ค.ศ.1905 คือปีมหัศจรรย์ของ Albert Einstein วัย 26 ปี เพราะได้เสนองานวิจัย 3 เรื่อง ซึ่งได้ปฏิรูปฟิสิกส์อย่างมโหฬาร นั่นคือ ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ ทฤษฎีการเคลื่อนที่แบบบราวน์ และทฤษฎีปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กตริก
โดยในทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ Einstein ได้ปรับโครงสร้างของทฤษฎีกลศาสตร์ของ Galileo และ Newton ให้สามารถใช้ได้อย่างสอดคล้องกับทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าของ Maxwell จนได้พบว่าเอกภพมีโครงสร้าง 4 มิติคือ 3 มิติของระยะทาง (กว้าง-ยาว-สูง) และ 1 มิติของเวลา ซึ่งผูกพันกันอย่างแยกจากกันไม่ได้ สืบเนื่องจากการเคลื่อนที่จะยืดและหด ระยะทางกับเวลา จนทำให้ผู้สังเกตที่เคลื่อนที่สัมพันธ์กันจะวัดความยาวของไม้บรรทัด และเวลาได้ไม่เท่ากัน นอกจากนี้ Einstein ก็ยังได้สังเคราะห์ความคิดเรื่องมวลและพลังงานจนได้พบว่า มวลและพลังงานเป็นสิ่งเดียวกันที่สามารถเปลี่ยนไปมากันได้ และความเร็วแสงเป็นค่าคงตัวในธรรมชาติ
อีกสองปีต่อมา Einstein ได้เริ่มขยายขอบเขตการใช้ของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษให้สามารถใช้อธิบายที่มาและธรรมชาติของแรงโน้มถ่วงได้ด้วย หลังจากที่หยั่งรู้ว่า ความคิดเรื่องแรงโน้มถ่วงของ Newton มีความสัมพันธ์โดยตรงกับความเร่งของการเคลื่อนที่ เช่น ในกรณีคนที่กำลังกระโดดจากตึก เขาจะรู้สึกเสมือนว่า ไม่มีแรงกระทำที่ตัวเขา และเขาไม่มีน้ำหนักเลย
ในการบรรยายให้ที่ประชุมของสถาบัน Prussian Academy of Sciences ที่กรุงเบอร์ลินฟังเมื่อเดือนพฤศจิกายน ค.ศ.1915 Einstein ได้ชี้ให้เห็นว่าแรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อมวลเป็นผลที่เกิดจากการที่มวลนั้นมีความเร่ง และแรงโน้มถ่วงเป็นผลที่เกิดจากการบิดโค้งของอวกาศ-เวลา ในบริเวณรอบมวลจนเป็นร่องลึก ทำให้มวลอื่นต้องไถลไปบนผิวโค้งดังกล่าว แล้วหมุนวนไปโดยรอบเหตุการณ์นี้จึงดูเสมือนว่าวัตถุถูกดวงอาทิตย์ดึงดูด นั่นคือในมุมมองของ Einstein ธรรมชาติไม่มีแรงโน้มถ่วง สิ่งที่มีคือการบิดโค้งของอวกาศ-เวลาในบริเวณรอบมวล
ผลงานนี้ได้รับการเผยแพร่เป็นครั้งแรก เมื่อวันที่ 2 ธันวาคม ค.ศ.1915 ดังนั้นปี 2015 จึงเป็นวาระครบหนึ่งศตวรรษของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป
ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ Einstein ได้ทำนายปรากฏการณ์หลายเรื่องที่ให้ผลแตกต่างจากทฤษฎีของ Newton เช่น ทำนายว่าวิถีโคจรของดาวพุธซึ่งเป็นดาวเคราะห์ที่โคจรอยู่ใกล้ดวงอาทิตย์มากที่สุด จะไม่ซ้ำรอยเดิม คือวงโคจรจะเหวี่ยงไปมากกว่าที่ทฤษฎี Newton ทำนาย เวลาแสงพุ่งหนีดาวฤกษ์ที่มีมวลมหาศาลออกไปสู่อวกาศความยาวคลื่นของแสงจะมากขึ้น คือ แสงจะมีสีแดงขึ้นๆ (red-shifted) และมวลที่มากมหาศาล (1031 กิโลกรัม) ของดวงอาทิตย์สามารถบิดโครงสร้างของอวกาศในบริเวณโดยรอบ ทำให้แสงที่พุ่งผ่านใกล้ขอบดวงอาทิตย์ไม่สามารถเดินทางเป็นเส้นตรงได้อีกต่อไป แต่จะเบี่ยงเบนทิศไปเล็กน้อย ดังนั้นเมื่อแสงเดินทางถึงโลก คนบนโลกจะเห็นดาวฤกษ์ที่ให้กำเนิดแสงอยู่ ณ อีกตำแหน่งหนึ่ง ที่ไม่ใช่ตำแหน่งแท้จริงของมัน เพราะคำทำนายในประเด็นหลังนี้ “ง่าย” ที่สุดในการตรวจสอบ ดังนั้นสมาคม Royal Society ของอังกฤษจึงตัดสินใจตรวจสอบความถูกต้องของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป โดยมอบให้นักดาราศาสตร์ชื่อโด่งดังที่สุดของประเทศคือ Arthur Eddington เป็นหัวหน้าคณะทดลอง
ไม่นานหลังจากที่สงครามโลกครั้งที่ 1 ยุติ Eddington กับคณะได้ออกเดินทางในเดือนกุมภาพันธ์ปี 1919 ไป West Africa ในวันที่เกิดสุริยุปราคา บริเวณนั้นมีฝนตก และท้องฟ้ามีเมฆหนาทึบ Eddington จึงได้ถ่ายภาพของกลุ่มดาวฤกษ์ Hyades ที่อยู่ห่างจากโลกประมาณ 150 ปีแสง ขณะถูกดวงอาทิตย์บดบัง แล้ววัดมุมเบี่ยงเบนของแสงที่พุ่งมาจากกลุ่มดาวสู่โลก
ในการเปรียบเทียบภาพตำแหน่งของกลุ่มดาวฤกษ์ทั้งก่อนและหลังดวงอาทิตย์บดบัง ถ้าทฤษฎีของ Einstein ถูกต้อง ตำแหน่งของดาวในกลุ่มดาว Hyades จะเลื่อนไปประมาณ 1/2000 องศา ในขณะที่ทฤษฎี Newton ทำนายว่าปริมาณเบี่ยงมีค่าประมาณ 1/4000 องศา และถ้าผลการทดลองแสดงว่า แนวการเคลื่อนที่ของรังสีไม่เบี่ยงเลย นั่นแสดงว่า แรงโน้มถ่วงไม่มีอิทธิพลใดๆ ต่อการเคลื่อนที่ของแสง แต่ถ้ามีการเบี่ยง ผลที่ได้จะเป็นตัวตัดสินว่า ทฤษฎีของ Einstein หรือของ Newton ที่ถูก
ผลการทดลองแสดงให้เห็นชัดว่า ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ Einstein ถูก และทฤษฎีของ Newton ผิด
นอกจากจะพยากรณ์เหตุการณ์ต่างๆ ได้ถูกต้องยิ่งกว่าทฤษฎีของ Newton แล้ว ทฤษฎีสัมพัทธ-ภาพทั่วไปยังอธิบายประวัติความเป็นมา อนาคตของเอกภพ การมีหลุมดำ การขยายตัวของเอกภพด้วยความเร่งการมีสสารมืด และพลังงานมืดด้วย
เป็นที่น่าสังเกตว่า ตลอดเวลาที่ผ่านมานี้ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปยังไม่ได้รับการพิสูจน์ว่าผิด
นับเป็นเวลา 60 ปีแล้วที่ Einstein ได้เสียชีวิต แต่การค้นหาสิ่งต่างๆ ที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปพยากรณ์ไว้ก็ยังดำเนินต่อไป คำพยากรณ์อีกหลายเรื่องกำลังอยู่ในช่วงเวลาของการตัดสิน เช่น การหาคลื่นโน้มถ่วง (gravitational wave) การตรวจสอบปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นขณะแสงผ่านใกล้หลุมดำ การค้นหาสสารมืดและพลังงานมืด การตรวจสอบหลักสมมูลย์ (equivalence principle) ที่แถลงว่ามวลเฉื่อย (ซึ่งต่อต้านการเปลี่ยนสภาพการเคลื่อนที่) มีค่าเท่ากับมวลโน้มถ่วง (ซึ่งกำหนดน้ำหนักของวัตถุ) เป็นจริงหรือไม่
