หลังจากที่ผู้จัดการวิทยาศาสตร์ได้นำเสนอส่วนหนึ่งของบทความเกี่ยวกับความเข้าใจผิดต่อ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) ในบทความ “7 ความเชื่อผิดๆ เพี้ยนๆ เกี่ยวกับไอน์สไตน์” ซึ่งเขียนโดย ดร.บัญชา ธนบุญสมบัติ นักวิชาการศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ (เอ็มเทค) และตีพิมพ์ในนิตยสารสารคดีฉบับที่ 243 ประจำเดือนพฤษภาคม 2548 ซึ่งได้สรุปว่าเราควรเรียกมิติที่ 4 ว่ากาลอวกาศมากกว่าเวลา
เรื่องที่จะนำเสนอต่อไปก็เป็นเรื่องสุดท้ายของการนำเสนอบทความแก้ความเชื่อผิดๆ ทั้ง 7 ของ ดร.บัญชาแล้ว ซึ่งเป็นบทความเกี่ยวกับการตีความทฤษฎีสัมพัทธภาพ ไปดูกันเถอะ
ความเชื่อผิดเพี้ยน: มวลของวัตถุเพิ่มขึ้นตามอัตราเร็ว
ข้อชี้แจง: ประเด็นนี้ค่อนข้างซับซ้อนเพราะเป็นเรื่องของการตีความในทางเทคนิค แต่ที่ผมใส่ไว้ด้วย เพราะอยากเปิดประเด็นไว้ เพื่อให้ผู้สนใจทฤษฎีของไอน์สไตน์จริงๆ ได้ใช้เป็นจุดเริ่มในการติดตามความคิดของนักฟิสิกส์ และตรวจสอบข้อมูลในบทความ หนังสืออ่านเล่นสนุกๆ รวมทั้งตำราที่ใช้เรียนโดยทั่วไป
คำกล่าวที่ว่า “มวลของวัตถุเพิ่มขึ้นตามอัตราเร็ว” นี้สอนกันมานานหลายสิบปีแล้ว และฝังอยู่ในตำรา บทความ และเอกสารแทบทุกแห่งที่เกี่ยวข้องกับทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ แต่ตอนนี้นักฟิสิกส์ที่เชี่ยวชาญด้านฟิสิกส์ของกาลอวกาศ (spacetime physics) ได้ปรับการตีความเกี่ยวกับมวลมาได้พักใหญ่แล้ว!
แต่เดิมนั้น หนังสือฟิสิกส์เกี่ยวกับทฤษฎีสัมพัทธภาพ (แทบจะทุกเล่ม) จะบอกตรงกันว่า มวลของวัตถุเพิ่มตามอัตราเร็วตามสูตร
โดยที่ m คือ มวลสัมพัทธภาพ (relativistic mass) หรือมวลที่ผู้สังเกตเห็นขณะที่วัตถุนั้นเคลื่อนที่ไป
m0 คือ มวลนิ่ง (rest mass) หรือมวลที่วัดได้เมื่อวัตถุนั้นมีอัตราเร็วเป็นศูนย์
v คือ อัตราเร็วของวัตถุ และ
c คือ อัตราเร็วของแสงในสุญญากาศ
แต่ในปัจจุบัน (หรืออย่างน้อยก็ตั้งแต่ปี ค.ศ.2002 เป็นต้นมา) การตีความว่ามวลเพิ่มตามอัตราเร็วตามสูตรนี้ล้าสมัยไปเรียบร้อยแล้ว โดยนักฟิสิกส์จะยึดหลักใหม่ว่า มวลของระบบโดดเดี่ยวเป็นปริมาณที่ไม่แปรเปลี่ยน (Mass of an isolated system is an invariant.) ซึ่งหากเราถามถึงเหตุผลอย่างง่ายๆ ก็ให้ลองคิดดูว่า ขณะที่วัตถุกำลังเคลื่อนที่อยู่นั้น จำนวนอะตอมเพิ่มขึ้นหรือเปล่า? คำตอบคือเปล่า! ขนาดของอะตอมใหญ่ขึ้นหรือเปล่า? ก็เปล่าอีก! ดังนั้นการตีความว่ามวลของวัตถุเพิ่มขึ้นตามอัตราเร็วจึงฟังแล้วไม่ค่อยเข้าที
