เกรด 11 · ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ
ปรากฏการณ์เชิงสัมพัทธภาพ
การเปลี่ยนแปลงของมวล อัตราเดินของนาฬิกา และความยาวที่อัตราเร็วสูง
อ่านเนื้อหาทฤษฎีของบทเรียนทั้งหมดได้ที่นี่โดยไม่ต้องมีบัญชี ในบทเรียนแบบโต้ตอบ เนื้อหาเดียวกันจะแบ่งเป็นการ์ด ตามด้วยคำถามพร้อมคำอธิบายหลังตอบและโจทย์ฝึก ระบบจะบันทึกความก้าวหน้าของคุณ
ค่อย ๆ ทำความเข้าใจทีละขั้น
ลองนึกถึงนาฬิกาแสงที่มีกระจกสองบาน หนึ่งครั้งที่นาฬิกาเดินคือพัลส์แสงเดินทางไปกลับระหว่างกระจก สำหรับผู้โดยสาร แสงเดินทางในแนวดิ่ง แต่สำหรับผู้สังเกตภายนอก แสงยังเคลื่อนไปตามแนวการเคลื่อนที่ของยานด้วย ถ้าทั้งคู่ได้อัตราเร็วแสง c เท่ากัน ช่วงเวลาระหว่างการเดินของนาฬิกาจะเท่ากันหรือไม่?
กรอบอ้างอิงที่เท่าเทียมกัน
ในยานที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงตัวโดยไม่หมุน วัตถุอิสระยังเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงด้วยความเร็วคงตัว เช่นเดียวกับในกรอบอ้างอิงเฉื่อยอื่น หลักสัมพัทธภาพระบุว่ากฎฟิสิกส์เหมือนกันในทุกกรอบเช่นนี้ ทั้งโลกและยานไม่ได้เป็นกรอบพิเศษเพียงเพราะชื่อหรือความรู้สึกว่าอยู่นิ่งจริง เราต้องระบุผู้สังเกตและวิธีวัดที่จะเปรียบเทียบ หากยานเร่ง จะไม่ตรงกับแบบจำลองกรอบเฉื่อยอย่างง่ายนี้แล้ว
อัตราเร็วแสงเท่ากัน
ในทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ ผู้สังเกตในกรอบเฉื่อยทุกคนวัดอัตราเร็วแสงในสุญญากาศได้เท่ากันคือ c≈3·10⁸ м/с ไม่ว่าแหล่งกำเนิดจะเคลื่อนที่อย่างไร เราจึงใช้การบวกแบบเดิม c+v กับแสงตรง ๆ ไม่ได้ สำหรับนาฬิกาแสง ผู้สังเกตภายนอกได้เส้นทางพัลส์ที่เอียงและยาวกว่า แต่มีอัตราเร็วแสงเท่าเดิม ช่วงเวลาระหว่างการเดินของนาฬิกาจึงนานกว่า ต่อไปนี้ให้อัตราเร็วสัมพัทธ์ระหว่างกรอบคงตัวและ v<c
ตัวประกอบที่บอกการเปลี่ยนแปลง
จากเรขาคณิตของเส้นทางเอียงได้ตัวประกอบ \gamma=1/\sqrt{1-v^2/c^2} สำหรับครึ่งหนึ่งของการเดินทางไปกลับ สามเหลี่ยมมุมฉากมีด้านตรงข้ามมุมฉาก cτ/2 ด้านแนวระดับ vτ/2 และด้านแนวดิ่ง cτ₀/2 ทฤษฎีบทพีทาโกรัสให้ τ=γτ₀ ค่า γ ไม่มีหน่วยและไม่น้อยกว่าหนึ่ง เมื่อ v=0 จะเท่ากับ 1 และเมื่อ v≪c จะเกือบเท่ากับ 1 แต่เมื่อ v เข้าใกล้ c ค่านี้เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว กลศาสตร์แบบเดิมจึงให้ผลไม่แม่นยำ
นาฬิกาใดวัดเวลาในกรอบพัก?
