แนวคิดพื้นฐานของทฤษฎีสัมพัทธภาพของเอ. ไอน์สไตน์

นักฟิสิกส์นักปฏิวัติคนนี้ใช้จินตนาการของเขามากกว่าคณิตศาสตร์ที่ซับซ้อนเพื่อสร้างสมการที่มีชื่อเสียงและสง่างามที่สุดของเขา ไอน์สไตน์มีชื่อเสียงจากการทำนายปรากฏการณ์แปลกแต่จริง เช่น นักบินอวกาศในอวกาศมีอายุช้ากว่าคนบนโลก และรูปร่างของวัตถุแข็งที่เปลี่ยนแปลงด้วยความเร็วสูง

แต่สิ่งที่น่าสนใจก็คือ ถ้าคุณหยิบสำเนารายงานเกี่ยวกับสัมพัทธภาพต้นฉบับของไอน์สไตน์ในปี 1905 ขึ้นมา มันก็ค่อนข้างง่ายที่จะถอดรหัส ข้อความเรียบง่ายและชัดเจน และสมการส่วนใหญ่เป็นพีชคณิต - นักเรียนมัธยมปลายทุกคนสามารถเข้าใจได้

เนื่องจากคณิตศาสตร์ที่ซับซ้อนไม่เคยเป็นจุดแข็งของไอน์สไตน์ เขาชอบที่จะคิดด้วยภาพ ทำการทดลองในจินตนาการของเขา และคิดผ่านมันจนกว่าความคิดและหลักการทางกายภาพจะชัดเจน

นี่คือจุดที่การทดลองทางความคิดของไอน์สไตน์เริ่มต้นขึ้นเมื่อเขาอายุเพียง 16 ปี และในที่สุดการทดลองเหล่านี้ก็ได้นำเขาไปสู่สมการที่ปฏิวัติวงการที่สุดในฟิสิกส์สมัยใหม่ได้อย่างไร

เมื่อถึงจุดนี้ในชีวิตของไอน์สไตน์ การดูถูกเหยียดหยามรากเหง้าชาวเยอรมันของเขาอย่างไม่ปกปิดและวิธีการสอนแบบเผด็จการของเยอรมนีได้เข้ามาถึงจุดจบแล้ว และเขาถูกไล่ออกจากโรงเรียนมัธยมปลาย ดังนั้นเขาจึงย้ายไปซูริกด้วยความหวังว่าจะได้เข้าเรียนที่สถาบันสหพันธรัฐสวิส ของเทคโนโลยี (ETH)

แต่ก่อนอื่น ไอน์สไตน์ตัดสินใจใช้เวลาหนึ่งปีในการเตรียมตัวที่โรงเรียนแห่งหนึ่งในเมืองอาเราที่อยู่ใกล้เคียง เมื่อมาถึงจุดนี้ ในไม่ช้าเขาก็พบว่าตัวเองกำลังสงสัยว่าการวิ่งไปข้างลำแสงจะเป็นอย่างไร

ไอน์สไตน์ได้เรียนรู้ในชั้นเรียนฟิสิกส์แล้วว่าลำแสงคืออะไร: ชุดของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่สั่นไหวซึ่งเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 300,000 กิโลเมตรต่อวินาที ซึ่งเป็นความเร็วแสงที่วัดได้ หากเขาวิ่งไปใกล้ ๆ ด้วยความเร็วเท่ากัน ไอน์สไตน์ก็ตระหนักว่าเขาสามารถมองเห็นสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่สั่นไหวมากมายอยู่ข้างๆ เขา ราวกับถูกแช่แข็งในอวกาศ

แต่นี่เป็นไปไม่ได้ ประการแรก สนามนิ่งอาจละเมิดสมการของแมกซ์เวลล์ ซึ่งเป็นกฎทางคณิตศาสตร์ที่เป็นรากฐานของทุกสิ่งที่นักฟิสิกส์รู้เกี่ยวกับไฟฟ้า แม่เหล็ก และแสง กฎหมายเหล่านี้ (และยังคง) ค่อนข้างเข้มงวด: คลื่นใดๆ ในสนามเหล่านี้จะต้องเดินทางด้วยความเร็วแสงและไม่สามารถหยุดนิ่งได้ ไม่มีข้อยกเว้น

ที่แย่กว่านั้นคือสนามที่อยู่นิ่งไม่สอดคล้องกับหลักการสัมพัทธภาพซึ่งนักฟิสิกส์รู้จักมาตั้งแต่สมัยของกาลิเลโอและนิวตันในศตวรรษที่ 17 โดยพื้นฐานแล้ว หลักการสัมพัทธภาพกล่าวว่ากฎของฟิสิกส์ไม่สามารถขึ้นอยู่กับความเร็วที่คุณเคลื่อนที่ได้ คุณสามารถวัดได้เฉพาะความเร็วของวัตถุหนึ่งเทียบกับอีกวัตถุหนึ่งเท่านั้น

แต่เมื่อไอน์สไตน์ใช้หลักการนี้กับการทดลองทางความคิดของเขา เกิดความขัดแย้งขึ้น ทฤษฎีสัมพัทธภาพกำหนดว่าทุกสิ่งที่เขามองเห็นได้เมื่อเคลื่อนที่ใกล้ลำแสง รวมถึงสนามที่อยู่นิ่ง จะต้องเป็นสิ่งธรรมดาที่นักฟิสิกส์สามารถสร้างขึ้นได้ในห้องปฏิบัติการ แต่ไม่มีใครเคยสังเกตเห็นสิ่งนี้

ปัญหานี้จะหลอกหลอนไอน์สไตน์ไปอีก 10 ปีในขณะที่เขาศึกษาและทำงานที่ ETH และย้ายไปที่กรุงเบิร์น เมืองหลวงของสวิส ซึ่งเขาจะกลายเป็นผู้ตรวจสอบที่สำนักงานสิทธิบัตรของสวิส ที่นั่นเขาจะแก้ไขความขัดแย้งครั้งนี้และตลอดไป

2447: การวัดแสงจากรถไฟที่กำลังเคลื่อนที่

มันไม่ง่ายเลย ไอน์สไตน์พยายามทุกวิถีทางที่เขาคิดออก แต่ก็ไม่ได้ผล เกือบจะสิ้นหวัง เขาเริ่มคิดถึงวิธีแก้ปัญหาที่เรียบง่ายแต่รุนแรง เขาคิดว่าสมการของแมกซ์เวลล์อาจใช้ได้กับทุกสิ่ง แต่ความเร็วแสงคงที่เสมอ

กล่าวอีกนัยหนึ่ง เมื่อคุณเห็นลำแสงบินผ่านไป ไม่สำคัญว่าแหล่งกำเนิดของแสงจะเคลื่อนเข้าหาคุณ ห่างจากคุณ ออกไปจากคุณ หรือที่ใดก็ตาม และไม่สำคัญว่าแหล่งกำเนิดของแสงจะเร็วแค่ไหน การย้าย ความเร็วแสงที่คุณวัดได้จะอยู่ที่ 300,000 กิโลเมตรต่อวินาทีเสมอ เหนือสิ่งอื่นใด นี่หมายความว่าไอน์สไตน์จะไม่มีวันเห็นสนามการสั่นไหวที่อยู่นิ่ง เพราะเขาจะไม่สามารถจับลำแสงได้

