ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอสไตน์

กำเนิดและวิวัฒนาการของจักรวาล#23 แหล่งกำเนิดและประเภทของคลื่นความโน้มถ่วง

Posted: 17/10/2020 at 15:13 / Origin and Evolution of The Universe, Universe

คลื่นความโน้มถ่วง (Gravitational Waves) คลื่นความโน้มถ่วง (Gravitational waves) คือ ระลอกคลื่นในอวกาศ-เวลา (ripples in space-time) ซึ่งเกิดจากเหตุการณ์ที่รุนแรงในจักรวาล เช่น การรวมตัวของหลุมดำไบนารีหรือดาวนิวตรอนไบนารี คลื่นความโน้มถ่วงเป็นคำทำนายที่สำคัญของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (Theory of general relativity) ที่อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) เสนอในปี 1915 ไอน์สไตน์ทำนายว่ามีบางสิ่งพิเศษเกิดขึ้นจากการเคลื่อนที่ด้วยความเร่งของวัตถุมวลมาก 2 มวล เช่น หลุมดำหรือดาวนิวตรอน ที่โคจรรอบกันและกันมารวมตัวกัน เขาเชื่อว่าเหตุการณ์แบบนี้อาจทำให้เกิดแรงกระเพื่อมในอวกาศ-เวลา ระลอกคลื่นเหล่านี้ซึ่งเดินทางด้วยความเร็วแสงจะกระจายออกไปเหมือนระลอกคลื่นในสระน้ำเมื่อก้อนหินถูกโยนลงไป เพื่อตรวจสอบความถูกต้องของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป นักวิทยาศาสตร์สันนิษฐานว่า มีคลื่นความโน้มถ่วงขนาดเล็กจำนวนมากเดินทางผ่านทั่วจักรวาลตลอดเวลา แม้นว่าแหล่งที่มาของคลื่นความโน้มถ่วงที่ใหญ่ที่สุด เช่น การชนกันของหลุมดำแบบหายนะ จะทำให้เกิดคลื่นความโน้มถ่วงที่ทรงพลังมหาศาล แต่เนื่องจากคลื่นนี้จะมีขนาดเล็กและอ่อนตัวลงไปตามเวลา เมื่อเดินทางมาถึงโลกพวกมันจะมีขนาดเล็กกว่านิวเคลียสของอะตอมหลายพันเท่า เล็กกว่านิวเคลียสของอะตอม เป็นเวลาหลายสิบปีที่ความสามารถในการวัดขนาดเล็กเช่นนี้เป็นไปไม่ได้ หอดูดาว LIGO (npr.org) มีความพยายามมากมายในการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง ในอดีตนักวิทยาศาสตร์ตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงด้วยวิธีทางอ้อมจากพัลซาร์ (pulsar) ซึ่งเป็นดาวนิวตรอนประเภทหนึ่งที่หมุนรอบตัวเองด้วยความเร็วสูงมากและมีสนามแม่เหล็กที่ทรงพลัง จนกระทั่งในปี 2015 มีการตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงโดยตรงบนโลกได้เป็นครั้งแรก […]

No Comments read more

กำเนิดและวิวัฒนาการของจักรวาล#17 ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ตอนที่ 6 Gravitational Waves (2)

