ผลต่างระหว่างรุ่นของ "การขยายขนาดของเวลา"

จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี
เนื้อหาที่ลบ เนื้อหาที่เพิ่ม
Horus (คุย | ส่วนร่วม)
ไม่มีความย่อการแก้ไข
บรรทัด 6: บรรทัด 6:


== ภาพรวม ==
== ภาพรวม ==
หีดำนะ ถ่วงและความเร็วสัมพัทธ์ ทั้งสองปัจจัยมีผลในกรณีนักบินอวกาศสถานีอวกาศนานาชาติ (และที่จริงมีผลตรงข้ามกัน)
นาฬิกาบน[[กระสวยอวกาศ]]เดินช้ากว่านาฬิกาอ้างอิงบนโลกเล็กน้อย ขณะที่นาฬิกาบนดาวเทียม[[จีพีเอส]]และกาลิเลโอเดินเร็วกว่าเล็กน้อย<ref name="Ashby" /> การขยายขนาดของเวลานี้มีการแสดงซ้ำแล้วซ้ำอีก ตัวอย่างเช่น ความแตกต่างเล็กน้อยระหว่าง[[นาฬิกาอะตอม]]บนโลกและในอวกาศ แม้นาฬิกาทั้งสองทำงานได้อย่างสมบูรณ์ (ไม่ได้เกิดข้อบกพร่องทางกล) กฎธรรมชาติ คือ เวลา (คือ ปริภูมิ-เวลา) จะโค้งเนื่องจากความแตกต่างของ[[ความโน้มถ่วง]]หรือ[[ความเร็ว]] ซึ่งทั้งสองมีผลต่อเวลาในหลายทาง<ref name=HSWTime>
{{cite web
|last=Toothman |first=Jessika
|url=http://science.howstuffworks.com/humans-age-in-space.htm
|work=[[HowStuffWorks]]
|title=How Do Humans age in space?
|accessdate=2012-04-24
}}</ref><ref name=EdLu>
{{cite web
|last=Lu |first=Ed
|url=http://spaceflight.nasa.gov/station/crew/exp7/luletters/lu_letter13.html
|work=Ed's Musing from Space
|publisher=[[NASA]]
|title=Expedition 7 - Relativity
|accessdate=2012-04-24
}}</ref>

ตามทฤษฎี และเพื่อให้ตัวอย่างชัดเจนขึ้น การขยายขนาดของเวลาอาจมีผลต่อการประชุมที่นัดไว้แล้วสำหรับนักบินอวกาศที่มีเทคโนโลยีขั้นสูงและความเร็วการเดินทางสูง นักบินอวกาศนั้นจะต้องตั้งนาฬิกาให้นับ 80 ปีพอดี ขณะที่ฝ่ายควบคุมภารกิจบนโลกอาจต้องตั้ง 81 ปี นักบินอวกาศจะกลับสู่โลกหลังภารกิจโดยมีอายุน้อยกว่าผู้ที่อยู่บนโลกหนึ่งปี ยิ่งไปกว่านั้น ประสบการณ์เฉพาะที่ของการผ่านของเวลามิได้เปลี่ยนแปลงสำหรับทุกคนอย่างแท้จริง กล่าวคือ นักบินอวกาศบนยานตลอดจนฝ่ายควบคุมภารกิจบนโลกต่างรู้สึกปกติ แม้มีผลของการขยายขนาดของเวลา (คือ สำหรับคณะเดินทาง ผู้ที่อยู่นิ่งอยู่ "เร็วกว่า" แต่สำหรับผู้ที่อยู่นิ่ง ผู้ที่เดินทางอยู่ "ช้ากว่า" ในชั่วขณะหนึ่ง)

แต่ด้วยเทคโนโลยีที่จำกัดความเร็วของนักบินอวกาศ ผลต่างนี้เล็กน้อยมาก หลังอยู่บนสถานีอวกาศนานาชาติ 6 เดือน ลูกเรือนักบินอวกาศอายุน้อยกว่าผู้ที่อยู่บนโลกจริง แต่เพียงประมาณ 0.007 วินาทีเท่านั้น ผลต่างจะมากขึ้นหากนักบินอวกาศเดินทางใกล้กับความเร็วของแสง (ประมาณ 300,000 กม./วินาที) แทนความเร็วแท้จริงของพวกเขา ซึ่งเป็นความเร็วของสถานีอวกาศที่กำลังโคจร ประมาณ 7.7 กม./วินาที<ref name=EdLu/>

การขยายขนาดของเวลานั้นเกิดจากผลต่างของความโน้มถ่วงและความเร็วสัมพัทธ์ ทั้งสองปัจจัยมีผลในกรณีนักบินอวกาศสถานีอวกาศนานาชาติ (และที่จริงมีผลตรงข้ามกัน)


=== การขยายขนาดของเวลาจากความเร็วสัมพัทธ์ ===
=== การขยายขนาดของเวลาจากความเร็วสัมพัทธ์ ===

