กำเนิดและวิวัฒนาการของจักรวาล#12 ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ตอนที่ 1 Gravity

flatearth.ws

ส่วนหนึ่งของความเป็นอัจฉริยะของไอน์สไตน์คือ ความสามารถในการมองสิ่งต่างๆจากมุมมองใหม่ทั้งหมด และติดตามอย่างเป็นเหตุเป็นผล ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอสไตน์ (Einstein’s Theory of General Relativity; 1915) ได้ปฏิวัติความเข้าใจในเรื่องของความโน้มถ่วง (gravity) ทำให้นักวิทยาศาสตร์ได้ตระหนักถึงข้อผิดพลาดที่สำคัญในการอธิบาย gravity ของนิวตัน

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปนั้นมีความถูกต้องแม่นยำมากกว่า มีความซับซ้อนมากกว่า สามารถอธิบายปรากฏการณ์ที่ไม่สามารถอธิบายได้โดยใช้กฎของนิวตัน ยกตัวอย่างเช่น กฎความโน้มถ่วงสากลของนิวตัน ไม่สามารถใช้ได้กับวัตถุที่มีขนาดเล็กมากๆ เช่น อะตอม หรือ อิเล็กตรอน และไม่สามารถอธิบายวงโคจรของดาวพุธได้ ซึ่งไอน์สไตน์ได้ใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป อธิบายมุมที่วงโคจรของดาวพุธเบี่ยงออกไปได้อย่างถูกต้องและสมบูรณ์

ในศตวรรษที่ผ่านมาการทำนาย/คาดการณ์ของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ได้รับการตรวจสอบซ้ำแล้วซ้ำอีก จากการตรวจวัดความแม่นยำที่ทันสมัยของนักวิทยาศาสตร์ และได้ผ่านการพิสูจน์ว่า มีความถูกต้อง แม่นยำ

แต่ไม่ได้หมายความว่ากฏของแรงโน้มถ่วงของนิวตันผิดหรือไม่ควรนำมาใช้แล้ว มันยังสามารถใช้อธิบายสิ่งต่างๆในชีวิตประจำวันได้ โดยเฉพาะบนโลกเราที่ซึ่งมีความโน้มถ่วงต่ำ และใช้ได้เฉพาะกับความเร็วเล็กน้อย เช่น ความเร็วที่น้อยกว่าความเร็วแสงมากๆ

 

 

Imagine Dragons – Believer  

 

 

Albert Einstein

insidetheperimeter.ca

ไอน์สไตน์ใช้เวลา 11 ปีในการศึกษาเรื่องของความโน้มถ่วง และได้ประกาศทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (Theory of General Relativity) ในปี 1915 ซึ่งเขาได้อธิบายความโน้มถ่วงที่แตกต่างไปจากที่ ไอแซต นิวตันได้อธิบายในกฎความโน้มถ่วงสากล (Newton’s Law of Universal Gravitation) ไอน์สไตน์อธิบายว่าความโน้มถ่วงไม่ใช่แรงอย่างที่นิวตันเข้าใจแต่อย่างใด แต่มันคือ ความโค้งของอวกาศ-เวลา (space-time or spacetime)

 

 

Einstein’s  Equivalent Principle

ไอน์สไตน์ได้ขยายขอบเขตของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ (Theory of Special Relativity, 1905) ของเขาให้สามารถใช้อธิบายที่มาของความโน้มถ่วง (gravity) โดยการประกาศ หลักการความเท่าเทียม  “Einstein equivalent principle”  ซึ่งกลายเป็นรากฐานของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (Theory of General Relativity, 1915)

จาก Equivalent principle ไอน์สไตน์ระบุว่า “ความโน้มถ่วงและความเร่งเป็นปริมาณเดียวกัน/เท่ากัน ที่พิจารณาในคนละกรอบการเคลื่อนที่”

 

markushanke.net

astronomynotes.com

 

 

Conor Maynard – Turn Around ft. Ne-Yo

 

 

Einstein’s Elevator Experiment

ไอน์สไตน์ได้เสนอการทดลองที่เกี่ยวข้องกับลิฟต์สองตัว ตัวหนึ่งอยู่บนพื้นโลก อีกตัวหนึ่งกำลังเคลื่อนที่ขึ้นสู่อวกาศในบริเวณที่ห่างไกลจากดาวฤกษ์หรือดาวเคราะห์ ด้วยความเร่งเท่ากับ 1 g (9.8 m/s² ) (ผู้อ่านสามารถนึกภาพของจรวด แทนลิฟต์ของไอน์สไตน์ได้)

