ในจักรวาลมีสิ่งใดที่เร็วกว่าแสงหรือไม่?

(แดน ทรี) - แสงเดินทางด้วยความเร็ว 299,792,458 กิโลเมตรต่อวินาที ซึ่งถือเป็นขีดจำกัดสูงสุดของจักรวาล แต่ทำไมความเร็วแสงจึงมีจำกัด และทำไมจึงไม่มีอะไรสามารถข้ามขีดจำกัดนี้ไปได้

นักฟิสิกส์เคยพยายาม "ไล่ตาม" แสง (ภาพประกอบ: Getty)

เรื่องราวนี้กินเวลาหลายศตวรรษ ตั้งแต่การทดลองที่ล้มเหลวของกาลิเลโอไปจนถึงการตรวจสอบสมัยใหม่ของไอน์สไตน์ ซึ่งเป็นการอธิบายสิ่งที่ดูเหมือนเป็นไปไม่ได้

จากกาลิเลโอสู่การวัดความเร็วแสงครั้งแรก

ก่อนศตวรรษที่ 17 ทฤษฎีส่วนใหญ่เชื่อว่าแสงแพร่กระจายในทันที หรือเชื่อว่าแสงมีความเร็วสัมบูรณ์ อย่างไรก็ตาม กาลิเลโอ กาลิเลอี กลายเป็นบุคคลแรกที่ตั้งข้อสงสัยต่อสมมติฐานนี้

ในปี ค.ศ. 1638 เขาและผู้ช่วยได้ทำการทดลองบนภูเขาสองลูก โดยใช้โคมไฟเพื่อวัดความล่าช้าของแสง อย่างไรก็ตาม ความล่าช้านั้นน้อยมาก (ในระดับไมโครวินาที) จนอุปกรณ์และปฏิกิริยาตอบสนองของมนุษย์ในขณะนั้นไม่สามารถวัดความเร็วแสงที่แท้จริงได้ แม้จะล้มเหลว กาลิเลโอก็สรุปว่าแสง “หากไม่เกิดขึ้นทันทีทันใด ก็ต้องเร็วมาก”

การทดลองของกาลิเลโอช่วยให้เขาค้นพบว่าความเร็วแสงมีจำกัด แต่ตัวเลขนี้มีค่ามากเหลือเกิน (ภาพ: Medium)

เพียงไม่กี่ทศวรรษต่อมา นักดาราศาสตร์ โอเล โรเมอร์ ได้ประเมินผลเป็นครั้งแรก เมื่อมองไปที่ไอโอ ดวงจันทร์ของดาวพฤหัสบดี เขาสังเกตเห็นว่าช่วงเวลาที่ไอโอโคจรเข้าและออกจากเงาของดาวพฤหัสบดีนั้นแปรผันตามตำแหน่งของโลกในวงโคจร

ความคลาดเคลื่อนสะสมมากกว่า 10 นาทีนี้ โรเมอร์อธิบายว่าเป็นผลมาจากเวลาที่แสงเดินทางไกลขึ้น จากข้อมูลนี้ เขาประเมินความเร็วแสงไว้ที่ประมาณ 214,000 กิโลเมตรต่อวินาที ซึ่งถือเป็นผลลัพธ์ที่ปฏิวัติวงการในขณะนั้น

ในปีพ.ศ. 2392 นักฟิสิกส์ ฮิปโปลีต ฟิโซ ได้วัดความเร็วแสงโดยตรงเป็นครั้งแรกโดยใช้อุปกรณ์หมุนความเร็วสูงร่วมกับกระจกสะท้อนแสงที่วางอยู่ห่างออกไป 8 กิโลเมตร

เมื่อเฟืองหมุนเร็วมากจนแสงถูกฟันเฟืองถัดไปบดบัง ฟิโซคำนวณความเร็วได้ประมาณ 315,000 กิโลเมตรต่อวินาที ซึ่งน้อยกว่าค่าปัจจุบันเพียง 5% นี่คือจุดเปลี่ยนที่ทำให้แสงกลายเป็นหัวข้อศึกษาเชิงปริมาณมากกว่าจะเป็นสมมติฐาน

