวคิดทั่วไปของเราจะทำงานได้ดีเมื่อต้องจัดการกับสิ่งต่างๆ เช่น แอปเปิ้ล หรือดาวเคราะห์ที่เคลื่อนที่ค่อนข้างช้า อย่างไรก็ตามเมื่อมองสิ่งที่เคลื่อนที่เข้าใกล้ความเร็วแสงวิธีการทั่วไปนี้ใช้ไม่ได้เลย

Lady Antebellum – Just A Kiss (YouTube)

เป็นความจริงที่ว่าแสงเดินทางด้วยความเร็วจำกัด ในปี 1676 Ole Christensen Roemer นักดาราศาสตร์ชาวเดนมาร์กเป็นคนแรกที่ค้นพบว่าแสงเดินทางด้วยความเร็วที่สูงมาก เขาสังเกตว่าเวลาที่ดวงจันทร์ของดาวพฤหัสบดีเคลื่อนผ่านหลังดาวพฤหัสบดีนั้นมีช่วงเวลาห่างไม่เท่ากัน อย่างที่ใครๆ เชื่อกันว่าดวงจันทร์โคจรรอบดาวพฤหัสบดีด้วยอัตราคงที่ ขณะที่โลกและดาวพฤหัสบดีโคจรรอบดวงอาทิตย์ระยะห่างระหว่างทั้งสองจึงแตกต่างกันไป Roemer สังเกตเห็นจันทรุปราคาของดวงจันทร์ของดาวพฤหัสบดีปรากฏขึ้นในเวลาต่อมา ยิ่งโลกอยู่ห่างจากดาวพฤหัสบดีมากขึ้น แสงยิ่งใช้เวลาเดินทางมายังโลกนานขึ้น

อย่างไรก็ตามการวัดความผันแปรของระยะห่างของโลกจากดาวพฤหัสบดีนั้นไม่ค่อยแม่นยำนัก ดังนั้นค่าความเร็วแสงที่เขาหาได้คือ 140,000 ไมล์ต่อวินาทีเทียบกับมูลค่าปัจจุบัน 186,000 ไมล์ต่อวินาที อย่างไรก็ตามความสำเร็จของ Roemer ไม่เพียงแต่พิสูจน์ว่าแสงเดินทางด้วยความเร็วจำกัด แต่ยังรวมถึงการวัดความเร็วแสงด้วย นับเป็นเวลา 11 ปีก่อนที่ Newton จะตีพิมพ์ Principia Mathematica 

การหาความเร็วแสงของ Roemer

ในสมัยก่อนบรรดานักวิทยาศาสตร์สันนิษฐานว่าความเร็วของแสงเร็วเกินไปที่จะวัดได้หรือไม่มีที่สิ้นสุด จนกระทั่ง Ole Roemer (ค.ศ. 1644–1710) นักดาราศาสตร์ชาวเดนมาร์กซึ่งทำงานอยู่ที่หอดูดาวในปารีส เป็นคนแรกที่วัดความเร็วแสงได้ Ole Roemer คำนวณความเร็วของแสงโดยการสังเกตการเกิดจันทรุปราคาของดวงจันทร์ Io ของดาวพฤหัสบดีซึ่งเป็นหนึ่งในดวงจันทร์ขนาดใหญ่ 4 ดวงของดาวพฤหัสบดี ในปี 1676 เขาสังเกตว่าดวงจันทร์ Io ของดาวพฤหัสบดีดูเหมือนจะไม่ปรากฏจากด้านหลังดาวพฤหัสบดีในอัตราคงที่ แต่จะแตกต่างกันเล็กน้อยในช่วงเวลาต่างๆ ของปี

resource2.rockyview.ab.ca

Olaus Roemer ตั้งข้อสังเกตว่า เวลาระหว่างการเกิดจันทรุปราคาของดวงจันทร์ของดาวพฤหัสบดีจะสั้นลงเมื่อโลกเข้าใกล้ดาวพฤหัสบดี และเวลาระหว่างการเกิดจันทรุปราคายาวขึ้นเมื่อโลกถอยห่างจากดาวพฤหัสบดี ในช่วง 6 เดือนมีการเกิดจันทรุปราคาของดวงจันทร์ Io ทั้งหมด 102 ครั้ง โดยมีความล่าช้าของเวลาเกิดจันทรุปราคาเท่ากับ 22 นาที

