ทฤษฏีสัมพัทธภาพ ตอนที่ 3

ฉันยอมรับด้วยความยินดีต่อการร้องขอของผู้ร่วมวิชาชีพของคุณ ที่จะเขียนอะไรบางอย่างเกี่ยวกับเรื่อง สัมพัทธภาพสำหรับเดอะไทมส์ หลังจากความล้มเหลวอย่างน่าเสียใจของการติดต่ออย่างจริงจังแบบเก่าระหว่างบุคคลที่มีความรู้ ฉันพอใจต้อนรับโอกาสของการแสดงความรู้สึกปิติยินดีและความสำนึกในบุญคุณของฉัน ต่อนักดาราศาสตร์และนักฟิสิกส์ของประเทศอังกฤษ เพื่อให้เป็นไปตามประเพณีที่ยิ่งใหญ่และน่าภาคภูมิใจจริงๆ ในเรื่องผลงานทางวิทยาศาสตร์ในประเทศของคุณที่นักวิทยาศาสตร์ที่มีชื่อเสียง คงจะใช้เวลาและความพยายามไม่น้อย และสถาบันวิทยาศาสตร์ของคุณได้ยอมจ่ายอย่างไม่อั้น ที่จะทดสอบนัยแฝงเร้นของทฤษฏี ซึ่งได้รับการปรับปรุงแก้ไขจนสมบูรณ์แบบและได้รับการตีพิมพ์ ในช่วงสงครามในดินแดนของศัตรูของคุณ แม้ว่าการสืบสวนหาข้อเท็จจริงเกี่ยวกับอิทธิพลของสนามโน้มถ่วงของดวงอาทิตย์ที่มีต่อรังสีแสงเป็นเรื่องเชิงวัตถุวิสัยโดยแท้ ฉันไม่สามารถอดกลั้นที่จะแสดงความขอบคุณเป็นการส่วนตัวของฉันไปยังผู้ร่วมวิชาชีพชาวอังกฤษ สำหรับงานของพวกเขาได้ ; เพราะโดยไม่มีมัน ฉันก็คงแทบจะไม่มีชีวิตที่จะได้เห็นการทดสอบนัยแฝงเร้นที่สำคัญที่สุดของทฤษฏีของฉัน เราสามารถจำแนกประเภทของทฤษฏีในฟิสิกส์ได้ พวกมันส่วนมากเป็นเชิงสร้างสรรค์ พวกเขาพยายามที่จะสร้างภาพในใจของปรากฏการณ์ที่สลับซับซ้อนมากขึ้นจากข้อเท็จจริงที่มีแบบแผนแบบเป็นทางการที่เมื่อเทียบแล้วถือว่าง่าย ซึ่งพวกเขาเริ่มต้นอย่างตั้งใจ ทฤษฏีจลน์ของแก๊สจึงพยายามที่จะเปลี่ยนกระบวนการเชิงกล , เชิงความร้อนและเชิงการแพร่กระจายให้เป็นการเคลื่อนที่ของโมเลกุล - คือการสร้างพวกมันจากสมมติฐานเกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของโมเลกุล เมื่อเราพูดว่าเราได้ประสบความสำเร็จในการเข้าใจกลุ่มของกระบวนการทางธรรมชาติ เราหมายถึงเสมอว่า มีการพบทฤษฏีเชิงสร้างสรรค์ซึ่งครอบคลุมกระบวนการที่กำลังพูดถึงแล้ว ด้วยกันกับประเภทที่สำคัญที่สุดนี้ของทฤษฏีมีอีกประเภทหนึ่งอยู่ ซึ่งฉันจะเรียกว่า “หลักการ - ทฤษฏี” ทฤษฏีเหล่านี้ใช้วิธีการเชิงวิเคราะห์ไม่ใช่สังเคราะห์ องค์ประกอบที่ประกอบเป็นพื้นฐานและจุดเริ่มต้นของพวกมันไม่ได้ถูกสร้างขึ้นอย่างเป็นเรื่องสมมติ แต่เป็นองค์ประกอบที่ค้นพบโดยการทดลองและสังเกต , ลักษณะพิเศษโดยรวมของกระบวนการทางธรรมชาติ หลักการที่ทำให้เกิดหลักเกณฑ์ที่ถูกกำหนดในเชิงคณิตศาสตร์ ซึ่งกระบวนการที่แยกจากกัน