สำหรับเหตุผลแบบรัดกุมนั้น ต้องศึกษาทฤษฎีสัมพัทธภาพให้ลึกลงไป แต่แนวคิดโดยสรุปก็คือ นักฟิสิกส์ต้องการสร้างระบบคณิตศาสตร์เพื่อใช้กับทฤษฎีสัมพัทธภาพอย่างเป็นทางการ โดยมีการนิยามปริมาณที่เรียกว่า เวกเตอร์ 4 มิติ (four-vector) เพื่อใช้ในการคำนวณ เช่น สำหรับคู่ของตำแหน่งกับเวลานั้น จะมีเวกเตอร์ (ct, x, y, z) เพราะตำแหน่ง (x,y,z) กับเวลา t นั้น ผูกพันกันอย่างแนบแน่น
ส่วนโมเมนตัม (ใช้สัญลักษณ์ p) นั้นเข้าคู่กับพลังงานหารด้วยอัตราเร็วของแสง (หรือ E/c) โดยที่มีเวกเตอร์ 4 มิติ ได้แก่ (E/c, px, py, pz) เรียกว่า เวกเตอร์ 4 มิติของโมเมนตัม-พลังงาน หรือ โมเมนเอเนอร์จี (momenenergy) ซึ่งมาจาก momentum + energy นั่นเอง ประเด็นสำคัญก็คือ ขนาดของเวกเตอร์โมเมนเอเนอร์จีนี้เท่ากับ m2c2 และเป็นปริมาณที่ไม่แปรเปลี่ยน (invariance) โดยเจ้า m ในเทอม m2c2 นี้ ก็คือ มวล (หรือ มวลนิ่ง m0 ในชื่อเดิมที่ใช้กันมาจนติดปาก) นั่นเอง
ดังนั้น หากมีใคร หรือหนังสือเล่มไหนยังกล่าวถึง 'มวลนิ่ง' หรือ 'มวลสัมพัทธภาพ' ก็ไม่ใช่ว่าผิด แต่ให้รู้ไว้ว่านั่นเป็นการตีความแบบเดิมที่ใช้กันมานานแล้ว แต่ในปัจจุบันจะยึดหลักที่ว่า มวลเป็นปริมาณไม่แปรเปลี่ยน ดังนั้น จึงไม่เพิ่มและไม่ลดตามอัตราเร็ว
น่าแปลกไหมละที่จู่ ๆ เรื่องที่เคยเชื่อและสอนกันมาตั้งนานจนอยู่ในตำรามาตรฐานก็กลับมาพลิกเปลี่ยนมุมมองใหม่ได้อย่างนี้ แต่วิทยาศาสตร์ก็เป็นเช่นนี้เอง กล่าวคือ หากมีใครพบหรือเห็นอะไรใหม่ ๆ ที่ลึกซึ้งและกว้างขวางกว่าเดิม ก็สามารถที่จะปรับเปลี่ยนการตีความและการนำเสนอได้
ในกรณีเกี่ยวกับการตีความเรื่องมวลในทฤษฎีสัมพัทธภาพใหม่นี้ เทยเลอร์ (Edwin F. Taylor) และวีลเลอร์ (John Archibald Wheeler) ได้เล่าไว้ในหนังสือ Spacetime Physics ว่า มีลูกศิษย์ของท่านคนหนึ่ง ได้ชี้ประเด็นนี้ให้เห็น และเมื่อท่านได้คิดใคร่ครวญดูแล้ว ก็พบว่าเป็นอย่างที่เขาทักท้วงจริงๆ
เทยเลอร์และวีลเลอร์จึงยกตัวอย่างคำกล่าวของกาลิเลโอที่ว่า “In questions of science the authority of a thousand is not worth the humble reasoning of a single individual.” ซึ่งถอดความได้ว่า ในทางวิทยาศาสตร์นั้น แม้ผู้เชี่ยวชาญสักพักคนจะกล่าวตรงกันในเรื่องๆ หนึ่ง แต่ถ้าหากมีคนเพียงคนเดียวที่คิดได้ลึกซึ้งกว่า แนวคิดเดิมก็ตกไปได้
คล้ายๆ กับที่โคลงโลกนิติของเราว่าไว้ว่า "ดารามีมากน้อย ถึงพัน บ่เปรียบกับดวงจันทร์ หนึ่งได้" นั่นเอง!
