วิศวกร VS ฟิสิกส์ยุคใหม่

                                                                                                           (ตอนที่๙)
Download PDF File

๑๙. ปัญหาของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษฯ ถึงตอนนี้เราจะมาพิจารณาถึงสาเหตุที่ทำให้เกิดมีปัญหาขึ้นในทฤษฎีนี้ ซึ่งตามความเห็นของผู้เขียนแล้ว สิ่งที่เป็นต้นเหตุของปัญหาต่างๆก็คือ สมมุติฐานหลักข้อแรกของทฤษฎีฯที่กล่าวว่า ความเร็วของแสงเป็นความเร็วสูงสุดซึ่งคงที่ในทุกกรอบอ้าวอิง โดยเราจะพิจารณากันในรายละเอียดในลำดับต่อไป

ตามประวัติศาสตร์ที่เล่ากันมาในตอนที่ไอน์สไตน์คิดสร้างทฤษฎีสัมพัทธภาพฯนี้ เขาได้พิจารณาเรื่องความไม่สอดคล้องกันระหว่างหลักการของทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าของแมกเวลล์ กับหลักการทางกลศาสตร์ของนิวตัน กล่าวคือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเคลื่อนที่ได้ด้วยความเร็วของแสง ในขณะที่วัตถุเคลื่อนที่ได้ด้วยความเร็วไม่จำกัดตามหลักการทางกลศาสตร์ของนิวตัน ซึ่งในกรณีนี้ไอน์สไตน์ได้จินตนาการว่า คงจะเป็นเรื่องที่แปลกประหลาดมาก ถ้าเราสามารถขึ้นขี่เพื่อเล่นเซิร์ฟไปบนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้ เช่นเดียวกับการเล่นเซิร์ฟไปบนคลื่นน้ำทะเล ดังที่แสดงไว้ในรูปการ์ตูน

ส่วนสาเหตุที่ทำเช่นนั้นไม่ได้ก็เพราะว่า มวลสารของตัวเราจะเพิ่มขึ้นเป็นอนันต์เมื่อเคลื่อนที่ได้ด้วยความเร็วของแสง (ตามที่บอกไว้ในทฤษฎีสัมพัทธภาพฯเอง) สำหรับสาเหตุที่มวลสารของวัตถุจะเพิ่มขึ้นตามความเร็วนั้น มันเป็นไปตามสูตรทางคณิตศาสตร์ของทฤษฎีฯ โดยไม่สามารถอธิบายถึงกลไกรทางกายภาพได้ว่ามันทำได้อย่างไร เพียงแต่ว่ามีผลการทดลองสนับสนุน

อนึ่งมีปรากฏการณ์อีกสองอย่างที่ผิดแปลกเพราะไม่เป็นไปตามหลักการกลศาสตร์พื้นฐานของนิวตัน (เช่นเดียวกับกรณีที่มวลสารของวัตถุจะเพิ่มขึ้นตามความเร็ว) คือ เมื่อวัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่เพิ่มขึ้นความยาวของมันจะสั้นลง และเวลาในกรอบอ้างอิงที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วจะช้าลง!!! สำหรับคำอธิบายก็ทำได้ในลักษณะเดียวกันกับกรณีที่มวลสารของวัตถุจะเพิ่มขึ้นตามความเร็ว

รูปการ์ตูนไอน์สไตน์เล่นเซิร์ฟบนคลื่นแสง

๒๐. อะไรคือกลไกรที่ทำให้มวลสารของวัตถุเพิ่มขึ้นตามความเร็ว ถึงตอนนี้ท่านผู้อ่านบางคนอาจจะสงสัยว่าทำไมเราจะต้องมาพิจารณาถึงกลไกรทางกายภาพของปรากฏการณ์เรื่องนี้ เพียงแค่เหตุผลที่อธิบายในตอนที่แล้วน่าจะพอยืนยันได้ว่ามันเป็นจริง แต่สำหรับตัวผู้เขียนแล้วเห็นว่าเรื่องนี้มีความสำคัญมาก เหตุผลก็คือ ขณะนี้เรากำลังพิจารณาเรื่องทางฟิสิกส์ซึ่งเป็นวิทยาศาสตร์ที่เกี่ยวกับปรากฏการณ์ทางธรรมชาติ ไม่ใช่สิ่งที่เกิดขึ้นได้โดยไม่มีอะไรอยู่เบื้องหลัง (PHYSICS IS THE SCIENCE OF NATURE – NOT A MAGIC ONE)

