A Brief History of Time, Universe
ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#12 บทที่ 2 อวกาศ-เวลา : การทดลองที่ปฏิเสธการดำรงอยู่ของอีเธอร์

มีการเสนอว่ามีสารที่เรียกว่า “อีเธอร์ (ether)” ปรากฏอยู่ทุกหนทุกแห่งแม้ในพื้นที่ “ว่างเปล่า” คลื่นแสงควรเดินทางผ่านอีเธอร์เหมือนคลื่นเสียงเคลื่อนที่ผ่านอากาศ ดังนั้นความเร็วของพวกมันจึงควรสัมพันธ์กับอีเธอร์ แต่จะแตกต่างกันไปตามผู้สังเกตที่แตกต่างกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในขณะที่โลกเคลื่อนที่ผ่านอีเธอร์ขณะโคจรรอบดวงอาทิตย์ ความเร็วแสงที่เดินทางในทิศทางเดียวกันกับการเคลื่อนที่ของโลกรอบดวงอาทิตย์ผ่านอีเธอร์ (เมื่อเราเคลื่อนที่เข้าหาแหล่งกำเนิดแสง) ควรสูงกว่าความเร็วแสงที่เดินทางในทิศทางทำมุมฉากกับการเคลื่อนที่ของโลก (เมื่อเราเคลื่อนที่ออกจากแหล่งกำเนิดแสง)
ในปี 1887 อัลเบิร์ต มิเชลสัน (ซึ่งต่อมากลายเป็นคนอเมริกันคนแรกที่ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์) และเอ็ดเวิร์ด มอร์ลีย์ ได้ทำการทดลองที่ School of Applied Science ในเมืองคลีฟแลนด์ พวกเขาเปรียบเทียบความเร็วของแสงที่เดินทางในทิศทางเดียวกันกับการเคลื่อนที่ของโลก กับความเร็วแสงที่เดินทางในทิศทางทำมุมฉากกับการเคลื่อนที่ของโลก พวกเขาประหลาดใจมากที่ได้ค่าเหมือนกันทุกประการ!
ระหว่างปี 1887 ถึงปี 1905 มีความพยายามหลายครั้ง โดยเฉพาะนักฟิสิกส์ชาวดัตช์ เฮนดริก ลอเรนซ์ (Hendrik Lorentz) เพื่ออธิบายผลการทดลองของมิเชลสัน – มอร์ลีย์ ในแง่ของวัตถุที่หดตัวและนาฬิกาที่ช้าลงเมื่อเคลื่อนที่ผ่านอีเธอร์ อย่างไรก็ตามในบทความที่มีชื่อเสียงในปี 1905 อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) เสมียนที่ไม่มีใครรู้จักมาก่อนซึ่งทำงานอยู่ที่สำนักงานสิทธิบัตรสวิสได้แนะนำ (ในทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ-ผู้เขียน) ว่าไม่จำเป็นต้องคิดเรื่องอีเธอร์หากคุณปฏิเสธแนวคิดเรื่องเวลาสัมบูรณ์ (absolute time)
แนวคิดที่คล้ายกันนี้เกิดขึ้นใน 2-3 สัปดาห์ต่อมาโดยอ็องรี ปวงกาเร (Henri Poincare) นักคณิตศาสตร์ชั้นนำของฝรั่งเศส ข้อโต้แย้งของไอน์สไตน์นั้นใกล้เคียงกับฟิสิกส์มากกว่าข้อโต้แย้งของ Poincare ซึ่งมองว่าปัญหานี้เป็นคณิตศาสตร์ โดยปกติแล้วไอน์สไตน์จะได้รับเครดิตสำหรับทฤษฎีใหม่ แต่ Poincare จะถูกจดจำได้โดยมีชื่อของเขาติดอยู่ในส่วนสำคัญของมัน
Lindsey Stirling – Crystallize (Youtube)
ทุกวันนี้เราทราบกันดีว่าแสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดหนึ่งและเป็นคลื่นตามขวาง ซึ่งหมายความว่าพวกมันสั่นในแนวตั้งฉากกับทิศทางที่พวกมันเดินทาง แสงเดินทางจากแหล่งกำเนิดผ่านสูญญากาศโดยไม่ต้องอาศัยตัวกลางในการแพร่กระจาย แต่เมื่อสามร้อยปีก่อนนักวิทยาศาสตร์ยังไม่รู้ความจริงในข้อนี้
