ปีพิเศษของไอน์สไตน์
ปีพิเศษของไอน์สไตน์
ในปี 1905 เสมียนประจำสำนักงานสิทธิบัตรวัย 26 ปีนามอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ได้พิมพ์เผยแพร่รายงานทางวิทยาศาสตร์สี่ฉบับซึ่งเปลี่ยนแปลงวิธีที่เรามองเอกภพของเรา—จากอณูที่เล็กที่สุดไปจนถึงดาราจักรที่ใหญ่ที่สุด. ต่อมารายงานเหล่านั้นบางฉบับยังได้ช่วยจุดประกายให้มีการพัฒนาสิ่งประดิษฐ์หลายอย่างซึ่งเปลี่ยนแปลงชีวิตผู้คนในช่วง 100 ปีที่ผ่านมานี้ด้วย.
อีซีดอร์ ราบี ผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ กล่าวว่า “แทบไม่มีแนวคิดพื้นฐานสำคัญใด ๆ เลยในฟิสิกส์สมัยใหม่ที่ไม่มีต้นตออย่างน้อยก็บางส่วนจากไอน์สไตน์.” ไอน์สไตน์ค้นพบอะไรจริง ๆ เมื่อหนึ่งศตวรรษมาแล้ว?
ไขความลับของแสง
รายงานของไอน์สไตน์ที่พิมพ์เผยแพร่เมื่อเดือนมีนาคม 1905 เปิดเผยความลับบางประการเกี่ยวกับสถานะของแสง. ตอนนั้นนักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบแล้วว่า ขณะที่แสงเดินทางไปในอวกาศ แสงมีพฤติกรรมเป็นเหมือนกับคลื่นของน้ำที่กระเพื่อมอยู่ในสระน้ำ. อย่างไรก็ตาม ทฤษฎีคลื่นไม่สามารถอธิบายว่าเหตุใดเมื่อแสงสีฟ้าความเข้มต่ำกระทบกับโลหะบางชนิดจึงทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า ส่วนแสงสีแดงความเข้มสูงไม่ก่อให้เกิดปฏิกิริยาเช่นนั้น. รายงานของไอน์สไตน์ช่วยให้เข้าใจปรากฏการณ์ที่เรียกว่าโฟโตอิเล็กทริกนี้.
ไอน์สไตน์อธิบายว่า บางครั้งอาจถือได้ว่าแสงประกอบด้วยก้อนพลังงานเล็ก ๆ ซึ่งต่อมาเรียกว่าโฟตอน. เมื่อโฟตอนเหล่านี้มีระดับพลังงาน หรือสี ที่เหมาะสม มันก็สามารถกระแทกอิเล็กตรอนออกจากอะตอมของโลหะบางชนิดได้. (โฟตอนของแสงสีแดงมีพลังงานอ่อนเกินกว่าที่จะทำอย่างนี้ได้.) อันตรกิริยานี้ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าไหลอยู่ในวัตถุนั้น. สิ่งประดิษฐ์สมัยใหม่ เช่น ท่อของกล้องโทรทัศน์, เซลล์พลังแสงอาทิตย์, และเครื่องวัดแสงสำหรับการถ่ายภาพล้วนถูกออกแบบขึ้นโดยอาศัยคำอธิบายเกี่ยวกับปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกของไอน์สไตน์ทั้งสิ้น.
ไอน์สไตน์ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1921 เนื่องด้วยคำอธิบายลักษณะของแสงนี้. รายงานของเขามีส่วนทำให้เกิดวิทยาศาสตร์แขนงใหม่ซึ่งเรียกว่าทฤษฎีควอนตัม. และทฤษฎีควอนตัมก็เป็นพื้นฐานที่สามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้ในหลายวงการ เช่น วิทยาศาสตร์นิวเคลียร์, อิเล็กทรอนิกส์, และนาโนเทคโนโลยี.