ไอน์สไตน์และขีดจำกัดสูงสุดของจักรวาล

คำถามสำคัญที่สุดยังคงอยู่: ทำไมความเร็วแสงจึงเป็นขีดจำกัดสูงสุด? ในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ได้แก้ปัญหานี้ด้วยทฤษฎีอันโด่งดังของเขา

เขาตั้งคำถามว่า หากติดตั้งไฟฉายไว้บนจรวดที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูง แสงที่เปล่งออกมาจะมากกว่าแสงในสุญญากาศหรือไม่ คำตอบที่น่าประหลาดใจคือ ไม่ เพราะเวลาและอวกาศไม่ใช่สิ่งสัมบูรณ์

อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ แก้ปัญหาเรื่องแสงด้วยทฤษฎีของเขา (ภาพ: Getty)

ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ (ค.ศ. 1905) เมื่อวัตถุเคลื่อนที่เร็ว มวลจะเพิ่มขึ้น แต่ในขณะเดียวกันเวลาก็ช้าลง เมื่อวัตถุเคลื่อนที่ถึงความเร็วแสง เวลาจะหยุดลง มวลจะกลายเป็นอนันต์และไม่สามารถเร่งความเร็วต่อไปได้ ซึ่งทำให้อนุภาคใดๆ ของสสารไม่สามารถเคลื่อนที่เร็วกว่าแสงได้

การทดลองในภายหลังได้ค่อยๆ ยืนยันทฤษฎีของไอน์สไตน์ ในปี 1964 บิล เบอร์ทอซซี นักวิจัยจาก MIT ได้เร่งอิเล็กตรอนและค้นพบว่าเมื่ออิเล็กตรอนเข้าใกล้ความเร็วแสง อิเล็กตรอนจะมีน้ำหนักมากจนไม่สามารถเร่งความเร็วได้อีกต่อไป

ในช่วงทศวรรษ 1970 นักฟิสิกส์สองคน โจเซฟ ฮาเฟเล และริชาร์ด คีทติ้ง ได้นำนาฬิกาอะตอมซีเซียมขึ้นเครื่องบินเพื่อบินรอบ โลก เมื่อพวกเขากลับมา พบว่านาฬิกาเดินช้ากว่านาฬิกามาตรฐานในห้องปฏิบัติการ ซึ่งเป็นหลักฐานชัดเจนของการขยายเวลา

ปัจจุบัน แม้แต่ระบบ GPS บนดาวเทียมก็ยังต้องคำนวณการแก้ไขเวลาตามทฤษฎีสัมพัทธภาพ หากละเลย ความคลาดเคลื่อนในการระบุตำแหน่งอาจสูงถึงกิโลเมตร ส่งผลให้ระบบกลไกสมัยใหม่ทั้งหมดล่มสลายไปโดยสิ้นเชิง

ความเร็วแสงจึงไม่ใช่แค่ตัวเลขแห้งๆ แต่เป็นขีดจำกัดพื้นฐานของธรรมชาติ ซึ่งเป็นรากฐานของฟิสิกส์และเทคโนโลยีสมัยใหม่

จากความล้มเหลวของกาลิเลโอ ความก้าวหน้าของโรเมอร์ ความเฉลียวฉลาดของฟิโซ ไปจนถึงอัจฉริยภาพของไอน์สไตน์ เรื่องราวของแสงได้พิสูจน์ความจริงข้อหนึ่งแล้ว นั่นคือ ในจักรวาลนี้ ไม่มีสิ่งใดเคลื่อนที่ได้เร็วกว่าแสง

ที่มา: https://dantri.com.vn/khoa-hoc/trong-vu-tru-co-thu-gi-nhanh-hon-anh-sang-20250929072502675.htm