ซีรีย์ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป

[3] แสงยืดเวลายาว

จากการทำนายสองครั้งก่อนหน้านี้ นี่เป็นตัวอย่างของการทดสอบครั้งที่สามที่ทำให้เห็นว่าไอน์สไตน์พยายามใช้ความคิดอย่างหนัก เพื่อพิสูจน์สัมพัทธภาพทั่วไป และนี่เป็นเพียงเรื่องเดียวที่เขาไม่มีโอกาสได้เห็น

สัมพัทธภาพกล่าวว่า เมื่อแสงเดินทางออกจากวัตถุขนาดยักษ์ space-time ที่บิดงอจากแรงโน้มถ่วงจะยืดแสงออก ทำให้ความยาวคลื่นเพิ่มขึ้น สำหรับแสงแล้ว ความยาวคลื่นที่เพิ่มขึ้นมีผลต่อพลังงานและสีของมัน กล่าวคือ แสงจะมีพลังงานน้อยลง โดยจะเลื่อนไปทางโซนสีแดงของสเปกตรัม ขณะที่แสงที่มีความยาวคลื่นสั้นลงจะไปทางสีน้ำเงินมากขึ้น

หลายศตวรรษที่ผ่านมา มีการตรวจวัดปรากฏการณ์ “เลื่อนไปทางแดง” จากแรงโน้มถ่วงนี้น้อยเกินไป, แต่ในปี 1959, นักฟิสิกส์ของฮาร์วาร์ด Robert Pound และนักศึกษาของเขา Glen Rebka Jr., ก็มีแนวคิดใหม่

พวกเขาติดตั้งเหล็กกัมมันตรังสีแบบง่ายๆ ไว้ในลิฟท์ของอาคารในฮาร์วาร์ด ปล่อยให้รังสีเดินทางจากห้องใต้ดินไปยังหลังคา ซึ่งได้ติดตั้งหัววัดไว้

แม้ระยะห่างจะสั้นเพียงแค่ 74 ฟุต ก็เพียงพอที่จะให้รังสีแกมมาสูญเสียพลังงานไปหนึ่งในสองล้านล้านเปอร์เซ็นต์ เนื่องจากการบิดงอของ space-time จากแรงโน้มถ่วงของโลกของเรา ตามการทำนายของไอน์สไตน์

เพื่อยืนยันปรากฏการณ์ทางสัมพัทธภาพนี้ NASA ได้ปล่อยจรวด Gravity Probe A ในปี 1976 คราวนี้นักวิจัยต่างมองหาการเปลี่ยนแปลงความถี่ของคลื่น (ความยาวคลื่นที่สั้นลงหมายถึงความถี่สูงขึ้น และโดยกลับกัน) ในเลเซอร์ชนิดหนึ่งในนาฬิกาอะตอม โดยที่ระดับความสูง 6,200 ไมล์, นาฬิกาบน Gravity Probe A เดินเร็วกว่านาฬิกาบนพื้นโลกเล็กน้อย ส่วนต่างนี้มีค่าประมาณ 70 ต่อล้านส่วน ตรงกับการคำนวณของไอน์สไตน์ซึ่งแม่นยำอย่างไม่น่าเชื่อ

ในปี 2010, นักวิทยาศาสตร์ที่ National Institute of Standards and Technology ไปได้ไกลกว่านั้น โดยแสดงให้เห็นว่า ระดับความสูงที่เพิ่มขึ้นเพียงแค่ 1 ฟุต นาฬิกาก็เดินเร็วขึ้นหนึ่งในสี่แสนล้านล้านครั้งต่อวินาที

ในระดับการใช้งานจริง ปรากฏการณ์เดียวกันนี้ยังส่งผลต่อระบบระบุตำแหน่งบนพื้นโลก (GPS) ด้วย โดยดาวเทียมที่โคจรอยู่จะต้องปรับเวลาหนึ่งส่วนสามสิบแปดล้านวินาทีต่อวัน เพื่อให้ตรงกับที่พื้นผิวของโลกเสมอ ถ้าไม่มีการปรับแก้ GPS ก็จะใช้งานไม่ได้เลย