สาเหตุที่เกสรสั่นไหว
ในปี 1905 ไอน์สไตน์ยังหันมาสนใจเรื่องอะตอมและโมเลกุลอีกด้วย. เขาได้ตั้งทฤษฎีขึ้นมาซึ่งอธิบายผลกระทบของอะตอมและโมเลกุลต่อละอองเกสรเล็ก ๆ ซึ่งแขวนลอยอยู่ในน้ำ. ในปี 1827 นักชีววิทยาชื่อโรเบิร์ต บราวน์ ได้ใช้กล้องจุลทรรศน์ส่องดูเห็นว่าละอองเกสรซึ่งจมอยู่ในน้ำมีการสั่นไหวไปมา. เขาเรียกการเคลื่อนไหวของละอองเกสรนี้ว่าการเคลื่อนไหวแบบบราวน์ (Brownian motion) แต่เขาไม่สามารถอธิบายได้ว่ามันเกิดขึ้นเพราะอะไร.
ในรายงานของไอน์สไตน์ที่พิมพ์เผยแพร่เมื่อเดือนพฤษภาคม 1905 เขาตั้งสมมุติฐานว่า โมเลกุลน้ำที่สั่นไปมาทำให้เกิดการเคลื่อนไหวแบบบราวน์ได้โดยวิธีใด. เขาไม่เพียงคำนวณขนาดของโมเลกุลน้ำแต่ยังคาดคะเนคุณสมบัติเฉพาะตัวของอะตอมในโมเลกุลน้ำด้วย. นักวิทยาศาสตร์คนอื่น ๆ คิดค้นต่อยอดจากการคาดคะเนนี้ และขจัดข้อสงสัยที่ว่าอะตอมมีจริงหรือไม่. ฟิสิกส์สมัยใหม่ตั้งอยู่บนแนวคิดที่ว่าสสารทั้งหลายประกอบด้วยอะตอม.
เวลาเป็นสิ่งสัมพัทธ์
ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของไอน์สไตน์ ซึ่งพิมพ์เผยแพร่ในเดือนมิถุนายน 1905 ขัดแย้งกับความเชื่อพื้นฐานของนักวิทยาศาสตร์หลายคน อาทิ ไอแซ็ก นิวตัน ที่ว่าการวัดเวลาจะได้ค่าคงที่เสมอไม่ว่าจะอยู่ที่ใดในเอกภพ. นัยแห่งทฤษฎีของไอน์สไตน์ซึ่งเป็นที่ยอมรับกันทั่วไปในปัจจุบันดูเหมือนเป็นเรื่องที่ค่อนข้างแปลกพิสดาร.
ตัวอย่างเช่น ลองนึกภาพว่าคุณกับเพื่อนของคุณตั้งนาฬิกาให้เดินตรงกันพอดี. แล้วเพื่อนของคุณขึ้นเครื่องบินเดินทางไปรอบโลก ส่วนคุณอยู่ที่บ้าน. เมื่อเขากลับมา นาฬิกาของเขาจะช้ากว่านาฬิกาของคุณเล็กน้อย. จากมุมมองของคุณ เวลาของเพื่อนที่เดินทางไปรอบโลกนั้นช้าลง. แน่นอน ความแตกต่างนี้มีน้อยมากจนแทบจะวัดไม่ได้ในระดับความเร็วของมนุษย์. แต่ในระดับความเร็วที่ใกล้กับความเร็วแสง ไม่เพียงแต่เวลาจะช้าลงมากเท่านั้น แต่วัตถุจะเล็กลงและมวลของมันจะเพิ่มขึ้น. ทฤษฎีของไอน์สไตน์ยืนยันว่าแสงต่างหากที่มีความเร็วคงที่ตลอดทั่วเอกภพ ไม่ใช่เวลา.
สูตรที่เปลี่ยนโลก
ในเดือนกันยายน 1905 ไอน์สไตน์พิมพ์เผยแพร่รายงานอีกฉบับหนึ่งซึ่งถือกันว่าเป็นภาคผนวกทางคณิตศาสตร์ของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของเขา. รายงานฉบับนี้มีสูตรซึ่งปัจจุบันเป็นประหนึ่งสัญลักษณ์แทนผลงานของเขา นั่นคือ E=mc2. สมการนี้กล่าวว่า พลังงานที่ถูกปลดปล่อยออกมาเมื่ออะตอมหนึ่งถูกแบ่งแยกจะเท่ากับมวลของอะตอมนั้นที่เสียไปคูณความเร็วของแสงยกกำลังสอง.