ในปี 1916 Einstein ได้คำนวณพบว่า มวลที่เคลื่อนที่ด้วยความเร่งจะแผ่คลื่นโน้มถ่วงออกมา ในทำนองเดียวกับประจุไฟฟ้าที่ถูกเร่งจะแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เป็นที่น่าสังเกตว่า ณ เวลาที่ Einstein คิดเรื่องนี้ ไม่มีใครรู้จักดาวนิวตรอน หรือหลุมดำ สิ่งที่นักดาราศาสตร์ในสมัยนั้นเห็นคือดาวฤกษ์คู่ที่โคจรรอบจุดศูนย์กลางมวลของระบบ เมื่อการโคจรเป็นวงกลมทำให้ดาวมีความเร่งเข้าสู่ศูนย์กลาง ดังนั้น ดาวจึงควรแผ่คลื่นโน้มถ่วง แต่ผลการสังเกตไม่พบคลื่นโน้มถ่วงใดๆ คำอธิบายจึงมีว่าดาวฤกษ์ดังกล่าวมีมวลน้อยเกินไป ดังนั้นคลื่นโน้มถ่วงที่แผ่ออกมาจึงมีปริมาณน้อยจนไม่มีใครสามารถตรวจจับได้
กระนั้นนักฟิสิกส์ก็ยังเชื่ออย่างมั่นใจว่า คลื่นโน้มถ่วงมีจริง และนักฟิสิกส์สามารถเห็นได้ ถ้าใช้แหล่งกำเนิดคลื่นโน้มถ่วงที่เหมาะสม
ในปี 1974 Russell Hulse แห่งมหาวิทยาลัย Massachusetts ที่ Amherst และ Joseph Taylor ซึ่งเป็นอาจารย์ที่ปรึกษาได้ใช้กล้องโทรทรรศน์วิทยุ Arecibo Radio Telescope ที่ประเทศปอร์โตริโกศึกษาดาว pulsar ชื่อ 1913+16 ในกลุ่มดาว Aquila และพบว่า สัญญาณที่รับได้มีคาบเท่ากับ 0.059 วินาที แต่ค่านี้เปลี่ยนไป 0.000005 วินาทีในทุก 7.75 ชั่วโมง แทนที่จะมีค่าคงที่เหมือนสัญญาณจากพัลซาร์ทั่วไป หลังจากที่ได้ตรวจสอบการทำงานของคอมพิวเตอร์ที่ควบคุมกล้องอย่างรอบคอบแล้วสองอาจารย์กับศิษย์ก็ไม่พบว่า กล้องทำงานบกพร่อง
ดังนั้นทั้งสองจึงเสนอความเห็นว่า ดาว pulsar ที่เห็นกำลังโคจรไปรอบดาวฤกษ์ดวงหนึ่ง เมื่อ pulsar พุ่งเข้าหาหรือหนีจากโลก สัญญาณคลื่นแสงจากดาวจะเปลี่ยนความถี่ (ปรากฏการณ์ Doppler) การวัดและวิเคราะห์สัญญาณแสดงให้เห็นว่า pulsar ที่เห็นมีมวลประมาณ 2.8 เท่าของดวงอาทิตย์ มีเส้นผ่านศูนย์กลางยาว 20-30 กิโลเมตรและมีความเร็ว 700 กิโลเมตร/วินาที ในขณะที่จุดศูนย์กลางมวลของระบบกำลังพุ่งหนีจากโลกด้วยความเร็ว 75 กิโลเมตร/วินาที อนึ่งตลอดเวลาที่เคลื่อนที่ด้วยความเร่งสู่ศูนย์กลาง pulsar ได้แผ่คลื่นโน้มถ่วงออกมา ทำให้พลังงานของมันน้อยลงๆ และรัศมีวงโคจรก็ลดลง ตรงกับค่าที่ Hulse กับ Taylor วัดได้พอดี
นี่เป็นการค้นพบคลื่นโน้มถ่วงโดยทางอ้อมกล่าว คือ นักฟิสิกส์ทั้งสองไม่ได้เห็นหรือรับคลื่นโน้มถ่วงได้โดยตรง กระนั้นการทดลองนี้ก็นับว่ามีความสำคัญถึงระดับที่ทำให้ Hulse กับ Taylor ได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ประจำปี 1993
