A Brief History of Time, Universe
ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#9 บทที่ 2 อวกาศ-เวลา : กาลิเลโอ vs. อริสโตเติล การเคลื่อนที่
แนวคิดในปัจจุบันของเราเกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของวัตถุ ให้ย้อนกลับไปในสมัยกาลิเลโอและนิวตัน ก่อนหน้านี้ผู้คนเชื่ออริสโตเติลซึ่งกล่าวว่าวัตถุนั้นอยู่นิ่งตามธรรมชาติและจะเคลื่อนไหวก็ต่อเมื่อมีแรงกระทำกับมัน ตามตรรกะนั้น วัตถุที่หนักกว่าควรตกลงสู่พื้นโลกเร็วกว่าวัตถุที่เบากว่าเมื่อหล่นลงมา เพราะวัตถุหนักจะมีแรงดึงมากกว่าสู่พื้นโลก
คำสอนของอริสโตเติลยังกล่าวอีกว่า เราสามารถเข้าใจจักรวาลทั้งหมดได้เพียงแค่ใช้ตรรกะ ดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องมีการตรวจสอบ กาลิเลโอเป็นคนแรกที่สนใจที่จะตรวจสอบทฤษฎีเกี่ยวกับวัตถุที่มีน้ำหนักแตกต่างกันที่ตกลงมาด้วยความเร็วที่ต่างกัน ว่ากันว่ากาลิเลโอแสดงให้เห็นว่าความเชื่อของอริสโตเติลเป็นเท็จโดยทิ้งสิ่งของลงมาจากหอเอนเมืองปิซา แต่จริงๆแล้วเขากลิ้งลูกบอลที่มีน้ำหนักต่างกันลงจากเนินเขาและวัดความเร็ว สถานการณ์จะคล้ายกับของหนักที่ตกลงมาในแนวตั้ง ซึ่งสังเกตได้ง่ายกว่าเนื่องจากความเร็วต่ำกว่า จากการวัดแสดงให้เห็นว่าวัตถุแต่ละตัวมีความเร่งในอัตราเดียวกันไม่ว่าจะมีน้ำหนักเท่าใดก็ตาม ยกตัวอย่างเช่น ถ้าคุณปล่อยลูกบอลบนทางลาดที่ลดลงหนึ่งเมตรในทุกๆสิบเมตร ลูกบอลจะกลิ้งลงทางลาดด้วยความเร็วประมาณหนึ่งเมตรต่อวินาทีหลังจากผ่านไปหนึ่งวินาที สองเมตรต่อวินาทีหลังจากผ่านไปสองวินาที และต่อไปไม่ว่าลูกบอลจะหนักแค่ไหน แน่นอนว่าตะกั่วจะตกเร็วกว่าขนนก แต่การที่ขนนกตกช้ากว่าเพราะถูกชะลอตัวโดยแรงต้านของอากาศ หากการทิ้งสิ่งของให้ตกลงมาในที่มีความต้านทานอากาศน้อย เช่น การทิ้งตะกั่วสองชิ้นที่มีน้ำหนักแตกต่างกันให้ตกลงมา พวกมันจะตกลงมาด้วยอัตราเร็วเดียวกัน บนดวงจันทร์ซึ่งไม่มีอากาศที่จะทำให้สิ่งต่างๆ ตกช้าลง นักบินอวกาศ David R.Scott ได้ทดลองให้เห็นว่าขนนกและตะกั่วตกลงมากระแทกพื้นในเวลาเดียวกัน
Major Lazer – Cold Water (feat. Justin Bieber & MØ) (YouTube)
ฟิสิกส์ของอริสโตเติล
wired.com
