ทำไมเราแก่ช้าลงเมื่ออยู่บนเครื่องบิน ? หนึ่งในสารพันเรื่องประหลาดของทฤษฎีสัมพัทธภาพ

อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ นักฟิสิกส์อัจฉริยะได้ทำนายไว้อย่างถูกต้องว่า เวลาจะเดินช้าลง หากคุณเดินทางด้วยเครื่องบินที่พุ่งทะยานไปข้างหน้าด้วยความเร็วสูง แต่ถ้าคุณปรารถนาจะสัมผัสกับปรากฏการณ์ time dilation หรือ “การยืดขยายตัวของเวลา” แบบสุดขั้ว อย่างที่ไอน์สไตน์ระบุไว้ในทฤษฎีสัมพัทธภาพแล้วละก็ คุณจะต้องดำดิ่งเข้าไปในใจกลางหลุมดำเท่านั้น

หนึ่งในการทดลองทางวิทยาศาสตร์ที่ผมชื่นชอบที่สุด คือการนำนาฬิกา 4 เรือน บินวนรอบโลก 2 รอบ เมื่อปี 1971 ซึ่งเป็นการทดลองของสองนักฟิสิกส์ โจเซฟ ฮาเฟเล และ ริชาร์ด คีตติง โดยพวกเขานำนาฬิกาอะตอมที่มีความเที่ยงตรงแม่นยำสูง เพราะเดินคลาดเคลื่อนได้เพียงไม่เกิน 1 วินาที ตลอดระยะเวลา 30 ล้านปี ขึ้นเครื่องบินพาณิชย์แล้วบินวนรอบโลกไปทางทิศตะวันออกและทิศตะวันตกครั้งละ 1 รอบ ก่อนจะกลับมายังห้องปฏิบัติการหลักของพวกเขา ที่กรุงวอชิงตันดีซีของสหรัฐฯ

เมื่อเปรียบเทียบการเดินของนาฬิกาอะตอมบนเครื่องบิน กับนาฬิกาอะตอมอีกชุดหนึ่งที่ตั้งอยู่นิ่ง ๆ ในห้องปฏิบัติการ ผลปรากฏว่ามีความแตกต่างระหว่างช่วงเวลาที่ผ่านเลยไปของนาฬิกาทั้งสองชุด ซึ่งดูเหมือนว่าจะเกิดจากการเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูง จนส่งผลให้การเดินทางของเวลาเปลี่ยนแปลงไปด้วย

การทดลองดังกล่าวได้ช่วยพิสูจน์หลักการหนึ่งที่เป็นหัวใจสำคัญแห่งทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ ซึ่งก็คือความจริงที่ว่า กาลเวลาไม่ใช่สิ่งเที่ยงแท้ที่เป็นสากล ยิ่งคุณเคลื่อนที่เร็วขึ้นเท่าไหร่ เวลาที่คุณสังเกตเห็นก็จะผ่านไปช้าลงเท่านั้น

แม้ว่าปรากฏการณ์ดังกล่าวจะเกิดขึ้นในระดับที่เล็กมากก็ตาม แต่นาฬิกาอะตอมของฮาเฟเลและคีตติงก็ยังสามารถตรวจจับความแปลกประหลาดนี้ได้ ตัวอย่างเช่นหากคุณเดินทางด้วยเครื่องบินข้ามมหาสมุทรแอตแลนติกจากกรุงลอนดอนไปยังนครนิวยอร์ก นาฬิกาของคุณบนเครื่องบินจะเดินช้ากว่านาฬิกาที่อยู่บนพื้นดิน 1 ใน 10 ล้านส่วนของวินาที ซึ่งแสดงว่าขณะที่กำลังเดินทางนั้น คุณแก่ช้าลงกว่าตอนนอนอยู่ที่บ้านนิดหน่อย