เพื่อให้เข้าใจถึงกลไกรทางกายภาพของปรากฏการณ์เรื่องนี้ได้ง่ายขึ้น เราจะมาดูตัวอย่างที่เกิดขึ้นในชีวิตประจำวันของเรากัน ซึ่งสำหรับคนที่ชอบขับรถยนต์ จะพบว่าเมื่อรถวิ่งด้วยความเร็วคงที่ เครื่องยนต์จะทำงานเท่าเดิมตลอดเวลา โดยสามารถสังเกตได้จากเสียงเครื่องยนต์ที่จะดังสม่ำเสมอ แต่ถ้าเราอยากให้รถวิ่งเร็วเพิ่มขึ้น เราจะต้องเยียบคันเร่งเพื่อให้เครื่องยนต์ทำงานมากขึ้น ซึ่งสาเหตุเป็นเพราะแรงลมที่ต้านการเคลื่อนที่ของรถจะเพิ่มมากขึ้นด้วยเช่นกัน (ตามรูปการ์ตูน - a)

ต่อมาสมมุติว่าเราอยู่ในสถานการณ์ที่ไม่รู้ว่ามีอากาศอยู่รอบๆตัวเรา แต่ประสพการที่มีจากการขับรถเป็นประจำ จะทำให้เรารู้สึกว่าเมื่อรถวิ่งด้วยความเร็วเพิ่มขึ้น เราจะต้องเยียบคันเร่งเพื่อให้เครื่องยนต์ทำงานมากขึ้น เปรียบเสมือนกับว่ามีแรงอะไรที่มองไม่เห็นคอยฉุดรถมากขึ้นตามความเร็ว (ตามรูปการ์ตูน - b)

จากสองเหตุการณ์ที่ที่กล่าวมาเมื่อรถมีแรงฉุดเกิดขึ้น สถานการณ์จะเสมือนกับว่าน้ำหนักรถจะเพิ่มขึ้นด้วย ซึ่งนั่นก็เท่ากับว่ามวลของรถจะเพิ่มขึ้นตามความเร็วนั่นเอง ที่แตกต่างกันก็คือในกรณีแรกเรารู้ว่ากลไกรที่เป็นตัวการคืออะไร ส่วนกรณีหลังเราไม่รู้ว่ามันเป็นอะไร แต่ที่แน่ๆจะต้องมีอะไรสักอย่างที่มองไม่เห็นเป็นตัวการอยู่อย่างแน่นอน !!!

รูปการ์ตูนแสดงการเพิ่มมวลรถตามความเร็ว

ถึงตอนนี้ท่านผู้อ่านบางคนอาจจะฉุกคิดขึ้นมาได้ว่า หรือว่าแรงลึกลับที่มองไม่เห็นเกิดจากตัวกลางอีเธอร์ที่เราพูดถึงอยู่บ่อยๆ และที่แน่ๆเรายังได้พิสูจน์แล้วว่ามันมีอยู่จริง ซึ่งแน่นอนถ้าเราปรับปรุงทฤษฎีสัมพัทธภาพโดยเพิ่มอีเธอร์เข้าไปด้วย ปัญหาเรื่องมวลสารของวัตถุที่เพิ่มขึ้นตามความเร็วก็อาจะอธิบายได้ แต่ปัญหาจะเปลี่ยนไปเป็นว่า เราจะทำมันได้ไหมและทำอย่างไร

อนึ่งเป็นที่น่าสังเกตว่าถ้าเราปรับปรุงทฤษฎีสัมพัทธภาพซึ่งมีอีเธอร์อยู่ด้วยได้ สิ่งสำคัญที่จะตามมาคือเราก็จะสามารถแก้ปัญหาของทฤษฎีโครงสร้างมาตรฐานของอนุภาคทางฟิสิกส์ ให้สอดคล้องกับทฤษฎีสัมพัทธภาพได้อีกอย่าง ดังนั้นขั้นตอนถัดไปเราจะมาดูกันว่าจะทำอย่างไร จึงจะได้ทฤษฎีสัมพัทธภาพที่สมบูรณ์ และหวังว่ามันแก้ปัญหาที่เหลือได้อีกเช่นกัน

ในตอนต่อไปเราจะมาดูกันว่า ตัวกลางอีเธอร์ที่มีอยู่ในทฤษฎีสัมพัทธภาพที่สมบูรณ์ จะสามารถแก้ปัญหาเรื่องที่ว่า เมื่อวัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่เพิ่มขึ้นความยาวของมันจะสั้นลง และเวลาในกรอบอ้างอิงที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วก็จะช้าลงเช่นกัน อย่าพลาดกันนะครับ

ติดต่อพูดคุย – แสดงความคิดเห็นที่..

nimit@vacuum-mechanics.com