ถ้าลูกบอลหล่นในลิฟต์ที่ตั้งอยู่บนพื้นโลก มันจะหล่นลงสู่พื้นลิฟต์ด้วยความเร่งเนื่องจากความโน้มถ่วงของโลก (acceleration due to gravity) g = 9.8 m/s² 

ลูกบอลที่หล่นในลิฟต์ที่กำลังเคลื่อนที่สูงขึ้นไกลออกไปในอวกาศ จะตกลงสู่พื้นลิฟต์ด้วยความเร่ง (acceleration due to motion) a = 9.8 m/s² เช่นเดียวกัน

การทดลองในลิฟต์ทั้งสองได้ผลเหมือนกัน  “Acceleration due to gravity (g) = Acceleration due to motion (a)”

 

slideplayer.com

นอกจากนี้ไอน์สไตน์ยังได้เสนอการทดลองที่แสดงให้เห็นว่า

Free falling in earth = Floating in space

หากลิฟต์ตกลงสู่พื้นโลกอย่างอิสระ คนที่อยู่ภายในลิฟต์จะรู้สึกเหมือนอยู่ในสภาพไร้น้ำหนัก ราวกับว่าเขากำลังลอยตัวอยู่ในอวกาศ

หมายเหตุ: วัตถุที่ตกอย่างอิสระ (free falling) เป็นการเคลื่อนที่ในแนวดิ่งด้วยความเร่งเนื่องจากความโน้มถ่วงของโลก, g = 9.8 m/s²

ไอสไตน์สรุปว่า ผู้สังเกตการณ์ในห้องปิดที่ไม่มีหน้าต่าง เขาไม่มีทางทีจะบอกได้ว่า ห้องที่เขาอยู่นั้นกำลังตกลงสู่พื้นผิวโลกด้วยความเร่ง หรือกำลังลอยตัวอยู่ในห้วงอวกาศที่ไม่มีความโน้มถ่วง

หรือกล่าวอีกอย่างว่า ” ผู้สังเกตการณ์ในห้องปิดที่ไม่มีหน้าต่าง จะไม่สามารถแยกความแตกต่างระหว่างผลกระทบของ gravity กับ ผลกระทบของ acceleration ได้ ” หรือ ” มวลโน้มถ่วง (gravitational mass) กับ มวลเฉื่อย (inertial mass) มีค่าเท่ากันทุกประการ “

 

slideplayer.com 

 

slideplayer.com

หลักการความเท่าเทียม  “Einstein equivalent principle” บอกว่าความโน้มถ่วงและความเร่งเท่ากัน จากทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ ไอน์สไตน์ได้แสดงให้เห็นว่าการเคลื่อนที่มีผลต่ออวกาศและเวลา (space-time) ดังนั้นความโน้มถ่วงก็ควรส่งผลต่อ space-time ด้วย ทำให้ไอน์สไตน์เชื่อว่า gravity เป็นคุณสมบัติของ space-time ไม่ใช่เป็นคุณสมบัติของมวลอย่างที่นิวตันเข้าใจ หลักการนี้เป็นแนวทางให้ไอน์สไตน์โฟกัสไปที่การเคลื่อนที่มากกว่าแรง

ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ไอน์สไตน์ได้อธิบายความโน้มถ่วง คือ ความโค้งของ space-time ซึ่งความยาวหรือระยะทาง และเวลา ขึ้นกับการเคลื่อนที่อย่างยิ่งยวด

 

 

Nick Jonas – Chains

 

Einstein’s Theory of relativity ระบุว่า การยืดออกของเวลาหรือเวลาเดินช้าลง (Time Dilation) จะเกิดขึ้นภายใต้สถานะการณ์ 2 สถานะการณ์

(1) การยืดออกของเวลาเนื่องจากความเร็ว (Velocity Time Dilation)

Einstein’s theory of special relativity says “the faster you move and accelerate, the more time slows down” ยิ่งเราเคลื่อนที่ด้วยความเร็วมากขึ้น เวลาก็จะเดินช้าลงมากขึ้นเท่านั้น

ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษที่ไอน์สไตน์ประกาศในปี 1905 กล่าวว่า เวลาจะเดินช้าลงหรือเดินเร็วขึ้น ขึ้นอยู่กับความเร็ว เช่น ขึ้นกับว่า “คุณ” เคลื่อนไหวเร็วแค่ไหนเมื่อเทียบกับ “อย่างอื่น”