Posted: 11/09/2020 at 23:32 / Origin and Evolution of The Universe, Universe

เมื่อ 100 ปีที่ผ่านมา ไอน์สไตน์ได้ทำนายการมีอยู่ของคลื่นความโน้มถ่วง (gravitational waves) ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (Theory of general relativity, 1915) คลื่นเหล่านี้เกิดจากการเคลื่อนที่ด้วยความเร่งของวัตถุมวลมาก 2 มวลที่โคจรรอบกันและกัน เช่น หลุมดำหรือดาวนิวตรอน มารวมตัวกัน เมื่อปี 1993 นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ Russell Hulse และ Joseph Taylor ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์สำหรับการค้นพบหลักฐานทางอ้อมที่สนับสนุนการมีอยู่ของคลื่นความโน้มถ่วง การหมุนรอบตัวเองของพัลซาร์ (pulsars) ทำให้เราที่อยู่บนโลกสามารถสังเกตุเห็นลำแสงของคลื่นวิทยุที่ถูกปลดปล่อยออกมาจากพัลซาร์เป็นช่วงจังหวะสม่ำเสมอ ด้วยเหตุนี้พัลซาร์จึงได้ชื่อว่าเป็นนาฬิกาในธรรมชาติที่ดีที่สุดของจักรวาล นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ทั้งสองใช้กล้องโทรทรรศน์วิทยุเฝ้าติดตามการปล่อยคลื่นวิทยุหรือ “radio plus” ของพัลซาร์ในระบบดาวคู่ Hulse-Taylor Binary พวกเขาพบว่าคาบการโคจร (orbital period) ที่ดาวทั้งสองโคจรรอบกันและกันลดลงตลอดเวลา แสดงถึงการเกิด “orbital decay” การค่อยๆลดลงของระยะห่างระหว่างดาวทั้งสอง เนื่องจากการสูญเสียพลังงานในรูปของคลื่นความโน้มถ่วงที่ถูกปลดปล่อยออกมา อัตราการสูญเสียพลังงานตรงกันกับที่ไอน์สไตน์ให้ไว้ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ตั้งแต่นั้นมานักวิทยาศาสตร์หลายคนได้ศึกษาการปลดปล่อยคลื่นวิทยุของพัลซาร์ในระบบดาวคู่นิวตรอนอื่นๆ และพบผลลัพธ์ที่คล้ายกัน ถึงแม้นว่า Binary pulsars จะยืนยันการมีอยู่ของคลื่นความโน้มถ่วง แต่มันเป็นวิธีการตรวจจับโดยทางอ้อม ซึ่งได้กระตุ้นให้เกิดการการค้นหาเพิ่มเติมโดยนักวิทยาศาสตร์หลายๆกลุ่มทั่วโลกตั้งแต่นั้นมา […]

No Comments read more

กำเนิดและวิวัฒนาการของจักรวาล#16 ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ตอนที่ 5 Gravitational Waves (1)

Posted: 11/09/2020 at 22:47 / Origin and Evolution of The Universe, Universe

คำทำนายสุดท้ายและสำคัญที่สุดในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ (Einstein’s Theory of General Relativity, 1915) คือการมีอยู่ของคลื่นความโน้มถ่วง”Gravitational waves” เมื่อ 100 ปีก่อน และเพิ่งได้รับการยืนยันการมีอยู่จริงของคลื่นนี้จากการตรวจจับโดยตรงเมื่อปี 2015 นักวิทยาศาสตร์ตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงเป็นครั้งแรกโดย LIGO (Laser Interferometer Gravitational Observatory) คลื่นความโน้มถ่วงแรกที่ตรวจจับได้นี้เกิดขึ้นจากการที่หลุมดำสองอันเคลื่อนที่มาชนและรวมตัวกัน การปะทะกันเกิดขึ้นเมื่อ 1.3 พันล้านปีก่อน แต่ระลอกคลื่นพึ่งเดินทางมาถึงโลกในปี 2015! คลื่นความโน้มถ่วงเป็น ‘ระลอกคลื่น’ ในอวกาศ-เวลา (ripples in space-time) ที่มีกระบวนการกำเนิดที่รุนแรงในจักรวาล ไอน์สไตน์ทำนายการมีอยู่ของคลื่นความโน้มถ่วงในปี 1915 ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของเขา สมการคณิตศาสตร์ของไอน์สไตน์แสดงให้เห็นว่ามีสิ่งพิเศษเกิดขึ้นในจักรวาล เมื่อวัตถุมวลมากสองอัน เช่น ดาวนิวตรอนหรือหลุมดำที่โคจรรอบกันและกัน เคลื่อนที่เข้าหากันด้วยความเร่ง จนถึงความเร็วสูงสุดในเสี้ยววินาทีสุดท้ายของการมาชนและรวมตัวกัน มวลมหาศาลบางส่วนของพวกมันได้แปรเปลี่ยนไปเป็นพลังงานความโน้มถ่วง (ตามกฎการอนุรักษ์พลังงานและสมการของไอน์สไตน์ E = mc2) และเดินทางออกจากแหล่งกำเนิดแบบแผ่ขยายออกไปทุกทิศทุกทาง ปรากฏการณ์นี้ไปรบกวน fabric ของอวกาศ-เวลา เกิดการกระเพื่อมเป็นระลอกคลื่นของอวกาศ-เวลา เหมือนกับระลอกคลื่นในสระน้ำที่เกิดขึ้นเมื่อมีการโยนหินลงไป เรียกคลื่นที่เกิดขึ้นนี้ว่า คลื่นความโน้มถ่วง […]