นี่เป็นวิธีเดียวที่ไอน์สไตน์เห็นที่จะประนีประนอมสมการของแมกซ์เวลล์กับหลักการสัมพัทธภาพ อย่างไรก็ตาม เมื่อมองแวบแรก โซลูชันนี้มีข้อบกพร่องร้ายแรงในตัวเอง ต่อมาเขาอธิบายเรื่องนี้ด้วยการทดลองทางความคิดอีกอย่างหนึ่ง: ลองจินตนาการถึงลำแสงที่ถูกยิงไปตามคันดินทางรถไฟในขณะที่รถไฟแล่นผ่านไปในทิศทางเดียวกันที่ความเร็ว 3,000 กิโลเมตรต่อวินาที

คนที่ยืนอยู่ใกล้คันดินจะต้องวัดความเร็วของลำแสงและได้เลขมาตรฐาน 300,000 กิโลเมตรต่อวินาที แต่คนบนรถไฟจะเห็นแสงเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 297,000 กิโลเมตรต่อวินาที หากความเร็วแสงไม่คงที่ สมการของแมกซ์เวลล์ภายในแคร่ก็น่าจะแตกต่างออกไป ไอน์สไตน์สรุป และจากนั้นหลักสัมพัทธภาพก็จะถูกละเมิด

ความขัดแย้งที่เห็นได้ชัดนี้ทำให้ไอน์สไตน์ต้องหยุดชะงักเป็นเวลาเกือบหนึ่งปี แต่แล้วในเช้าวันดีวันหนึ่งของเดือนพฤษภาคม ปี 1905 เขาเดินไปทำงานกับมิเชล เบสโซ เพื่อนสนิทของเขา ซึ่งเป็นวิศวกรที่เขารู้จักตั้งแต่ยังเป็นนักเรียนอยู่ที่เมืองซูริก ชายทั้งสองพูดคุยเกี่ยวกับภาวะที่กลืนไม่เข้าคายไม่ออกของไอน์สไตน์เหมือนเช่นเคย และทันใดนั้น ไอน์สไตน์ก็มองเห็นวิธีแก้ปัญหา เขาทำงานนี้ทั้งคืน และเมื่อพวกเขาพบกันในเช้าวันรุ่งขึ้น ไอน์สไตน์พูดกับเบสโซว่า “ขอบคุณนะ” ฉันแก้ไขปัญหาได้อย่างสมบูรณ์แล้ว”

พฤษภาคม 1905: สายฟ้าฟาดใส่รถไฟที่กำลังเคลื่อนที่

การเปิดเผยของไอน์สไตน์คือผู้สังเกตการณ์ในการเคลื่อนที่สัมพัทธ์รับรู้เวลาแตกต่างกัน: ค่อนข้างเป็นไปได้ที่เหตุการณ์สองเหตุการณ์จะเกิดขึ้นพร้อมๆ กันจากมุมมองของผู้สังเกตการณ์คนหนึ่ง แต่ในเวลาต่างกันจากมุมมองของอีกคนหนึ่ง และผู้สังเกตการณ์ทั้งสองจะพูดถูก

ในเวลาต่อมา ไอน์สไตน์ได้อธิบายประเด็นของเขาด้วยการทดลองทางความคิดอีกครั้งหนึ่ง ลองนึกภาพว่าผู้สังเกตการณ์ยืนอยู่ข้างทางรถไฟอีกครั้งและมีรถไฟวิ่งผ่านเขาไป ในขณะที่จุดศูนย์กลางของรถไฟผ่านผู้สังเกต สายฟ้าฟาดลงมาที่ปลายแต่ละด้านของรถไฟ เนื่องจากสายฟ้าฟาดลงที่ระยะห่างเท่ากันจากผู้สังเกต แสงของพวกมันจึงเข้าตาของเขาในเวลาเดียวกัน มันคงจะยุติธรรมที่จะบอกว่าสายฟ้าฟาดพร้อมกัน

ขณะเดียวกันก็มีผู้สังเกตการณ์อีกคนนั่งอยู่ตรงกลางรถไฟพอดี จากมุมมองของเขา แสงจากสายฟ้าฟาดสองครั้งเดินทางในระยะทางเท่ากันและความเร็วแสงจะเท่ากันในทุกทิศทาง แต่เนื่องจากรถไฟกำลังเคลื่อนที่ แสงที่มาจากสายฟ้าด้านหลังจึงต้องเดินทางไกลมากขึ้น จึงมาถึงผู้สังเกตช้ากว่าแสงจากจุดเริ่มต้นเล็กน้อย เนื่องจากพัลส์แสงมาถึงในเวลาที่ต่างกัน เราสามารถสรุปได้ว่าสายฟ้าฟาดไม่ได้เกิดขึ้นพร้อมๆ กัน - สายฟ้าฟาดเกิดขึ้นเร็วกว่า

ไอน์สไตน์ตระหนักดีว่าความพร้อมกันนี้มีความสัมพันธ์กันอย่างแม่นยำ และเมื่อคุณยอมรับสิ่งนี้ ผลแปลกๆ ที่เราเชื่อมโยงกับทฤษฎีสัมพัทธภาพ ได้รับการแก้ไขโดยใช้พีชคณิตง่ายๆ

ไอน์สไตน์จดบันทึกความคิดของเขาอย่างกระตือรือร้นและส่งผลงานของเขาเพื่อตีพิมพ์ ชื่อผลงานคือ "On the Electrodynamics of Moving Bodies" และสะท้อนถึงความพยายามของไอน์สไตน์ในการเชื่อมโยงสมการของแมกซ์เวลล์กับหลักการสัมพัทธภาพ เบสโซได้รับการขอบคุณเป็นพิเศษ

กันยายน 2448: มวลและพลังงาน

อย่างไรก็ตาม งานแรกนี้ไม่ใช่งานสุดท้าย ไอน์สไตน์หมกมุ่นอยู่กับทฤษฎีสัมพัทธภาพจนกระทั่งถึงฤดูร้อนปี 1905 และในเดือนกันยายน เขาได้ส่งรายงานฉบับที่สองเพื่อตีพิมพ์ คราวนี้เป็นการย้อนหลัง

มันขึ้นอยู่กับการทดลองทางความคิดอื่น ลองจินตนาการถึงวัตถุที่อยู่นิ่ง เขากล่าว ตอนนี้ลองจินตนาการว่ามันปล่อยแสงสองจังหวะที่เหมือนกันในทิศทางตรงกันข้ามพร้อมกัน วัตถุจะยังคงอยู่ในสถานที่ แต่เนื่องจากแต่ละชีพจรนำพลังงานออกไปจำนวนหนึ่ง พลังงานที่อยู่ในวัตถุก็จะลดลง

ไอน์สไตน์เขียนว่า กระบวนการนี้จะเป็นอย่างไรสำหรับผู้สังเกตการณ์ที่กำลังเคลื่อนไหว? จากมุมมองของเขา วัตถุจะเคลื่อนที่ต่อไปเป็นเส้นตรงในขณะที่พัลส์ทั้งสองลอยออกไป แต่แม้ว่าความเร็วของพัลส์ทั้งสองจะยังคงเท่าเดิม - ความเร็วแสง - พลังงานของพวกมันก็จะแตกต่างกัน แรงกระตุ้นที่เคลื่อนที่ไปข้างหน้าในทิศทางการเดินทางจะมีพลังงานสูงกว่าแรงกระตุ้นที่เคลื่อนที่ในทิศทางตรงกันข้าม