เพื่อจะได้เห็นคลื่นโน้มถ่วงอย่างชัดเจน แทนที่จะเห็นแบบอนุมาน ในปี 1972 Raines Weiss แห่ง
Massachusetts Institute of Technology จึงเสนอให้มีการสร้างห้องปฏิบัติการ Laser Interferometer Gravitatitonal Wave Observatory (LIGO) เพื่อตรวจจับคลื่นโน้มถ่วงที่เกิดเวลาหลุมดำหรือดาวนิวตรอนชนกัน
ณ วันนี้ในสหรัฐอเมริกามีห้องปฏิบัติการ LIGO สองห้องทดลองที่เมือง Livington รัฐ Louisiana และที่ Hanford รัฐ Washington โดยLIGO แต่ละแห่งมีอุโมงค์ยาว 4 กิโลเมตร ทอดตัวในแนวตะวันออก-ตก และมีอุโมงค์ที่ยาว 4 กิโลเมตรเช่นกัน ทอดตัวในแนวเหนือ-ใต้ ที่จุดตัดระหว่างอุโมงค์มีอุปกรณ์แทรกสอดของรังสีอินฟราเรด ซึ่งสามารถสะท้อนรังสีกลับไปกลับมาในท่อสุญญากาศ โดยท่อได้รับการออกแบบไม่ให้ได้รับการกระทบกระเทือนใดๆ ไม่ว่าจะจากเหตุการณ์แผ่นดินไหว หรือจากการจราจรในบริเวณภายนอกอุโมงค์ เพราะเวลาคลื่นโน้มถ่วงจากอวกาศเดินทางถึง LIGO
การวางตัวของอุโมงค์ในแนวตั้งฉากกันจะทำให้อวกาศ-เวลาที่แขนทั้งสองข้างของ LIGO ยืดออกและหดเข้าไม่เท่ากัน แม้การยืด-หดของอุโมงค์จะแตกต่างกันเพียง 10-17 เมตร (หนึ่งในพันล้านของเส้นผ่านศูนย์กลางของอะตอม) LIGO ก็ยังสามารถวัดความแตกต่างนั้นได้ ความไวที่ไฮเปอร์ละเอียดมากนี้เกิดจากการใช้แสงที่มีกำลัง 750 กิโลวัตต์ และกระจกที่หนัก 40 กิโลกรัมเป็นอุปกรณ์แทรกสอด ตลอดที่ผ่านมา LIGO ได้สังเกตเหตุการณ์ที่เกิดบนดาวฤกษ์ที่อยู่ห่างจากโลก 50 ล้านปีแสงแล้ว แต่ยังไม่เห็นการเปลี่ยนแปลงใดๆ ของความยาวแขนเลย ดังนั้น คณะทดลองจึงขยายขอบเขตการสังเกตออกไปให้ไกลถึง 5,000 ล้านปีแสง
ในเวลาเดียวกันห้องปฏิบัติการ LIGO ของอีกหลายชาติ เช่น อิตาลี ญี่ปุ่น และอินเดียก็กำลังมี LIGO เช่นกัน โดยคาดหวังว่าหัวหน้าทีมที่ “เห็น” คลื่นโน้มถ่วงเป็นคนแรก และคนที่สองจะได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ร่วมกัน (การทดลองต้องได้รับการยืนยันจากอีกทีมที่ทำงานอย่างเป็นเอกเทศกัน)
แม้ว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปสามารถอธิบายสาเหตุที่วงโคจรของดาวพุธเหวี่ยงไปทีละน้อย อธิบายลักษณะเดินทางของแสงขณะผ่านใกล้ขอบดวงอาทิตย์ และอธิบายการลดเส้นผ่านศูนย์กลางวงโคจรของดาวพัลซาร์ที่โคจรรอบจุดศูนย์กลางมวลของระบบ ได้อย่างสอดคล้องกับผลการวัดทุกประการ กระนั้นนักฟิสิกส์ก็ยังไม่พอใจ 100% เพราะวิธีทดสอบที่ใช้ในกรณีทั้งสามนั้น “ง่าย” ไป คือ สนามโน้มถ่วงของดวงอาทิตย์และดาวนิวตรอนเป็นสนามโน้มถ่วงที่มีความเข้มน้อยนิด เมื่อเปรียบเทียบกับสนามโน้มถ่วงของหลุมดำ ดังนั้นนักฟิสิกส์จึงอดสงสัยไม่ได้ว่า ถ้าสนามโน้มถ่วงที่ใช้ในการทดสอบมีความเข้มสูงมาก เช่น ในบริเวณใกล้หลุมดำ คำทำนายต่างๆ ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปจะยังถูกต้องหรือไม่