Roemer ตีความว่าความคลาดเคลื่อนเกิดจากเวลาที่แสงเดินทางผ่านเส้นผ่านศูนย์กลางของวงโคจรของโลกรอบดวงอาทิตย์ ยิ่งโลกอยู่ห่างจากดาวพฤหัสบดีมากขึ้น แสงจะใช้เวลาเดินทางมายังโลกนานขึ้น ทำให้เกิดความล่าช้าในช่วงเวลาการเกิดจันทรุปราคา จากเวลาที่ได้เมื่อนำมาคำนวณหาความเร็วแสงโดยใช้สูตรคำนวณง่ายๆ ความเร็ว = ระยะทาง/เวลา เขาได้ค่าความเร็วแสง 220,000 กม./วินาที ซึ่งผิดพลาดจากตัวเลขจริง (299,792 กม./วินาที) ประมาณ 26%  เนื่องจากในสมัยของ Roemer ยังไม่มีการวัดเส้นผ่านศูนย์กลางของวงโคจรของโลกที่แม่นยำ และยังมีข้อผิดพลาดในการวัดเวลาของ Roemer อย่างไรก็ตามนี้เป็นการประมาณความเร็วแสงที่ดีเป็นครั้งแรกและแสดงให้เห็นว่าแสงมีความเร็วที่จำกัด อย่างไรก็ตามค่าความเร็วแสงของ Roemer ก็ถูกปฏิเสธโดยชุมชนวิทยาศาสตร์ในยุคนั้น ซึ่งคิดว่ามันเป็นตัวเลขที่สูงเกินไป 

Dua Lipa – Levitating (YouTube)

จนถึงปี 1865 เมื่อ James Clerk Maxwell นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษประสบความสำเร็จในการรวมทฤษฎีที่ใช้ในการอธิบายแรงของไฟฟ้าและแม่เหล็ก สมการของแมกซ์เวลล์ทำนายว่าอาจมีคลื่นรบกวนในสนามแม่เหล็กไฟฟ้า และสิ่งเหล่านี้จะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่เหมือนระลอกคลื่นในบ่อน้ำ หากความยาวคลื่นของคลื่นเหล่านี้ (ระยะห่างระหว่างยอดคลื่น) เป็นเมตรขึ้นไปพวกมันคือสิ่งที่เราเรียกว่าคลื่นวิทยุ คลื่นที่มีความยาวคลื่นที่สั้นกว่าคลื่นวิทยุ ได้แก่ คลื่นไมโครเวฟ (ความยาวคลื่นไม่กี่เซนติเมตร) หรือคลื่นอินฟราเรด (ความยาวคลื่นมากกว่า 1/10,000 ซม.) ส่วนแสงที่มองเห็นได้ (visible light) มีความยาวคลื่นระหว่าง 400-800 นาโนเมตร คลื่นที่มีความยาวคลื่นที่สั้นกว่าคลื่นที่กล่าวมา คือ อัลตราไวโอเลต รังสีเอกซ์ และรังสีแกมมา

ทฤษฎีของ Maxwell คาดการณ์ว่าคลื่นวิทยุหรือแสงควรเดินทางด้วยความเร็วคงที่แน่นอน แต่ทฤษฎีของนิวตันได้กำจัดแนวคิดเรื่องการอยู่กับที่สัมบูรณ์ (absolute rest) ดังนั้นหากแสงควรจะเดินทางด้วยความเร็วคงที่ก็ต้องบอกว่าจะวัดความเร็วคงที่นั้นเทียบกับอะไร

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Waves)