หรือการนำเสนอเชิงทฤษฏีของพวกมันจะต้องมีคุณสมบัติตรงตามวิทยาศาสตร์เชิงอุณหพลศาสตร์จึงพยายามโดยวิธีการวิเคราะห์ ที่จะอนุมานความสัมพันธ์ที่จำเป็น ซึ่งเหตุการณ์ที่แยกจากกันต้องมีคุณสมบัติตตรงตาม จากข้อเท็จจริงที่เคยรู้อย่างเป็นสากลว่าการเคลื่อนที่ที่คงอยู่ตลอดไปนั้นไม่มี ข้อได้เปรียบของทฤษฏีเชิงสร้างสรรค์คือความสมบูรณ์ ความสามารถในการปรับตัวและความชัดเจน ข้อได้เปรียบของทฤษฏีเชิงหลักการคือ ความสมบูรณ์แบบทางตรรกะและความมั่นคงของรากฐาน ทฤษฎีสัมพัทธภาพเป็นของประเภทหลัง เพื่อที่จะเข้าจะธรรมชาติของมัน อันดับแรกเราจำเป็นต้องทราบถึงหลักการซึ่งมันอิง แต่ว่าก่อนที่ฉันจะอธิบายสิ่งเหล่านี้ ฉันจะต้องตั้งข้อสังเกตว่า ทฤษฏีสัมพัทธภาพเหมือนกับอาคารที่ประกอบด้วยสองชั้นที่แยกจากกันคือ ทฤษฏีพิเศษและทฤษฏีทั่วไป ทฤษฏีพิเศษซึ่งทฤษฏีทั่วไปตั้งอยู่ ประยุกต์ใช้กับปรากฏการณ์เชิงฟิสิกส์ทั้งมวล ยกเว้นความโน้มถ่วง ; ทฤษฏีทั่วไปกำหนดกฏของความโน้มถ่วงและความสัมพันธ์ของมันกับแรงอื่นๆของธรรมชาติ แน่ละ เป็นที่รู้จักโดยทั่วไปแล้วตั้งแต่สมัยกรีกโบราณว่า เพื่อที่จะอธิบายการเคลื่อนที่ของวัตถุ จำเป็นต้องมีอีกวัตถุหนึ่งซึ่งใช้อ้างอิงการเคลื่อนที่ของวัตถุแรก การเคลื่อนที่ของยานพาหนะถือว่าอ้างอิงกับพื้นผิวของโลก การเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์อ้างอิงกับจำนวนรวมของดาวฤกษ์ที่สามารถมองเห็นได้ ในฟิสิกส์ วัตถุซึ่งเหตุการณ์อ้างอิงในเชิงอวกาศ เรียกว่า ระบบพิกัด ยกตัวอย่างเช่นจะสามารถกำหนดกฏของกลศาสตร์ของกาลิเลโอและนิวตันได้ ด้วยความช่วยเหลือจากระบบพิกัดเท่านั้น แต่ว่าสภาพการเคลื่อนที่ของระบบพิกัดอาจจะไม่ได้ถูกเลือกมาอย่างไม่เจาะจง ถ้ากฏของกลศาสตร์จะต้องใช้ได้ (มันจะต้องไม่มีการหมุนและความเร่ง) ระบบพิกัดซึ่งอนุญาติให้ได้ในกลศาสตร์เรียกว่า “ระบบเฉื่อย” ตามกลศาสตร์สภาพการเคลื่อนที่ของระบบเฉื่อยไม่ใช่สภาพที่ถูกกำหนดอย่างมีลักษณะเฉพาะโดยธรรมชาติ ในทางตรงกันข้ามคำนิยามต่อไปนี้ใช้ได้ :- ระบบพิกัดที่เคลื่อนที่อย่างสม่ำเสมอและในแนวเส้นตรงสัมพัทธ์กับระบบเฉื่อยเป็นระบบเฉื่อยเช่นกัน “ หลักการพิเศษของสัมพัทธภาพ” นั้นเป็นการวางหลักเกณฑ์ทั่วไปของคำนิยามนี้ เพื่อที่จะรวมเหตุการณ์ตามธรรมชาติใดๆ อะไรก็ตาม : กฏสากลของธรรมชาติทุกกฏซึ่งใช้ได้ สัมพัทธ์กับระบบพิกัด C จึงจะต้องใช้ได้ด้วยๆ อย่างที่เป็นอยู่ สัมพัทธ์กับระบบพิกัด C’ ซึ่งกำลังเคลื่อนที่แบบเลื่อนที่อย่างสม่ำเสมอสัมพัทธ์กับ C