เนื่องจากความบากบั่นของนักวิทยาศาสตร์อย่างไอน์สไตน์ มนุษยชาติจึงได้รู้เกี่ยวกับธรรมชาติของเอกภพมากขึ้น. แม้กระนั้น ความรู้ที่มนุษย์มีอยู่ในปัจจุบันก็ยังคล้ายกับที่โยบแห่งยุคโบราณได้พรรณนาไว้. เมื่อกล่าวถึงผลงานของพระผู้สร้าง ท่านยอมรับด้วยความถ่อมว่า “ดูเถิดกิจการเหล่านี้เป็นแต่เพียงผิวนอกแห่งราชกิจของพระองค์. เรารู้เรื่องของพระองค์จากเสียงกระซิบที่แผ่วเบาเท่านั้น.”—โยบ 26:14.
[แผนภูมิ/ภาพหน้า 20]
(รายละเอียดดูจากวารสาร)
แสงมีพฤติกรรมเป็นทั้งคลื่นและอนุภาค. ความเข้าใจนี้ทำให้สามารถสร้างเครื่องคิดเลขพลังแสงอาทิตย์และตัวตรวจจับแสงในกล้องถ่ายรูปดิจิตอลได้
[แผนภูมิ/ภาพหน้า 21]
(รายละเอียดดูจากวารสาร)
การเคลื่อนไหวแบบบราวน์ช่วยพิสูจน์ว่าอะตอมมีอยู่จริง
[แผนภูมิ/ภาพหน้า 21]
(รายละเอียดดูจากวารสาร)
E พลังงาน
= เท่ากับ
m มวล
c2 ความเร็วแสง
c2 หมายถึง c คูณ c หรืออีกนัยหนึ่ง 299,792 กิโลเมตรต่อวินาทีคูณ 299,792 กิโลเมตรต่อวินาที
เนื่องจาก c2 เป็นตัวเลขที่สูงมาก (89,875,000,000 กิโลเมตร2/วินาที2) มวลเพียงเล็กน้อยจึงสามารถแปรรูปเป็นพลังงานมหาศาล. เมื่ออะตอมของยูเรเนียมหนึ่งอะตอมถูกแบ่งแยก จะเกิดอะตอมที่เล็กกว่าสองอะตอมทันที แต่นอกจากนั้นมวลของมันจะสูญเสียไปประมาณ 0.1 เปอร์เซ็นต์ด้วย; มวลเพียงเล็กน้อยนี้เปลี่ยนไปเป็นพลังงานมหาศาลที่ปล่อยออกมา
พลังงานถูกปลดปล่อย
สารชนิดใดก็ตามเพียง 450 กรัมถ้าเปลี่ยนเป็นพลังงานทั้งหมด จะเท่ากับ:
▪ 11,000 ล้านกิโลวัตต์-ชั่วโมง
▪ พลังงานที่ต้องใช้เพื่อขับเคลื่อนรถยนต์คันหนึ่งไปรอบโลก 180,000 รอบ
▪ พลังงานที่ต้องใช้เพื่อขับเคลื่อนเรือบรรทุกน้ำมันขนาดใหญ่ที่สุดไปรอบโลก 400 รอบ
▪ ความต้องการพลังงานไฟฟ้าของสหรัฐในหนึ่งวัน
ในทางกลับกันก็เป็นจริงด้วย. ต้องใช้พลังงานมหาศาลเพื่อจะ “สร้าง” อะตอมขึ้นมาเพียงหนึ่งอะตอม
[ภาพหน้า 21]
ยิ่งคุณเดินทางเร็วเท่าไร เวลาก็จะยิ่งช้าลงเท่านั้น
[ภาพหน้า 21]
นาฬิกาบนดาวเทียมของระบบกำหนดตำแหน่งบนพื้นโลก (จีพีเอส) จะเดินด้วยความเร็วต่างจากนาฬิกาที่อยู่บนโลก. ถ้าไม่มีการแก้ไขความคลาดเคลื่อนของเวลาตามหลักสัมพัทธภาพนี้แล้ว สัญญาณจีพีเอสก็จะไม่มีประโยชน์
[ที่มาของภาพหน้า 20]
Einstein: Photo by Topical Press Agency/Getty Images; background: CERN photo, Geneva