ดังนั้น เพื่อไม่ให้มีอะไรคาใจ นักฟิสิกส์จะมีโครงการวิจัยใหม่ที่ใช้หลุมดำที่ใจกลางกาแล็กซี่ทางช้างเผือกเป็นวัตถุทดลอง เพราะมันเป็นหลุมดำที่มีมวลประมาณ 4 ล้านเท่าของดวงอาทิตย์ และอยู่ใกล้โลกมากที่สุด โดยใช้ดาวฤกษ์ Sagittarius A* (SgrA*) ซึ่งเป็นดาวดวงหนึ่งในกลุ่มดาว Sagittarius เป็นวัตถุ เพราะ SgrA* ปล่อยคลื่นวิทยุที่มีความเข้มสูง และอยู่ห่างจากศูนย์กลางของหลุมดำประมาณ 58 ล้านกิโลเมตร (ระยะทางที่ดาวพุธอยู่ห่างจากดวงอาทิตย์) เพื่อวิเคราะห์ดูว่าคลื่นวิทยุจาก SgrA* จะถูกรบกวนโดยหลุมดำ ตรงตามคำทำนายของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปหรือไม่
ในปี 2018 Andrea Ghez แห่งมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียที่ Los Angeles กับ Reinhard Genzel แห่ง Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics ที่เยอรมนีจะสังเกตแสงจากบรรดาดาวฤกษ์ที่โคจรอยู่บริเวณใจกลางของทางช้างเผือก เช่น ดาวฤกษ์ S2 ซึ่งมีความเร็วสูงถึง 5,000 กิโลเมตร/วินาที โดยใช้กล้องโทรทรรศน์ Keck ที่ฮาวาย ทำงานร่วมกับกล้อง Radio Observatory ที่ Arizona กล้อง Large Millimeter Telescope ที่ California และกล้อง Very Large Telescope ที่ Chile วิเคราะห์แสงจากดาว S2 ขณะโคจรเข้าใกล้จุดศูนย์กลางกาแล็กซี่ทางช้างเผือกมากที่สุด เพื่อวัดความยาวคลื่นแสง ขณะดาวพุ่งเข้าหา และหนีจาก “หลุมดำ”
ทีมวิจัยคาดหวังว่าในปี 2019 จะวัดมุมที่วงโคจรของ S2 เหวี่ยงไปประมาณ 0.2 องศาทุกครั้งที่ S2 โคจรไปครบหนึ่งรอบ แต่ S2 ไม่ได้โคจรใกล้หลุมดำนัก เพราะระยะใกล้ที่สุดคือ 4 เท่าของระยะทางที่ดาวเคราะห์ Neptune อยู่ห่างจากดวงอาทิตย์ ดังนั้น ข้อมูลที่ได้จากการสังเกตจะไม่สามารถบอกขนาดของ event horizon ของหลุมดำได้ว่ามีหรือไม่มีจริง
การทดสอบที่น่าจะให้ผลดียิ่งกว่านี้คือ การใช้ pulsar (ดาวนิวตรอนที่หมุนรอบตัวเอง และปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมาอย่างสม่ำเสมอ) ที่กำลังโคจรรอบหลุมดำ โดยการวัดคาบของคลื่นแสงที่ pulsar เปล่งออกมา ถ้าคำทำนายของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปถูกต้อง คาบจะเปลี่ยนไป 1 ในล้าน สืบเนื่องจากอิทธิพลของหลุมดำ จากข้อมูลนี้นักฟิสิกส์จะสามารถหามวล และสปินของหลุมดำได้ คาบที่เปลี่ยนไปยังสามารถระบุได้อีกด้วยว่า หลุมดำมีสมบัติ quadrupole moment หรือไม่มี คือ มีลักษณะกลมหรือเป็นรูปไข่ เพราะทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของหลุมดำแถลงว่า เราไม่มีทางจะรู้รูปลักษณะของหลุมดำได้ เพราะข้อมูลของหลุมดำที่นักดาราศาสตร์สามารถจะรู้ได้มีเพียงประจุ มวล และสปินเท่านั้น