ฟิสิกส์ของอริสโตเติล (384–322 ปีก่อนคริสตกาล) เป็นรูปแบบของวิทยาศาสตร์ธรรมชาติ แนวคิดหลักทางฟิสิกส์ของอริสโตเติล ได้แก่ การจัดโครงสร้างของจักรวาลให้เป็นทรงกลม โดยมีโลกเป็นศูนย์กลางของจักรวาล เขาได้แบ่งจักรวาลออกเป็นสองส่วน: ทรงกลมบกใต้ดวงจันทร์ลงมาคือโลก และทรงกลมท้องฟ้าเหนือดวงจันทร์ขึ้นไปคือสวรรค์
ทรงกลมบกคือโลกที่ประกอบด้วยธาตุทั้งสี่คือ ดิน อากาศ ไฟ และน้ำ ซึ่งมีการเปลี่ยนแปลงและเสื่อมสลาย และทรงกลมท้องฟ้าคือสวรรค์ สร้างจากองค์ประกอบที่ห้า “อีเธอร์” ซึ่งเป็นอากาศธาตุที่ไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้ นอกจากนี้เขายังกล่าวถึงธรรมชาติของการเคลื่อนไหว อริสโตเติลเชื่อว่าวัตถุจะเคลื่อนที่และในที่สุดก็จะกลับคืนสู่ตำแหน่งตามธรรมชาติขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของวัตถุนั้นๆ วัตถุที่ทำจากวัสดุที่คล้ายกับโลกจะกลับสู่พื้นดินหรือวัตถุที่คล้ายกับอากาศจะกลับคืนสู่อากาศ ตัวอย่างเช่น หินถูกสร้างขึ้นจากดิน เมื่อถูกโยนขึ้น มันจะตกลงสู่พื้นดิน น้ำก็เช่นกัน ส่วนควันไฟจะคล้ายกับอากาศ ดังนั้นแนวโน้มตามธรรมชาติของควันไฟคือการขึ้นไปบนท้องฟ้าสู่ชั้นบรรยากาศ
dorthonion.com
อริสโตเติลเชื่อว่ากฎที่ควบคุมการเคลื่อนที่ของสวรรค์เป็นกฎที่แตกต่างจากกฎที่ควบคุมการเคลื่อนที่บนโลก อริสโตเติลคิดว่าวัตถุบนสวรรค์ (ท้องฟ้า) โดยธรรมชาติของพวกมันจะเคลื่อนไหวเป็นวงกลมตลอดไปเพราะการกระทำของ Prime Mover ซึ่งใช้พลังอย่างต่อเนื่องกับทรงกลมด้านนอกที่ทำให้สวรรค์ทั้งหมดหมุน
infinityonline.valzorex.com
นอกจากนี้เขายังเชื่อด้วยว่าวัตถุจะเคลื่อนที่ได้ตราบเท่าที่มีการผลัก วัตถุบนโลกจะหยุดเคลื่อนไหวเมื่อพลังงานผลักหมดไป และความเร็วของการเคลื่อนที่ดังกล่าวขึ้นอยู่กับน้ำหนักและความหนาแน่นของตัวกลาง อริสโตเติลปฏิเสธการมีอยู่ของความว่างเปล่าหรือหรือสูญญากาศ
ทฤษฎีการเคลื่อนที่ของอริสโตเติล
อริสโตเติลได้พัฒนาทฤษฎีที่สำคัญมากมายซึ่งมีพื้นฐานมาจากฟิสิกส์สมัยใหม่ หนึ่งในทฤษฎีเหล่านี้คือทฤษฎีการเคลื่อนที่ของอริสโตเติล อริสโตเติลพยายามให้คำอธิบายว่าวัตถุในจักรวาลของเราเคลื่อนไหวอย่างไร แม้ว่าหลายทฤษฎีของเขาได้รับการพิสูจน์แล้วว่าไม่ถูกต้อง แต่ก็เป็นพื้นฐานสำหรับทฤษฎีในอนาคตซึ่งนำไปสู่ความเข้าใจเกี่ยวกับการเคลื่อนที่ในปัจจุบันในที่สุด
ทฤษฎีของอริสโตเติลเกิดขึ้นจากการสังเกตในชีวิตประจำวัน เขาเสนอการเคลื่อนไหว 2 แบบ คือ การเคลื่อนไหวตามธรรมชาติ และการเคลื่อนไหวที่ผิดธรรมชาติ
การเคลื่อนไหวตามธรรมชาติ
การเคลื่อนไหวใดๆ ที่วัตถุทำตามธรรมชาติโดยไม่ถูกบังคับ ถูกจัดประเภทให้เป็นการเคลื่อนไหวตามธรรมชาติ
ตัวอย่างของการเคลื่อนไหวตามธรรมชาติ ได้แก่ :
* หนังสือที่วางอยู่บนโต๊ะโดยธรรมชาติยังคงอยู่นิ่ง หากเราปล่อยหนังสือเล่มนั้น มันจะตกลงสู่พื้นโลกโดยธรรมชาติ
* ควันลอยขึ้นตามธรรมชาติ
* ดวงอาทิตย์ขึ้นทางทิศตะวันออกตามธรรมชาติ ข้ามท้องฟ้าแล้วตกทางทิศตะวันตก
การเคลื่อนไหวที่ผิดธรรมชาติ
อริสโตเติลจัดประเภทการเคลื่อนไหวที่ต้องใช้กำลัง เป็นการเคลื่อนไหวบังคับหรือผิดธรรมชาติ ตัวอย่างของการเคลื่อนไหวที่ผิดธรรมชาติ ได้แก่ :
* ผลักหนังสือไปตามโต๊ะ
* การยกหนังสือ
อริสโตเติลกล่าวว่าเมื่อเราหยุดผลักวัตถุ มันก็หยุดเคลื่อนไหว เรารู้ว่านี่เป็นเท็จ เรารู้ว่ารถของเล่นที่เคลื่อนที่แล้วหยุดนิ่ง สาเหตุที่แท้จริงคือมีแรงเสียดทานที่ล้อรถสัมผัสกับพื้น เป็นแรงเสียดทานที่ต่อต้านการเคลื่อนไหวและนำไปสู่การหยุดนิ่งในที่สุด ดังนั้นเมื่อเราใช้แรงในการทำให้รถของเล่นเคลื่อนที่ เราต้องออกแรงผลักให้ชนะแรงเสียดทานเพื่อทำให้รถเคลื่อนที่อีกครั้ง
มุมมองของอริสโตเติลในการเคลื่อนที่แบบโปรเจกไทล์
สำหรับวัตถุบนโลก อริสโตเติลเชื่อว่าการเคลื่อนที่ทั้งหมดบนโลกต้องเป็น “เส้นตรง” แนวคิดของอริสโตเติลได้รับการยอมรับว่ามาหลายร้อยปี ความคิดของเขาดูเหมือนจะเป็นเรื่องธรรมดา ตัวอย่างเช่น ก้อนหินที่หลุดจากมือที่ยื่นออกไปจะตกลงมาเป็นเส้นตรง
แล้วจะเกิดอะไรขึ้นถ้าปืนใหญ่ยิงกระสุนปืนออกไป? อริสโตเติลคิดว่าลูกกระสูนจะเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงในแนวนอน (เนื่องจากแรงผิดธรรมชาติ) เมื่อแรงผิดธรรมชาติหมดลง ลูกปืนใหญ่ก็ตกลงสู่พื้นโลกเป็นเส้นตรงตามธรรมชาติ แสดงดังภาพเคลื่อนไหวข้างล่าง
kaiserscience.wordpress.com
อย่างไรก็ตาม มุมมองของอริสโตเติลนั้นไม่ถูกต้องเลย ใครก็ตามที่ดูนักธนูยิงธนูขึ้นไปในอากาศและสังเกตอย่างถี่ถ้วน จะเห็นว่าการเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงตามที่อริสโตเติลคิดไม่ได้เกิดขึ้น
เส้นทางโค้งของการเคลื่อนที่ของลูกศรแสดงในภาพประกอบด้านล่าง เมื่อเรายิงธนูขึ้นไปในอากาศจะเกิดอะไรขึ้น? การเคลื่อนที่ขึ้นในแนวตั้งจะเป็นเส้นโค้งและลดความเร็วลงอย่างช้าๆ ถึงศูนย์ (ที่จุดสูงสุด) จากนั้นเพิ่มความเร็วในทิศทางลง เส้นทางโค้งนี้เป็นสิ่งที่ขัดแย้งกับความเชื่อของอริสโตเติลที่ว่าการเคลื่อนที่ทั้งหมดบนโลกต้องเป็นเส้นตรง
nanoscienz.blogspot.com
ทฤษฎีการเคลื่อนที่ของอริสโตเติลได้มาจากสิ่งที่เขาสังเกตได้ เขาไม่เคยทำการทดลองเลย จึงมีความผิดพลาด
Ed Sheeran – Give Me Love (YouTube)
กาลิเลโอ vs. อริสโตเติล การตกอย่างอิสระของวัตถุ
อริสโตเติลเป็นคนแรกที่คิดเกี่ยวกับความเร็วที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ จากกฎฟิสิกส์ของอริสโตเติล เขาเสนอว่าความเร็วที่วัตถุที่มีรูปร่างเหมือนกันสองชิ้นจมลงหรือตกลงมานั้นแปรผันตรงกับน้ำหนักของพวกมัน ดูเหมือนว่ามีเหตุผลที่หินหนักควรจะตกลงมาเร็วกว่าบล็อกไม้ที่เบากว่ามาก นอกจากนี้เขายังเสนอว่าความเร็วของวัตถุยังแปรผกผันกับความหนาแน่นของตัวกลางที่พวกมันเคลื่อนที่ อย่างไรก็ตามมีปัญหาเกี่ยวกับความคิดของอริสโตเติล จากการสังเกตอย่างละเอียดถี่ถ้วนของอริสโตเติลในหลายสิ่งหลายอย่าง เขาไม่ได้ทำการทดลองเพื่อตรวจสอบกฎเหล่านี้อย่างจริงจัง
อริสโตเติล (384 – 322 ก่อนคริสตศักราช) เชื่อว่าของหนักตกลงมาเร็วกว่าของเบา ดังนั้นของหนักจะกระแทกพื้นก่อน แต่กาลิเลโอ (1564-1634) เชื่อว่าความเร็วของวัตถุที่ตกลงมานั้นไม่ขึ้นอยู่กับน้ำหนักของมัน และวัตถุทั้งสองที่มีน้ำหนักต่างกันจะกระทบพื้นในเวลาเดียวกัน
ภาพเคลื่อนไหวแสดงมุมมองของอริสโตเติล
ค้อนและขนนกหล่นบนดวงจันทร์
ในปี 1971 นักบินอวกาศ เดวิด สก็อตต์ (David R.Scott) ได้ทำการทดลองค้อน/ขนนกหล่นบนดวงจันทร์ระหว่างภารกิจ Apollo 15 เพื่อแสดงให้เห็นถึงทฤษฎีของกาลิเลโอที่ว่าวัตถุไม่ว่าจะมีมวลแตกต่างกันจะตกลงสู่พื้นด้วยความเร็วที่เท่ากัน อย่างไรก็ตามความต้านทานที่เกิดจากอากาศสามารถทำให้ขนนกตกลงสู่พื้นช้าลง บนดวงจันทร์ไม่มีชั้นบรรยากาศ ดังนั้นวัตถุควรตกลงด้วยความเร็วเท่ากัน ดูด้วยตัวคุณเองว่าการทดสอบเป็นอย่างไรในวิดีโอด้านล่าง
Feather & Hammer Drop on Moon (YouTube)
นี่คือวิดีโอหนึ่งที่หักล้างการกล่าวหาของนักทฤษฎีสมคบคิดที่โจมตี NASA ว่าการไปลงดวงจันทร์เป็นเรื่องหลอกลวง
