ความเร็วแสงเกี่ยวข้องกับขีดจำกัดของจักรวาลอย่างไร

* รูปภาพใช้เพื่อประกอบเนื้อหาเท่านั้น อาจไม่ใช่ภาพเหตุการณ์จริงหรือภาพจริงจากเรื่องในบทความ ขอบคุณภาพประกอบจาก https://graphic.in.th

ลองเปิดไฟฉายส่องไปที่กำแพง แสงดูเหมือนจะไปถึงทันทีจนเราไม่ทันสังเกตว่ามันต้องใช้เวลาเดินทาง แม้แต่ตอนมองดวงจันทร์ ภาพที่เห็นก็ไม่ใช่ภาพ ณ วินาทีนั้นพอดี แต่เป็นแสงที่ออกจากดวงจันทร์มาเมื่อครู่

ระยะทางในห้องสั้นเกินกว่าที่ตาเราจะจับความล่าช้าได้ แต่เมื่อระยะทางยาวระดับอวกาศ เวลาที่แสงใช้เดินทางเริ่มมีความหมาย และนำไปสู่คำถามว่า มีอะไรเดินทางเร็วกว่านั้นได้ไหม

ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพ ความเร็วแสงในสุญญากาศคือขีดจำกัดความเร็วในการส่งสสารและข้อมูลจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งในบริเวณเฉพาะที่ มีค่าเท่ากับ 299,792,458 เมตรต่อวินาที หรือประมาณ 300,000 กิโลเมตรต่อวินาที ส่วนวัตถุที่มีมวลสามารถเข้าใกล้ความเร็วนี้ได้ แต่ไม่สามารถเร่งจนถึงค่านั้นได้

ตัวเลขนี้เร็วแค่ไหน? ถ้าคิดจากเส้นรอบวงโลกประมาณ 40,000 กิโลเมตร แสงในสุญญากาศจะเดินทางได้เป็นระยะทางเทียบเท่ากับรอบโลกประมาณ 7.5 รอบในหนึ่งวินาที เป็นการเทียบระยะให้เห็นภาพ ไม่ได้หมายความว่าแสงจะวิ่งวนรอบโลกตามเส้นทางนั้นจริง

ระหว่างโลกกับดวงจันทร์ แสงใช้เวลาเดินทางประมาณ 1.3 วินาทีต่อเที่ยว ส่วนแสงจากดวงอาทิตย์ใช้เวลาประมาณ 8 นาที 20 วินาทีจึงมาถึงโลก ดังนั้นการมองดวงอาทิตย์ผ่านวิธีที่ปลอดภัยจึงเป็นการเห็นสภาพของมันเมื่อราวแปดนาทีก่อน

ทำไมจึงเร่งวัตถุให้ถึงความเร็วแสงไม่ได้

ตามสัมพัทธภาพพิเศษ เมื่อวัตถุที่มีมวลเคลื่อนที่เร็วขึ้น การเพิ่มความเร็วให้เข้าใกล้ความเร็วแสงอีกเล็กน้อยจะต้องใช้พลังงานเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ และพลังงานที่ต้องใช้จะเพิ่มขึ้นโดยไม่มีขอบเขตเมื่อความเร็วเข้าใกล้ค่าดังกล่าว จึงไม่มีพลังงานจำนวนจำกัดที่เร่งวัตถุมีมวลจากความเร็วต่ำกว่าให้ถึงความเร็วแสงได้

นี่ไม่ได้เป็นเพียงเรื่องในกระดาษ นักฟิสิกส์ใช้เครื่องเร่งอนุภาคส่งอนุภาคที่มีมวลให้เคลื่อนที่ใกล้ความเร็วแสงได้มาก แต่การเพิ่มพลังงานไม่ได้ทำให้อนุภาคทะลุขีดจำกัดนั้น

แล้วแสงต่างจากยานอวกาศอย่างไร? โฟตอนซึ่งเป็นอนุภาคของแสงไม่มีมวลหยุดนิ่ง และในสุญญากาศโฟตอนเคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสง ส่วนยานอวกาศ คน และอนุภาคอย่างอิเล็กตรอนมีมวล จึงอยู่ภายใต้เงื่อนไขการเร่งที่ต่างออกไป

แสงไม่ได้มีความเร็วเท่ากันในทุกวัสดุ

คำว่า 299,792,458 เมตรต่อวินาทีระบุไว้สำหรับสุญญากาศ เมื่อแสงผ่านน้ำหรือแก้ว การเดินทางของแสงในตัวกลางช้าลงและทิศทางอาจเปลี่ยนไป เราจึงเห็นดินสอในแก้วน้ำเหมือนหักตรงผิวน้ำ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการหักเหของแสง

ในตัวกลาง อนุภาคบางชนิดสามารถเคลื่อนที่เร็วกว่าแสงที่เดินทางผ่านตัวกลางนั้นได้ แต่ยังไม่เร็วเกินความเร็วแสงในสุญญากาศ จึงไม่ใช่การทำลายขีดจำกัดที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพกล่าวถึง

ส่วนตัวเลขที่ดูแม่นยำถึงหลักหน่วยนั้นเป็นค่าที่กำหนดไว้แน่นอนในระบบหน่วยสากล โดยนิยามหนึ่งเมตรจากระยะทางที่แสงเดินทางในสุญญากาศภายในเวลา 1 ส่วน 299,792,458 วินาที

ขีดจำกัดนี้ทำให้การสื่อสารข้ามอวกาศมีเวลาหน่วงเสมอ ต่อให้ส่งสัญญาณจากโลกไปยังยานที่อยู่ไกลด้วยคลื่นวิทยุซึ่งเดินทางด้วยความเร็วแสงในสุญญากาศ ก็ยังต้องรอให้สัญญาณไปถึง และรอคำตอบเดินทางกลับมาอีกเที่ยว ระยะทางในจักรวาลจึงเป็นทั้งเรื่องของพื้นที่และเวลาไปพร้อมกัน