ความโน้มถ่วงในทฤษฎีสัมพันธภาพทั่วไป

ในปี พ.ศ.2230 (ค.ศ. 1687) เซอร์ ไอแซ็ก นิวตัน (sir Isaac newton) ได้เสนอว่าสสารที่มีมวลทุกๆ สสารในเอกภพจะมีสนามความโน้มถ่วงแผ่กระจายอยู่รอบๆ ตัวมันเอง อิทธิพลของสนามความโน้มถ่วงของสสารนั้น สามารถทำให้สสารอื่นรอบตัวมันรับรู้ถึงแรงโน้มถ่วง ที่มีทิศทางดึงดูดเข้าหาสสารตั้งต้นดังกล่าว ในขณะที่สสารตั้งต้นเองก็รับรู้ถึงแรงโน้มถ่วงที่มีทิศทางดึงดูดเข้าหาสสารอื่นนั้นด้วย นิวตันเรียกแรงดังกล่าวนั้นว่า แรงดึงดูดระหว่างมวล 
ขนาดของแรงดึงดูดระหว่างมวลจะมีค่ามากหรือน้อยขึ้นอยู่กับปริมาณของมวลสารทั้งสองและรวมไปถึงระยะห่างระหว่างกันด้วย ถ้าสมมติให้สสารทั้งสองก้อนมีมวลเท่ากัน และระยะห่างระหว่างกันมีค่าๆ หนึ่ง จากนั้นเพิ่มมวลของสสารก้อนใดก้อนหนึ่ง เป็นสองเท่าของปริมาตรเดิมแรงดึงดูดระหว่างมวลจะมีค่าเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าตามไปด้วยแต่ถ้าเปลี่ยนเป็นการเพิ่มระยะห่างระหว่างมวลทั้งสองเป็นสองเท่าแทน ขนาดของแรงดึงดูดระหว่างมวลกลับมีค่าลดลงจากเดิมเป็น 4 เท่า หมายความว่า ขนาดแรงดึงดูดระหว่างมวลจะมีค่าขึ้นโดยตรงกับปริมาณของมวล และมีค่าผกผันกับปริมาณระยะทางระหว่างมวลยกกำลังสอง

กฎแรงดึงดูดระหว่างมวลของนิวตันถือเป็นกฎสากล ที่สามารถใช้อธิบายได้ตั้งแต่ปรากฎการณ์ในชีวิตประจำวันบนโลก จนกระทั่งการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ รวมไปถึงการขยายตัวของเอกภพ



เป็นภาพจินตนาการแสดงถึง การค้นพบกฎแรงดึงดูดระหว่างมวลของ เซอร์ ไอแซ็ก นิวตัน

ในอีก 200 กว่าปีต่อมา อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) ได้เสนอทฤษฎีสัมพันธภาพทั่วไป (General relaivity) ซึ่งได้มองภาพของแรงโน้มถ่วงใหม่ แตกต่างจากมุมมองของนิวตัน แต่ไม่ขัดแย้งกับผลที่เกิดจากกฎแรงโน้มถ่วงของนิวตันเลย ไอน์สไตน์มองภาพสนามความโน้มถ่วงที่แผ่กระจายอยู่รอบสสารมีมวลเป็นผลกระทบที่ทำให้อวกาศรอบๆสสารมีการบิดโค้งเป็นหลุม นั่นคือสสารที่มีมวลทุกสสารในเอกภพจะมีอิทธิพลที่ทำให้เกิดการบิดโค้งของอวกาศ ยิ่งมีมวลมากการบิดโค้งของอวกาศบริเวณรอบๆก็จะยิ่งมากตามไปด้วย