รุ่นแก้ไขเมื่อ 15:06, 28 มิถุนายน 2562

การขยายขนาดของเวลาอธิบายว่าเหตุใดนาฬิกาที่กำลังทำงานสองเรือนจะรายงานเวลาต่างกันหลังความเร่งต่างกัน ตัวอย่างเช่น นักบินอวกาศสถานีอวกาศนานาชาติที่กลับจากภารกิจจะมีอายุน้อยกว่าเล็กน้อยเมื่อเทียบกับสมมติว่าเขายังอยู่บนโลก และดาวเทียมจีพีเอสทำงานเพราะปรับความโค้งของปริภูมิ-เวลาที่คล้ายกันเพื่อประสานกับระบบบนโลก[1]

ในทฤษฎีสัมพัทธภาพ การขยายขนาดของเวลาเป็นผลต่างตามจริงของเวลาล่วงผ่านระหว่างสองเหตุการณ์ที่ผู้สังเกตวัดขณะเคลื่อนที่สัมพัทธ์ต่อกันหรือตั้งอยู่จากมวลความโน้มถ่วง (gravitational mass) ที่ต่างกัน

นาฬิกาเที่ยงตรงขณะพักของผู้สังเกตคนหนึ่งอาจวัดเป็นเวลาที่อัตราต่างกันเมื่อเทียบกับนาฬิกาเที่ยงตรงของผู้สังเกตที่สอง ปรากฏการณ์นี้ไม่ได้เกิดจากลักษณะทางเทคนิคของนาฬิกาหรือจากข้อเท็จจริงที่สัญญาณต้องใช้เวลาแผ่ แต่เกิดจากธรรมชาติของปริภูมิ-เวลาเอง

ภาพรวม

หีดำนะ ถ่วงและความเร็วสัมพัทธ์ ทั้งสองปัจจัยมีผลในกรณีนักบินอวกาศสถานีอวกาศนานาชาติ (และที่จริงมีผลตรงข้ามกัน)

การขยายขนาดของเวลาจากความเร็วสัมพัทธ์

นาฬิกาเร่งโดยสัมพัทธ์ (สีแดง) เดินช้ากว่า เมื่อเทียบกับกรอบอ้างอิงเฉพาะที่ (นาฬิกาสีน้ำเงิน)

เมื่อผู้สังเกตสองคนกำลังเคลื่อนที่เอกรูปและไม่มีผลจากมวลความโน้มถ่วงใด ๆ มุมมองของผู้สังเกตแต่ละคนคือ นาฬิกาของอีกผู้หนึ่ง (ที่กำลังเคลื่อนที่) เดินด้วยอัตราช้ากว่านาฬิกาเฉพาะที่ ยิ่งความเร็วสัมพัทธ์มากเท่าใด ยิ่งมีขนาดการขยายขนาดของเวลามากเท่านั้น บ้างเรียกกรณีนี้ว่า "การขยายขนาดของเวลาสัมพัทธภาพพิเศษ"

ยกตัวอย่างยานจรวดสองลำ (ก และ ข) ซึ่งเคลื่อนที่ผ่านอีกลำหนึ่งในอวกาศจะประสบการขยายขนาดของเวลา หากทั้งสองสามารถเห็นยานของกันได้ชัดเจน ลูกเรือแต่ละคนจะเห็นนาฬิกาและการเคลื่อนที่ของยานอีกลำหนึ่งช้าลง นั่นคือ ในกรอบอ้างอิงของยาน ก ทุกสิ่งเคลื่อนที่ปกติ แต่ทุกสิ่งในยาน ข เหมือนเคลื่อนที่ช้าลง (และกลับกันสำหรับยาน ข)

จากทัศนมิติเฉพาะที่ เวลาตามนาฬิกาซึ่งเป็นขณะพักเมื่อเทียบกับกรอบอ้างอิงเฉพาะที่ (และอยู่ห่างจากมวลความโน้มถ่วงใด ๆ) ดูผ่านไปด้วยอัตราเดียวกันเสมอ กล่าวได้อีกอย่างหนึ่งว่า หากมียานอีกลำหนึ่ง คือ ยาน ค เคลื่อนที่ข้างยาน ก โดย "ขณะพัก" สัมพัทธ์กับยาน ก จากมุมมองของยาน ก เวลาของยาน ค จะปรากฏปกติเช่นกัน

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

การขยายขนาดของเวลาจากความเข้มสนามโน้มถ่วง

เวลาล่วงไปเร็วกว่าเมื่อห่างจากศูนย์กลางความโน้มถ่วง ดังที่สังเกตด้วยวัตถุขนาดใหญ่มาก (เช่น โลก)

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

  1. Ashby, Neil (2003). "Relativity in the Global Positioning System" (PDF). Living Rev. Relativity. 6: page 16. doi:10.12942/lrr-2003-1. {{cite journal}}: |page= has extra text (help); ไม่รู้จักพารามิเตอร์ |month= ถูกละเว้น (help)

แหล่งข้อมูลอื่น