ไม่มีอะไรเอาชนะกฎฟิสิกส์ของจักรวาลได้ หากทางรอดของโลกที่กำลังจะล่มสลายคือการเดินทางไปยังระบบดาวดวงอื่นที่อยู่ห่างออกไปเกือบ 12 ปีแสง เราก็ต้องไป จากนิยายไซไฟขายดีสู่ภาพยนตร์ฟอร์มยักษ์โปรเจกต์เฮลแมรี ภารกิจกู้สุริยะ (Project Hail Mary) ที่เล่าถึงเรื่องราวของไรแลนด์ เกรซ (Ryland Grace) นักวิทยาศาสตร์ที่ออกเดินทางสู่ระบบดาวเทาเซติ (Tau Ceti) ด้วยความเร็วเข้าใกล้กับความเร็วแสงเพื่อหาวิธีกอบกู้โลก ซึ่งใครจะไปคิดว่าการเดินทางนี้จะทำให้เวลาของเขาไหลช้ากว่าเวลาของเพื่อนมนุษย์ที่รออยู่บนโลก
บทความนี้ไม่มีการสปอยล์และเปิดเผยเนื้อเรื่องสำคัญ
แม้ว่าการไหลของเวลาที่เรากำลังสัมผัสอยู่ทุกวินาทีจะดูเหมือนว่าเป็นระบบสากลของจักรวาล ที่ไม่ว่าเราจะอยู่ไหนในจักรวาล เวลาเข็มนาฬิกาก็ควรจะเดินไปข้างหน้าในอัตราที่เท่า ๆ กัน ทว่าหลังจากการค้นพบทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) ในปี 1905 ความเข้าใจเรื่องเวลาของเราก็ได้เปลี่ยนไปอย่างสิ้นเชิง
ในตอนแรกไอน์สไตน์เพียงแค่พยายามหาวิธีแก้ไขความไม่ลงรอยระหว่างกฎการเคลื่อนที่ตามกลศาสตร์นิวตัน กับพฤติกรรมของแสงที่นักวิทยาศาสตร์ในยุคนั้นยังหาคำตอบไม่ได้ผ่านทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าของแม็กซ์เวลล์ โดยไอน์สไตน์ได้เสนอกฎ 2 ข้อด้วยกัน
ข้อที่ 1. กล่าวว่า “กฎฟิสิกส์เหมือนกันในทุกกรอบอ้างอิงเฉื่อย หรือกรอบที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่” แปลง่าย ๆ ว่า กฎทางฟิสิกส์จะทำงานเหมือนกันเสมอไม่ว่าเราจะยืนอยู่นิ่ง หรือกำลังนั่งอยู่บนยานพาหนะที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่
ส่วนข้อที่ 2. คือ “ความเร็วแสงมีค่าคงที่เสมอสำหรับทุกผู้สังเกต” หมายความว่าแสงจะเดินทางด้วยความเร็วเท่าเดิมเสมอไม่ว่าผู้สังเกตจะพยายามวิ่งตามหรือวิ่งสวนทางกับแสงนั้นด้วยความเร็วมากแค่ไหนก็ตาม
เมื่อไอน์สไตน์นำกฎทั้งสองข้อนี้มาประกอบกันด้วยการพิสูจน์ในเชิงคณิตศาสตร์ เขาก็ค้นพบว่า หากความเร็วของแสงคือสิ่งเดียวที่คงที่และเปลี่ยนแปลงไม่ได้ สิ่งที่ต้องยอมยืดหยุ่นแทนก็คือ ‘เวลา’ และ ‘ระยะทาง’ นั่นหมายความว่า นาฬิกาของคนที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงจะเดินช้ากว่าคนที่อยู่นิ่ง และระยะทางที่เดินทางก็จะหดสั้นลงตามไปด้วย ซึ่งความสัมพันธ์อันน่าอัศจรรย์ระหว่างเวลาและพื้นที่นี้เอง ที่ช่วยปลดล็อกความเข้าใจใหม่แห่งจักรวาลและทำให้เราเห็นว่าเวลานั้นไม่ได้เดินเป็นเส้นตรงอย่างที่เคยเชื่อกันมาตลอด ในปัจจุบันเราเรียกทฤษฎีนี้ว่า ‘ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ’
ในทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ เวลาของแต่ละผู้สังเกตจะมีค่าขึ้นกับความเร็วในการเคลื่อนที่ของผู้สังเกต หมายความว่ายิ่งไรแลนด์ เกรซ พระเอกของเราเดินทางไปยังระบบดาวอื่นเร็วเท่าใด เวลาที่เกรซสัมผัสได้ก็จะยิ่งหดลงเท่านั้น ในขณะที่คนบนโลกรับรู้เวลาในอัตราที่ช้ากว่าเวลาของเกรซ ทำให้คนบนโลกต้องเผชิญกับภัยดวงอาทิตย์อย่างยาวนานตามที่ปรากฏในภาพยนตร์ ซึ่งการยืดหดของเวลาสามารถเขียนกฎของไอน์สไตน์เป็นสมการคณิตศาสตร์ได้ดังนี้