ดังนั้นถ้าหลุมดำมี quadrupole moment จริง นั่นแสดงว่า ทฤษฎี No-hair Theorem ของหลุมดำก็จะผิด และทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของหลุมดำต้องมีการปรับแก้ แต่ถึงวันนี้ก็ยังไม่มีใครเห็น pulsar ที่โคจรรอบจุดศูนย์กลางของกาแล็กซี่
การทดลองเรื่องต่อไป คือ การทดสอบความถูกต้องของหลักสมมูลย์ ดังในตำนานที่ว่า ในปี 1590 Galileo Galilei ได้ขึ้นไปบนยอดหอเอนแห่งเมือง Pisa แล้วปล่อยวัตถุหนักและเบาให้ตกลงมาพร้อมกันโดยวัตถุนั้นเป็นลูกบอลที่ทำด้วยทองคำ ตะกั่ว ทองแดง และพบว่า ถ้าไม่พิจารณาแรงต้านของอากาศ ลูกบอลทั้งสามจะตกถึงพื้นด้วยความเร็วเท่ากันและใช้เวลาเท่ากัน (การทดลองของ Galileo บนหอเอนคงไม่ได้เกิดขึ้นจริง) แต่เหตุการณ์ที่เกิดจริงคือ Galileo ได้ปล่อยให้ลูกบอลที่ทำด้วยวัสดุต่างชนิดกันไถลลงตามพื้นเอียง แล้วสรุปผลว่า ไม่ว่าวัตถุจะทำด้วยวัสดุใด ไม่ว่าจะหนักหรือเบา ทุกชิ้นจะตกถึงพื้นด้วยความเร็วปลายที่เท่ากันเสมอ
Galileo ไม่ได้อ้างผลการทดลองว่าเป็นไปตามหลักสมมูลย์ แต่ Newton ได้แถลงหลักนี้ในปี 1687 ในตำรา Principia Mathematica ว่า มวลโน้มถ่วงกับมวลเฉื่อยมีค่าเท่ากัน โดยใช้การแกว่งของเพนดูลัมที่มีมวลต่างๆ กัน แต่เชือกที่ใช้แขวนมีความยาวเท่ากันเป็นตัวพิสูจน์ เพราะการทดลองของ Newton ณ เวลานั้นไม่ละเอียด ดังนั้น นักฟิสิกส์ปัจจุบันจึงทำการทดลองใหม่ที่ทันสมัยกว่าและให้ผลละเอียดกว่าโดยในปี 2016 นักฟิสิกส์จะปล่อยของให้ตกในอวกาศ แล้วใช้ดาวเทียม MicroSCOPE เป็นห้องทดลองโดยภายในดาวเทียมมีมวล 2 ก้อนซึ่งทำด้วยวัสดุต่างชนิดกัน เพื่อตรวจสอบว่า เวลาวัตถุตกในดาวเทียม และวัตถุถูกโลกดึงดูด วงโคจรของวัตถุรอบโลกจะแตกต่างกันหรือไม่ ซึ่งถ้าพบว่าแตกต่าง ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปก็ต้องมีการปรับแก้ทันที
หลังจากที่ได้พัฒนาอุปกรณ์มาเป็นเวลานาน 15 ปี ขณะนี้อุปกรณ์ทดลองของทีม French National Center for Space Studies ที่จะใช้ทดสอบหลักสมมูลย์ก็พร้อมจะถูกส่งขึ้นอวกาศในปี 2016
การทดสอบหลักสมมูลย์ที่ดีที่สุดในอดีตเป็นผลงานของ Lorand Eötvös นักฟิสิกส์ชาวฮังการีในปี 1889 ที่ได้ใช้ตุ้มน้ำหนัก 2 ก้อน ติดที่ปลายคานเบาจึงมีลักษณะเหมือน dumpbell แล้วใช้เส้นใยแขวนคานให้อยู่ในแนวนอน เพราะลูกตุ้มแต่ละลูกถูกโลกดึงดูดเข้าหาจุดศูนย์กลางของโลก แต่ในขณะเดียวกันเพราะโลกหมุนรอบตัวเองด้วย ดังนั้น ลูกตุ้มแต่ละลูกจะถูกแรง 2 แรงกระทำ คือ แรงโน้มถ่วงกับแรงหนีศูนย์กลาง
