ปฏิทรรศน์บันไดกับโรงนา
The ladder paradox
อัปเดตล่าสุด
บันไดยาวสิบเมตรวิ่งผ่านโรงนายาวแปดเมตรด้วยความเร็วเกือบเท่าแสง ชาวนาบอกว่าบันไดหดเหลือหกเมตรจึงปิดประตูขังไว้ได้ทั้งอัน แต่คนที่ถือบันไดบอกว่าโรงนาต่างหากที่หดจนบันไดยื่นออกมาสองข้าง ใครพูดถูก
ปัญหา
บันไดยาว 10 เมตรเมื่อวัดตอนอยู่นิ่ง วิ่งด้วยความเร็ว 80% ของแสงเข้าไปในโรงนาที่ยาว 8 เมตร มีประตูหน้าและหลัง ที่ความเร็วนี้ตัวประกอบลอเรนซ์คือ ที่ความเร็วนี้ วัตถุที่เคลื่อนที่จะหดเหลือ 60% ของความยาวเดิม
- มุมมองของชาวนา บันไดที่เคลื่อนที่หดเหลือ 6 เมตร สั้นกว่าโรงนา จะมีช่วงหนึ่งที่บันไดอยู่ในโรงนาทั้งอัน ชาวนาจึงปิดประตูทั้งสองบานพร้อมกันได้ชั่วขณะ
- มุมมองของคนถือบันได บันไดอยู่นิ่งยาว 10 เมตร โรงนาต่างหากที่วิ่งเข้าหาและหดเหลือ 4.8 เมตร บันไดยื่นออกนอกโรงนาทั้งสองข้าง ไม่มีทางปิดประตูทั้งสองบานได้พร้อมกัน
หลักสัมพัทธภาพบอกว่าทั้งสองกรอบถูกต้องเท่ากัน แล้วประตูถูกปิดพร้อมกันกับบันไดอยู่ข้างในหรือไม่
คำตอบ: "พร้อมกัน" ไม่ได้มีความหมายเดียว
กุญแจคือสัมพัทธภาพของความพร้อมกัน เหตุการณ์ "ปิดประตูหน้า" กับ "ปิดประตูหลัง" เกิดคนละตำแหน่ง ในกรอบของชาวนา ทั้งสองเกิดพร้อมกัน แต่ในกรอบของบันได ทั้งสองเกิดไม่พร้อมกัน ตามการแปลงลอเรนซ์ เวลาที่ต่างกันคือ ยิ่งสองเหตุการณ์อยู่ห่างกันและยิ่งเคลื่อนที่เร็ว ความต่างของเวลายิ่งมาก
สำหรับคนถือบันได ประตูหลังซึ่งอยู่ทางที่บันไดวิ่งไปถูกปิดก่อน ตอนนั้นปลายหน้าของบันไดเพิ่งมาถึงและยังไม่ทะลุออก แล้วประตูหลังก็เปิดออกให้ปลายหน้าผ่านไป หลังจากนั้นปลายท้ายของบันไดจึงเข้าโรงนาพ้นประตูหน้า แล้วประตูหน้าจึงปิด ไม่มีขณะใดเลยในกรอบของบันไดที่ประตูทั้งสองปิดพร้อมกันกับบันไดอยู่ข้างใน
ทั้งสองกรอบเห็นตรงกันในทุกเรื่องที่สำคัญทางกายภาพ เช่น บันไดไม่ชนประตูบานใดเลย สิ่งที่ต่างกันคือลำดับเวลาของเหตุการณ์ที่เกิดคนละที่ ซึ่งไม่ได้มีความหมายสัมบูรณ์
ถ้าประตูหลังไม่เปิดล่ะ
สมมติประตูหลังแข็งแรงมากและไม่เปิด ปลายหน้าของบันไดจะชนประตูและหยุด แต่ข้อมูลว่า "ปลายหน้าหยุดแล้ว" เดินทางไปตามเนื้อบันไดได้ไม่เร็วกว่าแสง ปลายท้ายจึงยังวิ่งต่อไปจนกว่าข้อมูลจะไปถึง บันไดจะถูกบีบอัดจนพังหรือหดสั้นลงจริงจนอยู่ในโรงนาได้ ทั้งสองกรอบเห็นผลสุดท้ายตรงกัน บทเรียนคือในสัมพัทธภาพไม่มีวัตถุใดแข็งสมบูรณ์ เพราะแรงและการเปลี่ยนแปลงต้องใช้เวลาเดินทางผ่านเนื้อวัตถุ
ดูด้วยแผนภาพมินคอฟสกี
บนแผนภาพมินคอฟสกี เส้นโลกของปลายบันไดสองปลายและของประตูสองบานเป็นเส้นตรงสี่เส้น เหตุการณ์ปิดประตูสองเหตุการณ์อยู่บนเส้นแนวนอนเส้นเดียวกันในกรอบของชาวนา แต่เส้นพร้อมกันของคนถือบันไดเอียงขึ้น เหตุการณ์ทั้งสองจึงอยู่บนเส้นพร้อมกันคนละเส้น ภาพเดียวนี้แสดงให้เห็นทันทีว่าทำไมทั้งสองฝ่ายจึงถูกในกรอบของตัวเอง
คำศัพท์ในบทความนี้
- ladder paradoxปฏิทรรศน์บันได
- length contractionการหดตัวของความยาว
- relativity of simultaneityสัมพัทธภาพของความพร้อมกัน
- Lorentz factorตัวประกอบลอเรนซ์
- Minkowski diagramแผนภาพมินคอฟสกี
- special relativityทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ
บทความที่เกี่ยวข้อง
- สัมพัทธภาพพิเศษ: เวลาและระยะทางไม่ได้ตายตัวในปี ค.ศ. 1905 ไอน์สไตน์เริ่มจากสมมติฐานเพียงสองข้อ แล้วได้ข้อสรุปที่เปลี่ยนวิธีคิดเรื่องเวลาและอวกาศไปตลอดกาล นาฬิกาที่เคลื่อนที่เดินช้าลง ไม้บรรทัดหดสั้น และมวลกับพลังงานเป็นสิ่งเดียวกัน
- กาลอวกาศและแผนภาพมินคอฟสกีมินคอฟสกีเสนอให้มองเวลาและอวกาศเป็นสิ่งเดียวกันสี่มิติ แล้ววาดเป็นแผนภาพที่ทำให้ผลแปลก ๆ ของสัมพัทธภาพพิเศษกลายเป็นเรื่องเรขาคณิตธรรมดา ทั้งการยืดของเวลา การหดของความยาว และกรวยแสงที่แบ่งอดีตกับอนาคต
- ปฏิทรรศน์ฝาแฝดแฝดคนหนึ่งเดินทางด้วยความเร็วใกล้แสงแล้วกลับมาอายุน้อยกว่าอีกคน แต่ในมุมมองของเขา แฝดที่อยู่บนโลกต่างหากที่เคลื่อนที่
- การเดินทางข้ามเวลาและปฏิทรรศน์ปู่การเดินทางไปอนาคตเกิดขึ้นจริงทุกวันและพิสูจน์ได้ด้วยนาฬิกาอะตอม แต่การย้อนกลับไปอดีตนำไปสู่ปัญหาทางตรรกะ ถ้าย้อนไปห้ามไม่ให้ปู่ของตัวเองพบย่า แล้วเราจะเกิดมาได้อย่างไร ฟิสิกส์มีคำตอบให้หลายแบบ