การยืดออกของเวลา

จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี
การยืดออกของเวลาอธิบายถึงปรากฏการณ์ที่นาฬิกาแต่ละเรือนเดินไม่พร้อมกันภายใต้แรงโน้มถ่วงและความเร็วที่ต่างกัน ยกตัวอย่างเช่น นักบินอวกาศที่เดินทางกลับมาจากภารกิจบนสถานีอวกาศนานาชาติจะแก่ตัวช้ากว่าที่เขาอยู่บนโลกเล็กน้อย (อ่านต่อด้านล่าง) และดาวเทียมจีพีเอสจะทำงานได้ถูกต้องก็ต้องเทียบเวลาให้เดินเร็วถูกต้องตามเวลาบนพื้นโลก[1]

ในทฤษฎีสัมพัทธภาพ การยืดออกของเวลา (อังกฤษ: Time dilation) คือความต่างของเวลาที่ผ่านไปซึ่งวัดได้จากการสังเกตของผู้สังเกตที่เคลื่อนที่สัมพัทธ์กัน หรืออยู่ในสนามโน้มถ่วงที่มีความรุนแรงไม่เท่ากัน

นาฬิกาอะตอมซึ่งมีความแม่นยำสูงมากหากถือโดยผู้สังเกตคนหนึ่งอาจจะเดินช้ากว่าหรือเร็วกว่าเมื่อเทียบกับนาฬิกาที่แม่นยำเช่นเดียวกันอีกเรือนที่อยู่กับผู้สังเกตอีกคน นี่ไม่ใช่เพราะว่านาฬิกาเรือนใดเดินผิดพลาด หรือเกิดจากความล่าช้าในการติดต่อสื่อสารระหว่างผู้สังเกตทั้งสอง (ความจริงที่ว่าไม่มีสัญญาณใดที่เดินทางได้เร็วกว่าความเร็วแสง แต่ในการทดลองสามารถทดเวลาดังกล่าวได้) แต่เป็นความจริงของธรรมชาติข้อหนึ่งของกาลอวกาศ (spacetime) กล่าวคือเวลาของผู้สังเกตแต่ละคนอาจเดินเร็วไม่เท่ากัน แต่ความเร็วแสดงที่สังเกตได้ในสุญญากาศเร็วเท่ากันเสมอ

ภาพรวม[แก้]

การยืดของเวลาเนื่องจากความเร็วสัมพัทธ์[แก้]

เหตุการณ์นี้จะเกิดขึ้นเมื่อผู้สังเกตทั้งสองเคลื่อนที่สัมพัทธ์กันแบบะไร้ความเร่ง และทั้งสองอยู่ห่างไกลจากวัตถุมวลมาก (วัตถุที่เป็นแหล่งสนามโน้มถ่วง) แต่ละผู้สังเกตจะเห็นว่าอีกฝ่ายเคลื่อนที่และนาฬิกาของอีกฝ่ายนั้นเดิน ช้ากว่า ของตน และยิ่งความเร็วสัมพัทธ์กันมากขึ้นเท่าไหร่ความเร็วการเดินของนาฬิกาก็ยิ่งต่างกันมากขึ้นเท่านั้น กล่าวคือหากผู้สังเกตคนแรกเห็นผู้สังเกตอีกคนเคลื่อนที่เร็วขึ้น (เมื่อเทียบกับผู้สังเกตแรก) แล้วผู้สังเกตคนแรกก็จะเห็นว่าเวลาของผู้สังเกตอีกคน ยืดออกมากขึ้น หลายครั้งเรียกปรากฏการณ์นี้ว่าการยืดออกของเวลาเนื่องจากสัมพัทธภาพพิเศษ (เนื่องจากเป็นกรณีพิเศษคือแต่ละผู้สังเกตไม่มีความเร่ง และไม่มีผลจากสนามโน้มถ่วงเข้ามาเกี่ยวข้อง)

ยกตัวอย่างเช่นจรวดสองลำ คือ และ เคลื่อนที่อย่างรวดเร็วสวนกันในอวกาศ ถ้าหากว่าผู้คนในยาน สามารถมองเห็นนาฬิกาที่อยู่ในยาน ได้อย่างชัดเจน ก็จะเห็นว่านาฬิกาในยาน เดินช้ากว่านาฬิกาบนยานของตน แม้ทุกสิ่งทุกอย่างที่อยู่ในกรอบอ้างอิงเดียวกันกับยาน จะดำเนินเป็นปกติ ไม่ได้รับรู้ถึงเวลาที่เดินเร็วกว่าหรือช้ากว่า แต่เมื่อนำตนไปเปรียบเทียบกับยาน แล้วก็จะเห็นว่าทุกสิ่งทุกอย่างในยาน เป็นไปช้ากว่ามาก และในทางกลับกันด้วยสำหรับคนในยาน

ณ จุดนี้ปัญหาก็จะเกิดขึ้น เพราะจะเห็นว่าแต่ละยานจะเห็นเวลาของอีกยานเดินช้ากว่าของตน แล้วคนในยานไหนกันแน่ที่จะแก่กว่ากันถ้าหากคนจากทั้งสองยานได้มาเจอกัน? ปัญหานี้มีลักษณะเดียวกันกับปัญหาฝาแฝดพิศวง (twin paradox) แน่นอนที่สุดว่าไม่มีทางที่การสังเกตทั้งสองฝ่ายจะเป็นจริงพร้อมกันได้ แต่ปัญหานี้ไม่สามารถตอบได้ด้วยสมมติฐานที่ว่า ไร้ความเร่ง ของสัมพัทธภาพพิเศษ เนื่องจากทั้งสองฝ่ายไม่สามารถพบกันโดยปราศจากความเร่ง เนื่องจากทั้งสองได้จากกันไปแล้วหากจะกลับพบกันย่อมต้องอาศัยความเร่ง (ในทางกลับกันการจากกันก็ต้องอาศัยความเร่ง) อย่างไรก็ดีปัญหานี้ได้รับการพิสูจน์จากนาฬิกาที่แม่นยำสองเรือนที่นำไปวางไว้บนสถานีอวกาศนานาชาติและอยู่บนพื้นโลก (นาฬิกาบนสถานีอวกาศจะเดินช้ากว่าบนโลก 0.007 วินาที ทุก ๆ 6 เดือน)