ในฟิสิกส์ของนิวตันคลื่นทั้งหมดจะแพร่กระจายได้ต้องอาศัยตัวกลางในการเดินทาง เช่น คลื่นน้ำเดินทางผ่านน้ำ คลื่นเสียงเดินทางผ่านอากาศ เจมส์ เคลิร์ก แมกซ์เวลล์ (James Clerk Maxwell : 1831–1879) นักฟิสิกส์ชาวสก็อตจึงเชื่อว่าแสงก็ต้องอาศัยตัวกลางในการแพร่กระจายผ่านอวกาศเช่นกัน ทำให้เขาเชื่อว่าอวกาศไม่ได้เป็นสูญญากาศแต่เต็มไปด้วยอากาศธาตุหรืออีเธอร์ (ether) ซึ่งเป็นตัวกลางให้แสงแพร่กระจายไปในอวกาศได้ นักวิทยาศาสตร์ในสมัยนั้นเชื่อว่าอีเธอร์มีอยู่จริง แทรกซึมไปทั่วอวกาศทั้งหมด ความหนาแน่นเป็นศูนย์ โปร่งใส ไม่มีปฏิสัมพันธ์กับวัตถุทางกายภาพ และอยู่ในสถานะการหยุดนิ่งอย่างสัมบูรณ์ในจักรวาล ทำให้จักรวาลเป็นกรอบอ้างอิงสมบูรณ์ (absolute reference frame) อย่างไรก็ตามการมีอยู่ของอีเธอร์เป็นที่ถกเถียงกันมากในสมัยนั้น มีความพยายามมากมายในช่วงปลายศตวรรษที่ 19 เพื่อยืนยันการมีอยู่ของอีเธอร์ แต่ไม่มีใครสามารถตรวจจับมันได้ การทดลองของมิเชลสัน – มอร์ลี่ย์เป็นหนึ่งในความพยายามเหล่านั้น
การทดลองของมิเชลสัน – มอร์ลี่ย์
steemit.com
การทดลองที่ได้รับแรงบันดาลใจจากข้อเสนอของ James Maxwell ในการกำหนดการเคลื่อนที่ของโลกผ่านอีเธอร์ (ซึ่งเชื่อกันในเวลานั้น) คือ การทดลองของมิเชลสัน–มอร์ลี่ย์ (Michelson-Morley experiment) ในปี 1887 ซึ่งเป็นการทดลองที่มีชื่อเสียงและมีความสำคัญมากที่สุดในประวัติศาสตร์ ดำเนินการทดลองโดยชาวอเมริกันสองคนคือ นักฟิสิกส์ อัลเบริต์ มิเชลสัน (Albert Michelson) และนักเคมี เอ็ดเวิร์ด มอร์ลี่ย์ (Edward Morley) เพื่อหาว่าการเคลื่อนที่ของโลกผ่านอีเธอร์ จะส่งผลอย่างไรต่อความเร็วของแสงที่วัดได้บนโลก
อีเธอร์มีสถานะอยู่นิ่งกับที่ โลกต้องเคลื่อนที่ผ่านอีเธอร์ขณะหมุนรอบตัวเองและโคจรรอบดวงอาทิตย์ ทำให้เกิดการไหลของอีเธอร์บริเวณใกล้พื้นผิวโลกที่เรียก “ลมอีเธอร์ (ether wind)” ถ้าแสงเดินทางผ่านอวกาศโดยอาศัยอีเธอร์เป็นตัวกลางในการแพร่กระจาย ความเร็วของแสงก็ควรจะเปลี่ยนไปเนื่องจากการไหลของอีเธอร์ซึ่งเกิดจากการเคลื่อนที่ของโลก
slideserve.com
อัตราเร็วของแสง (c) มีค่าเท่ากับ 186,000 ไมล์/วินาที หรือ 300,000 กิโลเมตร/วินาที ความเร็วของแสงควรเปลี่ยนแปลงไปตามการเคลื่อนที่ของโลกผ่านอีเธอร์ จากภาพข้างบน เวคเตอร์เส้นประแสดงทิศทางการไหลของลมอีเธอร์ที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของโลกผ่านมัน ในฤดูใบไม้ผลิ (โลกเคลื่อนตัวลงมาในภาพ) แสงจากดวงอาทิตย์ที่มาตกกระทบโลกสวนทางกับลมอีเธอร์ ดังนั้นความเร็วของแสงที่วัดได้บนโลกควรมีค่าลดลง คือน้อยกว่า 300,000 กิโลเมตร/วินาที เมื่อถึงฤดูใบไม้ร่วง (โลกเคลื่อนตัวขึ้นไปในภาพ) แสงจากดวงอาทิตย์เดินทางมายังโลกในทิศทางเดียวกับลมอีเธอร์ ดังนั้นความเร็วของแสงที่วัดได้ควรมีค่ามากกว่า 300,000 กิโลเมตร/วินาที
slideplayer.com