No Comments read more

กำเนิดและวิวัฒนาการของจักรวาล#15 ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ตอนที่ 4 Precession of Mercury

Posted: 11/09/2020 at 21:43 / Origin and Evolution of The Universe, Universe

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (Theory of general relativity, 1915) เป็นทฤษฎีความโน้มถ่วงของไอน์สไตน์ซึ่งสามารถอธิบายปรากฏการณ์ต่างๆในจักรวาลได้กว้างกว่า ดีกว่า และมีความแม่นยำกว่ากฎความโน้มถ่วงของนิวตัน แต่ในบริเวณที่ความโน้มถ่วงน้อยๆ หรือกับสิ่งที่มีความเร็วน้อยๆ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปให้การทำนายเหมือนกับกฎความโน้มถ่วงของนิวตัน ปัญหาหนึ่งที่กฎความโน้มถ่วงของนิวตันไม่สามารถอธิบายได้นั่นคือ การส่ายที่ผิดปกติของวงโคจรรอบดวงอาทิตย์ของดาวพุธ (Anomalous precession of Mercury) ซึ่งเป็นปริศนาลึกลับในโลกฟิสิกส์มานานนับสองร้อยปี และในที่สุดในปี 1915 ไอน์สไตน์ได้ประกาศในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปว่า เขาสามารถอธิบายการส่ายที่ผิดปกติของดาวพุธได้ และไอน์สไตน์แสดงให้เห็นว่ากฎความโน้มถ่วงของนิวตันล้มเหลวในการอธิบายปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในบริเวณที่มีมวลขนาดใหญ่ เช่น ดวงอาทิตย์ อย่างในกรณีนี้ Nick Jonas, Robin Schulz – Right Now จากกฎฟิสิกส์ของนิวตัน “Newtonian Physics” วงโคจรของดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์เป็นรูปวงรี และจุดในวงโคจรของดาวเคราะห์ที่อยู่ใกล้ดวงอาทิตย์มากที่สุดเรียก “perihelion” ส่วนจุดที่อยู่ไกลจากดวงอาทิตย์ที่สุดเรียก “aphelion” thegreatcoursesplus.com นิวตันยังได้อธิบายถึงสาเหตุที่วงโคจรของดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์เป็นรูปวงรีและความเร็วในการโคจรไม่คงที่ว่า เป็นผลมาจากการ balance ระหว่างความโน้มถ่วง (gravity) และความเฉื่อย (inertia) และวงโคจรทำซ้ำตัวเองทุกครั้งที่ดาวเคราะห์โคจรรอบดวงอาทิตย์ ส่งผลให้จุด […]

No Comments read more

กำเนิดและวิวัฒนาการของจักรวาล#14 ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ตอนที่ 3 Gravitational Redshift