คำทำนายของทฤษฎีสัมพัทธภาพอีกเรื่องหนึ่งระบุว่า ความโน้มถ่วงมีอิทธิพลต่อเวลาด้วยเช่นกัน ยิ่งเราออกห่างจากแรงดึงดูดของสนามความโน้มถ่วงโลกมากขึ้นเท่าไหร่ เวลาก็จะยิ่งเดินเร็วมากขึ้นเท่านั้น ปรากฏการณ์สุดพิสดารนี้ส่งผลกระทบโดยตรงต่อร่างกายของเรา เพราะส่วนหัวของคุณที่อยู่ห่างจากพื้นโลกจะมีอายุแก่กว่าส่วนเท้าอยู่นิดหน่อย

แม้ความแตกต่างของเวลาในกรณีนี้จะไม่ส่งผลกระทบใด ๆ ให้เห็นชัดเจน แต่ถ้าคุณเดินทางออกนอกโลกและอยู่ห่างออกไปมากขึ้นในห้วงอวกาศ เวลาที่เดินเร็วผิดปกติจะกลายเป็นปัญหาสำคัญขึ้นมาทันที ตัวอย่างเช่นระบบจีพีเอสที่ใช้บอกพิกัดตำแหน่งเพื่อนำทางบนโลกนั้น ตั้งอยู่บนดาวเทียมที่โคจรห่างจากพื้นโลกถึง 20,000 กิโลเมตร จึงต้องนับเอาความแตกต่างของเวลาเข้ามาคำนวณร่วมด้วย เพื่อให้ระบบทำงานได้อย่างแม่นยำเที่ยงตรง

แต่ถึงกระนั้นก็ตาม ปรากฏการณ์ข้างต้นที่เกิดขึ้นกับโลกก็ยังถือว่าเล็กน้อย เมื่อเทียบกับสิ่งที่เกิดขึ้นในบริเวณอื่นของห้วงจักรวาลอันกว้างใหญ่ เช่นพื้นที่โดยรอบหลุมดำซึ่งเป็นวัตถุมวลมหาศาลที่มีความโน้มถ่วงเหนือกว่าดวงดาวทั้งหมด ย่อมมีปรากฏการณ์ทางทฤษฎีสัมพัทธภาพที่รุนแรงกว่าตามไปด้วย

เพื่อที่จะทำความเข้าใจว่าเหตุใดมันจึงเป็นเช่นนั้น ลองจินตนาการว่าตัวคุณได้ตกลงไปในหลุมดำ โดยเราจะสมมติว่าคุณอยู่ในยานอวกาศมหัศจรรย์ ที่ช่วยให้คุณอยู่รอดปลอดภัยจากความทรมานของการถูกดึงร่างจนยืดเหยียดออกเป็นเส้นยาวเหมือนสปาเกตตี (spaghettification) ซึ่งเป็นสิ่งที่จะต้องเกิดขึ้นในที่สุดกับวัตถุทุกชนิดที่เข้าใกล้หลุมดำมากเกินไป

ในขณะที่กำลังตกสู่หลุมดำ คุณจะไม่สังเกตเห็นความแตกต่างใด ๆ ในเรื่องเวลา ทั้งที่เกิดขึ้นกับตัวเองและกับสิ่งแวดล้อมรอบข้าง ไม่ว่าคุณจะดูนาฬิกาหรือจับชีพจรของตนเอง คุณจะพบว่ามันยังคงเดินและเต้นด้วยอัตราเร็วสม่ำเสมอเหมือนเดิมทุกวินาที แม้ว่าคุณจะเข้าใกล้จุดจบที่จะต้องถูกหลุมดำทำลายเข้าไปทุกขณะ