เพิ่มพีชคณิตเล็กน้อย ไอน์สไตน์แสดงให้เห็นว่าเพื่อให้สิ่งนี้สอดคล้องกัน วัตถุจะต้องไม่เพียงสูญเสียพลังงานเมื่อส่งพัลส์แสงออกไปเท่านั้น แต่ยังรวมถึงมวลด้วย หรือมวลและพลังงานควรจะใช้แทนกันได้ ไอน์สไตน์เขียนสมการที่เชื่อมโยงพวกมันไว้ และกลายเป็นสมการที่มีชื่อเสียงที่สุดในประวัติศาสตร์วิทยาศาสตร์: E = mc 2

ไข่มุกแห่งความคิดทางวิทยาศาสตร์อย่างหนึ่งในมงกุฏแห่งความรู้ของมนุษย์ที่เราก้าวเข้าสู่ศตวรรษที่ 21 คือทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (ต่อไปนี้จะเรียกว่า GTR) ทฤษฎีนี้ได้รับการยืนยันจากการทดลองนับไม่ถ้วน ผมจะพูดมากกว่านี้ ไม่มีการทดลองใดที่การสังเกตของเราจะแตกต่างไปจากการคาดการณ์ของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปแม้แต่น้อย แน่นอนว่าภายในขอบเขตของการบังคับใช้

วันนี้ผมอยากจะบอกคุณว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปนี้คือสัตว์ชนิดใด เหตุใดจึงยากและทำไม ในความเป็นจริงเธอง่ายมาก ดังที่คุณเข้าใจแล้วคำอธิบายจะไป บนนิ้วของคุณ™ดังนั้น ฉันขอให้คุณอย่าตัดสินอย่างรุนแรงเกินไปสำหรับการตีความที่เสรีมากและไม่ใช่สัญลักษณ์เปรียบเทียบที่ถูกต้องทั้งหมด ฉันอยากให้ทุกคนอ่านคำอธิบายนี้ ด้านมนุษยธรรมเมื่อไม่มีความรู้เรื่องแคลคูลัสเชิงอนุพันธ์และการอินทิเกรตพื้นผิว ก็สามารถเข้าใจพื้นฐานของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปได้ ท้ายที่สุดแล้ว ในอดีต นี่เป็นหนึ่งในทฤษฎีทางวิทยาศาสตร์ยุคแรกๆ ที่เริ่มถอยห่างจากประสบการณ์ปกติของมนุษย์ในชีวิตประจำวัน ด้วยกลศาสตร์ของนิวตัน ทุกอย่างง่ายดาย สามนิ้วก็เพียงพอที่จะอธิบายได้ นี่คือแรง นี่คือมวล นี่คือความเร่ง นี่คือแอปเปิ้ลที่ตกลงบนหัวของคุณ (ทุกคนเห็นว่าแอปเปิ้ลตกลงมาอย่างไร) นี่คือความเร่งของการตกอย่างอิสระของมัน นี่คือแรงที่กระทำต่อมัน

ด้วยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ไม่ใช่ทุกสิ่งจะง่ายนัก - ความโค้งของอวกาศ การขยายเวลาโน้มถ่วง หลุมดำ - ทั้งหมดนี้น่าจะทำให้เกิด (และทำให้เกิด) ความสงสัยที่คลุมเครือมากมายในบุคคลที่ไม่ได้เตรียมตัว - คุณกำลังยุ่งกับหูของฉันเพื่อนเหรอ? ความโค้งของอวกาศคืออะไร? ใครเห็นความบิดเบือนเหล่านี้ มาจากไหน จะจินตนาการถึงเรื่องเช่นนี้ได้อย่างไร

ลองคิดดูสิ

ดังที่สามารถเข้าใจได้จากชื่อของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป สาระสำคัญของมันคือสิ่งนั้น โดยทั่วไปแล้วทุกสิ่งในโลกมีความสัมพันธ์กันโจ๊ก. ไม่ได้จริงๆแม้ว่า

ความเร็วแสงคือปริมาณที่สัมพันธ์กับสิ่งอื่นๆ ในโลก กรอบอ้างอิงใดๆ จะเท่ากัน ไม่ว่าพวกมันจะเคลื่อนที่ไปที่ใด ไม่ว่าพวกมันจะทำอะไร แม้แต่หมุนอยู่กับที่ แม้กระทั่งเคลื่อนที่ด้วยความเร่ง (ซึ่งเป็นการโจมตีอย่างรุนแรงต่อนิวตันและกาลิเลโอ ซึ่งคิดว่ามีเพียงเฟรมที่เคลื่อนที่สม่ำเสมอและเป็นเส้นตรงเท่านั้น การอ้างอิงสามารถสัมพันธ์และเท่ากันได้ และถึงแม้จะอยู่ในกรอบของกลศาสตร์เบื้องต้นเท่านั้น) - เหมือนกันหมด คุณสามารถหาได้เสมอ เคล็ดลับอันชาญฉลาด(ในทางวิทยาศาสตร์เรียกว่า การเปลี่ยนแปลงพิกัด) ด้วยความช่วยเหลือซึ่งจะทำให้สามารถย้ายจากกรอบอ้างอิงหนึ่งไปยังอีกกรอบหนึ่งได้อย่างไม่ลำบากในทางปฏิบัติโดยไม่สูญเสียสิ่งใดไประหว่างทาง

สมมุติฐานช่วยให้ไอน์สไตน์บรรลุข้อสรุปดังกล่าว (ฉันขอเตือนคุณ - ข้อความเชิงตรรกะที่ใช้กับศรัทธาโดยไม่มีข้อพิสูจน์เนื่องจากความชัดเจน) "เรื่องความเท่าเทียมกันของแรงโน้มถ่วงและความเร่ง"- (โปรดทราบ มีการปรับสูตรให้ง่ายขึ้นอย่างมากในที่นี้ แต่โดยทั่วไปแล้ว ทุกอย่างถูกต้อง ความเท่าเทียมกันของผลกระทบของการเคลื่อนที่ด้วยความเร่งสม่ำเสมอและแรงโน้มถ่วงเป็นหัวใจสำคัญของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป)

พิสูจน์สมมุติฐานนี้หรืออย่างน้อยก็ทางจิตใจ ลิ้มรสมันค่อนข้างง่าย ยินดีต้อนรับสู่ลิฟต์ไอน์สไตน์

แนวคิดของการทดลองทางความคิดนี้คือ หากคุณถูกขังอยู่ในลิฟต์โดยไม่มีหน้าต่างและประตู ไม่มีทางที่จะรู้ได้เลยว่าคุณอยู่ในสถานการณ์ใด ลิฟต์ยังคงยืนเหมือนเดิม ยืนอยู่ที่ระดับชั้นล่างและคุณ (และเนื้อหาอื่น ๆ ทั้งหมดของลิฟต์) เป็นแรงดึงดูดตามปกติเช่น แรงโน้มถ่วงของโลกหรือโลกทั้งใบถูกกำจัดออกจากใต้เท้าของคุณและลิฟต์ก็เริ่มสูงขึ้นด้วยความเร่งเท่ากับความเร่งของการตกอย่างอิสระ ก=9.8 เมตร/วินาที 2

