ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษซึ่งตีพิมพ์ในปี 1905 โดยไอน์สไตน์และการสรุปทั่วไปที่สำคัญของสมมติฐานก่อนหน้านี้จำนวนหนึ่ง เป็นหนึ่งในทฤษฎีที่สะท้อนและอภิปรายกันมากที่สุดในวิชาฟิสิกส์
อันที่จริง เป็นเรื่องยากที่จะจินตนาการว่าเมื่อวัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วใกล้แสง กระบวนการทางกายภาพเริ่มดำเนินการในลักษณะที่ไม่ปกติโดยสิ้นเชิง: ความยาวลดลง มวลเพิ่มขึ้น และเวลาช้าลง ทันทีหลังจากการตีพิมพ์ ความพยายามที่จะทำให้เสื่อมเสียชื่อเสียงของทฤษฎี ซึ่งยังคงมีอยู่จนถึงทุกวันนี้ แม้ว่าเวลาจะผ่านไปกว่าร้อยปีแล้วก็ตาม ไม่น่าแปลกใจเลยเพราะคำถามที่ว่าเวลาไหนที่ทำให้มนุษยชาติกังวลและดึงดูดความสนใจของทุกคนมาเป็นเวลานาน
สัมพัทธภาพคืออะไร
สาระสำคัญของกลศาสตร์สัมพัทธภาพ (เป็นทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ ซึ่งต่อไปนี้จะเรียกว่า SRT) และความแตกต่างจากกลศาสตร์แบบคลาสสิกแสดงออกมาอย่างชัดเจนโดยการแปลชื่อโดยตรง: ภาษาละติน relativus หมายถึง "สัมพัทธ์" SRT คาดการณ์ถึงความหลีกเลี่ยงไม่ได้ของการขยายเวลาสำหรับวัตถุในขณะที่วัตถุเคลื่อนที่สัมพันธ์กับผู้สังเกต
ความแตกต่างของทฤษฎีนี้ ที่เสนอโดยอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ จากกลศาสตร์ของนิวตัน และอยู่ในความจริงที่ว่ากระบวนการต่อเนื่องทั้งหมดสามารถพิจารณาได้เฉพาะสัมพันธ์กันหรือกับผู้สังเกตการณ์ภายนอกบางคนเท่านั้น ก่อนที่จะอธิบายว่าการขยายเวลาเชิงสัมพันธ์คืออะไร จำเป็นต้องเจาะลึกคำถามเล็กน้อยเกี่ยวกับการก่อตัวของทฤษฎีและพิจารณาว่าเหตุใดการกำหนดสูตรจึงเป็นไปได้และถึงกับบังคับเลย
ต้นกำเนิดของสัมพัทธภาพ
ในช่วงปลายศตวรรษที่ 19 นักวิทยาศาสตร์ได้เข้าใจว่าข้อมูลการทดลองบางอย่างไม่เข้ากับภาพของโลกที่อิงจากกลไกแบบคลาสสิก
ความขัดแย้งพื้นฐานส่งผลให้เกิดความพยายามที่จะรวมกลศาสตร์ของนิวตันกับสมการของแมกซ์เวลล์ที่อธิบายการเคลื่อนที่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในสุญญากาศและสื่อต่อเนื่อง เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าแสงเป็นเพียงคลื่นดังกล่าว และควรพิจารณาให้อยู่ในกรอบของอิเล็กโทรไดนามิกส์ แต่การโต้แย้งด้วยภาพและที่สำคัญที่สุดคือกลไกการทดสอบเวลานั้นเป็นปัญหาอย่างมาก
อย่างไรก็ตาม ความขัดแย้งนั้นชัดเจน สมมุติว่าโคมถูกตรึงไว้หน้ารถไฟที่กำลังเคลื่อนที่ซึ่งส่องแสงไปข้างหน้า นิวตันกล่าวว่าความเร็วของรถไฟและแสงที่มาจากตะเกียงต้องเพิ่มขึ้น สมการของแมกซ์เวลล์ในสถานการณ์สมมตินี้ "พัง" จำเป็นต้องมีแนวทางใหม่ทั้งหมด
ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ
มันไม่ถูกต้องที่จะเชื่อว่าไอน์สไตน์เป็นผู้คิดค้นทฤษฎีสัมพัทธภาพ อันที่จริงเขาหันไปหางานและสมมติฐานของนักวิทยาศาสตร์ที่ทำงานมาก่อนเขา อย่างไรก็ตามผู้เขียนเข้าหาในทางกลับกัน แทนที่จะเป็นกลศาสตร์ของนิวตันกลับจำสมการของแมกซ์เวลล์ว่า "ถูกต้องตามลำดับความสำคัญ"
นอกเหนือจากหลักการสัมพัทธภาพที่มีชื่อเสียง (อันที่จริง กำหนดโดยกาลิเลโอภายในกรอบของกลศาสตร์แบบคลาสสิก) วิธีการนี้ทำให้ไอน์สไตน์มีข้อความที่น่าสนใจ: ความเร็วของแสงคงที่ในทุกเฟรมของ อ้างอิง. และนี่คือข้อสรุปที่ช่วยให้เราสามารถพูดคุยเกี่ยวกับความเป็นไปได้ของการเปลี่ยนมาตรฐานเวลาเมื่อวัตถุเคลื่อนที่
ความคงตัวของความเร็วแสง
ดูเหมือนประโยคที่ว่า "ความเร็วแสงคงที่" ก็ไม่น่าแปลกใจ แต่ลองจินตนาการว่าคุณกำลังยืนนิ่งและเห็นแสงเคลื่อนตัวออกห่างจากคุณด้วยความเร็วคงที่ คุณเดินตามลำแสง แต่มันยังคงเคลื่อนตัวออกห่างจากคุณด้วยความเร็วเท่ากันทุกประการ ยิ่งกว่านั้นการหันกลับและบินไปในทิศทางตรงกันข้ามจากลำแสงคุณจะไม่เปลี่ยนความเร็วของระยะทางจากกันและกัน แต่อย่างใด!