หากอุปกรณ์บนยานสามารถเปิดให้คุณเหลียวมองกลับมาที่ห้วงอวกาศนอกหลุมดำได้ คุณจะมองเห็นสิ่งที่แปลกประหลาดอย่างยิ่ง เพราะดูเหมือนว่าเหตุการณ์ต่าง ๆ ภายนอกนั้น เกิดขึ้นโดยเร่งความเร็วสูงขึ้นหลายเท่า และหากคุณใช้กล้องโทรทรรศน์ส่องมองมายังโลก คุณจะมองเห็นอนาคตของมนุษย์และสิ่งมีชีวิตทั้งหมดปรากฏแก่สายตา เหมือนกับภาพยนตร์ที่ฉายแบบเร่งความเร็วก็ไม่ปาน และหากคุณสามารถจับสัญญาณคลื่นวิทยุโทรทัศน์บนโลกได้ คุณจะได้รับชมรายการในอนาคตที่มนุษยชาติออกอากาศทั้งหมดในพริบตา จนกระทั่งมองเห็นภาพที่ดวงอาทิตย์กลายเป็นดาวยักษ์แดงและกลืนกินโลกในที่สุด

คราวนี้ลองเปลี่ยนมุมมองมาในอีกทิศทางหนึ่งดูบ้าง สมมติว่าคุณอยู่บนสถานีอวกาศซึ่งโคจรห่างจากหลุมดำในระยะที่ปลอดภัย และกำลังเฝ้ามองดูเพื่อนนักบินอวกาศตกสู่หลุมดำ ในกรณีนี้ไม่ว่าเขาจะเป็นผู้กล้าหาญที่เสี่ยงตายเข้าไปสำรวจ หรือบังเอิญเคราะห์ร้ายจนพลัดตกลงไปก็ตาม บริเวณที่เรียกว่าขอบฟ้าเหตุการณ์ (event horizon) ของหลุมดำ จะเป็นแนวพรมแดนสุดท้ายที่เพื่อนของคุณต้องตกลงไปถึง ก่อนจะหายไปจากสายตาของผู้ที่เฝ้ามองอยู่ตลอดกาล เพราะไม่มีสิ่งใดกลับคืนออกมาจากขอบฟ้าเหตุการณ์ได้ แม้แต่สิ่งที่เดินทางด้วยความเร็วแสงก็ตาม

สิ่งที่ปรากฏต่อสายตาของคุณนั้นแปลกประหลาดไม่แพ้มุมมองจากภายในหลุมดำ เพราะสายตาของคนที่อยู่ภายนอกจะมองเห็นเหตุการณ์ภายในหลุมดำเคลื่อนไหวช้าลงทุกที เช่นหากเพื่อนของคุณโบกมือลา คุณจะมองเห็นเขาโบกมือช้าลงเรื่อย ๆ ขณะถูกแรงโน้มถ่วงมหาศาลดึงให้เข้าใกล้ขอบฟ้าเหตุการณ์ และหากมีนาฬิกาติดตั้งอยู่นอกตัวยานอวกาศของเพื่อน คุณจะมองเห็นมันเดินช้าลงเมื่อเทียบกับนาฬิกาบนสถานีอวกาศที่คุณอยู่

ปรากฏการณ์นี้ถูกนำไปดัดแปลงเป็นเรื่องราวในภาพยนตร์ Interstellar ซึ่งทีมนักบินอวกาศที่กำลังสำรวจดาวเคราะห์ใกล้หลุมดำแห่งหนึ่ง ได้พบว่ามีเอกภพคู่ขนานที่กำลังเปลี่ยนแปลงไปโดยไม่มีพวกเขาเป็นส่วนหนึ่งอยู่ในนั้นด้วย ภาพยนตร์เรื่องนี้บอกกับเราอย่างชัดเจนว่า ไม่มีประโยชน์ที่จะตั้งคำถามว่าเวลาของพื้นที่ใกล้หรือไกลจากหลุมดำคือเวลาที่ถูกต้อง เพราะทฤษฎีสัมพัทธภาพได้พิสูจน์แล้วว่า เวลาซึ่งเป็นค่าคงที่นั้นไม่มีอยู่จริง