τ₀ ในแผนภาพนี้คืออะไร? คือเวลาที่วัดด้วยนาฬิกาในกรอบพักของมัน (proper time) ระหว่างสองเหตุการณ์ โดยนาฬิกาอยู่ ณ จุดเกิดเหตุการณ์ทั้งสอง การเดินสองครั้งของนาฬิกาบนยานเกิดที่ตำแหน่งเดียวกันในกรอบของยาน นาฬิกานี้จึงวัด τ₀ แต่ในกรอบภายนอก นาฬิกาเคลื่อนที่ระหว่างนั้น เหตุการณ์จึงมีพิกัดต่างกัน เราต้องเลือกเหตุการณ์คู่เดียวกันก่อน แล้วจึงบอกว่าช่วงเวลาใดเป็นเวลาในกรอบพักของนาฬิกา
ช่วงเวลาของนาฬิกาที่เคลื่อนที่
สำหรับเหตุการณ์คู่นี้ \tau=\gamma\tau_0=\tau_0/\sqrt{1-v^2/c^2} โดยเวลาทั้งสองมีหน่วยวินาที ในกรอบที่นาฬิกาเคลื่อนที่ ช่วงเวลาตามพิกัดระหว่างการเดินสองครั้งจะนานกว่า การวัดนี้ใช้นาฬิกาที่ตั้งเวลาให้สอดคล้องกันในกรอบนั้น ไม่ใช่เพียงภาพที่มาถึงช้าเพราะผู้สังเกตอยู่ไกล หากสลับบทบาทของกรอบเฉื่อย แต่ละกรอบก็อธิบายว่านาฬิกาอีกกรอบเดินช้าลงได้ เพราะทั้งสองกรอบตัดสินความพร้อมกันของเหตุการณ์ที่อยู่ห่างกันต่างกัน
วัดความยาวอย่างไร?
การวัดความยาวก็ต้องกำหนดวิธีเช่นกัน ความยาวในกรอบพักของวัตถุ (proper length) l₀ วัดในกรอบที่แท่งอยู่นิ่ง ในอีกกรอบหนึ่งต้องบันทึกตำแหน่งปลายทั้งสองพร้อมกันตามนาฬิกาของกรอบนั้น แล้วหาผลต่างพิกัด ถ้าบันทึกปลายหน้าตอนนี้และปลายหลังทีหลัง แท่งจะเคลื่อนที่ไประหว่างการบันทึก ค่าที่ได้จึงไม่ใช่ความยาว ณ ขณะเดียวกัน ความพร้อมกันของเหตุการณ์ที่อยู่ห่างกันขึ้นอยู่กับกรอบ การวัดความยาวทั้งสองกรอบจึงไม่ได้ใช้เหตุการณ์ที่ปลายแท่งคู่เดียวกัน
การหดของความยาวตามแนวการเคลื่อนที่
สำหรับความยาวตามแนวการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ l=l_0/\gamma=l_0\sqrt{1-v^2/c^2} เมื่อใช้หน่วยเมตร จะมี l≤l₀ ที่ v=0 ความยาวเท่ากัน และเมื่อ v เพิ่ม ค่าความยาวตามแนวการเคลื่อนที่ที่วัดได้จะลดลง ขนาดในแนวขวางไม่ได้หดตามกฎนี้ แท่งไม่ได้ถูกบีบอัดทางกล เพราะในกรอบพักยังยาวเท่าเดิม สิ่งที่เปลี่ยนคือผลจากการบันทึกปลายทั้งสองพร้อมกันในอีกกรอบ ส่วนการถ่ายภาพซึ่งเกี่ยวข้องกับเวลาที่แสงมาถึงเป็นอีกวิธีหนึ่ง
มวลหมายถึงอะไร?
