Newsletter subscribe
Universe

ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#20 บทที่ 3 จักรวาลที่กำลังขยายตัว : ปรากฏการณ์ดอปเพลอร์และค่าคงที่ของจักรวาล

Posted: 25/01/2021 at 07:38   /   A Brief History of Time, Universe

ในช่วงทศวรรษที่ 1920 เมื่อนักดาราศาสตร์เริ่มมองดูสเปกตรัมของดาวฤกษ์ในกาแล็กซี่อื่น พวกเขาพบบางสิ่งที่แปลกประหลาดที่สุด: มีชุดสีที่ขาดหายไปในลักษณะเดียวกันกับดาวฤกษ์ในกาแล็กซี่ของเรา แต่พวกมันทั้งหมดถูกเลื่อนไปทางปลายสีแดงของสเปกตรัมแสง  เพื่อให้เข้าใจถึงผลกระทบนี้ก่อนอื่นเราต้องเข้าใจ Doppler Effects ก่อน อย่างที่เราเคยเห็น แสงที่มองเห็นได้ (visible light) ประกอบด้วยคลื่นในสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ความยาวคลื่น (หรือระยะห่างจากยอดคลื่นหนึ่งไปยังยอดคลื่นถัดไป) ของแสงมีขนาดเล็กมากตั้งแต่ 4 ถึง 70 ล้านส่วนของ 1 เมตร ความยาวคลื่นแสงที่แตกต่างกันคือสิ่งที่ตามนุษย์มองว่าเป็นสีที่ต่างกัน โดยที่ความยาวคลื่นที่ยาวที่สุดจะปรากฏที่ปลายสีแดงของสเปกตรัมแสง และความยาวคลื่นสั้นที่สุดจะปรากฏที่ปลายสีน้ำเงิน ทีนี้ลองนึกภาพแหล่งกำเนิดแสงที่ระยะห่างคงที่จากเรา เช่น ดาวฤกษ์เปล่งคลื่นแสงที่ความยาวคลื่นคงที่ เห็นได้ชัดว่าความยาวคลื่นของคลื่นที่เราได้รับจะเหมือนกับความยาวคลื่นที่ปล่อยออกมา (สนามโน้มถ่วงของกาแล็กซี่ไม่ใหญ่พอที่จะมีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญ) สมมติว่าตอนนี้แหล่งกำเนิดแสงเริ่มเคลื่อนเข้าหาเรา เมื่อแหล่งกำเนิดปล่อยยอดคลื่นถัดไป มันจะอยู่ใกล้เรามากขึ้น ดังนั้นระยะห่างระหว่างยอดคลื่นจะน้อยกว่าเมื่อดาวอยู่กับที่ นั่นหมายความว่าความยาวคลื่นของคลื่นที่เราได้รับนั้นสั้นกว่าเมื่อดาวอยู่กับที่ ในทำนองเดียวกัน ถ้าแหล่งกำเนิดกำลังเคลื่อนที่ออกไปจากเรา ความยาวคลื่นของคลื่นที่เราได้รับจะยาวขึ้น ในกรณีของแสงหมายความว่าดาวกำลังเคลื่อนที่ออกไปจากเรา จะมีการเคลื่อนสเปกตรัมแสงไปที่ปลายสีแดงของสเปกตรัม (red-shifted เลื่อนไปทางแดง) และดาวที่เคลื่อนที่เข้าหาเราจะมีการเปลี่ยนสเปกตรัมเป็นสีน้ำเงิน (blue-shifted เลื่อนไปทางน้ำเงิน) ความสัมพันธ์ระหว่างความยาวคลื่นและความเร็วเรียกว่า “Doppler effect” นี้เป็นประสบการณ์ในชีวิตประจำวัน ฟังรถที่แล่นบนถนน: ขณะที่รถเข้าใกล้ เครื่องยนต์จะส่งเสียงในระดับเสียงที่สูงขึ้น (ซึ่งสอดคล้องกับความยาวคลื่นที่สั้นกว่าและความถี่ของคลื่นเสียงที่สูงกว่า) […]

No Comments read more

ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#19 บทที่ 3 จักรวาลที่กำลังขยายตัว : สเปคตรัมแสงของดาวฤกษ์