เป็นไปได้ยังไง? ที่นี่เริ่มต้นการสนทนาเกี่ยวกับผลสัมพัทธภาพของการขยายเวลา น่าสนใจ? จากนั้นอ่านต่อ!
ขยายเวลาสัมพัทธภาพตามไอน์สไตน์
เมื่อความเร็วของวัตถุเข้าใกล้ความเร็วแสง เวลาภายในของวัตถุจะถูกคำนวณให้ช้าลง หากเราคิดว่ามีคนเคลื่อนที่ขนานกับแสงตะวันด้วยความเร็วใกล้เคียงกัน เวลาสำหรับเขาจะหยุดวิ่งเลย มีสูตรสำหรับการขยายเวลาแบบสัมพัทธภาพซึ่งสะท้อนถึงความสัมพันธ์กับความเร็วของวัตถุ
อย่างไรก็ตาม เมื่อศึกษาปัญหานี้ ควรจำไว้ว่าไม่มีวัตถุที่มีมวลใดสามารถไปถึงความเร็วแสงในทางทฤษฎีได้
ความขัดแย้งที่เกี่ยวข้องกับทฤษฎี
ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษเป็นงานทางวิทยาศาสตร์และเข้าใจไม่ง่าย อย่างไรก็ตาม ความสนใจของสาธารณชนในคำถามที่ว่าเวลาใดเป็นประจำทำให้เกิดความคิดที่ว่าในระดับชีวิตประจำวันดูเหมือนจะเป็นความขัดแย้งที่ไม่สามารถแก้ไขได้ ตัวอย่างเช่น ตัวอย่างต่อไปนี้ทำให้คนส่วนใหญ่ที่รู้จัก SRT โดยไม่รู้เรื่องฟิสิกส์จนสับสน
มีเครื่องบิน 2 ลำ เครื่องบินลำหนึ่งบินตรง เครื่องบินลำที่สองบินขึ้น และเมื่ออธิบายส่วนโค้งด้วยความเร็วที่ใกล้เคียงกับความเร็วแสงแล้ว ก็ไล่ตามลำแรกไป คาดการณ์ได้ว่าเวลาของอุปกรณ์ที่สอง (ซึ่งบินด้วยความเร็วใกล้แสง) ผ่านไปช้ากว่าครั้งแรก อย่างไรก็ตาม ตามหลักการของ SRT กรอบอ้างอิงสำหรับเครื่องบินทั้งสองลำนั้นเท่ากัน ซึ่งหมายความว่าเวลาอาจผ่านไปช้ากว่าสำหรับทั้งเครื่องหนึ่งและอุปกรณ์อีกเครื่องหนึ่ง ดูเหมือนว่านี่เป็นทางตัน แต่…
แก้ไขความขัดแย้ง
อันที่จริงที่มาของความขัดแย้งประเภทนี้เป็นความเข้าใจผิดเกี่ยวกับกลไกของทฤษฎี ความขัดแย้งนี้สามารถแก้ไขได้โดยใช้การทดลองเก็งกำไรที่รู้จักกันดี
เรามีโรงเก็บของที่มีประตูสองบานเป็นทางลอดและเสายาวกว่าความยาวของโรงเล็กน้อยเล็กน้อย หากเรายืดเสาจากประตูหนึ่งไปอีกบ้านหนึ่ง พวกมันจะไม่สามารถปิดได้หรือพวกมันก็จะทำลายเสาของเรา ถ้าเสาบินเข้าไปในโรงนาจะมีความเร็วใกล้เคียงกับความเร็วแสงความยาวของมันจะลดลง (จำไว้ว่าวัตถุที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสงจะมีความยาวเป็นศูนย์) และในขณะที่มันอยู่ในโรงนาเราสามารถปิดและเปิด ประตูโดยไม่ทำลายอุปกรณ์ประกอบฉากของเรา
ในตัวอย่างกับเครื่องบิน ยุ้งฉางจะลดลงเมื่อเทียบกับเสา ความขัดแย้งเกิดขึ้นซ้ำแล้วซ้ำเล่า และดูเหมือนว่าไม่มีทางเป็นไปได้ - วัตถุทั้งสองจะลดความยาวลงพร้อมกัน อย่างไรก็ตาม จำไว้ว่าทุกอย่างสัมพันธ์กัน และแก้ปัญหาด้วยการเปลี่ยนเวลา
สัมพัทธภาพความพร้อมกัน