มวลนิ่ง m₀ ในหน่วยกิโลกรัมเป็นสมบัติของวัตถุ และไม่เปลี่ยนเพียงเพราะเลือกผู้สังเกตต่างคนกัน ปัจจุบันมักเรียกสั้น ๆ ว่ามวล เมื่อเร่งวัตถุ พลังงานและโมเมนตัมเพิ่มขึ้นโดยมีตัวประกอบสัมพัทธภาพเกี่ยวข้อง ไม่ได้หมายความว่ามีเนื้อสารเพิ่ม ต้องเปรียบเทียบมวลขณะวัตถุมีสภาพภายในเหมือนกัน การให้ความร้อนหรือเปลี่ยนพลังงานสะสมเป็นกระบวนการทางฟิสิกส์อีกอย่างหนึ่ง ไม่ใช่แค่เปลี่ยนไปใช้ผู้สังเกตที่เคลื่อนที่
ข้อตกลงแบบเดิมในส่วนอ้างอิง
บางโจทย์ใช้ข้อตกลงแบบเดิม m=\gamma m_0=m_0/\sqrt{1-v^2/c^2} ซึ่งเรียกว่ามวลสัมพัทธภาพ มีหน่วยกิโลกรัมแต่ขึ้นอยู่กับกรอบ ต่างจาก m₀ ที่ไม่แปรเปลี่ยน เมื่อ v→0 ค่าทั้งสองตรงกัน และเมื่อ v เพิ่ม ค่า m ตามข้อตกลงนี้ก็เพิ่ม ใช้สมการนี้เมื่อโจทย์กำหนดความหมายของสัญลักษณ์ไว้อย่างชัดเจน หากไม่ได้กำหนด การอธิบายด้วยพลังงานและโมเมนตัมจะชัดเจนกว่า โดยไม่เรียกปริมาณที่ขึ้นอยู่กับอัตราเร็วว่ามวล
ลองทำตัวอย่างทีละขั้น
นาฬิกาบนยานวัดช่วงเวลาระหว่างการเดินสองครั้งได้ 4 s ยานเคลื่อนที่เทียบกับโลกด้วย v=0,6c กรอบเฉื่อยของโลกจะวัดช่วงเวลาระหว่างเหตุการณ์คู่นี้ได้เท่าใด?
ลองดูตัวอย่าง · 1
เหตุการณ์ทั้งสองคือการเดินของนาฬิกาเรือนเดียวกันบนยาน และเกิด ณ ตำแหน่งเดียวกันในกรอบพักของนาฬิกา ดังนั้น τ₀ = 4 с คือช่วงเวลาในกรอบพัก
ลองดูตัวอย่าง · 2
γ = 1/√(1 − 0,6²) = 1/√0,64 = 1/0,8 = 1,25.
ลองดูตัวอย่าง · 3
สำหรับเหตุการณ์คู่เดียวกันในกรอบเฉื่อยของโลก τ = γτ₀ = 1,25 × 4 = 5 с
ตัวอย่างทีละขั้น · 4
ห้าวินาทีนานกว่าสี่วินาที การเคลื่อนที่ทำให้ช่วงเวลาระหว่างการเดินของนาฬิกาที่วัดจากกรอบภายนอกนานขึ้น ค่านี้ไม่ใช่เวลารอสัญญาณแสงที่จุดสังเกตจุดเดียวบนโลก
ตรวจสอบผลลัพธ์
ในกรอบเฉื่อยของโลก τ = 5 с ระหว่างช่วงนี้ นาฬิกาบนยานวัดเวลาระหว่างการเดินสองครั้งที่เลือกไว้ได้ 4 s
ใจความสำคัญ · 1
อัตราเร็วแสงคงตัวเชื่อมโยงการวัดระยะทางกับเวลา นาฬิกาแสงแสดงที่มาของตัวประกอบ γ
ใจความสำคัญ · 2
เวลาในกรอบพักวัดด้วยนาฬิกาที่อยู่ ณ เหตุการณ์ทั้งสอง ส่วนความยาวแท่งที่เคลื่อนที่วัดจากการบันทึกปลายทั้งสองพร้อมกันในกรอบที่เลือก
ใจความสำคัญ · 3
มวลนิ่งไม่แปรเปลี่ยน ต้องแยกปริมาณแบบเดิม γm₀ ออกจากมวลที่ใช้ในนิยามปัจจุบัน
เรียนอะไรต่อ
ต่อไปเราจะใช้พลังงานและโมเมนตัมอธิบายควอนตัมของแสง
แนวคิดพื้นฐาน
ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ
ทฤษฎีเกี่ยวกับปริภูมิและเวลาในกรอบอ้างอิงเฉื่อย ซึ่งคำนึงถึงการที่อัตราเร็วแสงไม่แปรเปลี่ยน
ทฤษฎีนี้อาศัยสัจพจน์สองข้อ กฎฟิสิกส์เหมือนกันในทุกกรอบเฉื่อย และอัตราเร็วแสงในสุญญากาศเท่ากันสำหรับผู้สังเกตทุกคน
ปรากฏการณ์เชิงสัมพัทธภาพ
การเปลี่ยนแปลงของเวลา ความยาว พลังงาน และโมเมนตัมที่วัดได้ เมื่ออัตราเร็วเทียบได้กับอัตราเร็วแสง
ปรากฏการณ์เหล่านี้มีผลมากเป็นพิเศษเมื่ออัตราเร็วเข้าใกล้ c มวลนิ่งของวัตถุคงเดิม แต่พลังงานและโมเมนตัมเพิ่มขึ้น
ปริมาณทางฟิสิกส์
มวลสัมพัทธภาพ (ข้อตกลงแบบเดิม)
mปริมาณ γm₀ ซึ่งขึ้นอยู่กับอัตราเร็ว ในการอธิบายแบบปัจจุบัน มวลนิ่งไม่แปรเปลี่ยน และอธิบายการเปลี่ยนแปลงด้วยพลังงานและโมเมนตัม
หน่วย: กิโลกรัม · \mathrm{кг}
มวลนิ่ง
m_0มวลของวัตถุในกรอบอ้างอิงที่วัตถุนั้นอยู่นิ่ง
หน่วย: กิโลกรัม · \mathrm{кг}
ช่วงเวลาในกรอบผู้สังเกต
\tauช่วงเวลาระหว่างเหตุการณ์ในกรอบอ้างอิงที่นาฬิกาเคลื่อนที่เมื่อเทียบกับกรอบนั้น
หน่วย: วินาที · \mathrm{с}
เวลาในกรอบพักของนาฬิกา
\tau_0ช่วงเวลาของกระบวนการในกรอบที่เหตุการณ์เกิด ณ ตำแหน่งเดียวกัน
หน่วย: วินาที · \mathrm{с}
ความยาววัตถุที่เคลื่อนที่ตามแนวการเคลื่อนที่
lความยาวของวัตถุตามแนวการเคลื่อนที่ในกรอบอ้างอิงที่เลือก
หน่วย: เมตร · \mathrm{м}
ความยาวในกรอบพักของวัตถุ
l_0ความยาวของวัตถุในกรอบอ้างอิงที่วัตถุนั้นอยู่นิ่ง
หน่วย: เมตร · \mathrm{м}
สูตรบทเรียน
มวลสัมพัทธภาพ (ข้อตกลงแบบเดิม)
m=\frac{m_0}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}}ตามข้อตกลงแบบเดิม m = γm₀ เพิ่มขึ้นเมื่ออัตราเร็วเข้าใกล้ c ส่วนแนวทางปัจจุบันถือว่ามวล m₀ ไม่แปรเปลี่ยน
เงื่อนไข: ใช้เมื่อโจทย์กำหนดให้ใช้มวลสัมพัทธภาพอย่างชัดเจนเท่านั้น ปัจจุบันมักใช้พลังงานและโมเมนตัมแทน
การยืดของเวลา
\tau=\frac{\tau_0}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}}ผู้สังเกตวัดช่วงเวลา τ ระหว่างเหตุการณ์บนนาฬิกาที่เคลื่อนที่ได้นานกว่าช่วงเวลาในกรอบพัก τ₀ ที่นาฬิกาเรือนนั้นวัด
เงื่อนไข: τ₀ วัดด้วยนาฬิกาที่อยู่ ณ จุดเกิดเหตุการณ์ทั้งสอง ส่วน v คืออัตราเร็วของนาฬิกาเทียบกับผู้สังเกต
การหดของความยาว
l=l_0\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}ความยาวของวัตถุที่เคลื่อนที่ตามแนวการเคลื่อนที่น้อยกว่าความยาวในกรอบพัก
โจทย์ในหัวข้อนี้
โจทย์ ตัวเลือกคำตอบ และวิธีทำ