Posted: 11/09/2020 at 21:02 / Origin and Evolution of The Universe, Universe

quora.com แสงคือ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic waves) แสงที่ตามองเห็นได้ (visible light) เป็นส่วนหนึ่งของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า อยูในช่วงคลื่น 400 – 700 นาโนเมตร แสงแต่ละสีมีความยาวคลื่นแตกต่างกัน สำหรับแสงที่ตามองเห็นได้นั้น แสงสีม่วงมีความยาวคลื่นสั้นที่สุด(ความถี่คลื่นสูงสุด) แสงสีแดงมีความยาวคลื่นมากที่สุด (ความถี่คลื่นต่ำสุด) slideplayer.com ปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ (Doppler Effect) เป็นปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์ที่เกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงความยาวคลื่น เนื่องจากความสัมพันธ์ระหว่างทิศทางการเคลื่อนที่ของแหล่งกำเนิดคลื่นกับผู้สังเกตการณ์ ปรากฏการณ์ที่วัตถุเคลื่อนที่เข้าหาผู้สังเกตุการณ์แล้วความยาวคลื่นสั้นลงหรือความถี่สูงขึ้นว่า “การเลื่อนไปทางน้ำเงิน (blueshift)” และเรียกปรากฏการณ์ที่วัตถุเคลื่อนที่ออกจากผู้สังเกตุการณ์ แล้วความยาวคลื่นจะยาวขึ้นหรือความถี่ต่ำลงว่า “การเลื่อนไปทางแดง (redshift)” นักดาราศาสตร์ทราบว่าจักรวาลมีการขยายตัวอยู่ตลอดเวลา จากการสังเกตุเห็นการเลื่อนทางแดงของกาแล็กซี่ (red-shifting) กฎความโน้มถ่วงของไอน์สไตน์ (Einstein’s law of gravitation) ไม่มีอะไรเกี่ยวข้องกับแรง มันอธิบายพฤติกรรมของวัตถุในแง่การเคลื่อนที่ในสนามโน้มถ่วง เช่น การโคจรของดาวเคราะห์รอบดาวฤกษ์ ตามทฤษฏีสัมพัทธภาพทั่วไป (Theory of general relativity, 1915) ไอน์สไตน์สรุปว่าแสงเหมือนกับวัตถุอื่น ๆ เคลื่อนที่เป็นเส้นโค้งในบริเวณที่มีสนามความโน้มถ่วงของวัตถุมวลมาก “Bending […]

No Comments read more

กำเนิดและวิวัฒนาการของจักรวาล#13 ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ตอนที่ 2 Gravitational Lensing

Posted: 11/09/2020 at 00:06 / Origin and Evolution of The Universe, Universe

การเบี่ยงเบนของแสง (The Bending of Light) theguardian.com จากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ (Theory of General Relativity, 1915) โดยปกติแล้วแสงเดินทางเป็นเส้นตรงในอวกาศที่ว่างเปล่า แต่เมื่อเดินทางผ่านวัตถุขนาดใหญ่ในอวกาศ ความโค้งของ space-time หรือ gravity ในบริเวณนั้น ส่งผลให้แสงเบี่ยงเบนหรือเดินทางเป็นเส้นโค้ง ไอน์สไตน์ได้ตระหนักดีว่า วิธีเดียวที่จะพิสูจน์ทฤษฎีของเขาในเรื่อง การเบี่ยงเบนของแสงอันเนื่องจากอิทธิพลของสนามความโน้มถ่วงรอบวัตถุที่มีมวลมาก คือต้องทำในช่วงเวลาที่มีสุริยุปราคา (solar eclipse) ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่ดวงจันทร์ได้เคลื่อนเข้ามาบดบังแสงอาทิตย์ทำให้โลกมืดมิดในตอนกลางวัน ซึ่งจะทำให้คนบนโลกสามารถถ่ายภาพดาวฤกษ์ (stars) ที่อยู่ใกล้ดวงอาทิตย์ได้ ภาพ Albert Einstein และ Arthur Eddington (sciencephoto.com) การตรวจสอบที่พิสูจน์ว่าการคาดการณ์ของไอน์สไตน์นั้นถูกต้อง ครั้งแรกเกิดขึ้น 4 ปีหลังจากที่ไอน์สไตน์ประกาศทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป โดย Arthur Eddington นักดาราศาสตร์ชาวอังกฤษ ใช้โอกาสเหมาะของปรากฏการณ์สุริยุปราคาที่เกิดขึ้นในวันที่ 29 พฤษภาคม 1919 ทำการตรวจสอบความถูกต้องของทฤษฎีนี้ สมมติว่ามีดาวฤกษ์ดวงหนึ่งอยู่ห่างจากโลกหลายพันปีแสง การเกิดสุริยุปราคาทำให้เราสามารถเห็นดาวฤกษ์ดวงนั้นในช่วงเวลากลางวัน ตามปกติแสงจากดาวฤกษ์เดินทางเป็นเส้นตรงในอวกาศ แต่เมื่อแสงผ่านเข้าใกล้ขอบของดวงอาทิตย์ […]

No Comments read more

กำเนิดและวิวัฒนาการของจักรวาล#12 ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ตอนที่ 1 Gravity

Posted: 10/09/2020 at 23:19 / Origin and Evolution of The Universe, Universe

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 […]

No Comments read more