Hafele-Keating Experiment, 1971 เป็นการทดลองเพื่อทดสอบทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของไอน์สไตน์ Hafele และ Keating ได้นำนาฬิกาอะตอมไปวางบนเครื่องบินของสายการบินเชิงพาณิชย์ ที่ออกบินหนึ่งครั้งไปทางทิศตะวันออก และอีกครั้งหนึ่งไปทางทิศตะวันตก เพื่อเปรียบเทียบเวลาของนาฬิกาบนเครื่องบิน กับเวลาของนาฬิกาอะตอมที่อยู่บนพื้นโลก

หมายเหตุ: นาฬิกาอะตอม (atomic clock) เป็นนาฬิกาที่ได้รับการยอมรับจากนักวิทยาศาสตร์ทั่วโลก ว่าเป็นนาฬิกาที่บอกเวลาได้แม่นยำที่สุดในโลก วัตถุประสงค์ที่สร้างนาฬิกาอะตอมออกมา ก็เพื่อใช้จับเวลาในการทดลองที่ต้องการความแม่นยำแบบนาโนวินาที (10^-9 วินาที)

 

stillunfold.com

biglobe.ne.jp

ผลก็คือนาฬิกาอะตอมบนเครื่องบินเดินช้ากว่านาฬิกาอะตอมที่อยู่ที่พื้นโลก 300 นาโนวินาที ยืนยันปรากฏการณ์การยืดออกของเวลาอันเนื่องจากความเร็วของการเคลื่อนที่ (velocity time dilation) ตามที่ไอน์สไตน์กล่าวไว้ในทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ (Theory of special relativity)

 

sciencealert.com

อีกตัวอย่างของการทดลองเกี่ยวกับปรากฏการณ์ Time Dilation ที่เกี่ยวข้องกับความเร็ว ได้แก่ Nasa’s Twin Study ในโครงการ NASA’s Human Research Program 2017 ซึ่งใช้ ฝาแฝด Mark และ Scott Kelly ในการศึกษาว่าการเดินทางในอวกาศ ส่งผลอย่างไรต่อร่างกายของมนุษย์

Scott Kelly อยู่ในยานอวกาศที่โคจรรอบดาวเคราะห์ด้วยความเร็ว 28,200 กม. /ชม. นักวิทยาศาสตร์ขององค์การนาซ่าพบว่า Scott จะหนุ่มกว่า Mark ฝาแฝดของเขาที่อยู่บนโลก 0.005 วินาที นี่เป็นผลมาจาก การยืดออกของเวลา ทำให้เวลาเดินช้าลง ซึ่งอธิบายโดยทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของไอน์สไตน์

 

(2) การยืดออกของเวลาเนื่องจากความโน้มถ่วง (Gravitational Time Dilation)

slideplayer.com

ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ (Theory of special relativity, 1905) ของไอน์สไตน์นั้น ไม่มีเรื่องของความโน้มถ่วงหรือ gravity เข้ามาเกี่ยวข้อง

ไอน์สไตน์ได้สร้างทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (Theory of general relativity, 1915) เพื่อขยายขอบเขตให้ครอบคลุมเรื่องของ gravity และได้ทำนายการเกิดปรากฏการณ์การยืดออกของเวลาที่เกิดจากสนามความโน้มถ่วง หรือ Gravitational time dilation

Einstein’s theory of general relativity says ” time is slower in greater gravitational field ” เวลาจะเดินช้าลงในที่ๆมีสนามความโน้มถ่วงสูง

เมื่อเปรียบเทียบเวลาของนาฬิกาอะตอมที่ Royal Observatory ในเมือง Greenwich ประเทศอังกฤษ กับนาฬิกาอะตอมที่ National Bureau of Standards ในเมือง Boulder รัฐโคโลราโด สหรัฐอเมริกา ซึ่งที่นี้มีระดับความสูงที่สูงกว่า นั่นหมายถึง นาฬิกาที่ Boulder อยู่ในสนามความโน้มถ่วงที่น้อยกว่าที่ Greenwich

พบว่า นาฬิกาที่ Boulder เดินเร็วกว่าที่นาฬิกาที่ Greenwich อยู่ 5 ไมโครวินาที/ปี สิ่งนี้เป็นการยืนยันทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปว่ามีความถูกต้อง แม่นยำ โดยไอน์สไตน์ได้ทำนาย gravitational time dilation คาดเคลื่อนจากค่าที่วัดได้ไปเพียง 1 ไมโครวินาที/ปี

 

 

The Weekend – Secrets

 

 

Einstein’s Theory of General Relativity

slideplayer.com

จากแนวคิดที่ว่า อวกาศและเวลา มีความสัมพันธ์กัน ในทฤษฏีสัมพัทธภาพทั่วไป ไอน์สไตน์ได้รวมอวกาศซึ่งมี 3 มิติ (กว้างxยาวxลึก) เข้าด้วยกันกับมิติที่ 4 คือ เวลา ได้เป็นสิ่งที่เขาเรียกว่า อวกาศ-เวลา หรือ space-time และได้กล่าวว่า มวลสารทำให้ space-time รอบๆเกิดความโค้ง ซึ่งความโค้งนี้คือ ความโน้มถ่วง หรือ gravity

