ไอน์สไตน์มั่วเรื่องสเปซไทม์หรือเปล่า?

แต่ไอน์สไตน์ไม่ได้มองที่ว่างกับเวลาเป็นสองสิ่งที่แยกจากกัน เขารวมทั้งสองเข้าด้วยกันเป็น ‘ที่ว่าง-เวลา’ (space-time) นั่นคือเราไม่อาจมองที่ว่างเป็นที่ว่างเฉยๆ เปรียบเสมือนการมองเก้าอี้สามขาตัวหนึ่งว่าประกอบด้วยแค่ขาสามขา แต่มันมีตะปูที่ยึดขาทั้งสามเข้าด้วยกันด้วย ‘ตะปู’ นี้ก็คือเวลา

นักฟิสิกส์ คิพ ธอร์น (ที่ปรึกษาหนังเรื่อง Interstellar) เปรียบ space-time กับท่อนไม้ชุ่มน้ำ ไม้คือที่ว่าง น้ำคือเวลา ทั้งสองเชื่อมเป็นตัวตนเดียวกันคือที่ว่าง-เวลา

ไอน์สไตน์เสนอทฤษฎีว่า ความเร็วแสงเป็นสัมบูรณ์ เนื่องจากความเร็วคือระยะทางหารด้วยเวลา ในเมื่อความเร็วเป็นสัมบูรณ์ ตามตรรกะก็แสดงว่าระยะทางกับเวลาไม่เป็นสัมบูรณ์! นั่นคือที่ว่าง-เวลาเปลี่ยนแปลงได้ มันไม่ได้อยู่ในสภาพคงที่ มันบิดโค้งได้ตามแรงโน้มถ่วงของดวงดาว พูดง่ายๆ คือ แสงวิ่งเป็นเส้นตรง แต่มวลของดวงดาวสามารถทำให้ที่ว่าง-เวลารอบดวงดาวบิดโค้ง แสงที่ผ่านพื้นที่นั้น ก็จะโค้งตามอวกาศที่โค้งไปด้วย

นี่ก็คือทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (General Relativity) ที่ไอน์สไตน์เสนอต่อโลกในปี 1915

การอธิบายเรื่อง space-time ที่นิยมมากที่สุดก็คือจินตนาการแผ่นยางบางที่แบนราบ นี่คือ space-time ในสถานะปกติ หากโยนลูกแก้วเล็กๆ ไปบนแผ่นยาง มันจะวิ่งไปเป็นเส้นตรง ลูกแก้วในที่นี้ก็คือการเดินทางของแสง

ทีนี้ลองวางลูกโบว์ลิงบนแผ่นยาง ตำแหน่งที่วางจะยุบตัวลง space-time จะบิดโค้งตามลูกโบว์ลิง หากลูกโบว์ลิงทำด้วยเหล็กหนัก การบิดโค้งของแผ่นยางก็จะมากขึ้น ยิ่งหนักเท่าไร การบิดโค้งก็ยิ่งมาก

คราวนี้หากโยนลูกแก้วเล็กลูกเดิม (คือการเดินทางของแสง) ลงไป ลูกแก้วจะวิ่งโค้งไปตามความบิดโค้งของแผ่นยางที่เกิดจากมวลของลูกโบว์ลิง

ทีนี้สมมุติว่าลูกโบว์ลิงนั้นมีขนาดใหญ่และหนักมากๆ ความบิดโค้งของแผ่นยางรอบลูกนั้นก็ลึกมาก ถ้ามวลของลูกโบว์ลิง (ดวงดาว) มากถึงจุดหนึ่ง ความบิดโค้งนั้นก็จะลึกจนแม้แต่แสงสว่างไม่อาจหนีออกมาได้ นี่ก็คือหลุมดำ (black hole)

มองง่ายๆ แบบนี้ก็จะเห็นว่า หลุมดำก็คือดวงดาวชนิดหนึ่ง! แต่เกิดจากดวงดาวที่ตายแล้ว คือผ่านการระเบิดแบบซูเปอร์โนวามาแล้ว

นี่คือทฤษฎีของไอน์สไตน์ แต่จะพิสูจน์อย่างไร?

การพิสูจน์กระทำได้โดยทดลองกับดวงอาทิตย์ของเราเอง ในเมื่อดวงอาทิตย์ของเรามีมวลสูงมาก ตามทฤษฎีของไอน์สไตน์ แรงโน้มถ่วงของมันก็ต้องสามารถทำให้พื้นที่ที่ว่าง-เวลาโดยรอบบิดโค้ง แสงจากดวงดาวไกลออกไปที่ส่งมายังโลกก็ต้องบิดโค้งไปด้วย

แต่เนื่องจากดวงอาทิตย์สว่างจ้าตลอดเวลา การทดลองจึงทำได้ในโอกาสเดียวเท่านั้นคือเมื่อเกิดสุริยุปราคาเต็มดวง แล้วทำการวัดตำแหน่งดาวใกล้พระอาทิตย์ของเรา