Why Don’t We – Fallin’ (YouTube)
การทดลองวัดความเร็วของกาลิเลโอ
การวัดความเร็วของวัตถุที่มีน้ำหนักต่างกันที่ตกลงมายังโลกของกาลิเลโอ แสดงให้เห็นว่าไม่เพียงแต่กระทบพื้นในเวลาเดียวกันเท่านั้น แต่พวกมันตกลงมาด้วยความเร่งอย่างสม่ำเสมอ
ข้อสังเกตที่น่าทึ่งที่ว่าวัตถุที่ตกลงมาอย่างอิสระทั้งหมดตกลงมาด้วยความเร่งคงที่ กาลิเลโอเป็นผู้เสนอครั้งแรกเมื่อเกือบ 400 ปีที่แล้ว (กาลิเลโอยังไม่มีความรู้เรื่องแรงโน้มถ่วงของโลก) อย่างไรก็ตามมีปัญหาหนึ่งในการทดสอบสมมติฐานนี้ กาลิเลโอไม่สามารถสังเกตการเคลื่อนที่ที่ตกลงมาอย่างอิสระของวัตถุ เนื่องจากในเวลานั้นยังไม่มีเทคโนโลยีที่สามารถบันทึกความเร็วสูงของวัตถุที่ตกลงมาอย่างอิสระได้ ในการชะลอความเร็วของการเคลื่อนที่ของวัตถุ กาลิเลโอจึงทำการทดลองด้วยการกลิ้งลูกบอลที่แตกต่างกันไปตามทางลาดจากความสูงต่างๆ เพื่อตรวจสอบความสัมพันธ์ระหว่างเวลาและระยะทางที่เดินทาง
กาลิเลโอตั้งสมมติฐานว่า “ความเร็วของวัตถุที่ตกลงมาจะเพิ่มขึ้นในอัตราคงที่หรือมีความเร่งคงที่”
นี้คือสิ่งที่กาลิเลโอทำ เขากลิ้งลูกบอลลงทางลาด
Rhett Allain
สังเกตว่ามีการทำเครื่องหมายบนทางลาดในระยะห่างทุกๆ 20 เซนติเมตร นั่นจะช่วยให้เราดูว่าลูกบอลกลิ้งด้วยความเร็วคงที่จริงๆ หรือว่ามันเพิ่มความเร็วขึ้น (ในกรณีนี้ค่อนข้างง่ายที่จะมองเห็นด้วยสายของตามนุษย์) ถ้าลูกบอลเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่จะใช้เวลาเท่ากันในการเดินทางระยะที่เท่ากัน มาดูกัน
Rhett Allain
ตัวเลขสีเหลืองคือเวลาที่ลูกบอลใช้ในการเคลื่อนที่ในระยะทาง 20 เซนติเมตรในแต่ละช่วง เห็นได้ชัดว่าลูกบอลไม่ได้เคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ เวลาในแต่ละช่วงจะสั้นลงเรื่อยๆ ซึ่งบ่งบอกถึงความเร็วที่เพิ่มขึ้น
หลังจากการทดลองหลายครั้งกาลิเลโอพบว่า หากวัตถุถูกปล่อยลงมา (การตกอิสระหรือเมื่อกลิ้งลงระนาบเอียง) มันจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่เพิ่มขึ้นอย่างสม่ำเสมอ (วัตถุมีความเร่งคงที่) กาลิเลโอพบว่าระยะทางที่ลูกบอลเคลื่อนที่ไปตามทางลาดนั้นเป๋นสัดส่วนโดยตรงกับกำลังสองของเวลาที่ผ่านไป Distance α Time2 ความสัมพันธ์นี้เหมือนเดิมโดยไม่คำนึงถึงมวลของลูกบอลที่ใช้ในการทดลอง