เป็นภาพแบบจำลองของการบิดโค้งในอวกาศแบบปริภูมิสี่มิติ ในบริเวณรอบๆ สสารมวลมาก

เป็นเช่นเดียวกันกับการที่เงาของเครื่องบินบนระนาบสองมิติ ไม่สามารถบ่งบอกระดับความสูงที่เปลี่ยนไปของเครื่องบินจริงๆ ที่อยู่บนท้องฟ้าในสามมิติได้ แม้เครื่องบินบนท้องฟ้าจะเปลี่ยนระดับความสูง แต่เงาของเครื่องบินที่ทอดอยู่บนพื้นโลกกลับไม่สามารถแสดงการเปลี่ยนระดับความสูงได้อย่างชัดเจน ขนาดของเงาเครื่องบินอาจจะใหญ่ขึ้น ถ้าเครื่องบินบนท้องฟ้าบินต่ำลง หรือขนาดของเงาเล็กลงถ้าเครื่องบินบนท้องฟ้าบินสูงขึ้น แต่ขนาดของเงาที่เปลี่ยนไปบนพื้นโลกก็ยังเป็นเพียงผลที่เกิดจากการที่เครื่องบินบนท้องฟ้าเปลี่ยนระดับความสูง
ถ้ากลับมาพิจารณาการบิดโค้งของอวกาศจากสสารมีมวลในปริภูมิสี่มิติเทียบกับการยุบตัวของผืนผ้าจากน้ำหนักของลูกเหล็กในปริภูมิ 3 มิติอีกครั้ง โดยยกตัวอย่างให้มีลูกแก้ว วิ่งเข้าหาลูกเหล็กที่ทำให้ผืนผ้ายุบตัว ลูกแก้วจะผ่านระนาบความโค้งของผืนผ้าเข้ามาชนกับลูกเหล็ก ซึ่งสามารถเปรียบเทียบลูกแก้วได้กับ อุกกาบาตในอวกาศที่อยู่ใกล้สสารมีมวลเช่นดวงอาทิตย์ อุกกาบาตจะวิ่งผ่านบริเวณที่บิดโค้งรอบๆดวงอาทิตย์ จนกระทั่งเข้าไปชนดวงอาทิตย์ ซึ่งอยู่ในอวกาศแบบปริภูมิสี่มิติ ขณะที่ความสามารถในการแยกแยะของมนุษย์สามารถทำได้แค่เพียง สามมิติเท่านั้น จึงไม่สามารถมองเห็นบริเวณที่บิดโค้งซึ่งเกิดจากอุกกาบาตวิ่งผ่านไปชนดวงอาทิตย์ได้

แต่อย่างไรก็ตามมนุษย์สามารถมองเห็นผลจากการเคลื่อนที่ของอุกกาบาตบนบริเวณที่บิดโค้งนี้เป็นเพียงอิทธิพลของแรงดึงดูดของดวงอาทิตย์ที่กระทำต่ออุกกาบาต ถ้ามองในภาพรวมแล้ว กฏแรงโน้มถ่วงของนิวตันบอกเพียงผลลัพธ์ที่เห็นได้ในปริภูมิสามมิติเท่านั้น แต่ทฤษฎีสัมพันธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ได้มองทะลุเข้าไปถึงเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นในปริภูมิสี่มิติ



แสดงแบบจำลองการเบี่ยงเบนของแสงจากดาวฤกษ์

ทฤษฎีสัมพันธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ในเรื่องดังกล่าวได้รับการพิสูจน์ว่าเป็นจริงในปี พ.ศ.2463 (ค.ศ.1919) หรืออีกสี่ปีหลังจากที่ไอน์สไตน์เสนอทฤษฎีสัมพันธภาพทั่วไป โดยคณะของเซอร์อาเธอร์ เอ็ดดิงตัน (Sir Arthur Eddington) ซึ่งมีแนวคิดที่ว่าแสงที่เดินทางเป็นเส้นตรงในปริภูมิสามมิติ ควรจะเดินทางตามความโค้งของอวกาศในปริภูมิสี่มิติ โดยถ้าพิจารณาจากดาวที่อยู่เบื้องหลังดวงอาทิตย์ เมื่อเดินทางมาถึงโลก จำเป็นต้องผ่านบริเวณที่บิดโค้งรอบๆดวงอาทิตย์
เนื่องจากมวลของดวงอาทิตย์เอง ทำให้แสงจากดาวเดินทางตามความโค้งของอวกาศในปริภูมิสี่มิติ และสามารถสังเกตการณืผลของปรากฎการณ์ดังกล่าวได้จากตำแหน่งของดาวที่ผิดเพี้ยนไปตามรูปที่ เอ็ดดิงตันจึงทำการบันทึกตำแหน่งของดาวที่อยู่เบื้องหลังดวงอาทิตย์ในขณะเกิดสุริยุปราคาเต็มดวง ผลการบันทึกแสดงให้เห็นว่าแสงเบี่ยงเบนไปจริง เหมือนดังเช่นที่ทฤษฎีสัมพันธภาพทำนายไว้

 


หน้าแรก

 

 

กลับหน้าแรกโฮมเพจฟิสิกส์ราชมงคล