ไอน์สไตน์โน้มน้าวใจให้นักฟิสิกส์หลายคนทดสอบทฤษฎีของเขาโดยการถ่ายรูปดวงดาวยามเกิดสุริยุปราคา หนึ่งในนั้นคือ ฟินเลย์ ฟรอยนด์ลิก ชาวเยอรมันผู้เคยทำงานกับไอน์สไตน์มาก่อน และสนใจที่จะทำการทดลองนี้

ในเดือนสิงหาคม ปี 1914 เกิดสุริยุปราคาเต็มดวงที่ไครเมีย รัสเซีย ฟินเลย์ ฟรอยนด์ลิก ยกกองไปทำงาน การเดินทางมีค่าใช้จ่าย แต่เขาก็เรี่ยไรมาจนได้ และเดินทางไปที่แหลมไครเมีย ฟรอยนด์ลิกไม่ได้ทำการวัดค่าใดๆ เพราะสงครามโลกครั้งที่หนึ่งอุบัติขึ้นพอดี เขาและพวกถูกทหารรัสเซียจับข้อหาสายลับ หลังจากถูกกักขังอยู่หลายสัปดาห์ ก็ได้รับการปล่อยตัว โดยการแลกเชลยระหว่างรัสเซีย-เยอรมนี

นอกจาก ฟินเลย์ ฟรอยนด์ลิก แล้ว ยังมีนักดาราศาสตร์ชาวอเมริกันอีกคนหนึ่งที่สนใจการทดลองวัดค่าแสงดาวครั้งนี้เช่นกัน ชาวอเมริกันผู้นั้นไม่ถูกจับ แต่ทว่าตำแหน่งที่เขาไปถ่ายรูป ท้องฟ้าเต็มไปด้วยเมฆ ถ่ายรูปไม่ได้ ทำให้โครงการทดสอบทฤษฎีนี้ล้ม ทฤษฎีของไอน์สไตน์ไม่ได้รับการยืนยัน

…………..

ช่วงสงครามโลกครั้งที่ 1 เพื่อนนักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันหลายคนของไอน์สไตน์ใช้ความรู้วิทยาศาสตร์ช่วยรัฐบาลออกแบบอาวุธสงคราม เช่น แก๊สพิษ บ้างก็ส่งเสริมสงครามครั้งนี้ ไอน์สไตน์ซึ่งเกลียดสงครามรู้สึกเศร้าใจ เขากลายเป็นคนโดดเดี่ยว จึงใช้เวลาหมกมุ่นกับงานทฤษฎีสัมพัทธภาพ เขาพบด้วยความตกใจระคนดีใจว่าการคำนวณบางจุดของเขาผิดพลาด นั่นหมายถึงว่าหากการถ่ายรูปสุริยุปราคาครั้งนั้นสำเร็จ ก็จะไม่ตรงตามที่ทฤษฎีของเขาทำนายไว้ การถ่ายรูปไม่สำเร็จกลับเป็นคุณแก่เขาโดยไม่ตั้งใจ! เขาศึกษางานของตนเองใหม่และปรับปรุงแก้ไขให้สมบูรณ์ขึ้น

ทฤษฎีของไอน์สไตน์ยังคงดองไว้ในลิ้นชักอีกนานจนเกิดสุริยุปราคาเต็มดวงอีกครั้ง ในปี 1919 นักดาราศาสตร์ เซอร์ อาร์เธอร์ เอดดิงตัน กับคณะได้ถ่ายภาพดวงดาวขณะที่เกิดสุริยุปราคาเต็มดวงสำเร็จ แม้ผลการทดลองยังมีข้อบกพร่องอยู่บ้าง แต่ก็ชัดเจนว่า ตำแหน่งดวงดาวที่ส่งแสงใกล้ดวงอาทิตย์เปลี่ยนไปจริงๆ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ถูกต้อง ไอน์สไตน์โด่งดังระดับโลกชั่วข้ามคืน

โดยสรุป ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปแสดงให้เห็นว่า แรงโน้มถ่วงซึ่งเป็นแรงชนิดหนึ่งก็อยู่ในกฎเรขาคณิตได้ เมื่อเพิ่มมิติอีกหนึ่งมิติเข้าไปในสมการจักรวาล

แนวคิดของไอน์สไตน์ปฏิวัติวงการฟิสิกส์ชั่วข้ามคืน หลักการของเขาอธิบายสิ่งที่ฟิสิกส์เก่าอธิบายไม่ได้ ผลงานของไอน์สไตน์ทำให้โลกฟิสิกส์เข้าสู่ยุคที่สอง หลังจากยุคของนิวตัน

พอเข้าใจข่าวเมื่อวานนี้ที่ว่า หลุมดำชนกันแล้วเกิดคลื่นสั่น space-time แล้วยังครับ?

อยากรู้ลึกกว่านี้อีกนิด ก็คงต้องอ่าน ปลาที่ว่ายนอกสนามฟุตบอล ย่อยมาให้เคี้ยวง่ายที่สุดแล้ว (สวมรอยขายหนังสือเลย!)

วินทร์ เลียววาริณ