โดยที่ t คือเวลาที่วัดโดยผู้สังเกตที่อยู่นิ่งเทียบกับเหตุการณ์ เช่น คนบนโลกที่สังเกตยานอวกาศเดินทางออกไป t0 คือเวลาที่วัดโดยผู้สังเกตที่เคลื่อนที่ไปพร้อมเหตุการณ์ เช่น นาฬิกาของเกรซ พระเอกของเรื่องที่อยู่บนยาน u คือความเร็วของยานอวกาศเทียบกับผู้สังเกตที่หยุดนิ่ง และ c คือความเร็วแสงในสุญญากาศ ซึ่งเราเรียกสมการนี้ว่าการยืดของเวลา (Time Dilation)
ในมุมมองผู้สังเกตบนโลก ยานอวกาศในภาพยนตร์สามารถเคลื่อนที่ได้ด้วยความเร็ว 92% ของความเร็วแสงหรือเขียนได้ว่า 0.92c เมื่อเทียบกับโลก หากแทนค่า u = 0.92c ลงในสมการการยืดเวลา เราจะได้ความสัมพันธ์ t = 2.55t0 หมายความว่า เวลาของผู้สังเกตบนโลก t จะผ่านไปเร็วกว่าเวลาของคนที่อยู่บนยาน t0 ถึง 2.55 เท่า ถ้าหากว่า Grace ใช้ชีวิตบนยานจนเวลาผ่านไป 1 ปี เมื่อคำนวณเทียบเวลาบนโลก ก็จะพบว่าเวลาบนโลกได้ผ่านไปแล้วถึง 2 ปี 6 เดือน นี่จึงเป็นสาเหตุที่การเดินทางข้ามดวงดาวที่ความเร็วสูงมาก ๆ ทำให้คนที่ไปกับยานแก่ช้ากว่าคนที่รออยู่บนโลก
ปรากฏการณ์ที่มาคู่กับการยืดของเวลาก็คือการหดสั้นของความยาว (Length Contraction) ทั้งสองอย่างนี้คือผลที่เกิดขึ้นเพื่อให้ความเร็วแสงมีค่าคงที่เสมอ ซึ่งเขียนเป็นสมการได้ดังนี้
โดยที่ l คือระยะทางที่หดสั้นลง วัดโดยผู้สังเกตที่กำลังเคลื่อนที่ไปพร้อมกับยาน และ l0 คือระยะทางจริงที่วัดโดยผู้สังเกตที่อยู่นิ่ง
ดาวเทาเซติ (Tau Ceti) คือดาวฤกษ์ที่อยู่ในกลุ่มดาววาฬ ห่างจากระบบสุริยะของเราออกไป 11.9 ปีแสง หากเกรซ เดินทางด้วยยานอวกาศที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว u = 0.92c จะได้ว่าระยะทาง l ที่ เกรซ เดินทางจริง จะหดเหลือเพียงแค่ 4.66 ปีแสงเท่านั้น ส่วนเวลาที่ใช้เดินทางนั้น คนบนโลกจะเห็นยานวิ่งด้วยระยะทางเต็ม ๆ 11.9 ปีแสงเป็นเวลา 12.93 ปี ในขณะที่มุมมองของ Grace จะเห็นระยะทางหดสั้นลง ทำให้เวลาเดินทางเหลือเพียง 5.07 ปีเท่านั้น
แสดงว่านับตั้งแต่ที่เกรซ ออกเดินทางจนถึงระบบดาวเทาเซติ เวลาบนโลกก็ผ่านไปประมาณ 13 ปี แต่จากผลของสัมพัทธภาพเกรซ จึงใช้เวลาเดินทางเพียง 5 ปี เท่านั้น โดยหลังจากปฏิบัติภารกิจเสร็จสิ้นเกรซได้ส่งข้อมูลที่จะสามารถช่วยมนุษย์โลกได้กลับมาผ่านจรวด หากเราอนุมานว่าจรวดนี้เดินทางด้วยความเร็วเท่ากันกับยานอวกาศที่เกรซเดินทางมา ก็จะใช้เวลาเดินทางอย่างน้อย 5 ปีในการเดินทางกลับถึงโลก แต่คนบนโลกต้องรอข้อมูลนั้นอีกอย่างน้อย 13 ปี ดังนั้น Project Hail Mary จึงเป็นภารกิจที่มนุษยชาติต้องอดทนรอกว่า 26 ปี เพื่อที่จะก้าวข้ามผ่านวิกฤติพลังงานนี้ ในขณะที่เกรซรับรู้เวลาที่ผ่านไปแค่ 18 ปีเท่านั้น
รับชม Sci & Tech Movie ตอน วิเคราะห์ภารกิจกู้โลกใน Project Hail Mary วิทยาศาสตร์คือทางรอดเดียว
อัปเดตข้อมูลแวดวงวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี รู้ทันโลกไอที และโซเชียลฯ ในรูปแบบ Audio จาก AI เสียงผู้ประกาศของไทยพีบีเอส ได้ที่ Thai PBS
ที่มาข้อมูล : Wikipedia, Wikipedia
“รอบรู้ ดูกระแส ก้าวทันโลก” ไปกับ Thai PBS Sci & Tech
