100 ปี สัมพัทธภาพทั่วไป
แอลเบิร์ต ไอน์สไตน์ เป็นนักฟิสิกส์ที่นิตยสารไทม์ยกย่องให้เป็นบุคคลแห่งคริสต์ศตวรรษที่ 20
โดย...วรเชษฐ์ บุญปลอด
แอลเบิร์ต ไอน์สไตน์ เป็นนักฟิสิกส์ที่นิตยสารไทม์ยกย่องให้เป็นบุคคลแห่งคริสต์ศตวรรษที่ 20 ซึ่งไทม์ถือว่าเป็นศตวรรษแห่งวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ไอน์สไตน์ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์เมื่อ ค.ศ. 1921 จากการเป็นผู้มีส่วนสำคัญในความก้าวหน้าของฟิสิกส์ทฤษฎี โดยเฉพาะอย่างยิ่งจากการค้นพบกฎของปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก (อิเล็กตรอนหลุดออกจากโลหะเมื่อได้รับพลังงานจากแสง) ทว่าทฤษฎีที่มีชื่อเสียงที่สุดของเขาคือทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษและทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ไอน์สไตน์เผยแพร่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเมื่อวันที่ 25 พ.ย. ปี ค.ศ. 1915 ปีนี้จึงครบรอบ 100 ปี
ค.ศ. 1905 ไอน์สไตน์ตีพิมพ์ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ อธิบายว่ากฎทางฟิสิกส์ใช้ได้เหมือนกับหมดสำหรับผู้สังเกตทุกคนที่เคลื่อนที่สัมพัทธ์กันด้วยความเร็วคงที่ และความเร็วแสงในสุญญากาศคงที่เสมอ ไม่ขึ้นกับการเคลื่อนที่ของผู้สังเกตหรือแหล่งกำเนิดแสง หลังจากนั้น 10 ปี ไอน์สไตน์ก็ตีพิมพ์ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ซึ่งใช้กับกรอบอ้างอิงที่เคลื่อนที่สัมพัทธ์กันด้วยความเร่ง
ทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์อธิบายถึงปรากฏการณ์ที่ขัดกับสามัญสำนึกของเรา เช่น เวลาเดินต่างกับสำหรับผู้สังเกตแต่ละคน หากเราเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงมากเมื่อเทียบกับผู้สังเกตที่อยู่นิ่ง เวลาของเราจะเดินช้ากว่าเวลาของเขา วัตถุที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วใกล้ความเร็วแสง จะปรากฏให้เห็นว่ามีขนาดสั้นลงในแนวทิศทางการเคลื่อนที่ เมื่อมองจากผู้สังเกตที่เคลื่อนที่ช้ากว่า เป็นต้น
ฟิสิกส์อธิบายว่าเอกภพมี 4 มิติ ประกอบด้วยปริภูมิ 3 มิติ และอีกมิติหนึ่งคือเวลา เรียกรวมกันว่าปริภูมิ-เวลา (space-time) ทฤษฎีสัมพัทธภาพแสดงว่าความโน้มถ่วงไม่ใช่เพียงแค่แรงที่กระทำระหว่างวัตถุอย่างที่อธิบายด้วยกลศาสตร์นิวตัน แต่เป็นผลจากการบิดเบี้ยวของปริภูมิ-เวลา ซึ่งขึ้นกับมวลของวัตถุ
จากทฤษฎีนี้แสดงว่ายิ่งวัตถุมีมวลมากเท่าใด ปริภูมิ-เวลาก็จะบิดเบี้ยวมากขึ้น การบิดเบี้ยวนี้ไม่สามารถสังเกตเห็นได้ด้วยตาของเราหรือวัดโดยตรงด้วยเครื่องมือ แต่ก็ได้รับการพิสูจน์ว่าเป็นจริงจากปรากฏการณ์ทางดาราศาสตร์หลายปรากฏการณ์
การเปลี่ยนแปลงในวงโคจรของดาวพุธเป็นปรากฏการณ์แรกที่ไอน์สไตน์ใช้พิสูจน์ว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพถูกต้อง ดาวพุธโคจรรอบดวงอาทิตย์ในวงโคจรรูปวงรี เช่นเดียวกับดาวเคราะห์ดวงอื่น แต่ด้วยการที่ดาวพุธอยู่ใกล้ดวงอาทิตย์ที่สุด เคลื่อนที่ครบรอบโดยใช้เวลาสั้นที่สุด นักดาราศาสตร์พบว่าวงโคจรของดาวพุธแกว่งไปรอบๆ โดยจุดใกล้ดวงอาทิตย์ที่สุดเลื่อนไปข้างหน้าอย่างช้าๆ ซึ่งส่วนใหญ่เป็นผลจากการรบกวนจากดาวเคราะห์ดวงอื่น กลศาสตร์ของนิวตันไม่สามารถอธิบายการเลื่อนดังกล่าวได้ทั้งหมด แต่เมื่อคิดผลจากทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ ทำให้ผลการคำนวณสอดคล้องกับผลการสังเกตได้ในที่สุด
จากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป วัตถุมวลมากอย่างดวงอาทิตย์สามารถเบี่ยงเบนแนวการเคลื่อนที่ของแสงได้ ดังนั้นวิธีหนึ่งในการพิสูจน์คือการวัดตำแหน่งดาวที่ปรากฏใกล้ขอบดวงอาทิตย์ ซึ่งควรจะเปลี่ยนไปจากเดิมเล็กน้อย สุริยุปราคาเต็มดวงเมื่อวันที่ 29 พ.ค. ปี ค.ศ. 1919 ซึ่งมืดเต็มดวงยาวนานกว่า 6 นาที จึงถูกใช้ในการพิสูจน์ปรากฏการณ์นี้ สุริยุปราคาเต็มดวงครั้งนั้นเห็นได้ภายในแถบแคบๆ ลากผ่านทวีปอเมริกาใต้ มหาสมุทรแอตแลนติก และแอฟริกา เซอร์ อาร์เทอร์ เอ็ดดิงตัน ชาวอังกฤษ ได้เดินทางไปสังเกตการณ์บนเกาะปรินซิปีเพื่อพิสูจน์ทฤษฎีของไอน์สไตน์ และยืนยันว่าตำแหน่งดาวเปลี่ยนไปจริงตามทฤษฎี
การสังเกตการณ์อื่นๆ ที่แสดงให้เห็นถึงผลจากความโน้มถ่วงที่กระทำต่อปริภูมิ-เวลา เช่น ปรากฏการณ์เลนส์โน้มถ่วง ทำให้เห็นแสงของวัตถุที่อยู่หลังวัตถุมวลมาก อย่างหลุมดำ ดาราจักร ถูกเบี่ยงเบนไปปรากฏอยู่รอบหรือข้างๆ หลุมดำโดยแสงถูกขยายและบิดเบี้ยวไป
ความโน้มถ่วงและการหมุนของโลกก็ทำให้เกิดการบิดเบี้ยวของปริภูมิ-เวลา ค.ศ. 2004 องค์การนาซ่าส่งยานกราวิตีโพรบ-บี (Gravity Probe B) เพื่อพิสูจน์ทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ โดยวัดผลที่เกิดจากปรากฏการณ์ดังกล่าวด้วยความแม่นยำสูง ซึ่งปรากฏว่าก็วัดได้สอดคล้องกับทฤษฎี