Posted: 21/01/2021 at 12:35   /   A Brief History of Time, Universe

ดาวฤกษ์อยู่ห่างไกลมากจนดูเหมือนว่าเป็นเพียงจุดแสงเท่านั้น เราไม่สามารถมองเห็นขนาดหรือรูปร่างของมันได้ แล้วเราจะแยกดาวประเภทต่างๆ ออกจากกันได้อย่างไร?  สำหรับดาวส่วนใหญ่มีลักษณะเฉพาะอย่างเดียวที่เราสามารถสังเกตได้นั่นคือสีของแสงดาว นิวตันค้นพบว่าถ้าแสงจากดวงอาทิตย์ผ่านชิ้นแก้วรูปสามเหลี่ยมที่เรียกว่า “ปริซึม” มันจะแตกออกเป็นสีส่วนประกอบ (สเปกตรัม) เหมือนสีรุ้ง โดยการโฟกัสกล้องโทรทรรศน์ไปที่ดาวฤกษ์หรือกาแล็กซี่แต่ละดวง เราจะสามารถสังเกตสเปกตรัมของแสงจากดาวหรือจักรวาลนั้นได้ในทำนองเดียวกัน ดาวที่แตกต่างกันมีสเปกตรัมแสงที่แตกต่างกัน แต่ความสว่างสัมพัทธ์ของสีที่ต่างกัน มักจะเป็นสิ่งที่เราคาดหวังว่าจะพบในแสงที่เปล่งออกมาจากวัตถุที่เรืองแสงสีแดงร้อน (อันที่จริงแสงที่ปล่อยออกมาจากวัตถุทึบแสงที่เรืองแสงสีแดงร้อนนั้น มีสเปกตรัมลักษณะเฉพาะที่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของมัน นั่นคือสเปกตรัมความร้อน ซึ่งหมายความว่า “เราสามารถบอกอุณหภูมิของดาวได้จากสเปกตรัมแสง”) เราพบว่าสีที่เฉพาะเจาะจงบางสีหายไปจากสเปกตรัมแสงของดวงฤกษ์และสีที่ขาดหายไปเหล่านี้อาจแตกต่างกันไปในแต่ละดาว โดย “สีที่ขาดหายไปบ่งบอกถึงองค์ประกอบทางเคมีในดาวแต่ละดวง” เนื่องจากเราทราบดีว่าองค์ประกอบทางเคมีแต่ละชนิดดูดซับชุดลักษณะเฉพาะของสีที่เฉพาะเจาะจงมาก โดยการจับคู่สิ่งเหล่านี้กับสีที่หายไปจากสเปกตรัมแสงของดาว เราจึงสามารถระบุได้ว่าองค์ประกอบใดบ้างที่มีอยู่ในชั้นบรรยากาศของดาวนั้น     Cheat Codes – No Promises ft. Demi Lovato (YouTube)     ทำไมดาวถึงมีสีต่างกัน? livescience.com เมื่อเรามองขึ้นไปบนท้องฟ้ายามค่ำคืน เราสามารถมองเห็นดาวได้ถึง 4,548 ดวงด้วยตาเปล่า ดวงดาวก็ดูเหมือนกันมาก ทั้งหมดดูเป็นสีขาว ดาวบางดวงสว่างกว่าดวงอื่น แสงจากดาวฤกษ์นั้นเมื่อส่องผ่านชั้นบรรยากาศของโลกส่งผลให้เกิดการวิบวับขึ้น หากมองดูดวงดาวผ่านกล้องโทรทรรศน์ก็จะพบว่ามีสีที่ต่างกัน ส่วนที่น่าประหลาดใจคือสเปกตรัมแสงของดาวมีเฉดสีรุ้งเกือบทั้งหมด สีของดาวฤกษ์มีแตกต่างกันไปตั้งแต่สีส้มจนถึงสีขาวไปจนถึงสีน้ำเงิน สีของดาวเป็นตัวชี้วัดอุณหภูมิพื้นผิวว่าร้อนเพียงใด ดาวที่ร้อนที่สุดมีอุณหภูมิมากกว่า 40,000 […]

No Comments read more

ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#18 บทที่ 3 จักรวาลที่กำลังขยายตัว : กาแล็กซี่ทางช้างเผือก