หลักการที่สอง ซึ่งทฤษฏีสัมพัทธภาพพิเศษตั้งอยู่คือ “หลักการของความเร็วที่คงตัวของแสงในสุญญากาศ” หลักการนี้ยืนยันความเชื่ออย่างหนักแน่นว่า แสงในสุญญากาศมีความเร็วของการแพร่กระจายที่มีขอบเขตชัดเจนแน่นอนในสุญญากาศเสมอ (ไม่ขึ้นกับสภาพของการเคลื่อนที่ของผู้สังเกตหรือแหล่งกำเนิดของแสง) ความเชื่อมั่นซึ่งนักฟิสิกส์มีในหลักการนี้ถือกำเนิดจากความสำเร็จที่เกิดกับไฟฟ้า - พลศาสตร์ของเคลิร์ก แมกซ์เวลล์และโลเร็นตซ์ หลักการทั้งสองที่กล่าวไว้ข้างต้นได้รับการสนับสนุนอย่างมีพลังโดยประสบการณ์ แต่ดูเหมือนว่าไม่ลงรอยกันในทางตรรกะ ในที่สุดทฤษฏีสัมพัทธภาพพิเศษประสบความสำเร็จในการไกล่เกลี่ยพวกมันในทางตรรกะโดยการปรับปรุงจลน์ศาสตร์ นั่นคือหลักการของกฏที่เกี่ยวข้องกับอวกาศและเวลา (จากมุมมองของฟิสิกส์) เป็นที่แน่ชัดแล้วว่า การพูดถึงความพร้อมกันของสองเหตุการณ์นั้นไม่มีความหมายยกเว้นสัมพัทธ์กับระบบพิกัดที่กำหนดให้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งรูปร่างของอุปกรณ์การวัดและอัตราเร็วซึ่งนาฬิกาเดินขึ้นอยู่กับสภาพของการเคลื่อนที่ของพวกมันเทียบกับระบบพิกัด แต่ฟิสิกส์แบบเก่าที่รวม กฏการเคลื่อนที่ของกาลิเลโอและนิวตันไว้ด้วยเข้ากันไม่ได้กับจลน์ศาสตร์เชิงสัมพัทธภาพที่เสนอ จากสิ่งหลังที่เงื่อนไขเชิงคณิตศาสตร์โดยรวมเกิดผลขึ้น ซึ่งกฏธรรมชาติจะต้องปรับให้กลมกลืนกับมัน ถ้าจะต้องใช้สองหลักการที่ได้กล่าวไว้ข้างต้นจริงๆ ต้องมีการปรับฟิสิกส์ให้เข้ากับสิ่งเหล่านี้ โดยเฉพาะนักวิทยาศาสตร์ได้กฏใหม่เกี่ยวกับการเคลื่อนที่สำหรับจุดมวล (ที่เคลื่อนที่อย่างรวดเร็ว) ซึ่งได้รับการยืนยันอย่างน่าชมเชยในกรณีของอนุภาคที่ถูกอัดประจุไฟฟ้า บทสรุปที่สำคัญที่สุดของทฤษฏีสัมพัทธภาพพิเศษ เกี่ยวข้องกับมวลเฉื่อยของระบบเชิงวัตถุ ปรากฏว่าความเฉื่อยของระบบจำต้องขึ้นอยู่กับความจุ - พลังงานของมัน และนี่นำตรงไปสู่ความคิดที่ว่า มวลเฉื่อยเป็นพลังงานที่แฝงเร้นเท่านั้นเอง หลักการการอนุรักษ์ของมวลสูญเสียความเป็นอิสระของมันและกลายเป็นประสมประสานกันกับหลักการการอนุรักษ์ของพลังงาน แต่ว่าทฤษฏีสัมพัทธภาพพิเศษ ซึ่งเป็นการพัฒนาอย่างเป็นระบบของไฟฟ้า - พลศาสตร์ของเคลิร์ก แมกซ์เวลล์และโลเร็นตซ์เท่านั้นเองได้ชี้บอกไกลเกินเลยตัวมันเอง ความเป็นอิสระของกฎเชิงฟิสิกส์ของสภาพการเคลื่อนที่ของระบบพิกัดควรจะถูกจำกัดอยู่แค่การเคลื่อนที่แบบเลื่อนที่ที่สม่ำเสมอของระบบพิกัดเทียบกันหรือเปล่า? ธรรมชาติเกี่ยวกับระบบพิกัดของเราและสภาพของการเคลื่อนที่ของพวกมันอย่างไร? ถ้ามันจำเป็นเพื่ออธิบายธรรมชาติ เพื่อจะใช้ประโยชน์จากระบบพิกัดที่เรานำมาใช้อย่างไม่เจาะจง ถ้าอย่างนั้นการเลือกสภาพของการเคลื่อนที่ของมันไม่ควรจะอยู่ภายใต้เงื่อนไขของข้อจำกัด ; กฏควรจะเป็นอิสระไม่เกี่ยวข้องกับการเลือกนี้อย่างเต็มที่ (หลักการทั่วไปของสัมพัทธภาพ) การตั้งหลักการทั่วไปของสัมพัทธภาพนี้ถูกทำให้ง่ายขึ้นโดยข้อเท็จจริงของประสบการณ์ที่เป็นที่รู้จักโดยทั่วไปนานแล้ว นั่นก็คือว่าน้ำหนักและความเฉื่อยของวัตถุถูกควบคุมโดยค่าคงตัวเดียวกัน (ความเท่ากันของมวลเฉื่อยและมวลโน้มถ่วง) นึกภาพระบบพิกัดซึ่งกำลังหมุนอย่างสม่ำเสมอเทียบกับระบบเฉื่อยตามแบบระบบนิวตัน แรงหนีศูนย์กลางซึ่งแสดงตัวออกมาให้เห็นสัมพัทธ์กับระบบนี้ตามคำสอนของนิวตันจะต้องถูกมองว่าเป็นผลของความเฉื่อย แต่แรงหนีศูนย์กลางนี้ที่เหมือนแรงของความโน้มถ่วงอย่างไม่ผิดเพี้ยนเป็นสัดส่วนกับมวลของวัตถุ ในกรณีนี้มันไม่น่าจะเป็นไปได้ที่จะมองระบบพิกัดนี้ว่าหยุดนิ่งและแรงหนีศูนย์กลางว่าเป็นแรงโน้มถ่วงไม่ใช่หรือ? นี่ดูเป็นทัศนะที่ชัดเจนแต่กลศาสตร์แบบฉบับห้าม การพิจารณาอย่างรีบร้อนนี้ทำให้คิดว่าทฤษฏีสัมพัทธภาพทั่วไปจะต้องจัดหากฎของความโน้มถ่วงมาให้ และการดำเนินการความคิดนี้ต่อเพื่อให้ได้ผลที่ดีขึ้นอย่างสม่ำเสมอ ได้ทำให้ความหวังของเราเป็นเรื่องสมเหตุสมผล แต่เส้นทางยุ่งยากกว่าที่เราคาดคิด เพราะมันต้องทิ้งเรขาคณิตระบบยุคลิด กล่าวอีกอย่างหนึ่งก็คือ กฏตามที่ซึ่งจะกำหนดวัตถุที่ถูกยึดให้อยู่กับที่ในอวกาศ ไม่ได้เข้ากันกับกฏเชิงอวกาศที่เรขาคณิตระบบยุคลิดเชื่อว่าเป็นของวัตถุอย่างสมบูรณ์ นี่คือสิ่งที่เราหมายถึง เมื่อเราพูดถึง “ความโค้งของอวกาศ” ด้วยเหตุนั้นแนวคิดพื้นฐานเกี่ยวกับ “เส้นตรง” “ระนาบ” และอื่นๆได้สูญเสียนัยสำคัญที่ถูกต้องชัดเจนของพวกมันไปในฟิสิกส์ ในทฤษฏีสัมพัทธภาพทั่วไป หลักการของอวกาศและเวลาหรือจลน์ศาสตร์ไม่ได้มีบทบาทเป็นหลักการพื้นฐานที่ไม่ขึ้นกับฟิสิกส์ที่เหลือ พฤติกรรมเชิงเรขาคณิตของวัตถุและการเดินของนาฬิกาค่อนข้างขึ้นอยู่กับสนามโน้มถ่วงซึ่งเมื่อได้โอกาสสสารสร้างขึ้น ทฤษฏีเชิงความโน้มถ่วงแบบใหม่แตกต่างอย่างมากในเรื่องหลักการจากทฤษฏีของนิวตัน แต่ผลลัพธ์ในทางปฏิบัติของมัน ตรงกันกับผลลัพธ์ของทฤษฏีของนิวตันดีมากจนยากที่จะหาหลักเกณฑ์ตัดสินเพื่อแยกความแตกต่างของพวกมัน ซึ่งประสบการณ์ใช้ประโยชน์ได้ สิ่งที่มีการพบจนถึงขณะนี้ :-