ไม่ว่าคุณจะทำอะไร ไม่ว่าคุณจะทำการทดลองอะไร ไม่ว่าคุณจะทำการวัดวัตถุและปรากฏการณ์โดยรอบก็ตาม มันเป็นไปไม่ได้ที่จะแยกแยะระหว่างสองสถานการณ์นี้ และในกรณีแรกและกรณีที่สอง กระบวนการทั้งหมดในลิฟต์จะ เกิดขึ้นเหมือนกันทุกประการ

ผู้อ่านที่มีเครื่องหมายดอกจัน (*) อาจรู้วิธีที่ยุ่งยากวิธีหนึ่งจากความยากลำบากนี้ พลังน้ำขึ้นน้ำลง หากลิฟต์มีขนาดใหญ่มาก (มาก มาก) โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 300 กิโลเมตร ในทางทฤษฎีก็เป็นไปได้ที่จะแยกแรงโน้มถ่วงออกจากความเร่งโดยการวัดแรงโน้มถ่วง (หรือขนาดของความเร่ง เรายังไม่รู้ว่าแรงโน้มถ่วงคืออะไร) ที่จุดต่าง ๆ ปลายลิฟต์ ลิฟต์ขนาดใหญ่ดังกล่าวจะถูกบีบอัดเล็กน้อยโดยแรงน้ำขึ้นน้ำลงในส่วนตัดขวางและยืดออกไปเล็กน้อยในระนาบตามยาว แต่สิ่งเหล่านี้เป็นกลอุบายอยู่แล้ว หากลิฟต์มีขนาดเล็กพอ คุณจะไม่สามารถตรวจจับแรงน้ำขึ้นน้ำลงได้ ดังนั้นอย่าพูดถึงเรื่องน่าเศร้าเลย

โดยรวมแล้วในลิฟต์ที่ค่อนข้างเล็กเราสามารถสรุปได้ แรงโน้มถ่วงและความเร่งเป็นสิ่งเดียวกัน- ดูเหมือนว่าความคิดนั้นชัดเจนและไม่สำคัญด้วยซ้ำ มีอะไรใหม่หรือซับซ้อนที่นี่ แม้แต่เด็ก ๆ ก็ควรเข้าใจ! ใช่ โดยหลักการแล้วไม่มีอะไรซับซ้อน ไอน์สไตน์ไม่ได้เป็นผู้คิดค้นสิ่งนี้

ไอน์สไตน์ตัดสินใจค้นหาว่าลำแสงจะมีพฤติกรรมอย่างไรในลิฟต์ดังกล่าว แต่ความคิดนี้มีผลกระทบในวงกว้างมาก ซึ่งไม่มีใครคิดอย่างจริงจังจนกระทั่งปี 1907 พูดตามตรง หลายๆ คนคิดเกี่ยวกับเรื่องนี้ แต่มีเพียงคนเดียวเท่านั้นที่ตัดสินใจมีส่วนร่วมอย่างลึกซึ้ง

ลองจินตนาการว่าเราฉายไฟฉายไปที่ไอน์สไตน์ในลิฟต์จิตของเรา ลำแสงพุ่งออกมาจากผนังด้านหนึ่งของลิฟต์ จากจุด 0) และบินขนานกับพื้นไปทางผนังด้านตรงข้าม ในขณะที่ลิฟต์หยุดนิ่ง ก็สมเหตุสมผลที่จะถือว่าลำแสงจะชนผนังด้านตรงข้ามตรงข้ามกับจุดเริ่มต้น 0) เช่น จะถึงจุดที่ 1) แสงเดินทางเป็นเส้นตรง ทุกคนไปโรงเรียน ทุกคนเรียนรู้สิ่งนี้ที่โรงเรียน และ Albertik ในวัยเยาว์ก็เช่นกัน

เดาง่าย ๆ ว่าถ้าลิฟต์ขึ้นไปแล้วช่วงที่ลำแสงบินข้ามห้องโดยสารก็จะมีเวลาในการขยับขึ้นเล็กน้อย
และถ้าลิฟต์เคลื่อนที่ด้วยความเร่งสม่ำเสมอลำแสงก็จะชนผนังจุดที่ 2) นั่นก็คือ เมื่อมองจากด้านข้างดูเหมือนว่าแสงจะเคลื่อนตัวราวกับอยู่ในพาราโบลา

ก็ชัดเจนว่า ในความเป็นจริงไม่มีพาราโบลา ลำแสงพุ่งตรงไปและยังคงทำอยู่ เพียงแต่ในขณะที่มันบินเป็นเส้นตรง ลิฟต์ก็สามารถขึ้นไปได้นิดหน่อย เราก็อยู่นี่แล้ว ดูเหมือนว่าว่าลำแสงเคลื่อนที่เป็นรูปพาราโบลา

แน่นอนว่าทุกอย่างเกินจริงและเกินจริง การทดลองทางความคิด ทำไมแสงของเราจึงบินได้ช้า และลิฟต์ไปเร็ว ยังคงไม่มีอะไรเจ๋งเป็นพิเศษที่นี่เด็กนักเรียนทุกคนควรเข้าใจทั้งหมดนี้ด้วย คุณสามารถทำการทดลองที่คล้ายกันที่บ้านได้ คุณเพียงแค่ต้องค้นหา "ลำแสงที่ช้ามาก" และลิฟต์ที่ดีและรวดเร็ว

แต่ไอน์สไตน์เป็นอัจฉริยะจริงๆ ทุกวันนี้ หลายๆ คนดุเขา เหมือนว่าเขาไม่มีใครและไม่มีอะไรเลย เขานั่งอยู่ในสำนักงานสิทธิบัตร ทอผ้าแผนการสมรู้ร่วมคิดของชาวยิว และขโมยความคิดมาจาก นักฟิสิกส์ตัวจริง- คนที่พูดแบบนี้ส่วนใหญ่ไม่เข้าใจเลยแม้แต่น้อยว่าไอน์สไตน์คือใคร และเขาทำอะไรเพื่อวิทยาศาสตร์และมนุษยชาติ

ไอน์สไตน์กล่าวว่า - เนื่องจาก “แรงโน้มถ่วงและความเร่งนั้นเท่ากัน” (ฉันขอย้ำอีกครั้ง เขาไม่ได้พูดอย่างนั้นจริงๆ ฉันจงใจพูดเกินจริงและทำให้ง่ายขึ้น) นั่นหมายความว่าเมื่อมีสนามโน้มถ่วง (เช่น ใกล้ ดาวเคราะห์โลก) แสงจะไม่บินเป็นเส้นตรง แต่บินไปตามเส้นโค้ง แรงโน้มถ่วงจะทำให้ลำแสงโค้งงอ

ซึ่งในตัวมันเองถือเป็นความบาปโดยสมบูรณ์ในเวลานั้น ชาวนาทุกคนควรรู้ว่าโฟตอนเป็นอนุภาคไม่มีมวล ซึ่งหมายความว่าแสง "ไม่ได้ชั่งน้ำหนัก" สิ่งใดเลย ดังนั้นแสงไม่ควรสนใจแรงโน้มถ่วง แต่โลกไม่ควร "ดึงดูด" เนื่องจากหิน ลูกบอล และภูเขาถูกดึงดูด หากใครจำสูตรของนิวตันได้ แรงโน้มถ่วงจะแปรผกผันกับกำลังสองของระยะห่างระหว่างวัตถุและเป็นสัดส่วนโดยตรงกับมวลของวัตถุเหล่านั้น ถ้ารังสีแสงไม่มีมวล (และแสงไม่มีเลยจริงๆ) ก็ไม่ควรมีสิ่งดึงดูด! ที่นี่ผู้ร่วมสมัยเริ่มมองด้วยความสงสัยที่ไอน์สไตน์ด้วยความสงสัย