อัลเบริต์ มิเชลสัน (Albert Michelson) ได้ประดิษฐ์เครื่องอินเตอร์ฟีรอมิเตอร์ (Michelson’s interferometer) ขึ้นมาซึ่งเป็นเครื่องมือทางแสงที่มีความไวสูง สามารถวัดระยะทางที่เล็กมาก มิเชลสันและมอร์ลี่ย์วัดความเร็วของลำแสง 2 ลำที่ทำมุมตั้งฉากกัน เนื่องจากโลกเคลื่อนที่ผ่านอีเธอร์ ความเร็วของแสงควรจะขึ้นกับทิศทางของลมอีเธอร์ที่เปลี่ยนแปลงไปตามการเคลื่อนที่ของโลกด้วย ดังนั้นความเร็วของแสงควรมีความแตกต่างเล็กน้อยในแต่ละฤดูกาล
เครื่องมือ Michelson’s interferometer ประกอบด้วยแหล่งกำเนิดแสงตั้งอยู่ด้านหนึ่งของโต๊ะ ส่วนกลางของอุปกรณ์เป็นกระจกสีเงินบางๆ ที่ฉาบเงินเพียงครึ่งเดียว (M0) ที่ใช้แบ่งลำแสงออกเป็นสองลำแสงเดินทางตั้งฉากซึ่งกันและกัน เมื่อยิงลำแสงไปกระทบกระจก M0 แสงจะแยกออกเป็น 2 ลำแสงเดินทางตั้งฉากซึ่งกันและกัน โดยลำแสงหนึ่งวิ่งไปกระทบกระจก M2 อีกลำแสงหนึ่งวิ่งไปกระทบกระจก M1 จากนั้นลำแสงทั้งสองจะสะท้อนกลับไปที่กระจกตรงกลาง M0 ซึ่งจะส่งไปยังเครื่องตรวจจับ เส้นทางแสงมีความยาวเท่ากันดังนั้นหากอุปกรณ์อยู่นิ่งลำแสงจะใช้เวลาเท่ากันในการมายังเครื่องตรวจจับ
สมมุติว่า v เป็นความเร็วของลมอีเธอร์ ที่มีความสัมพันธ์กับการเคลื่อนที่ของโลก และ c เป็นความเร็วของแสงที่แพร่กระจายมาในอีเธอร์ เมื่อพิจารณาลำแสงที่วิ่งจาก M0 ไปกระทบกระจก M2 และสะท้อนกลับมา ควรมีค่าไม่เท่ากันดังนี้
* เมื่อลำแสงวิ่งมากระทบกระจก M2 ความเร็วแสงที่วิ่งสวนทางกับลมอีเธอร์ ควรเท่ากับ c – v
* เมื่อลำแสงวิ่งออกจากกระจก M2 กลับไปที่กระจก M0 ความเร็วของแสงที่วิ่งในทิศทางเดียวกับลมอีเธอร์ ควรเท่ากับ c + v
มิเชลสันและมอร์ลี่ย์ทำการทดลองซ้ำๆ กันหลายครั้งในปีนั้น ถ้าโลกเคลื่อนที่ผ่านอีเธอร์ คลื่นแสงที่เดินทางไปในแนวเดียวกับการเคลื่อนที่ของโลก (แขนที่ 2) ควรจะเดินทางด้วยความเร็วที่ต่างจากทิศทางที่ตั้งฉากกับแนวการเคลื่อนที่ของโลก (แขนที่ 1) เมื่อทำการทดลองแล้วมิเชลสันและมอร์ลี่ย์ต้องประหลาดใจมากที่ความเร็วของลำแสงทั้งสองทิศทางมีค่าไม่แตกต่างกัน! ลำแสงทั้งสองใช้เวลาเท่ากันในการมาถึงเครื่องตรวจจับ
การทดลองที่แม่นยำยิ่งขึ้นได้ดำเนินการในภายหลังโดยใช้กระจกเงามากขึ้นเพื่อขยายความยาวของเส้นทาง ในช่วงเวลาต่างๆของวัน (ขณะที่พื้นผิวโลกเคลื่อนที่ไปในทิศทางที่ต่างกันเนื่องจากการหมุนรอบตัวเอง) และในฤดูกาลต่างๆของปี (เมื่อโลกเคลื่อนที่ในทิศทางที่ต่างกันเมื่อโคจรรอบดวงอาทิตย์) คำตอบยังคงเหมือนเดิม: ลำแสงทั้งสองใช้เวลาเท่ากันในการเคลื่อนที่ตามเส้นทางไม่ว่าโลกจะเคลื่อนที่ไปในทิศทางไหน
นี่แสดงให้เห็นว่าความเร็วของแสงมีค่าเดียวไม่ว่าโลกจะเคลื่อนที่ผ่านแสงและอีเธอร์อย่างไร ผลที่ได้จากการทดลองนี้ก่อให้เกิดความเคลือบแคลงในการมีอยู่ของอีเธอร์ และทำให้เกิดการปฏิวัติทางฟิสิกส์อย่างที่ไม่เคยเห็นมาก่อนในวงการวิทยาศาสตร์สมัยนั้น ส่งผลให้ อัลเบริต์ มิเชลสัน กลายเป็นชาวอเมริกันคนแรกที่ได้รับรางวัลโนเบลในสาขาฟิสิกส์ในปี 1907 จากผลงานการสร้างเครื่องมือ Michelson’s interferometer ที่ใช้ในการทดลองนี้
