ทรัพย์สินที่ยิ่งใหญ่ของไอน์สไตน์คือจินตนาการของเขา ซึ่งมีลักษณะเป็นจินตนาการแบบเด็กๆ ไม่จำกัดด้วยรูปแบบที่กำหนดโดยวุฒิภาวะที่สมจริง
ความเร็วแสงคงที่
เป็นไปได้ว่าแรงบันดาลใจแรกสำหรับนักวิทยาศาสตร์คือรถไฟที่ไปยังสถานีในซูริก ซึ่งอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์เคยอาศัยและทำงานอยู่ ขณะที่เราค่อยๆ เคลื่อนตัวออกจากสถานี มองออกไปนอกหน้าต่าง เราก็เห็นชานชาลากำลังออกไป ผู้ใหญ่จะเข้าใจทันทีว่าไม่ใช่แท่นที่กำลังเคลื่อนที่ แต่เป็นรถไฟ อย่างไรก็ตาม ไอน์สไตน์ถามตัวเองว่า เรารู้เรื่องนี้ได้อย่างไร?
คำตอบคือโลก นี่คือสิ่งที่เราคิดว่าอยู่กับที่ ดังนั้นเราจึงกำหนดความเร็วให้กับวัตถุด้วยความเคารพ แต่ถ้าโลกไม่มีอยู่จริงล่ะ? เราจะรู้ได้อย่างไรว่ายานอวกาศของเรากำลังเคลื่อนที่หรือสถานีอวกาศกำลังเคลื่อนที่ออกจากเรา สิ่งแรกที่อยู่ในใจคือกฎของฟิสิกส์ บางทีอาจมีกฎบางอย่างที่คำนึงถึงความเร็ว และด้วยวิธีนี้ เราเรียนรู้จากปรากฏการณ์ต่างๆ ไม่ว่าเราจะยืนหรือเคลื่อนไหว?
ผู้สมัครที่ดีที่สุดคือสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า ในโรงเรียน เราได้เรียนรู้ว่ามันเป็นพลังเดียวจริงๆ – แม่เหล็กไฟฟ้า ผลงานของนักฟิสิกส์ชาวดัตช์ เฮนดริก ลอเรนซ์ แสดงให้เห็นว่าแสงซึ่งเป็นสนามแม่เหล็กไฟฟ้ากระแสสลับต้องเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่ากันเสมอโดยไม่คำนึงถึงการเคลื่อนที่ของเรา
จะตรวจสอบได้อย่างไร? เนื่องจากเรารู้ว่าโลกเคลื่อนที่ (ค่อนข้างเร็ว) รอบดวงอาทิตย์และรอบแกนของมัน ดังนั้นหากความเร็วของแสงขึ้นอยู่กับการเคลื่อนที่ ลำแสงจะเคลื่อนที่จากตะวันตกไปตะวันออก – ดังนั้นในทิศทางของการเคลื่อนที่ของโลก – ควรปฏิบัติเช่นเดียวกัน แตกต่างจากครั้งที่สอง จากเหนือจรดใต้ การทดลองดังกล่าวดำเนินการโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกัน Albert A. Michelson และ Edward Morley และปรากฎว่าความเร็วแสงไม่ได้ขึ้นอยู่กับทิศทางการเคลื่อนที่ของมันจริงๆ
ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ
การเคลื่อนไหวมีอยู่เฉพาะในบริบทของผู้สังเกตการณ์สองคนที่เปรียบเทียบระบบของพวกเขา การเคลื่อนไหวนั้นเกิดขึ้นพร้อมกันเสมอ และไม่มีประเด็นใดในการกำหนดระบบที่อยู่นิ่ง ดังนั้น ทฤษฎีทางกายภาพที่ถูกต้องทั้งหมดจะต้องไม่ขึ้นกับความเร็วและตำแหน่ง และเวลาด้วย หากเป็นอย่างอื่น จะสามารถแยกความแตกต่างระหว่างระบบเคลื่อนที่และอยู่กับที่
จะจัดการกับความเร็วแสงคงที่นี้ได้อย่างไร? ท้ายที่สุด นี่หมายความว่าถ้า “บีคอน” อวกาศส่งสัญญาณแสง และเราชนจรวดที่บินด้วยความเร็วใกล้เคียงกับความเร็วแสง และไล่ตามสัญญาณนี้ มันจะเคลื่อนตัวออกจากเราและประภาคารอย่างรวดเร็ว . นี่เป็นความขัดแย้ง แต่ไม่ใช่จินตนาการของเด็ก
ถ้าเป็นเช่นนั้น ระยะห่างระหว่างเรากับลำแสงจะเพิ่มขึ้น หรือเวลาก็ช้าลงสำหรับเรา ระดับของการยืดพื้นที่หรือการขยายเวลาเป็นสัดส่วนกับความเร็วสัมพัทธ์ ในกรณีของการแสวงหาแสง พื้นที่จะขยายออกไปอย่างไม่มีกำหนด และเวลาจะหยุดลง
เรามาถึงจุดที่จินตนาการของเราอาจไม่เพียงพอสำหรับเรา เวลาจะหยุดหมายความว่าอย่างไร เราจะหยุดนิ่งในตำแหน่งเดียวหรือไม่? ไม่หรอก เราจะดำเนินชีวิตตามปกติในกรอบอ้างอิงของเรา – แต่เราจะรู้สึกเหมือนมีพระเจ้าอยู่นอกเวลาที่เหลือของจักรวาล แต่เนื่องจากการเคลื่อนไหวนั้นสัมพันธ์กันและสัมพันธ์กัน เราจึงสามารถพูดสิ่งเดียวกันเกี่ยวกับโลกภายนอกเราได้ ดังนั้นความพร้อมกันคืออะไร? กระทบกับหลักเหตุและผลอย่างไร?
ความหมายทั้งหมดของทฤษฎีสัมพัทธภาพยังไม่เป็นที่เข้าใจ Einstein ยกให้สองคนที่สำคัญที่สุด ประการแรก เป็นไปไม่ได้ที่จะไปถึงความเร็วแสง พลังงานที่จำเป็นในการเพิ่มความเร็วจะเพิ่มขึ้นผกผันกับความแตกต่างระหว่างความเร็วและความเร็วของแสง วัตถุที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสงจะมีพลังงานเป็นอนันต์ แต่เนื่องจากการเคลื่อนไหวสัมพันธ์กัน พลังงานนี้คืออะไร? ตามที่เราจำได้จากโรงเรียน พลังงานของการเคลื่อนไหวเป็นสัดส่วนกับความเร็วและมวล ดังนั้นไอน์สไตน์จึงกล่าวว่าควรมีขนาดใหญ่ จากนี้เขาได้รับสมการที่มีชื่อเสียงที่สุดของเขา E=mc^2 – มวลคือรูปแบบของพลังงานที่อยู่นิ่ง
ข้อสรุปที่สองจากความคงตัวของความเร็วแสงคือความจำเป็นในการรวมเวลาเป็นมิติที่สี่เข้าไปในอวกาศสามมิติที่เรารู้จัก ซึ่ง Euclid อธิบายไว้แล้วในสมัยโบราณ เฉพาะกาลอวกาศที่สร้างขึ้นในลักษณะนี้ ซึ่งเป็นครั้งแรกที่กำหนดโดยนักคณิตศาสตร์ชาวเยอรมัน แฮร์มันน์ มินคอฟสกี เท่านั้นที่จะอธิบายฟิสิกส์ได้อย่างถูกต้อง จุดในกาลอวกาศคือตำแหน่งเฉพาะในอวกาศ ณ จุดใดเวลาหนึ่ง ส่วนของกาลอวกาศ-เวลาที่เชื่อมต่อจุดสองจุดคือระยะห่างระหว่างสองเหตุการณ์
ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป
มวลไม่ได้เป็นเพียงการวัดแรงที่ต้องใช้ในการทำให้วัตถุเคลื่อนที่ และด้วยเหตุนี้จึงกำหนดระดับความเฉื่อยของวัตถุ มวลยังเป็นแหล่งกำเนิดของแรงโน้มถ่วง คำจำกัดความเหล่านี้อ้างถึงปรากฏการณ์ที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง สามารถบรรจุปริมาณทางกายภาพที่เหมือนกันได้หรือไม่? “เหตุการณ์” ดังกล่าวไม่ได้เกิดขึ้นในธรรมชาติ
การทดลองที่เกี่ยวข้องดำเนินการโดย Lorand Eötvös นักธรณีฟิสิกส์ชาวฮังการีโดยใช้ลูกตุ้มบิด ปรากฎว่ามวลเฉื่อยและความโน้มถ่วงเท่ากันอย่างแน่นอน สำหรับไอน์สไตน์ นี่เป็นข้อพิสูจน์ว่า เช่นเดียวกับสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก แรงโน้มถ่วงและความเฉื่อยต้องเป็นไปตามรูปแบบเดียวกัน ภายใต้อิทธิพลของแรง เราเปลี่ยนค่าหรือทิศทางของความเร็ว ซึ่งในทางฟิสิกส์เรียกว่าความเร่ง การเร่งความเร็วคือการเปลี่ยนแปลงของความเร็ว และความเร็วนั้นสัมพันธ์กันเสมอ เนื่องจากการเคลื่อนที่เป็นสัมพัทธ์ ความเร่งจึงต้องสัมพันธ์กันด้วย
โดยแรงบันดาลใจจากตัวอย่างของโลก พื้นผิวโค้งที่เราอาศัยอยู่และวัดนั้น Einstein รู้ว่าพื้นผิวเรียบไม่ใช่สิ่งเดียวที่อนุญาตให้ทำได้โดยเรขาคณิต หากกาลอวกาศ-เวลาสี่มิติไม่ใช่ระนาบ ดังนั้นวิถีของวัตถุที่ไม่มีการรบกวนจากภายนอก ดังนั้น การเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงตามกฎคลาสสิกของฟิสิกส์ จะต้องโค้ง
ในบางระบบ สิ่งนี้สามารถอธิบายได้ด้วยแรงโน้มถ่วง ในระบบอื่นๆ – โดยความเฉื่อย และในแบบจำลอง – เพียงแค่ความโค้งของอวกาศ รถไฟสองขบวนที่วิ่งบนรางคู่ขนานที่อยู่ติดกัน หรือบนรางเดียวกันแต่ในช่วงเวลาคงที่ อาจเกิดการชนกันได้
จำเป็นต้องคิดใหม่เกี่ยวกับแนวความคิดของการขนานและการชี้นำ เช่นเดียวกับแนวคิดเรื่องเวลา เนื่องจากพื้นที่มีความโค้ง แสงจึงต้องโค้งในแนวโค้งดังกล่าวด้วย เนื่องจากความโค้งต้องทำให้เกิดผลกระทบ เช่น แรงโน้มถ่วง มวลแต่ละก้อนจึงต้องสร้างความไม่เท่ากันของกาลอวกาศและด้วยเหตุนี้ ตัวอย่างเช่น มีอิทธิพลต่อกาลเวลา
ข้อสรุปหลายประการได้รับการยืนยันจากการทดลอง เช่น การไหลของเวลาที่ไม่สม่ำเสมอที่จุดที่ใกล้ที่สุดและไกลที่สุดของวงโคจรของดาวพุธ ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างช้าๆ หรือความสามารถในการมองเห็นดาวที่ซ่อนอยู่หลังวัตถุขนาดใหญ่อื่นๆ ยังมีอีกหลายท่านที่รอการยืนยัน