และเขาผู้ติดเชื้อก็ไปไกลกว่านั้นอีก เขาบอกว่าเราจะไม่หักหัวชาวนา เรามาเชื่อกันว่าชาวกรีกโบราณ (สวัสดีชาวกรีกโบราณ!) ปล่อยให้แสงส่องเป็นเส้นตรงเหมือนเมื่อก่อนอย่างเคร่งครัด สมมติว่าพื้นที่รอบโลก (และวัตถุใดๆ ที่มีมวล) โค้งงอจะดีกว่า และไม่ใช่แค่อวกาศสามมิติ แต่เป็นอวกาศ-เวลาสี่มิติด้วย

เหล่านั้น. แสงนั้นบินเป็นเส้นตรงและยังคงเป็นเช่นนั้น ตอนนี้มีเพียงเส้นตรงนี้เท่านั้นที่ไม่ได้วาดบนเครื่องบิน แต่วางอยู่บนผ้าเช็ดตัวที่ยับยู่ยี่ และในแบบ 3 มิติด้วย และการมีอยู่อย่างใกล้ชิดของมวลที่ทำให้ผ้าเช็ดตัวนี้ยับยู่ยี่ ถ้าจะพูดให้เจาะจงก็คือ การมีอยู่ของโมเมนตัมพลังงาน ถ้าให้พูดให้แม่นยำยิ่งขึ้น

ทั้งหมดสำหรับเขา - “ Albertik คุณกำลังขับรถหยุดฝิ่นโดยเร็วที่สุด! เพราะ LSD ยังไม่ได้ถูกประดิษฐ์ขึ้นและคุณคงไม่คิดถึงเรื่องแบบนี้บนหัวที่มีสติอะไรเช่นนี้ คุณกำลังพูดถึง?”

และไอน์สไตน์ก็แบบว่า “ฉันจะแสดงให้คุณดูอีกครั้ง!”

ขังตัวเองอยู่ในหอคอยสีขาวของคุณ (ในสำนักงานสิทธิบัตร) และมาปรับคณิตศาสตร์ให้เข้ากับแนวคิดกันเถอะ ฉันผลักดันมาเป็นเวลา 10 ปีจนกระทั่งฉันเกิดสิ่งนี้:

แม่นยำยิ่งขึ้นนี่คือแก่นสารของสิ่งที่เขาให้กำเนิด ในเวอร์ชันที่มีรายละเอียดมากขึ้นจะมีสูตรอิสระ 10 สูตร และในเวอร์ชันเต็มจะมีสัญลักษณ์ทางคณิตศาสตร์สองหน้าเป็นตัวพิมพ์เล็ก

หากคุณตัดสินใจที่จะเรียนหลักสูตรจริงในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ส่วนเบื้องต้นจะสิ้นสุดที่นี่ และจะต้องเรียนภาษาที่รุนแรงอีกสองภาคการศึกษา และเพื่อเตรียมเรียนคณิตศาสตร์นี้ คุณต้องเรียนคณิตศาสตร์ขั้นสูงอีกอย่างน้อย 3 ปี เนื่องจากคุณสำเร็จการศึกษาระดับมัธยมปลายและคุ้นเคยกับแคลคูลัสเชิงอนุพันธ์และอินทิกรัลอยู่แล้ว

เอาจริงเอาจัง Matan ไม่มีอะไรซับซ้อนเท่ากับน่าเบื่อ แคลคูลัสเทนเซอร์ในปริภูมิหลอก-รีมันน์ไม่ใช่หัวข้อที่สับสนในการทำความเข้าใจ นี่ไม่ใช่โครโมไดนามิกส์ควอนตัม หรือพระเจ้าห้าม ไม่ใช่ทฤษฎีสตริง ทุกอย่างชัดเจนที่นี่ ทุกอย่างมีเหตุผล นี่คือสเปซรีมันน์ นี่คือท่อต่างๆ ที่ไม่มีการแตกหรือพับ นี่คือเมตริกเทนเซอร์ นี่คือเมทริกซ์ที่ไม่เสื่อมลง เขียนสูตรสำหรับตัวคุณเอง และปรับสมดุลดัชนี ตรวจสอบให้แน่ใจว่าการแสดงเวกเตอร์แบบแปรปรวนร่วมและตรงกันข้ามกับทั้งสองด้านของ สมการสอดคล้องกัน มันไม่ใช่เรื่องยาก มันยาวและน่าเบื่อ

แต่อย่าไปยาวขนาดนั้นแล้วกลับไป สู่นิ้วของเรา™- ในความเห็นของเรา พูดง่ายๆ ก็คือ สูตรของไอน์สไตน์มีความหมายดังนี้โดยประมาณ ทางด้านซ้ายของเครื่องหมายเท่ากับในสูตรคือเทนเซอร์ของไอน์สไตน์บวกเทนเซอร์เมตริกแบบแปรปรวนร่วมและค่าคงที่ทางจักรวาลวิทยา (Λ) แลมดานี้โดยพื้นฐานแล้ว พลังงานมืดซึ่งเรายังมีอยู่จนทุกวันนี้ เราไม่รู้อะไรเลยแต่เรารักและเคารพ และไอน์สไตน์ก็ยังไม่รู้เรื่องนี้ด้วยซ้ำ มีเรื่องราวที่น่าสนใจเป็นของตัวเองซึ่งควรค่าแก่การโพสต์แยกกันทั้งหมด

โดยสรุป ทุกอย่างทางด้านซ้ายของเครื่องหมายเท่ากับแสดงให้เห็นว่าเรขาคณิตของอวกาศเปลี่ยนแปลงไปอย่างไร เช่น มันโค้งงอและบิดอย่างไรภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วง

และทางด้านขวา นอกเหนือจากค่าคงที่ตามปกติเช่น π , ความเร็วแสง ค และค่าคงที่แรงโน้มถ่วง ช มีจดหมายอยู่ ต- เทนเซอร์โมเมนตัมพลังงาน ในแง่แลมเมอร์ เราสามารถพิจารณาได้ว่านี่คือโครงร่างของการกระจายมวลในอวกาศ (ถ้าให้เจาะจงกว่านี้คือพลังงาน เพราะมวลหรือพลังงานใดเท่ากัน สี่เหลี่ยมจตุรัส) เพื่อสร้างแรงโน้มถ่วงและโค้งงอพื้นที่ด้วยเพื่อให้สอดคล้องกับด้านซ้ายของสมการ

โดยหลักการแล้ว นั่นคือทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปทั้งหมด บนนิ้วของคุณ™.