Chris Brown – Zero (YouTube)
ในปี 1895 แฮ็นดริก ลอเรนซ์ (Hendrik Lorentz; 1853-1928) นักฟิสิกส์ชาวดัตช์พยายามที่จะอธิบายการทดลองของมิเชลสัน – มอร์ลีย์ ลอเรนซ์ชี้ให้เห็นว่าอีเธอร์ส่งผลกระทบต่อวัตถุทางกายภาพในสองลักษณะ ประการแรกความยาวของวัตถุจะหดตัวตามทิศทางการเคลื่อนที่ผ่านอีเธอร์ ความผิดเพี้ยนนี้เรียกว่า “การหดตัวตามความยาว” ตัวอย่างเช่น อุปกรณ์ Michelson-Morley พื้นผิวที่ติดกระจกจะหดตัวตามทิศทางการเคลื่อนที่ผ่านอีเธอร์ ไม่ว่าอุปกรณ์จะหมุนไปทางใด ระยะห่างระหว่างกระจกจะลดลงเสมอ ประการที่สองหากวัตถุเคลื่อนที่ผ่านอีเธอร์ กระบวนการทางกายภาพใดๆ ภายในวัตถุจะเกิดขึ้นช้าลง ตัวอย่างเช่น สายกีตาร์จะสั่นช้าลงเมื่อกีตาร์เคลื่อนที่ผ่านอีเธอร์ การชะลอตัวลงของเวลานี้เรียกว่า “การยืดออกของเวลา” ทำให้นาฬิกาเดินช้าลง ด้วยสาเหตุทั้งสองประการนี้ ลอเรนซ์ชี้ให้เห็นว่าการทดลองของมิเชลสัน – มอร์ลีย์ จึงเกิดข้อผิดพลาดที่ทำให้ผลลัพธ์ได้ความเร็วแสงค่าเดียว
การทดลองของมิเชลสัน–มอร์ลี่ย์ นำไปสู่ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของไอน์สไตน์
ในปี 1905 เมื่ออัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein; 1879-1955) อายุเพียง 26 ปี เขาทำงานเป็นเสมียนตรวจสอบสิทธิบัตรในสำนักงานสิทธิบัตรในกรุงแบร์น เมืองหลวงของประเทศสวิสเซอร์แลนด์ เขาได้ตีพิมพ์บทความสั้นๆ ที่นำไปสู่บทสรุปอันลึกซึ้งในเรื่องธรรมชาติของแสงและความสัมพันธ์ของอวกาศ-เวลา (space-time) เขาเริ่มต้นด้วยการปฏิเสธทฤษฎีอีเธอร์และปฏิเสธแนวคิดที่ว่าอวกาศและเวลาเป็นสิ่งที่แน่นอน (absolute space-absolute time) อันเนื่องจากการมีอยู่ของอีเธอร์ ในทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของไอน์สไตน์ (Einstein’s theory of special relativity; 1905) ไม่มีกรอบอ้างอิงสมบูรณ์ (absolute reference frame) แต่จักรวาลมีมิติที่ขึ้นอยู่กับการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ของเรา
ในทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ ไอน์สไตน์เชื่อในผลการทดลองของมิเชลสัน–มอร์ลี่ย์ ที่ว่าไม่มีอีเธอร์ในจักรวาล และความเร็วของแสงไม่ได้รับผลกระทบจากการเคลื่อนที่ของโลก ไอน์สไตน์ยึดสิ่งนี้เป็นกฎสากล ถ้าความเร็วของแสงคงที่โดยไม่ขึ้นกับการเคลื่อนที่ของโลก เขาให้เหตุผลว่ามันจะต้องคงที่เสมอ ไม่ว่าการเคลื่อนที่ของดวงอาทิตย์ ดวงจันทร์ ดาวอื่นๆ หรือระบบอื่นๆ จะเคลื่อนที่ไปที่ใดในจักรวาล “แสงเดินทางออกจากแหล่งกำเนิดด้วยความเร็วคงที่เสมอ” คำกล่าวง่ายๆ นี้เป็นสาระสำคัญของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของไอน์สไตน์