ถ้าหลักสมมูลย์เป็นจริง แกนของ dumpbell อาจอยู่นิ่งในทิศใดก็ได้ แต่ถ้าหลักสมมูลย์เป็นเท็จ แรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางจะทำให้แรงลัพธ์บนลูกตุ้มแต่ละลูกแตกต่างกัน
การทดลองของ Eötvös เมื่อ 125 ปีก่อนยืนยันว่า มวลโน้มถ่วงกับมวลเฉื่อยแตกต่างกันไม่เกิน 1 ส่วนใน 20 ล้านส่วน
ด้าน Mark Kasevich แห่งมหาวิทยาลัย Stanford จะใช้การทดลองเลียนแบบ Galileo คือจะปล่อยอะตอมที่มีมวลแตกต่างกันลงในหลอดทดลองที่ภายในเป็นสุญญากาศ แทนที่จะใช้ก้อนวัตถุ
อะตอมที่ Kasevich ใช้ในที่นี้ คือ อะตอม rubidium-87 กับ rubidium-85 ซึ่งเป็น isotope กัน โดย Rb-87 มีโปรตอน 37 อนุภาคและนิวตรอน 50 อนุภาค ส่วน Rb-85 มีโปรตอน 37 อนุภาค และนิวตรอน 48 อนุภาค โดยการให้อะตอมที่มีมวลไม่เท่ากันนี้ ตกในทรงกระบอกที่ยาว 10 เมตร ซึ่งภายในเป็นสุญญากาศ และอุณหภูมิของการทดลองเย็นจัดที่ 2 องศาสัมบูรณ์ เพื่อลดการรบกวนจากอิทธิพลภายนอก แต่การทดลองนี้ก็มีข้อดีตรงที่มวลของ isotope ที่ใช้มีค่าแตกต่างกันน้อยมาก ดังนั้น จึงอาจใช้ยืนยันหลักสมมูลย์ได้ว่าเป็นจริงไม่ว่ามวลจะมีค่าน้อยเพียงใด
แต่ถ้านักฟิสิกส์จะทดสอบหลักการนี้โดยใช้มวลที่มีค่ามาก ก็อาจใช้โลกกับดวงจันทร์เป็น “อนุภาค” ทดลองซึ่งก็อาจนำมาใช้ในการทดลองได้ เพราะโลกและดวงจันทร์มีความแตกต่างกันในหลายประเด็น ไม่ว่าจะเป็นเรื่องขนาดหรือองค์ประกอบ
ตั้งแต่ปี 1970 ที่ NASA เริ่มวัดระยะทางจากโลกถึงดวงจันทร์โดยส่งแสงเลเซอร์ไปกระทบกระจกที่ติดตั้งบนดวงจันทร์แล้วจับเวลาที่แสงสะท้อนกลับถึงโลกก็พบว่า ระยะทางมีค่าตั้งแต่ 356,000 – 406,700 กิโลเมตร เพราะดวงจันทร์โคจรรอบโลก และโลกโคจรรอบดวงอาทิตย์ หลักสมมูลย์ระบุว่า ถ้าระยะทางระหว่างโลกกับดวงจันทร์โดยเฉลี่ยจะเปลี่ยนไปน้อยกว่า 4 มิลลิเมตร/ปี และหลักสมมูลย์ก็ยังถูกต้อง คือผิดพลาดไม่เกิน 4 ใน 1 หมื่นส่วน นี้คือ การทดลองที่จะตรวจสอบหลักสมมูลย์ของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป โดยใช้วัตถุที่มวลมีค่ามาก แม้การตรวจสอบทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปจะยากมากแต่ก็ไม่ยากเท่าการปรับเปลี่ยนทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปให้สอดคล้องกับทฤษฎีควอนตัม ดังนั้นงานชิ้นต่อไปซึ่งนับเป็นสุดยอดของการสังเคราะห์ คือ การรวมทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปกับทฤษฎีควอนตัม
อ่านเพิ่มเติมจาก The Genesis of General Relativity โดย J. Renn บรรณาธิการ จัดพิมพ์โดย Springer, Berlin ในปี 2007 และจาก 100 Years of Generd Relativity ใน Scientific Americanฉบับกันยายน ค.ศ.2015
เกี่ยวกับผู้เขียน
สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ สุทัศน์ ยกส้าน ได้ทุกวันศุกร์