เมื่อร้อยปีก่อนในปี 1915 นักวิทยาศาสตร์หนุ่มชาวสวิสซึ่งในเวลานั้นได้ค้นพบการปฏิวัติทางฟิสิกส์แล้วได้เสนอความเข้าใจพื้นฐานใหม่เกี่ยวกับแรงโน้มถ่วง

ในปี 1915 ไอน์สไตน์ได้ตีพิมพ์ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ซึ่งระบุว่าแรงโน้มถ่วงเป็นคุณสมบัติพื้นฐานของกาลอวกาศ เขานำเสนอชุดสมการที่อธิบายผลกระทบของความโค้งของกาลอวกาศต่อพลังงานและการเคลื่อนที่ของสสารและการแผ่รังสีที่มีอยู่ในนั้น

หนึ่งร้อยปีต่อมาทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (GTR) กลายเป็นพื้นฐานสำหรับการสร้างวิทยาศาสตร์สมัยใหม่ มันยืนหยัดต่อการทดสอบทั้งหมดที่นักวิทยาศาสตร์โจมตีมัน

แต่จนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ มันเป็นไปไม่ได้ที่จะทำการทดลองภายใต้สภาวะที่รุนแรงเพื่อทดสอบความเสถียรของทฤษฎี

น่าทึ่งมากที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิสูจน์ได้แข็งแกร่งเพียงใดใน 100 ปีข้างหน้า เรายังคงใช้สิ่งที่ไอน์สไตน์เขียน!

คลิฟฟอร์ด วิล นักฟิสิกส์ทฤษฎี มหาวิทยาลัยฟลอริดา

ขณะนี้นักวิทยาศาสตร์มีเทคโนโลยีในการค้นหาฟิสิกส์นอกเหนือจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป

รูปลักษณ์ใหม่ของ Gravity

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปอธิบายแรงโน้มถ่วงไม่ใช่เป็นแรง (ดังที่ปรากฏในฟิสิกส์ของนิวตัน) แต่เป็นความโค้งของกาล-อวกาศเนื่องจากมวลของวัตถุ โลกหมุนรอบดวงอาทิตย์ไม่ใช่เพราะดาวฤกษ์ดึงดูดมัน แต่เป็นเพราะดวงอาทิตย์เปลี่ยนรูปกาลอวกาศ หากคุณวางลูกโบว์ลิ่งหนักๆ บนผ้าห่มที่ยืดออก ผ้าห่มจะเปลี่ยนรูปร่าง - แรงโน้มถ่วงส่งผลต่ออวกาศในลักษณะเดียวกัน

ทฤษฎีของไอน์สไตน์ทำนายการค้นพบที่บ้าคลั่งบางอย่าง ตัวอย่างเช่น ความเป็นไปได้ของการมีอยู่ของหลุมดำ ซึ่งทำให้อวกาศ-เวลาโค้งงอจนไม่มีสิ่งใดหลุดรอดจากภายในได้ แม้แต่แสงก็ตาม ตามทฤษฎี พบหลักฐานสำหรับความคิดเห็นที่เป็นที่ยอมรับโดยทั่วไปในปัจจุบันว่าจักรวาลกำลังขยายตัวและเร่งความเร็ว

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปได้รับการยืนยันจากการสังเกตมากมาย ไอน์สไตน์ใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปในการคำนวณวงโคจรของดาวพุธ ซึ่งกฎของนิวตันไม่สามารถอธิบายการเคลื่อนที่ได้ ไอน์สไตน์ทำนายการมีอยู่ของวัตถุขนาดใหญ่มากจนทำให้แสงโค้งงอได้ นี่เป็นปรากฏการณ์เลนส์โน้มถ่วงที่นักดาราศาสตร์มักพบเจอ ตัวอย่างเช่น การค้นหาดาวเคราะห์นอกระบบขึ้นอยู่กับผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยของการแผ่รังสีที่โค้งงอโดยสนามโน้มถ่วงของดาวฤกษ์ที่ดาวเคราะห์โคจรอยู่รอบ ๆ

ทดสอบทฤษฎีของไอน์สไตน์

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปทำงานได้ดีกับแรงโน้มถ่วงธรรมดา ดังที่แสดงโดยการทดลองบนโลกและการสังเกตดาวเคราะห์ในระบบสุริยะ แต่ไม่เคยได้รับการทดสอบภายใต้สภาวะของสนามที่แข็งแกร่งอย่างยิ่งในอวกาศซึ่งอยู่บนขอบเขตของฟิสิกส์

วิธีที่มีแนวโน้มมากที่สุดในการทดสอบทฤษฎีภายใต้เงื่อนไขดังกล่าวคือการสังเกตการเปลี่ยนแปลงในกาลอวกาศที่เรียกว่าคลื่นความโน้มถ่วง ปรากฏเป็นผลมาจากเหตุการณ์ใหญ่ การรวมตัวกันของวัตถุขนาดใหญ่สองแห่ง เช่น หลุมดำ หรือโดยเฉพาะอย่างยิ่งวัตถุหนาแน่นอย่างดาวนิวตรอน

การแสดงดอกไม้ไฟในจักรวาลขนาดนี้จะสะท้อนเฉพาะระลอกคลื่นที่เล็กที่สุดในกาล-อวกาศเท่านั้น ตัวอย่างเช่น หากหลุมดำสองหลุมชนกันและรวมตัวกันที่ไหนสักแห่งในดาราจักรของเรา คลื่นความโน้มถ่วงสามารถยืดและบีบอัดระยะห่างระหว่างวัตถุที่อยู่ห่างจากโลกหนึ่งเมตรเป็นเส้นผ่านศูนย์กลางหนึ่งในพันของนิวเคลียสของอะตอม

การทดลองปรากฏว่าสามารถบันทึกการเปลี่ยนแปลงในอวกาศ-เวลาอันเนื่องมาจากเหตุการณ์ดังกล่าว

มีโอกาสที่ดีที่จะตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงในอีกสองปีข้างหน้า

คลิฟฟอร์ด วิล

หอดูดาวคลื่นความโน้มถ่วงแบบเลเซอร์อินเทอร์เฟอโรมิเตอร์ (LIGO) ซึ่งมีหอดูดาวใกล้กับริชแลนด์ วอชิงตัน และลิฟวิงสตัน รัฐลุยเซียนา ใช้เลเซอร์เพื่อตรวจจับการบิดเบือนเล็กน้อยในเครื่องตรวจจับรูปตัว L คู่ เมื่อระลอกคลื่นกาลอวกาศเคลื่อนผ่านเครื่องตรวจจับ มันจะยืดและบีบอัดพื้นที่ ส่งผลให้เครื่องตรวจจับเปลี่ยนขนาด และ LIGO ก็สามารถวัดพวกมันได้

LIGO เริ่มเปิดตัวหลายครั้งในปี พ.ศ. 2545 แต่ล้มเหลวในการบรรลุผล มีการปรับปรุงในปี 2010 และ Advanced LIGO ผู้สืบทอดตำแหน่งขององค์กร ควรกลับมาดำเนินการได้อีกครั้งในปีนี้ การทดลองที่วางแผนไว้จำนวนมากมุ่งเป้าไปที่การค้นหาคลื่นความโน้มถ่วง

วิธีทดสอบทฤษฎีสัมพัทธภาพอีกวิธีหนึ่งคือการดูคุณสมบัติของคลื่นความโน้มถ่วง ตัวอย่างเช่น พวกมันสามารถโพลาไรซ์ได้ เหมือนแสงที่ส่องผ่านกระจกโพลาไรซ์ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทำนายลักษณะเฉพาะของผลกระทบดังกล่าว และการเบี่ยงเบนใดๆ จากการคำนวณอาจกลายเป็นเหตุให้สงสัยทฤษฎีนี้

ทฤษฎีแบบครบวงจร

คลิฟฟอร์ด วิลเชื่อว่าการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงจะยิ่งเสริมทฤษฎีของไอน์สไตน์เท่านั้น:

ฉันคิดว่าเราจะต้องค้นหาหลักฐานของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปต่อไปเพื่อให้แน่ใจว่ามันถูกต้อง

เหตุใดการทดลองเหล่านี้จึงจำเป็น?