เจมส์ เคลิร์ก แมกซ์เวลล์ (James Clerk Maxwell : 1831–1879) นักฟิสิกส์ชาวสก็อตที่รู้จักกันดีในเรื่องทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า เขาได้รับการยกย่องจากนักฟิสิกส์สมัยใหม่ว่าเป็นนักวิทยาศาสตร์แห่งศตวรรษที่ 19 ซึ่งมีอิทธิพลมากที่สุดต่อฟิสิกส์ในศตวรรษที่ 20 การค้นพบของเขามีส่วนสำคัญต่อการนำโลกเข้าสู่ยุคฟิสิกส์สมัยใหม่และยังเป็นการวางรากฐานสำหรับฟิสิกส์สาขาต่างๆ เช่น ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษและกลศาสตร์ควอนตัม แมกซ์เวลล์ได้รับการจัดอันดับให้เป็นนักฟิสิกส์ที่ยิ่งใหญ่เป็นอันดับสามรองมาจากไอน์สไตน์และนิวตัน

ในสมัยก่อนนักวิทยาศาสตร์ทั้งหลายคิดว่าปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าและแม่เหล็กไม่มีความสัมพันธ์กัน จนกระทั่งในปี 1865 เจมส์ เคลิร์ก แมกซ์เวลล์ ได้ตีพิมพ์ “A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field” ในนั้นเขาแสดงให้เห็นว่าสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กมีความสัมพันธ์กันอย่างไกล้ชิด “สนามไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงสามารถเหนี่ยวนำให้เกิดสนามแม่เหล็กได้ และสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงนั้นก็สามารถเหนี่ยวนำให้เกิดสนามไฟฟ้าได้ โดยระนาบของสนามทั้งสองมีทิศทางตั้งฉากกัน”

ดังนั้นสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กสามารถจับคู่กันเพื่อสร้างคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic waves) ที่แพร่กระจายได้ เขาได้พัฒนาสมการคณิตศาสตร์ 4 สมการมาอธิบายคุณสมบัติพื้นฐานของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก และได้ตั้งทฤษฎีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Maxwell’s electromagnetic theory) ในสมการของแมกซ์เวลล์ เขาอธิบายว่าแสงที่มองเห็นได้ (visible light) เป็นเพียงคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดหนึ่งที่มีความถี่ช่วงหนึ่ง

นอกจากนี้สมการของแมกซ์เวลล์ (Maxwell’s equations) ยังแสดงให้เห็นว่าสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กเคลื่อนที่ออกจากแหล่งกำเนิดไปในสูญญากาศหรืออวกาศด้วยอัตราเร็วเท่ากับ 186,000 ไมล์/วินาที หรือ 300,000 กิโลเมตร/วินาที ความเร็วนี้เรียกว่าความเร็วแสงในสูญญากาศ

ตามทฤษฎีของแมกซ์เวลล์ (1831–1879) คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าควรสามารถผลิตและศึกษาได้ในห้องปฏิบัติการ มีการค้นพบรังสีที่อยู่นอกสเปกตรัมแสงที่มองเห็นได้ ได้แก่ การค้นพบรังสีอินฟราเรดโดย Sir William Herschel ในปี 1800 ค้นพบรังสีอัลตราไวโอเลตโดย Johann Wilhelm Ritter ในปี 1801 ค้นพบรังสีคลื่นวิทยุโดย William Heinrich Hertz ในปี 1887  ค้นพบรังสีเอกซ์โดย Wilhelm Conrad Roentgen ในปี 1895 ค้นพบรังสีแกมม่าโดย Paul Villard ในปี 1990 โดยสรุปการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่อยู่นอกสเปกตรัมแสงที่มองเห็นได้นั้นได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีอยู่จริง 

ในปี 1861 James Clerk Maxwell ยังได้ผลิตภาพถ่ายสีครั้งแรกของโลกซึ่งเป็นภาพของริบบิ้นผ้าตาหมากรุก เขาได้พัฒนากระบวนการไตรโครมาติกซึ่งถ่ายภาพวัตถุชิ้นเดียวกันโดยการถ่ายภาพสามครั้งผ่านฟิลเตอร์สีแดง สีน้ำเงิน และสีเขียว จากนั้นนำภาพที่ได้ทั้งสามภาพรวมกันเป็นภาพเดียว เพราะรูปนี้แมกซ์เวลจึงได้เครดิตในฐานะผู้ก่อตั้งทฤษฎีสีเติมแต่ง (Theory of additive color)

Dua Lipa – Physical (YouTube)

• Facebook
• Twitter
• Line