Posted: 17/01/2021 at 11:04   /   A Brief History of Time, Universe

หากใครมองท้องฟ้าในคืนที่ปลอดโปร่งและไม่มีแสงจันทร์ วัตถุที่สว่างที่สุดที่เราเห็นน่าจะเป็นดาวเคราะห์ เช่น วีนัส ดาวอังคาร ดาวพฤหัสบดี และดาวเสาร์ นอกจากนี้ยังมีดาวอีกจำนวนมากซึ่งเหมือนกับดวงอาทิตย์ของเราเองแต่อยู่ไกลจากเรามาก ในความเป็นจริงดาวตรึงเหล่านี้ (Fixed stars) บางดวงดูเหมือนจะเปลี่ยนตำแหน่งเล็กน้อยเมื่อเทียบกันและกัน  ขณะที่โลกหมุนรอบดวงอาทิตย์ เราจะเห็นพวกมันจากตำแหน่งที่แตกต่างกันกับพื้นหลังของดาวที่อยู่ห่างไกลมากขึ้น นี่เป็นความโชคดีเพราะช่วยให้เราสามารถวัดระยะทางของดาวเหล่านี้จากเราได้โดยตรง ยิ่งอยู่ใกล้มากเท่าไหร่ก็ยิ่งดูเหมือนว่าพวกมันเคลื่อนที่มากขึ้นเท่านั้น Proxima Centauri เป็นดาวฤกษ์ที่ใกล้ที่สุดและอยู่ห่างออกไป 4 ปีแสง (แสงจากดวงนี้ใช้เวลาประมาณ 4 ปีจึงจะถึงพื้นโลก) หรือประมาณ 23 ล้านล้านไมล์ ดาวอื่นๆ ส่วนใหญ่ที่มองเห็นได้ด้วยตาเปล่าอยู่ห่างจากเราไปไม่กี่ร้อยปีแสง ในขณะที่ดวงอาทิตย์อยู่ห่างออกไปเพียง 8 นาที! (แสงใช้เวลาในการเดินทาง 8 นาทีมายังโลก) ดวงดาวที่มองเห็นได้ปรากฏกระจายไปทั่วท้องฟ้ายามค่ำคืน แต่จะกระจุกตัวอยู่ในวงที่เราเรียกว่า กาแล็กซี่ทางช้างเผือก ในปี 1750 นักดาราศาสตร์บางคนเสนอว่าดาวที่มองเห็นได้ส่วนใหญ่อยู่ในรูปแบบดิสก์ที่เราเรียกว่า กาแล็กซี่ชนิดก้นหอย เพียงไม่กี่สิบปีต่อมานักดาราศาสตร์ เซอร์วิลเลียม เฮอร์เชล ยืนยันแนวคิดนี้โดยการบันทึกตำแหน่งและระยะทางของดวงดาวจำนวนมากอย่างระมัดระวัง ถึงกระนั้นความคิดที่ได้รับได้รับการยอมรับอย่างสมบูรณ์ในช่วงต้นศตวรรษนี้     Owl City – Shooting Star (YouTube) […]

No Comments read more

ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#17 บทที่ 2 อวกาศ-เวลา : การยืดออกของเวลา

Posted: 12/01/2021 at 13:26   /   A Brief History of Time, Universe

การคาดการณ์อีกประการหนึ่งของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปคือเวลาควรจะช้าลงเมื่อเข้าใกล้วัตถุขนาดใหญ่เช่นโลก เนื่องจากมีความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานของแสงและความถี่ของมัน (นั่นคือจำนวนคลื่นของแสงต่อวินาที) ยิ่งพลังงานมากความถี่ก็จะยิ่งสูงขึ้น เมื่อแสงเดินทางขึ้นไปในสนามโน้มถ่วงของโลก มันจะสูญเสียพลังงานเพื่อหนีจากสนามโน้มถ่วงของโลก ทำให้ความถี่ของมันก็จะลดลง (ซึ่งหมายความว่าระยะเวลาระหว่างยอดคลื่นลูกหนึ่งและยอดคลื่นถัดไปจะเพิ่มขึ้น) สำหรับผู้สังเกตการณ์ที่อยู่เหนือพื้นโลกดูเหมือนว่าทุกสิ่งที่อยู่ด้านล่างเกิดขึ้นช้ากว่าจุดที่ผู้สังเกตการณ์อยู่ การทำนายนี้ได้รับการทดสอบในปี 1962 โดยใช้นาฬิกาคู่หนึ่งที่มีความแม่นยำสูงซึ่งติดตั้งที่ด้านบนและด้านล่างของหอส่งน้ำ พบว่านาฬิกาที่อยู่ด้านล่างซึ่งอยู่ใกล้พื้นโลกทำงานช้ากว่านาฬิกาที่อยู่ด้านบนตามคำทำนายในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ในปัจจุบันความแตกต่างของความเร็วของนาฬิกาที่ระดับความสูงต่างกันเหนือพื้นโลกมีความสำคัญในทางปฏิบัติอย่างยิ่งต่อระบบนำทางสำหรับดาวเทียม หากใครละเลยการคาดการณ์ของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ตำแหน่งจุดบอกพิกัดที่คำนวณได้จะคลาดเคลื่อนไปหลายไมล์ทีเดียว! กฎการเคลื่อนที่ของนิวตันยุติความคิดเรื่องตำแหน่งสัมบูรณ์ (absolute position) ในอวกาศ ทฤษฎีสัมพัทธภาพยุติความคิดเรื่องเวลาสัมบูรณ์ (absolute time) พิจารณาฝาแฝดคู่หนึ่ง สมมติว่าแฝดคนหนึ่งไปอาศัยอยู่บนยอดเขาในขณะที่อีกคนอยู่ที่ระดับน้ำทะเล แฝดคนแรกจะอายุเร็วกว่าคนที่สอง ดังนั้นหากพวกเขาพบกันอีกคนหนึ่งจะแก่กว่าอีกคน ในกรณีนี้ความแตกต่างของอายุมีเพียงเล็กน้อยมาก แต่ความแตกต่างของอายุจะมากกว่านี้มาก ถ้าฝาแฝดคนใดคนหนึ่งเดินทางไกลในยานอวกาศด้วยความเร็วใกล้เคียงความเร็วแสง เมื่อเขากลับมาเขาจะเด็กกว่าคนที่อยู่บนโลกมาก สิ่งนี้เรียกว่า twin paradox ในทฤษฎีสัมพัทธภาพ จริงๆแล้วไม่มีเวลาที่แน่นอน แต่และคนจะมีเวลาในการวัดของตัวเอง ขึ้นอยู่กับว่าเขาอยู่ที่ไหนและเคลื่อนไหวอย่างไร   Gravitational Redshift youtube.com ปรากฏการณ์ Gravitational redshift เกิดจากอนุภาคของแสงหรือโฟตอนเมื่อเดินทางผ่านวัตถุที่มีมวลมาก มันจะตกลงไปในบ่อความโน้มถ่วง (gravitational well) ที่เกิดจากการโค้งงอของอวกาศ-เวลา สิ่งที่เกิดขึ้นคือมันพยายามปีนออกจากบ่อความโน้มถ่วง โฟตอนต้องใช้พลังงานในการหลบหนี แต่ในเวลาเดียวกันโฟตอนไม่สามารถลดความเร็วลงได้ มันต้องเดินทางที่ความเร็วแสงเสมอ เนื่องจากพลังงานเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความถี่คลื่น […]

No Comments read more

ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#16 บทที่ 2 อวกาศ-เวลา : การส่ายของดาวพุธและการเลี้ยวเบนของแสง

Posted: 04/01/2021 at 13:06   /   A Brief History of Time, Universe

มวลของดวงอาทิตย์โค้งงออวกาศ-เวลาในลักษณะที่แม้ว่าโลกจะเดินตามเส้นทางตรงในอวกาศ-เวลาใน 4 มิติ แต่ดูเหมือนว่าเราจะเคลื่อนที่ไปตามวงโคจรวงกลมในอวกาศ 3 มิติ ความจริงที่ว่าวงโคจรของดาวเคราะห์ที่ทำนายโดยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปนั้นเกือบจะเหมือนกับที่ทำนายโดยทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของนิวตัน อย่างไรก็ตามในกรณีของดาวพุธซึ่งเป็นดาวเคราะห์ที่ใกล้ดวงอาทิตย์ที่สุด จะได้รับผลกระทบของความโน้มถ่วงที่รุนแรงที่สุดและมีวงโคจรที่ค่อนข้างยาว ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปคาดการณ์ว่าแกนยาวของวงรีควรหมุนรอบดวงอาทิตย์ด้วยอัตราประมาณ 1 องศาใน 10,000 ปี แม้ว่าผลกระทบนี้จะมีขนาดเล็ก แต่ก็มีการสังเกตเห็นสิ่งนี้ก่อนปี 1915 และเป็นหนึ่งในข้อยืนยันแรกของทฤษฎีของไอน์สไตน์ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาการเบี่ยงเบนเล็กๆ น้อยๆของวงโคจรของดาวเคราะห์ดวงอื่นๆ จากการคาดการณ์ของนิวตันได้รับการวัดด้วยเรดาร์ และพบว่าตรงกับการคาดการณ์ของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป   Perihelion-Aphelion ตามฟิสิกส์ของนิวตัน วงโคจรของดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์เป็นวงรีเล็กน้อยโดยมีดวงอาทิตย์อยู่ที่ปลายด้านหนึ่งของวงรี จุดที่ดาวเคราะห์เข้ามาใกล้ดวงอาทิตย์มากที่สุดเรียก “perihelion” และจุดที่ไกลที่สุดจากดวงอาทิตย์เรียก “aphelion” thegreatcoursesplus.com นิวตันยังได้อธิบายถึงสาเหตุที่วงโคจรของดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์เป็นรูปวงรีและความเร็วในการโคจรไม่คงที่ว่า เป็นผลมาจากการ balance ระหว่างความโน้มถ่วง (gravity) และความเฉื่อย (inertia) และวงโคจรทำซ้ำตัวเองทุกครั้งที่ดาวเคราะห์โคจรรอบดวงอาทิตย์ ส่งผลให้จุด perihelion อยู่ตำแหน่งเดิมหรือ fix อยู่กับที่   ปัญหาการส่ายที่ผิดปกติของดาวพุธ astronomy.com แต่มีปัจจัยบางอย่างในระบบสุริยะที่ส่งผลให้จุด perihelion เกิดการเคลื่อน ทำให้วงโคจรของดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์เกิดการส่าย (precession) สาเหตุหลักของการส่ายอธิบายได้ว่า เป็นผลกระทบที่เกิดจากอิทธิพลความโน้มถ่วงของดาวเคราะห์ดวงอื่นที่รบกวนวงโคจรของกันและกันในระบบสุริยะ ในสมัยนั้นนักฟิสิกส์สามารถใช้ฟิสิกส์ของนิวตันทำนายวงโคจรของดาวเคราะห์ได้อย่างแม่นยำ […]

No Comments read more

ประวัติย่อของกาลเวลา (A brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอวฺ์คิง#15 บทที่ 2 อวกาศ-เวลา : ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์

Posted: 03/01/2021 at 11:02   /   A Brief History of Time, Universe

ในที่สุดในปี 1905 ไอน์สไตน์ได้ประกาศทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (Theory of General Relativity) ไอน์สไตน์ได้เสนอแนะว่าความโน้มถ่วง (gravity) ไม่ใช่แรงเหมือนแรงอื่นๆ แต่เป็นผลมาจากข้อเท็จจริงที่ว่า อวกาศ-เวลา (space-time) ไม่ได้แบนอย่างที่เคยสันนิษฐานไว้ก่อนหน้านี้ แต่มันโค้งหรือ “บิดงอ” ตามมวลและพลังงานที่กระจายตัวภายใน space-time วัตถุเช่นโลกไม่ได้ถูกทำให้เคลื่อนที่ไปตามทางโคจรที่โค้งโดยแรงโน้มถ่วงตามแบบของนิวตัน แต่มันกำลังเคลื่อนที่ไปตามเส้นทางที่ใกล้เคียงกับเส้นตรงที่สุดใน space-time ที่โค้งงอ หรือที่เราเรียกว่า เส้นจีโอเดสิก (Geodesic) จีโอเดสิก (Geodesic) คือเส้นทางที่สั้นที่สุด (หรือยาวที่สุด) ระหว่างจุดสองจุดที่อยู่ใกล้กัน ตัวอย่างเช่น พื้นผิวโลกเป็นพื้นที่โค้ง 2 มิติ Geodesic บนโลกเรียกว่า วงกลมใหญ่ (Great circle) และเป็นเส้นทางที่สั้นที่สุดระหว่างสองจุด (รูป 2.8) เนื่องจาก Geodesic เป็นเส้นทางที่สั้นที่สุดระหว่างสนามบินสองแห่ง นี่คือเส้นทางที่เจ้าหน้าที่นำทางของสายการบินบอกให้นักบินใช้เส้นทางบินนี้ ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป วัตถุจะเคลื่อนที่ตามเส้นตรงใน space-time 4 มิติ แต่อย่างไรก็ตามมันดูเหมือนว่าจะเคลื่อนที่ไปตามเส้นทางโค้งในอวกาศ 3 มิติของเรา (สิ่งนี้ค่อนข้างเหมือนกับการดูเครื่องบินที่บินอยู่เหนือพื้นดินที่เป็นเนินเขา […]

No Comments read more

ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#14 บทที่ 2 อวกาศ-เวลา : อวกาศ-เวลาและกรวยแสง

Posted: 31/12/2020 at 09:06   /   A Brief History of Time, Universe

ทฤษฎีสัมพัทธภาพได้เปลี่ยนแนวคิดเรื่องอวกาศและเวลาไปตลอดกาล ในทฤษฎีของนิวตัน ผู้สังเกตการณ์ต่างๆจะวัดเวลาที่แสงใช้ในการเดินทางจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งได้ค่าเดียวกัน (เนื่องจากเป็นเวลาสัมบูรณ์) แต่วัดระยะทางที่แสงเดินทางได้ค่าแตกต่างกัน (เนื่องจากไม่ใช่อวกาศสัมบูรณ์) เนื่องจากความเร็วของแสงเป็นเพียงระยะทางที่เดินทางหารด้วยเวลา (v = d/t) ดังนั้นผู้สังเกตการณ์ต่างๆ จะวัดความเร็วแสงได้ค่าแตกต่างกัน ในทางกลับกัน ในทฤษฎีสัมพัทธภาพ ผู้สังเกตการณ์ทั้งหมดจะวัดความเร็วแสงได้ค่าเท่ากัน ดังนั้นเวลาที่วัดต้องแตกต่างกัน (เวลามาจากสูตรการคำนวณ ระยะทางที่แสงเดินทางซึ่งผู้สังเกตการณ์ต่างๆ ได้ค่าต่างกัน หารด้วยความเร็วของแสงซึ่งผู้สังเกตการณ์ต่างๆ ได้ค่าเท่ากัน; t = d/v) กล่าวอีกนัยหนึ่งทฤษฎีสัมพัทธภาพปฏิเสธแนวคิดเรื่องเวลาสัมบูรณ์ (absolute time)! ดูเหมือนว่าผู้สังเกตการณ์แต่ละคนจะมีมาตรวัดตามนาฬิกาของตัวเองและนาฬิกาของผู้สังเกตการณ์แต่ละคนไม่จำเป็นต้องตรงกับของผู้อื่น ผู้สังเกตการณ์แต่ละคนสามารถใช้เรดาร์เพื่อบันทึกสถานที่และเวลาของเหตุการณ์ โดยส่งคลื่นแสงหรือคลื่นวิทยุออกมา ส่วนหนึ่งของลำแสงจะสะท้อนกลับมาที่เหตุการณ์ และผู้สังเกตการณ์จะวัดเวลาที่เกิดการสะท้อน เวลาของเหตุการณ์จึงอยู่กึ่งกลางระหว่างเวลาที่ลำแสงถูกส่งออกไปและเวลาที่ลำแสงสะท้อนกลับมา: ระยะทางของเหตุการณ์คำนวณโดยครึ่งหนึ่งของเวลาที่ใช้สำหรับการเดินทางไป-กลับ คูณด้วยความเร็วแสง (ในแง่นี้เหตุการณ์คือสิ่งที่เกิดขึ้นที่จุดเดียวในอวกาศ ณ เวลาที่กำหนด) แนวคิดนี้แสดงไว้ที่นี่ซึ่งเป็นตัวอย่างของตาราง space-time การใช้ขั้นตอนนี้ ผู้สังเกตการณ์ที่เคลื่อนที่สัมพันธ์กัน จะกำหนดเวลาและตำแหน่งที่แตกต่างกันในเหตุการณ์เดียวกัน ไม่มีการวัดของผู้สังเกตการณ์ใดที่ถูกต้องไปกว่าการวัดของผู้สังเกตการณ์คนอื่นๆ แต่การวัดทั้งหมดมีความสัมพันธ์กัน ผู้สังเกตการณ์สามารถกำหนดเวลาและตำแหน่งที่ผู้สังเกตการณ์คนอื่นจะกำหนดให้กับเหตุการณ์ได้อย่างแม่นยำ หากเขารู้ความเร็วสัมพัทธ์ของผู้สังเกตการณ์คนอื่น ๆ ปัจจุบันเราใช้วิธีนี้ในการวัดระยะทางได้อย่างแม่นยำ เพราะเราสามารถวัดเวลาได้แม่นยำกว่าการวัดความยาว ในทางปฏิบัติ หนึ่งเมตรถูกกำหนดเป็นระยะทางที่แสงเคลื่อนที่ไปได้ในเวลา 0.000000003335640952 วินาทีเมื่อวัดโดยนาฬิกาซีเซียม อีกวิธีหนึ่งเราสามารถใช้หน่วยความยาวใหม่ที่สะดวกกว่าเรียกว่า […]

No Comments read more

ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#13 บทที่ 2 อวกาศ-เวลา : ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของไอน์สไตน์

Posted: 28/12/2020 at 10:05   /   A Brief History of Time, Universe

สมมติฐานพื้นฐานของทฤษฎีสัมพัทธภาพที่ว่า “กฎของวิทยาศาสตร์ควรเหมือนกันสำหรับผู้สังเกตการณ์ที่เคลื่อนที่อย่างอิสระ” ไม่ว่าพวกเขาจะมีความเร็วเท่าใดก็ตาม นี่เป็นเรื่องจริงสำหรับกฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน แต่ตอนนี้แนวคิดนี้ได้ขยายออกไปเพื่อรวมทฤษฎีของ Maxwell และความเร็วของแสงไว้ “ผู้สังเกตการณ์ทุกคนควรวัดความเร็วแสงเท่ากันไม่ว่าจะเคลื่อนที่เร็วแค่ไหนก็ตาม” ความคิดง่ายๆนี้มีผลลัพธ์ที่น่าทึ่ง บางทีสิ่งที่รู้จักกันดีที่สุดคือ “ความเท่ากันของมวลและพลังงาน (equivalence of mass and energy)” ที่สรุปไว้ในสมการที่มีชื่อเสียงของไอน์สไตน์ E = mc2 (โดยที่ E คือพลังงาน m คือมวล และ c คือความเร็วแสง) และกฎที่ว่า “ไม่มีสิ่งใดเคลื่อนที่ได้เร็วกว่าความเร็วแสง” เนื่องจากความเท่าเทียมกันของพลังงานและมวล พลังงานที่วัตถุมีเนื่องจากการเคลื่อนที่ของมันจะเพิ่มมวลของมัน กล่าวอีกนัยหนึ่งก็คือจะทำให้เพิ่มความเร็วได้ยากขึ้น เอฟเฟกต์นี้มีความสำคัญมากสำหรับวัตถุที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วใกล้เคียงกับความเร็วแสงเท่านั้น ตัวอย่างเช่น ที่ 10% ของความเร็วแสง มวลของวัตถุจะมากกว่าปกติเพียง 0.5% ในขณะที่ความเร็วแสง 90% มวลของวัตถุจะมากกว่ามวลปกติถึง 2 เท่า เมื่อวัตถุเข้าใกล้ความเร็วแสง มวลของมันจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วมากขึ้นเรื่อยๆ ดังนั้นจึงต้องใช้พลังงานมากขึ้นในการเร่งความเร็วให้มากขึ้น ในความเป็นจริงมันไม่สามารถไปถึงความเร็วแสงได้ เพราะเมื่อนั้นมวลของมันจะกลายเป็นไม่มีที่สิ้นสุด จากความเท่าเทียมกันของมวลและพลังงาน มันจะต้องใช้พลังงานจำนวนไม่จำกัดเพื่อไปที่นั่น ด้วยเหตุนี้วัตถุใดๆ จึงถูกจำกัดความเร็วโดยทฤษฎีสัมพัทธภาพตลอดไปว่า จะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วช้ากว่าความเร็วแสง […]

No Comments read more

ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#12 บทที่ 2 อวกาศ-เวลา : การทดลองที่ปฏิเสธการดำรงอยู่ของอีเธอร์

Posted: 26/12/2020 at 10:26   /   A Brief History of Time, Universe

มีการเสนอว่ามีสารที่เรียกว่า “อีเธอร์ (ether)” ปรากฏอยู่ทุกหนทุกแห่งแม้ในพื้นที่ “ว่างเปล่า” คลื่นแสงควรเดินทางผ่านอีเธอร์เหมือนคลื่นเสียงเคลื่อนที่ผ่านอากาศ ดังนั้นความเร็วของพวกมันจึงควรสัมพันธ์กับอีเธอร์ แต่จะแตกต่างกันไปตามผู้สังเกตที่แตกต่างกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในขณะที่โลกเคลื่อนที่ผ่านอีเธอร์ขณะโคจรรอบดวงอาทิตย์ ความเร็วแสงที่เดินทางในทิศทางเดียวกันกับการเคลื่อนที่ของโลกรอบดวงอาทิตย์ผ่านอีเธอร์ (เมื่อเราเคลื่อนที่เข้าหาแหล่งกำเนิดแสง) ควรสูงกว่าความเร็วแสงที่เดินทางในทิศทางทำมุมฉากกับการเคลื่อนที่ของโลก (เมื่อเราเคลื่อนที่ออกจากแหล่งกำเนิดแสง) ในปี 1887 อัลเบิร์ต มิเชลสัน (ซึ่งต่อมากลายเป็นคนอเมริกันคนแรกที่ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์) และเอ็ดเวิร์ด มอร์ลีย์ ได้ทำการทดลองที่ School of Applied Science ในเมืองคลีฟแลนด์ พวกเขาเปรียบเทียบความเร็วของแสงที่เดินทางในทิศทางเดียวกันกับการเคลื่อนที่ของโลก กับความเร็วแสงที่เดินทางในทิศทางทำมุมฉากกับการเคลื่อนที่ของโลก พวกเขาประหลาดใจมากที่ได้ค่าเหมือนกันทุกประการ! ระหว่างปี 1887 ถึงปี 1905  มีความพยายามหลายครั้ง โดยเฉพาะนักฟิสิกส์ชาวดัตช์ เฮนดริก ลอเรนซ์ (Hendrik Lorentz) เพื่ออธิบายผลการทดลองของมิเชลสัน – มอร์ลีย์ ในแง่ของวัตถุที่หดตัวและนาฬิกาที่ช้าลงเมื่อเคลื่อนที่ผ่านอีเธอร์ อย่างไรก็ตามในบทความที่มีชื่อเสียงในปี 1905 อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) เสมียนที่ไม่มีใครรู้จักมาก่อนซึ่งทำงานอยู่ที่สำนักงานสิทธิบัตรสวิสได้แนะนำ (ในทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ-ผู้เขียน) ว่าไม่จำเป็นต้องคิดเรื่องอีเธอร์หากคุณปฏิเสธแนวคิดเรื่องเวลาสัมบูรณ์ (absolute time)  แนวคิดที่คล้ายกันนี้เกิดขึ้นใน […]

No Comments read more

ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#11 บทที่ 2 อวกาศ-เวลา : การวัดความเร็วแสงและคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

Posted: 24/12/2020 at 11:41   /   A Brief History of Time, Universe

มีสิ่งที่แตกต่างอย่างมากระหว่างแนวคิดของอริสโตเติลกับของกาลิเลโอและนิวตัน คืออริสโตเติลเชื่อในสภาวะที่อยู่กับที่ ซึ่งหมายความว่าวัตถุจะยังคงอยู่นิ่งหากไม่มีแรงกระทำกับมัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งอริสโตเติลคิดว่าโลกกำลังอยู่นิ่ง แต่กฎการเคลื่อนที่ของนิวตันบอกเราว่าไม่มีมาตรฐานเดียวในการอยู่กับที่ เราสามารถพูดได้ดีพอๆ กันว่าวัตถุ A อยู่กับที่ และวัตถุ B กำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ หรือวัตถุ B นั้นอยู่นิ่งและวัตถุ A กำลังเคลื่อนที่ ตัวอย่างเช่นหากเราละเลยความจริงที่ว่าโลกกำลังโคจรรอบดวงอาทิตย์ อาจกล่าวได้ว่าโลกอยู่กับที่ เราอาจพูดได้ว่ารถไฟกำลังเดินทางไปทางเหนือด้วยความเร็ว 90 ไมล์ต่อชั่วโมงหรือรถไฟกำลังหยุดนิ่ง คุณสามารถพูดได้อีกอย่างว่าโลกกำลังเคลื่อนที่ไปทางทิศใต้ด้วยความเร็ว 90 ไมล์ต่อชั่วโมง หากมีการทดลองกับวัตถุที่เคลื่อนที่บนรถไฟ กฎทั้งหมดของนิวตันยังคงใช้ได้กับกรณีนี้ ตัวอย่างเช่น การเล่นปิงปองบนรถไฟ เราจะพบว่าลูกบอลบนรถไฟที่กำลังวิ่งนั้นเป็นไปตามกฎของนิวตันเช่นเดียวกับลูกบอลบนโต๊ะข้างรางรถไฟ ดังนั้นจึงไม่มีทางบอกได้ว่ารถไฟกำลังวิ่งหรือพื้นโลกที่กำลังเคลื่อนที่ การขาดมาตรฐานที่สัมบูรณ์ของการอยู่กับที่ หมายความว่าเราไม่สามารถระบุได้ว่าสองเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นในเวลาต่างกันเกิดขึ้นในตำแหน่งเดียวกันในอวกาศหรือไม่ ตัวอย่างเช่น สมมติว่าลูกปิงปองของเราบนรถไฟกระดอนขึ้นลงบนโต๊ะสองครั้งในจุดเดิมห่างกันหนึ่งวินาที สำหรับใครบางคนที่อยู่ข้างรางรถไฟ เขากลับเห็นการตีกลับของลูกปิงปองดูเหมือนจะเกิดขึ้นห่างกันประมาณ 40 เมตร เนื่องจากรถไฟมีการเคลื่อนที่ไปไกลระหว่างการตีกลับลูกปิงปอง การไม่อยู่กับที่อย่างสัมบูรณ์จึงหมายความว่าเราไม่สามารถให้เหตุการณ์มีตำแหน่งที่แน่นอนในอวกาศได้อย่างที่อริสโตเติลเชื่อ คนบนรถไฟและอีกคนหนึ่งบนรางรถไฟจะมองเห็นตำแหน่งของเหตุการณ์และระยะทางระหว่างเหตุการณ์นั้นจะแตกต่างกันไป   เส้นทางที่วัตถุเคลื่อนที่ไปอาจมีลักษณะแตกต่างไปจากมุมมองของผู้สังเกตการณ์ที่อยู่ในสถานที่แตกต่างกัน (ภาพบน) ภาพจากมุมมองของผู้ที่ยืนอยู่ข้างทางรถไฟ (ภาพล่าง) ภาพจากมุมมองของผู้ที่อยู่บนรถไฟ (brieferhistoryoftime.com) นิวตันกังวลมากกับการขาดตำแหน่งสัมบูรณ์หรืออวกาศสัมบูรณ์ (absolute space) ตามที่เรียก เพราะมันไม่สอดคล้องกับความคิดของเขาที่มีต่อพระผู้เป็นเจ้า ในความเป็นจริงเขาปฏิเสธที่จะยอมรับการขาด […]

No Comments read more