ซึ่งเขาได้อธิบาย gravity หรือ ความโค้งของ space-time ด้วยสมการทางคณิตศาสตร์ที่ซับซ้อนมาก

quora.com

 

Gravity Visualized

วีดิโอข้างบน เป็นการอธิบายการเกิดความโน้มถ่วงตามที่ไอน์สไตน์ได้อธิบายในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป โดยเมื่อเราวางวัตถุที่มีน้ำหนักตรงใจกลางของแผ่นยางยืดที่ขึงตึง แผ่นยางรอบๆตำแหน่งของวัตถุจะเกิดความโค้ง และในวีดิโอยังแสดงให้เห็นว่า ความโค้งนี้ทำให้วัตถุเล็กๆ (stars, planets) เคลื่อนที่ไปตามความโค้งของแผ่นยางอย่างไร

 

” Mass tells space-time how to CURVE “

dw.com

quora.com

ไอน์สไตน์กล่าวว่าอวกาศ-เวลา หรือ space-time ก็เหมือนเส้นใยผ้าที่ถักทอเป็นผืนผ้า (fabric) และ space-time fabric ก็สามารถโค้งงอโดยมวลสารขนาดใหญ่ (คน)

ในอวกาศที่ว่างเปล่า space-time fabric จะแบนราบเรียบ แต่ในบริเวณที่มีมวลสารขนาดใหญ่อยู่ space-time fabric จะเกิดการบิดเบี้ยวหรือโค้งงอ ซึ่งความโค้งนี้ก็คือ “ความโน้มถ่วง หรือ gravity” นั่นเอง

มวลสารขนาดใหญ่ จะทำให้เกิดความโค้งของ space-time หรือ มี gravity มาก และทำให้เวลาช้าลงตามไปด้วย

ส่วนมวลสารขนาดเล็กจะทำให้เกิดความโค้งของ space-time หรือ มี gravity ที่น้อยกว่า ดังนั้นเวลาจึงไหลเร็วขึ้นเมื่อเทียบกับวัตถุที่มีมวลมากกว่า

 

realclearscience.com

 

” Curvature of space-time tells mass how to MOVE “

sciencenews.org

people.physics.tamu.edu

วัตถุ เช่น ดาวเคราะห์ จะเคลื่อนที่ในอวกาศที่ว่างเปล่าเป็นเส้นตรง แต่เมื่อมันเดินทางผ่านบริเวณที่มีมวลสารขนาดใหญ่ เช่น ดวงอาทิตย์ ความโค้งของ space-time หรือ gravity บริเวณนั้น ส่งผลให้ดาวเคราะห์ เกิดการเคลื่อนที่ไปตามทางเดินโค้งรอบๆดวงอาทิตย์

 

 

OneRepublic – Feel Again

 

 

The Bending of Light

quora.com

ทฤษฏีสัมพัทธภาพทั่วไป (Theory of General Relativity) ของไอน์สไตน์  ระบุว่าแสงถูกดึงดูดโดยความโน้มถ่วง (gravity) เช่นกัน ตามปกติแสงเดินทางในอวกาศเป็นเส้นตรง (เส้นสีเขียว) แต่เมื่อมันเดินทางผ่านวัตถุในอวกาศ เช่น ดวงฤกษ์ (stars) หรือ ดาวเคราะห์ (planets) ความโค้งของ space-time หรือ gravity ในบริเวณนั้นส่งผลให้แสงเลี้ยวเบนไป (เส้นสีเหลือง) หรือเดินทางเป็นเส้นโค้ง ทำให้แสงใช้เวลาในการเดินทางจากจุด A ไป B มากขึ้น ตามระยะทางที่เพิ่มขึ้น

จากการอธิบายรูปข้างบน ฉะนั้นแสงเดินทางในอวกาศได้เร็วกว่าที่แสงเดินทางผ่านโลก เพราะในอวกาศไม่มี gravity ผลลัพธ์บนโลกคือ เวลาที่ปรากฏจะช้าลงเนื่องจากแสงต้องใช้เวลาในการเดินทางมากกว่า (เนื่องจากต้องเลี้ยวเบน)  เมื่อเทียบกับในอวกาศซึ่งแสงไม่ได้รับผลกระทบจาก gravity (เดินทางเป็นเส้นตรง)

 

 

• Facebook
• Twitter
• Line