การยืดของเวลาเนื่องจากความเข้มสนามโน้มถ่วง[แก้]

เวลาของผู้สังเกตที่อยู่ห่างไกลจากพื้นโลก (ความเข้มสนามโน้มถ่วงต่ำ) จะเดินเร็วกว่าผู้สังเกตที่อยู่บนพื้นโลก (ความเข้มสนามโน้มถ่วงสูง)

เหตุการณ์นี้เกิดขึ้นกับนักบินอวกาศบนสถานีอวกาศนานาชาติซึ่งอยู่เหนือพื้นผิวโลกขึ้นไป 340 กิโลเมตรเช่นกัน เนื่องจากบนนั้นมีทั้งเหตุปัจจัยที่ทำให้ เวลายืด และ เวลาหด อยู่พร้อม ๆ กัน กล่าวคือ ปัจจัยที่ทำให้ เวลายืด นั่นก็คือสถานีอวกาศนานาชาติเคลื่อนที่เป็นวงโคจรรอบโลกอย่างรวดเร็ว ซึ่งทำให้เวลาของเขาจะเดินช้าลง และปัจจัยที่ทำให้ เวลาหด ก็คือความเข้มสนามโน้มถ่วงที่ลดลง เนื่องจากสถานีนี้อยู่ห่างจากโลกมากจึงทำให้มีความเข้มสนามโน้มถ่วงน้อยกว่าพื้นโลก ซึ่งทำให้เวลาของเขาเดินเร็วขึ้น แม้ปัจจัยทั้งสองจะขัดแย้งกันแต่ก็มีความรุนแรงไม่เท่ากัน เพราะสุดท้ายแล้วนาฬิกาของน้กบินอวกาศจะเดิน ช้ากว่า คนที่อยู่บนพื้นโลก นั่นก็แสดงว่าความเร็วซึ่งเป็นปัจจัยที่ทำให้ เวลายืด ดูจะมีพลังรุนแรงกว่าแรงโน้มถ่วงที่ลดลงที่เป็นปัจจัยที่ทำให้ เวลาหด ในกรณีนี้

การยืดออกของเวลาเนื่องจากความเข้มสนามโน้วถ่วงถูกอธิบายไว้ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปว่า นาฬิกาที่อยู่ใกล้วัตถุที่มีมวลมาก (เช่น โลก) จะเดินช้ากว่านาฬิกาที่อยู่ห่างออกไป กล่าวคือนาฬิกาที่อยู่ใกล้วัตถุมวลมากก็เหมือนกับอยู่ในบ่อแรงโน้มถ่วง (gravity well) ลึกกว่าก็จะเดิน ช้ากว่า นาฬิกาที่อยู่ตื้นขึ้นไปนั่นเอง เหตุการณ์ดังกล่าวไม่ได้เกิดกับนักบินอวกาศเท่านั้น หากจะว่าไปแล้วนาฬิกาของนักปีนเขาสูง ๆ ก็ควรจะเดินเร็วกว่านาฬิกาของคนที่อยู่ระดับน้ำทะเลเล็กน้อยเช่นกัน (เพราะว่าสูงขึ้นไปสนามโน้มถ่วงก็เบาบางลง) อย่างไรก็ดีทุก ๆ ผู้สังเกตจะรู้สึกเป็นปกติตลอดเวลาหาได้รู้สึกว่าเวลาเดินเร็วขึ้นหรือเวลาเดินช้าลง (เนื่องจากนาฬิกาทุก ๆ เรือนในกรอบอ้างอิงเดียวกับผู้สังเกตนั้นจะเดินเร็วเท่ากันหมด)

ในกรณีของ เวลายืด เนื่องจากความเร็วสัมพัทธ์ ผู้สังเกตทั้งสองจะเห็นอีกฝ่ายเคลื่อนที่ช้าลง (เนื่องจากแต่ละฝ่ายก็จะเห็นอีกฝ่ายเคลื่อนที่) แต่ในกรณีเนื่องจากแรงโน้มถ่วงผู้สังเกตที่อยู่ระดับน้ำทะเลย่อมมีสนามโน้มถ่วงเข้มกว่าผู้สังเกตบนภูเขาแน่นอน ดังนั้นผู้สังเกตระดับน้ำทะเลก็จะดูเชื่องช้าในสายตาของผู้ที่อยู่บนเขา และผู้ที่อยู่บนเขาก็จะดูรวดเร็วในสายตาของผู้ที่อยู่ข้างล่าง แต่ในกรณีของภูเขาสูงกับระดับน้ำทะเลนั้นความแตกต่างดังกล่าวน้อยมากจนไม่สามารถรู้สึกได้

อ้างอิง[แก้]

  1. Ashby, Neil (January 2003). "Relativity in the Global Positioning System". Living Rev. Relativity 6: page 16. doi:10.12942/lrr-2003-1.