งานที่สำคัญและเข้าใจยากที่สุดอย่างหนึ่งของฟิสิกส์ยุคใหม่คือการค้นหาทฤษฎีที่จะเชื่อมโยงงานวิจัยของไอน์สไตน์ ซึ่งก็คือ วิทยาศาสตร์เกี่ยวกับจักรวาลมหภาค และกลศาสตร์ควอนตัม ซึ่งเป็นความจริงของวัตถุที่เล็กที่สุด

ความก้าวหน้าในพื้นที่นี้ แรงโน้มถ่วงควอนตัม อาจต้องมีการเปลี่ยนแปลงในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป เป็นไปได้ว่าการทดลองแรงโน้มถ่วงควอนตัมจะต้องใช้พลังงานมากจนทำไม่ได้ “แต่ใครจะรู้” วิลล์กล่าว “บางทีจักรวาลควอนตัมอาจมีผลกระทบเล็กน้อยแต่สามารถค้นหาได้”

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปพร้อมกับทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษเป็นผลงานอันยอดเยี่ยมของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ผู้ซึ่งเมื่อต้นศตวรรษที่ 20 ได้เปลี่ยนวิธีที่นักฟิสิกส์มองโลก หนึ่งร้อยปีต่อมา ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเป็นทฤษฎีพื้นฐานและสำคัญที่สุดของฟิสิกส์ในโลก และเมื่อรวมกับกลศาสตร์ควอนตัมแล้ว อ้างว่าเป็นหนึ่งในสองเสาหลักของ "ทฤษฎีของทุกสิ่ง" ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปอธิบายแรงโน้มถ่วงอันเป็นผลมาจากความโค้งของกาล-อวกาศ (รวมเป็นหนึ่งเดียวในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป) ภายใต้อิทธิพลของมวล ด้วยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป นักวิทยาศาสตร์ได้รับค่าคงที่มากมาย ทดสอบปรากฏการณ์ที่ไม่สามารถอธิบายได้มากมาย และเกิดสิ่งต่างๆ เช่น หลุมดำ สสารมืดและพลังงานมืด การขยายตัวของจักรวาล บิ๊กแบง และอื่นๆ อีกมากมาย นอกจากนี้ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปยังยับยั้งความเร็วแสงอีกด้วย ดังนั้นจึงกักขังเราไว้ในสภาพแวดล้อมของเรา (ระบบสุริยะ) อย่างแท้จริง แต่ได้ทิ้งช่องโหว่ไว้ในรูปแบบของรูหนอน ซึ่งเป็นเส้นทางที่สั้นที่เป็นไปได้ผ่านกาลอวกาศ-เวลา

ทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ดูเหมือนเป็นนามธรรมและไม่อาจเข้าใจได้สำหรับฉันเสมอ ลองอธิบายทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ด้วยคำพูดง่ายๆ ลองนึกภาพการออกไปข้างนอกท่ามกลางฝนตกหนักโดยมีลมพัดที่หลัง หากคุณเริ่มวิ่งเร็ว เม็ดฝนจะไม่ตกบนหลังของคุณ หยดจะช้าลงหรือไปไม่ถึงหลังคุณเลย นี่เป็นข้อเท็จจริงที่ได้รับการพิสูจน์ทางวิทยาศาสตร์ และคุณสามารถตรวจสอบได้ด้วยตัวเองท่ามกลางพายุฝน ทีนี้ลองจินตนาการว่าหากคุณหันหลังกลับและวิ่งฝ่าลมท่ามกลางสายฝน หยดน้ำจะกระทบเสื้อผ้าของคุณและเผชิญหน้าแรงกว่าการยืนเฉยๆ

ก่อนหน้านี้นักวิทยาศาสตร์เคยคิดว่าแสงทำหน้าที่เหมือนฝนในสภาพอากาศที่มีลมแรง พวกเขาคิดว่าถ้าโลกเคลื่อนที่รอบดวงอาทิตย์ และดวงอาทิตย์เคลื่อนที่รอบกาแลคซี ก็เป็นไปได้ที่จะวัดความเร็วของการเคลื่อนที่ในอวกาศ ในความเห็นของพวกเขา สิ่งที่พวกเขาต้องทำคือวัดความเร็วของแสงและการเปลี่ยนแปลงที่สัมพันธ์กับวัตถุสองชิ้น

นักวิทยาศาสตร์ทำมันและ ได้พบบางสิ่งที่แปลกมาก- ความเร็วแสงยังเท่าเดิม ไม่ว่าวัตถุจะเคลื่อนที่อย่างไร และไม่ว่าการวัดจะถูกนำไปในทิศทางใด

มันแปลกมาก หากเรารับมือกับสถานการณ์ที่มีพายุฝน ภายใต้สถานการณ์ปกติ เม็ดฝนจะส่งผลกระทบต่อคุณไม่มากก็น้อยขึ้นอยู่กับการเคลื่อนไหวของคุณ เห็นด้วย คงแปลกมากถ้าพายุฝนพัดเข้าที่หลังของคุณด้วยแรงเท่ากันทั้งตอนวิ่งและตอนหยุด

นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบว่าแสงไม่มีคุณสมบัติเหมือนกับเม็ดฝนหรือสิ่งอื่นใดในจักรวาล ไม่ว่าคุณจะเคลื่อนที่เร็วแค่ไหน และไม่ว่าคุณจะมุ่งหน้าไปในทิศทางใด ความเร็วแสงก็จะเท่าเดิมเสมอ สิ่งนี้น่าสับสนมากและมีเพียงอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์เท่านั้นที่สามารถให้ความกระจ่างเกี่ยวกับความอยุติธรรมนี้ได้

ไอน์สไตน์และนักวิทยาศาสตร์อีกคนหนึ่ง เฮนดริก ลอเรนซ์ ค้นพบว่ามีเพียงวิธีเดียวเท่านั้นที่จะอธิบายว่าทั้งหมดนี้เป็นไปได้อย่างไร สิ่งนี้จะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อเวลาช้าลง

ลองนึกภาพว่าจะเกิดอะไรขึ้นถ้าเวลาของคุณเดินช้าลง และคุณไม่รู้ว่าคุณกำลังเดินช้าลง คุณจะรู้สึกเหมือนว่าทุกสิ่งทุกอย่างเกิดขึ้นเร็วขึ้นทุกสิ่งรอบตัวคุณจะเคลื่อนไหวเหมือนในหนังกรอไปข้างหน้า

ทีนี้ลองจินตนาการว่าคุณอยู่ในสายฝนที่มีลมแรงอีกครั้ง เป็นไปได้ยังไงที่ฝนจะส่งผลต่อคุณเหมือนเดิมแม้ว่าคุณจะวิ่งอยู่ก็ตาม? ปรากฎว่าหากคุณพยายามวิ่งหนีฝนแล้ว เวลาของคุณช้าลงและฝนก็จะเร็วขึ้น- เม็ดฝนจะกระแทกหลังคุณด้วยความเร็วเท่ากัน นักวิทยาศาสตร์เรียกการขยายเวลานี้ว่า ไม่ว่าคุณจะเคลื่อนที่เร็วแค่ไหน เวลาของคุณก็จะช้าลง อย่างน้อยก็ความเร็วแสงสำนวนนี้เป็นจริง

ความเป็นคู่ของมิติ

อีกสิ่งหนึ่งที่ไอน์สไตน์และลอเรนซ์คิดก็คือ คนสองคนภายใต้สถานการณ์ที่แตกต่างกันสามารถรับค่าที่คำนวณต่างกันได้ และสิ่งที่แปลกที่สุดคือพวกเขาทั้งคู่จะคิดถูก นี่เป็นผลข้างเคียงอีกประการหนึ่งของแสงที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่ากันเสมอ

มาทำการทดลองทางความคิดกันเถอะ

ลองนึกภาพว่าคุณกำลังยืนอยู่ตรงกลางห้องและติดตั้งโคมไฟไว้ตรงกลางห้อง ทีนี้ลองจินตนาการว่าความเร็วแสงช้ามาก และคุณคงเห็นว่ามันเดินทางอย่างไร ลองจินตนาการว่าคุณเปิดตะเกียง

ทันทีที่เปิดโคมไฟ แสงจะเริ่มกระจายและสว่างขึ้น เนื่องจากผนังทั้งสองอยู่ห่างจากกัน แสงจึงไปถึงผนังทั้งสองในเวลาเดียวกัน

ทีนี้ลองจินตนาการว่ามีหน้าต่างบานใหญ่อยู่ในห้องของคุณ และเพื่อนของคุณคนหนึ่งขับรถผ่านมา เขาจะได้เห็นอย่างอื่น สำหรับเขาแล้วห้องของคุณจะดูเหมือนเคลื่อนไปทางขวา และเมื่อคุณเปิดโคมไฟ เขาจะเห็นว่าผนังด้านซ้ายเคลื่อนไปทางแสงไฟ และผนังด้านขวาเคลื่อนตัวออกห่างจากแสง เขาจะเห็นว่าแสงกระทบผนังด้านซ้ายก่อนแล้วจึงส่องไปทางขวา สำหรับเขาดูเหมือนว่าแสงไม่ได้ส่องผนังทั้งสองในเวลาเดียวกัน

ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ มุมมองทั้งสองจะถูกต้อง- จากมุมมองของคุณ แสงตกกระทบผนังทั้งสองในเวลาเดียวกัน จากมุมมองของเพื่อนของคุณ สิ่งนี้ไม่เป็นเช่นนั้น ไม่มีอะไรผิดปกติกับที่

ด้วยเหตุนี้นักวิทยาศาสตร์จึงกล่าวว่า “ความพร้อมกันนั้นสัมพันธ์กัน” หากคุณวัดสองสิ่งที่ควรจะเกิดขึ้นในเวลาเดียวกัน คนที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่แตกต่างกันหรือไปในทิศทางอื่นจะไม่สามารถวัดสิ่งเหล่านั้นในลักษณะเดียวกับคุณได้

สิ่งนี้ดูแปลกมากสำหรับเรา เพราะความเร็วแสงนั้นเกิดขึ้นทันทีสำหรับเรา และเราเคลื่อนที่ช้ามากเมื่อเปรียบเทียบกัน เนื่องจากความเร็วแสงสูงมาก เราจึงไม่สังเกตเห็นความเร็วแสงจนกว่าเราจะทำการทดลองพิเศษ

ยิ่งวัตถุเคลื่อนที่เร็วเท่าไร วัตถุก็จะสั้นและเล็กลงเท่านั้น

ผลข้างเคียงที่แปลกมากอีกอย่างหนึ่งว่าความเร็วแสงไม่เปลี่ยนแปลง ด้วยความเร็วแสง สิ่งของที่เคลื่อนไหวจะสั้นลง

ลองจินตนาการอีกครั้งว่าความเร็วแสงช้ามาก ลองนึกภาพว่าคุณกำลังเดินทางบนรถไฟและได้ติดตั้งโคมไฟไว้ตรงกลางตู้โดยสาร ทีนี้ลองนึกภาพว่าคุณเปิดโคมไฟเหมือนอยู่ในห้อง

แสงจะกระจายไปถึงผนังด้านหน้าและด้านหลังรถพร้อมๆ กัน วิธีนี้ทำให้คุณสามารถวัดความยาวของแคร่ได้ด้วยการวัดว่าแสงใช้เวลานานเท่าใดจึงจะไปถึงทั้งสองด้าน

มาคำนวณกัน:

ลองจินตนาการว่าใช้เวลา 1 วินาทีในการเดินทาง 10 เมตร และใช้เวลา 1 วินาทีก่อนที่แสงจะกระจายจากโคมไฟไปยังผนังรถม้า ซึ่งหมายความว่าโคมไฟอยู่ห่างจากรถทั้งสองด้าน 10 เมตร เนื่องจาก 10 + 10 = 20 หมายความว่าความยาวของรถคือ 20 เมตร

ทีนี้ลองจินตนาการว่าเพื่อนของคุณอยู่บนถนนและเฝ้าดูรถไฟที่ผ่านไป จำไว้ว่าเขามองเห็นสิ่งต่างๆ แตกต่างออกไป ผนังด้านหลังของรถเลื่อนไปทางโคมไฟ และผนังด้านหน้าขยับออกห่างจากโคมไฟ ด้วยวิธีนี้แสงจะไม่สัมผัสผนังด้านหน้าและด้านหลังรถพร้อมกัน แสงจะส่องไปทางด้านหลังก่อนแล้วจึงส่องไปทางด้านหน้า

ดังนั้น หากคุณและเพื่อนของคุณวัดความเร็วของการแพร่กระจายของแสงจากโคมไฟไปยังผนัง คุณจะได้ค่าที่แตกต่างกัน แต่จากมุมมองทางวิทยาศาสตร์ การคำนวณทั้งสองอย่างจะถูกต้อง ตามการวัดแล้วความยาวของเกวียนจะมีขนาดเท่ากันสำหรับคุณเท่านั้น แต่สำหรับเพื่อนความยาวของเกวียนจะน้อยกว่า

โปรดจำไว้ว่า ทั้งหมดนี้ขึ้นอยู่กับวิธีและภายใต้เงื่อนไขที่คุณจะทำการวัด หากคุณอยู่ในจรวดที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสง คุณจะไม่รู้สึกผิดปกติ ไม่เหมือนผู้คนบนพื้นที่กำลังวัดการเคลื่อนไหวของคุณ คุณจะไม่มีทางรู้ได้เลยว่าเวลานั้นเดินช้าลงสำหรับคุณ หรือจู่ๆ ด้านหน้าและด้านหลังของเรือก็เข้าใกล้กันมากขึ้น

ในเวลาเดียวกัน หากคุณบินด้วยจรวด สำหรับคุณดูเหมือนดาวเคราะห์และดวงดาวทุกดวงกำลังบินผ่านคุณด้วยความเร็วแสง ในกรณีนี้ หากคุณพยายามวัดเวลาและขนาดของพวกเขา เวลาก็ควรช้าลงและขนาดก็ควรลดลงตามหลักเหตุผลสำหรับพวกเขา ใช่ไหม?

ทั้งหมดนี้เป็นเรื่องแปลกและเข้าใจยากมาก แต่ ไอน์สไตน์เสนอวิธีแก้ปัญหาและรวมปรากฏการณ์ทั้งหมดนี้ไว้ในทฤษฎีสัมพัทธภาพเดียว.