เมื่อขอบเสาหน้าอยู่ข้างใน หน้าประตูหน้า เราปิดเปิดได้ และในขณะที่เสาลอยเข้าโรงเก็บเต็ม เราก็จะทำแบบเดียวกันกับหลัง ประตู. ดูเหมือนว่าเราไม่ได้ทำพร้อมกันและการทดลองล้มเหลว แต่สิ่งสำคัญคือ: ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษช่วงเวลาปิดของประตูทั้งสองจะอยู่ที่จุดเดียวกันบน แกนเวลา
สิ่งนี้เกิดขึ้นเพราะเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นพร้อมกันในกรอบอ้างอิงหนึ่งจะไม่เกิดขึ้นพร้อมกันในอีกกรอบหนึ่ง การขยายเวลาเชิงสัมพัทธภาพแสดงให้เห็นในความสัมพันธ์ของวัตถุ และเรากลับมาสู่การทำให้ทฤษฎีของไอน์สไตน์เป็นลักษณะทั่วไปในทุกๆ วัน: ทุกอย่างมีความสัมพัทธ์
มีรายละเอียดเพิ่มเติมอีกประการหนึ่ง: ความเท่าเทียมกันของระบบอ้างอิงมีความเกี่ยวข้องใน SRT เมื่อวัตถุทั้งสองเคลื่อนที่อย่างสม่ำเสมอและเป็นเส้นตรง ทันทีที่วัตถุตัวใดตัวหนึ่งเริ่มเร่งหรือลดความเร็ว กรอบอ้างอิงของวัตถุนั้นจะมีเอกลักษณ์เฉพาะตัวเป็นไปได้
ทวินพาราด็อกซ์
ความขัดแย้งที่โด่งดังที่สุดที่อธิบายการขยายเวลาแบบสัมพัทธภาพ "ด้วยวิธีง่ายๆ" คือการทดลองทางความคิดกับพี่น้องฝาแฝดสองคน หนึ่งในนั้นบินหนีไปในยานอวกาศด้วยความเร็วใกล้เคียงกับความเร็วแสงในขณะที่อีกคนหนึ่งยังคงอยู่บนพื้น เมื่อกลับมา น้องชายของนักบินอวกาศพบว่าตัวเองอายุ 10 ปี และน้องชายของเขาซึ่งอยู่บ้านก็มีอายุมากถึง 20 ปีแล้ว
ผู้อ่านควรเข้าใจภาพรวมอยู่แล้วจากคำอธิบายก่อนหน้านี้ สำหรับน้องชายบนยานอวกาศ เวลาจะช้าลงเพราะความเร็วของเขาใกล้เคียงกับความเร็วแสง เราไม่สามารถยอมรับกรอบอ้างอิงที่สัมพันธ์กับพี่น้องบนพื้นดิน เพราะมันจะกลายเป็นไม่เฉื่อย (มีพี่ชายเพียงคนเดียวเท่านั้นที่ประสบปัญหาการโอเวอร์โหลด)
ฉันต้องการทราบอย่างอื่น: ไม่ว่าฝ่ายตรงข้ามจะไปถึงระดับใดในข้อพิพาท ความจริงยังคงอยู่: เวลาในค่าสัมบูรณ์ยังคงไม่เปลี่ยนแปลง ไม่ว่าพี่ชายจะบินบนยานอวกาศกี่ปี เขาจะมีอายุต่อไปในอัตราเดียวกับเวลาที่ผ่านไปในกรอบอ้างอิงของเขา และน้องชายคนที่สองจะมีอายุเท่ากันทุกประการ - ความแตกต่างจะถูกเปิดเผยก็ต่อเมื่อ พวกเขาพบกันและไม่ใช่ในกรณีอื่น
ขยายเวลาแรงโน้มถ่วง
โดยสรุป ควรสังเกตว่ามีการขยายเวลาประเภทที่สอง ซึ่งเกี่ยวข้องกับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปอยู่แล้ว
แม้แต่ในศตวรรษที่ 18 มิทเชลล์ทำนายการมีอยู่ของสีแดงการกระจัด ซึ่งหมายความว่าเมื่อวัตถุเคลื่อนที่ระหว่างพื้นที่ที่มีแรงโน้มถ่วงแรงและแรงน้อย เวลาที่วัตถุจะเปลี่ยนไป แม้จะพยายามศึกษาปัญหานี้โดย Laplace และ Zoldner มีเพียง Einstein เท่านั้นที่นำเสนองานเต็มเปี่ยมในหัวข้อนี้ในปี 1911
เอฟเฟกต์นี้น่าสนใจไม่น้อยไปกว่าการขยายเวลาแบบสัมพัทธภาพ แต่ต้องมีการศึกษาแยกต่างหาก และอย่างที่พวกเขาพูดนั้นเป็นเรื่องที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิง