Newsletter subscribe

Origin and Evolution of The Universe, Universe

กำเนิดและวิวัฒนาการของจักรวาล#11 ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของไอน์สไตน์ตอนที่ 6 Time Travel

Posted: 03/08/2020 at 21:16   /   by   /   comments (0)

เดอะ ไทม์แมชชีน (The Time Machine) เป็นหนึ่งในนวนิยายวิทยาศาสตร์ที่ได้รับความนิยมมากที่สุดที่เขียนโดย เอช.จี เวลส์ (H.G Wells) ในปี 1895 ซึ่งมีอิทธิพลอย่างมากต่อโลก ในนวนิยายของเวลส์ นักท่องเวลาได้สร้างไทม์แมชชีนที่สามารถย้อนกาลเวลากลับไปในอดีตและเดินทางผ่านข้ามกาลเวลาไปสู่อนาคต 

ความคิดของการเดินทางข้ามเวลาที่ยิ่งใหญ่นี้ เป็นสิ่งน่าท้าทายสำหรับนักวิทยาศาสตร์มากมาย นักวิทยาศาสตร์หลายคนได้ทำการวิจัยมานานหลายทศวรรษเพื่อค้นหาว่ามนุษย์สามารถเดินทางข้ามเวลาได้หรือไม่ อย่างไรก็ตามเมื่อเราคิดถึง “การเดินทางข้ามเวลา” เรามักจะคิดถึงการเดินทางที่เร็วกว่าความเร็วแสง การเดินทางข้ามเวลาแบบนั้น ดูเหมือนจะเห็นเฉพาะในภาพยนตร์หรือหนังสือนิยายวิทยาศาสตร์ มันจะเป็นจริงหรือไม่ วิทยาศาสตร์บอกว่า ได้!

 

 

Maître Gims – Je te pardonne ft. Sia

 

 

Time Travel In Physics

spaceplace.nasa.gov

กว่า 100 ปีมาแล้ว อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) ประกาศทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ (Theory of special relativity; 1905) และ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (Theory of general relativity; 1915) ทั้งสองทฤษฎีบอกว่า อวกาศและเวลา (space-time) เชื่อมโยงกัน และดูเหมือนจะบอกว่าการเดินทางข้ามเวลาไปในอดีตและอนาคตมีความเป็นไปได้!

จากทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ ไอน์สไตน์ระบุว่าแสงซึ่งประกอบด้วยอนุภาคโฟตอน (photon) เคลื่อนที่เร็วที่สุดในจักรวาล ไม่มีอะไรที่เคลื่อนที่ได้เร็วกว่าแสงได้อีกแล้ว และความเร็วแสงในสูญญากาศหรืออวกาศจะคงที่เสมอ (c = 300,000 กิโลเมตร/วินาที)  เวลาของวัตถุที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วใกล้กับความเร็วแสงจะเดินช้าลง ยิ่งความเร็วใกล้ความเร็วแสงมากเท่าไหร่ เวลายิ่งช้าลงมากเท่านั้น นั่นคือการยืดออกของเวลา “Time dilation”

 

การยืดออกของเวลา (Time dilation)

spaceplace.nasa.gov

การเดินทางข้ามเวลา หมายความว่าอย่างไร ตามทฤษฏีสัมพัทธภาพพิเศษของไอน์สไตน์ (Einstein’s theory of special relativity) “ยิ่งเราเดินทางเร็วเท่าไหร่ เราก็ยิ่งใช้เวลาช้าลงเท่านั้น” หรือ “นาฬิกาเคลื่อนที่จะเดินช้ากว่านาฬิกาที่อยู่กับที่” แนวคิดนี้ได้รับการทดสอบมาหลายครั้งแล้ว และนักวิทยาศาสตร์พบว่าไอน์สไตน์นั้นถูกต้อง นาฬิกาอะตอมบนเครื่องบินและบนดาวเทียมจะเดินช้ากว่านาฬิกาอะตอมบนโลก

ตัวอย่างเช่น มีการทดลองที่ใช้นาฬิกาอะตอมสองชุด นาฬิกาเรือนหนึ่งอยู่บนโลก ในขณะที่อีกเรือนหนึ่งบินอยู่ในเครื่องบินที่บินรอบโลกไปในทิศทางเดียวกับที่โลกหมุน นักวิทยาศาสตร์พบว่า นาฬิกาบนเครื่องบินจะเดินช้ากว่านาฬิกาบนพื้นดินเล็กน้อย (300 x 10-9 วินาที)

 

Twin Paradox

ffden-2.phys.uaf.edu

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทำนายว่า ถ้าใครคนใดคนหนึ่งเคลื่อนที่ออกไปจากโลกที่ความเร็วสัมพัทธ์ และย้อนกลับมายังโลก เวลาจะผ่านไปบนโลกจะมากกว่าเวลาสำหรับนักเดินทาง นี้เป็นปรากฎการณ์ “การยืดออกของเวลา (Time dilation)” ทำให้นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่า “การเดินทางไปในอนาคต” มีความเป็นไปได้!

ตัวอย่างเช่น  แมรี่เป็นนักบินอวกาศขององค์การ NASA อายุ 30 ปี ในปี 2040 เธอเดินทางออกสู่อวกาศด้วยยานอวกาศความเร็วใกล้แสง 270,000 กิโลเมตร/วินาที หรือ 90% ของความเร็วแสง เพื่อทำภารกิจสำรวจดาวใกล้เคียงเป็นเวลา 10 ปี สำหรับแมรี่ทุกอย่างดูปกติในจรวดของเธอ นาฬิกาดูเหมือนปกติ และเมื่อ 10 ปีบนโลกผ่านไป ภารกิจของแมรี่ในอวกาศเสร็จสิ้นลง เธอได้กลับคืนมายังโลก NASA พบว่านักบินอวกาศแมรี่มีอายุน้อยกว่าซูซานน้องสาวฝาแฝดของเธอผู้ที่อยู่บนโลกถึง 5 ปี! เกิดอะไรขึ้น?

ย้อนกลับไปที่ทฤษฏีสัมพัทธภาพพิเศษของไอน์สไตน์อีกครั้ง “นาฬิกาเคลื่อนที่จะเดินช้ากว่านาฬิกาที่อยู่กับที่” ยิ่งนาฬิกาเคลื่อนที่เร็วขึ้น เวลาก็ยิ่งช้าลงเท่านั้น ผลของการยืดออกของเวลา จะเริ่มปรากฏเด่นชัดที่ความเร็วใกล้เคียงกับความเร็วแสง (300,000 กิโลเมตร/วินาที หรือ 186,300 ไมล์/วินาที)

จากสมการ Time dilation

    

 

ผลลัพธ์ที่ได้จาก Time dilation equation ทำให้เห็นว่าการเดินทางที่ 90% ของความเร็วแสง เวลาจะช้าลงถึงประมาณ 50% ของเวลาปกติ

ดังนั้นสำหรับการเดินทางใกล้ความเร็วแสง ที่ 90% ของความเร็วแสง เวลาจะเดินช้าลงประมาณครึ่งหนึ่งของเวลาสัมพัทธ์กับสิ่งที่อยู่นิ่ง ดังนั้น 10 ปีผ่านไปสำหรับซูซานน้องสาวฝาแฝดผู้ที่อยู่บนโลก แต่เป็นเพียง 5 ปีผ่านไปสำหรับนักบินอวกาศแมรี่ ในมุมมองนี้ นักบินอวกาศเป็นนักเดินทางข้ามเวลาจากผลของ Time dilation 

 

 

R3hab – Icarus

 

 

“จะเกิดอะไรขึ้นถ้าสามารถเดินทางเร็วเท่ากับความเร็วแสง?”

thelachatupdate.com

ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของไอน์สไตน์ (Einstein’s theory of special relativity) ยิ่งเราเคลื่อนที่ในอวกาศเร็วเท่าไหร่ เวลาของเรายิ่งเดินช้าลง และไอน์สไตน์ยังแสดงให้เห็นว่าการเดินทางที่ความเร็วแสงหรือเร็วกว่าความเร็วแสงนั้นเป็นไปไม่ได้

ในปี 1905 อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ได้ประกาศทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ ซึ่งมีหลักการอยู่บนสมมติฐาน 2 ข้อ คือ “กฎทางฟิสิกส์ทั้งหมดจะเหมือนกันในทุกกรอบอ้างอิงเฉื่อย” และ “ความเร็วของแสงในสูญญากาศนั้นเท่ากันสำหรับผู้สังเกตการณ์ทุกคนโดยไม่คำนึงถึงการเคลื่อนที่ของแหล่งกำเนิดแสงหรือการเคลื่อนที่ของผู้สังเกตุการณ์” เมื่อรวมกับกฎฟิสิกส์อื่นๆ ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษทำนายความเท่ากันของมวลและพลังงาน (mass–energy equivalence) ดังแสดงด้วยสมการ E = mc2 โดยที่ c คือความเร็วของแสงในสูญญากาศ (3000,000 กิโลเมตร/วินาที) และเนื่องจากแสงประกอบด้วยอนุภาคโฟตอน (photon) ซึ่งไม่มีมวล ดังนั้นแสงจึงเป็นสิ่งที่เคลื่อนที่เร็วที่สุดในจักรวาล และไม่มีสิ่งใดสามารถเคลื่อนที่เร็วกว่าแสง การจำกัดความเร็วของจักรวาลให้อยู่ที่ความเร็วแสงนี้ เป็นเรื่องที่ถกเถียงกันอย่างมากในวิชาฟิสิกส์ และแม้กระทั่งในนิยายวิทยาศาสตร์ เนื่องจากผู้คนต่างคิดถึงการเดินทางข้ามระยะทางที่กว้างไกลในจักรวาล 

สมการ E = mc2 แสดงให้เห็นว่า เมื่อวัตถุเคลื่อนที่เข้าใกล้ความเร็วแสง จะมีการเพิ่มขึ้นของมวลและหนักขึ้นเรื่อยๆ และหากเพิ่มความเร็วจนถึงความเร็วแสง มวลและน้ำหนักของมันจะเพิ่มขึ้นมากอย่างไม่มีที่สิ้นสุด ซึ่งต้องใช้พลังงานอย่างไม่มีที่สิ้นสุดในการเคลื่อนที่ให้ถึงความเร็วแสง ซึ่งเป็นไปไม่ได้ เพราะมีพลังงานไม่เพียงพอในจักรวาล รวมทั้งแรงกดจะทำให้ยานอวกาศและร่างกายของมนุษย์ได้รับการเปลี่ยนโฉม หดสั้นบางเหมือนกระดาษจนเป็นศูนย์ นักท่องเวลาก็จะไม่มีชีวิตอีกต่อไป ดังนั้นหากพิจารณาจากสมการ E = mc² จึงเป็นไปไม่ได้สำหรับผู้เดินทางข้ามเวลาเดินทางโดยใช้ Time Machine

 

การเดินทางข้ามเวลาเป็นไปได้ด้วย “รูหนอน”

computerscience0.xyz

ในปี 1935 ไอน์สไตน์ (Einstein) และนักฟิสิกส์ นาธาน โรเซ็น (Nathan Rosen) ทำงานร่วมกันในการใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (Theory of general relativity; 1915) อธิบายความคิดโดยละเอียดเกี่ยวกับการดำรงอยู่ของ “สะพานพิเศษ” ผ่านอวกาศ-เวลา (space-time) สะพานเหล่านี้เชื่อมจุดสองจุดที่อยู่ห่างไกลกันในจักรวาล เป็นทางลัดที่สามารถย่นเวลาและระยะทางในการเดินทาง เรียกว่า “สะพานไอน์สไตน์ – โรเซ็น (Einstein-Rosen bridges)” หรือ รูหนอน (wormholes)

ปัจจุบันรูหนอนเป็นเพียงโครงสร้างเชิงทฤษฎีที่ได้มาจากสมการคณิตศาสตร์ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ยังไม่มีหลักฐานหรือการทดลองใดที่พิสูจน์การมีอยู่ของพวกมัน

 

physics.stackexchange.com

จากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (Theory of general relativity; 1915) ไอน์สไตน์กล่าวว่า อวกาศ-เวลา หรือ space-time ก็เหมือนเส้นใยผ้าที่ถักทอเป็นผืนผ้า (fabric) ในอวกาศที่ว่างเปล่า space-time fabric จะแบนราบเรียบ แต่ในบริเวณที่ปรากฎมวลสารขนาดใหญ่หรือพลังงานอันยิ่งใหญ่ จะทำให้ space-time fabric เกิดการบิดเบี้ยวหรือโค้งงอ

 

sholtoainslie.com

ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ไอน์สไตน์ใช้สมการคณิตศาสตร์ทำนายการมีอยู่ของรูหนอนในจักรวาล มันเป็นโครงสร้างสมมุติฐานในทางทฤษฎี ไอน์สไตน์คิดว่ามันเป็นไปได้ที่ space-time fabric บริเวณหลุมดำ 2 หลุมถูกพับด้วยพลังงานอันยิ่งใหญ่ สร้างทางลัดระหว่างสองสถานที่ที่ห่างไกลกันในจักรวาล ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า รูหนอน (wormholes) และสามารถมองเห็นเป็นอุโมงค์ที่มีช่องเปิดสองช่อง สสารสามารถเดินทางจากปากของหลุมดำหนึ่งผ่านคอไปออกทางปากของอีกหลุมดำ ทำให้นักเดินทางสามารถเคลื่อนที่ผ่านระยะทางไกลๆ ในอวกาศได้อย่างรวดเร็วและเดินทางข้ามเวลา

แต่ปัญหาอยู่ที่ความมั่นคงของรูหนอน แม้รูหนอนจะปรากฎขึ้น มันก็อาจจะยุบตัวหายไปก่อนที่ยานอวกาศจะเดินทางเข้าไปข้างใน เนื่องจากความโน้มถ่วง (gravity) ในคอขวดของรูหนอนจะสูงมาก วิธีเดียวที่พวกเขาสามารถผ่านได้ คือ ทำให้รูหนอนมีความเสถียร การทำให้รูหนอนเปิดตลอดเวลาในขณะที่นักเดินทางกำลังเดินทางผ่าน จำเป็นต้องมี “สสารแปลกใหม่ (exotic matter)” ซึ่งเป็นสสารสมมุติในทางทฤษฎี ที่มีมวลและพลังงานเป็นลบ (negative mass-energy) และปัจจุบันยังไม่มีหลักฐานที่จะพิสูจน์ว่ามันมีอยู่จริง

สสาร (matter) ปฎิสสาร (anti-matter) และแม้แต่สสารมืด (dark-matter) มีมวลและพลังงานเป็นบวก (positive mass-energy) หมายความว่า มันจะโค้งงอ spece-time แต่สำหรับสสารแปลกใหม่ (exotic matter) เป็นสิ่งที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิง – ให้จินตนาการถึง spece-time ที่ถัดทอเป็นผืนผ้าแทนด้วยแทรมโพลีน  ทุกอย่างที่มีมวลเป็นบวกเช่น ลูกบาสเกตบอลจะทำให้แทรมโพลีนโค้งงอลง ในขณะที่ exotic matter จะดึงแทรมโพลีนขึ้น มันเป็นสสารชนิดใหม่ที่ไม่ได้อยู่ในกฎความโน้มถ่วง มันมีมวลและพลังงานเชิงลบ (negative mass-energy)  เช่น การเร่งในทิศทางตรงกันข้ามกับแรงที่ใช้ ในขณะที่ความโน้มถ่วงทำให้ space-time fabric เป็นหลุมยุบลงไป แต่ในทางตรงข้าม exotic matter จะทำให้ space-time fabric เด้งกลับมาเปิดทันที ดังนั้นมันจึงรักษาความมั่นคงของรูหนอนไว้ได้!

all4desktop.com

นิยายวิทยาศาสตร์และภาพยนตร์ sci-fi เต็มไปด้วยเรื่องราวของการเดินทางผ่านรูหนอน (wormholes) หนึ่งในนั้นคือเรื่อง “Interstellar” ในเนื้อหาของภาพยนตร์ ตัวเอกของเรื่องผ่านเข้าไปในรูหนอน ที่ซึ่งเขาสามารถเห็นการไหลของเวลา ณ ช่วงเวลาต่างๆ ภายในห้องนอนของลูกสาวหลังชั้นหนังสือ

 

 

Imagine Dragons – I Bet My Life