เมื่อเพื่อนนักบินอวกาศผู้เคราะห์ร้ายได้ข้ามพ้นแนวขอบฟ้าเหตุการณ์ไปแล้ว ผู้สังเกตการณ์ภายนอกหลุมดำจะไม่อาจมองเห็นเขาได้อีก เนื่องจากเป็นแนวพรมแดนสุดท้ายที่ผู้ล่วงล้ำเข้าไปไม่มีวันหวนกลับ หรือแม้กระทั่งแสงก็ไม่อาจหลุดลอดออกมา แต่หลังจากนั้น นักบินอวกาศที่กำลังถูกดึงดูดเข้าสู่ใจกลางหลุมดำมากขึ้นเรื่อย ๆ จะพบว่าประสบการณ์ที่เขาเคยมีมาทั้งชีวิตในเรื่องของเวลา เกิดการเปลี่ยนแปลงชนิดหน้ามือเป็นหลังมือ จนเขาอาจจะเดินทางท่องเวลาไปในอดีตและอนาคตได้ตามใจชอบด้วยซ้ำ

เหตุใดจึงเป็นเช่นนั้น ? เรื่องดังกล่าวเป็นเพราะเมื่ออยู่บนโลก เราสามารถเคลื่อนที่ไปได้อย่างอิสระในปริภูมิที่เป็นมิติทั้งสาม นั่นก็คือความกว้าง ความยาว และความสูง แต่เราถูกบังคับให้เคลื่อนไปข้างหน้าได้เพียงทิศทางเดียวในมิติที่สี่หรือมิติเวลานั่นเอง ส่วนผู้ที่ตกลงไปในหลุมดำนั้นตรงกันข้าม เพราะสภาพการณ์ที่กลับตาลปัตรจะบังคับให้ต้องเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวในปริภูมิ ซึ่งก็คือมุ่งหน้าเข้าสู่ใจกลางหลุมดำ ทำให้นักวิทยาศาสตร์บางรายมองว่า คนผู้นี้น่าจะมีอิสระในการเคลื่อนตัวภายในมิติเวลาแทน

ในกรณีนี้หลุมดำจึงไม่ต่างอะไรกับเครื่องเดินทางข้ามเวลาหรือไทม์แมชชีน ทำให้คนที่กล้าเสี่ยงตายเข้าไปในนั้น สามารถจะเดินทางย้อนเวลาไปในช่วงก่อนล่วงล้ำข้ามแนวขอบฟ้าเหตุการณ์ หรือย้อนอดีตไปไกลกว่านั้น จนถึงจุดกำเนิดของหลุมดำดังกล่าวเองก็อาจทำได้

แต่เราพึงตระหนักไว้ว่า จนถึงตอนนี้เราก็ยังไม่ทราบวิธีหนีออกจากหลุมดำ ดังนั้นจึงยังไม่มีนักท่องกาลเวลาในหลุมดำคนใดเดินทางมาจากอนาคต เพื่อบอกเล่าสิ่งที่เขาพบเจอมาให้ผู้คนบนโลกฟัง

อย่างไรก็ตาม การคิดใคร่ครวญเรื่องอิทธิพลของหลุมดำที่มีต่อปริภูมิและเวลาโดยรอบ ผนวกกับการทำความเข้าใจต่อสิ่งที่มีความเป็นไปได้ สามารถจะชี้หนทางในการพิสูจน์ความถูกต้องของทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ได้อย่างแม่นยำที่สุด และอาจนำไปสู่ความเข้าใจที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นว่า สิ่งที่มนุษย์เรียกขานกันว่า “เวลา” คืออะไรกันแน่ รับรองว่าการทดลองเรื่องการยืดขยายตัวของเวลาแบบใหม่ จะต้องดีขึ้นกว่าการมัดนาฬิกาอะตอมติดกับที่นั่งข้างคุณขณะบินรอบโลกอย่างแน่นอน

คริส ลินท็อตต์ เป็นศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ดาราศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยอ็อกซ์ฟอร์ดของสหราชอาณาจักร และเป็นอาจารย์ผู้สอนที่วิทยาลัยเกรแชมในกรุงลอนดอน เขายังเป็นพิธีกรร่วมในรายการ “ท้องฟ้ายามราตรี” (The Sky at Night) ของสถานีโทรทัศน์บีบีซีโฟร์ และเป็นผู้เขียนหนังสือ Our Accidental Universe: Stories of Discovery from Asteroids to Aliens