เรื่องโดย ณัฐพล โชติศรีศุภรัตน์ และ Pathom Vongvizay
หลายคนอาจหลงใหลในวิชาฟิสิกส์เพราะวิชานี้สวยงามและช่วยอธิบายธรรมชาติได้อย่างน่าทึ่ง ฟิสิกส์อธิบายได้ตั้งแต่การเคลื่อนที่ของวัตถุเล็ก ๆ ระดับอะตอมไปจนถึงการขยายตัวของเอกภพ โดยคณิตศาสตร์ในฟิสิกส์อาจเปรียบเสมือนภาษาของธรรมชาติ เมื่อเราเรียนรู้และเข้าใจคณิตศาสตร์ที่เป็นภาษาของธรรมชาตินี้ เราก็จะเห็นความงดงามที่แฝงอยู่ในปรากฏการณ์ธรรมชาติต่าง ๆ รอบตัวเรา วิชาฟิสิกส์ที่เราเรียนกันเป็นผลงานการทำงานของผู้คนจำนวนมากและหนึ่งในชื่อที่เราอาจจะรู้จักกันดีคือ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein)
อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์เป็นนักฟิสิกส์ทฤษฎีผู้มีชื่อเสียงระดับโลก ซึ่งได้รับการยอมรับว่าเป็นหนึ่งในนักวิทยาศาสตร์ที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในประวัติศาสตร์ ผลงานที่สำคัญของเขา เช่น ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก (photoelectric effect) ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ (special relativity) และทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (general relativity) ซึ่งเปลี่ยนแปลงความเข้าใจของมนุษย์เกี่ยวกับเวลา (time) ปริภูมิ (space) และความโน้มถ่วง (gravitation) อย่างสิ้นเชิง
มีหนึ่งแนวคิดที่ต้องอธิบายก่อนนั่นก็คือ ปริภูมิ-เวลา (spacetime) เป็นแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ใด ๆ ที่รวมปริภูมิกับเวลาเข้าด้วยกัน ไอน์สไตน์เสนอทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปในปี ค.ศ. 1915 จนถึงปัจจุบัน ค.ศ. 2025 ที่กำลังเขียนบทความนี้ ก็ผ่านมากว่า 110 ปีแล้ว ทฤษฎีนี้ถือเป็นหนึ่งในจุดเปลี่ยนสำคัญที่ยิ่งใหญ่ในประวัติศาสตร์ของวิทยาศาสตร์ โดยเฉพาะในฟิสิกส์ทฤษฎี
ก่อนหน้านี้นักฟิสิกส์ทั่วโลกต่างยึดถือกฎความโน้มถ่วงสากลของนิวตัน (Newton’s law of universal gravitation) มาเป็นเวลานานหลายร้อยปี กฎนี้อธิบายว่าแรงโน้มถ่วงเป็นแรงที่กระทำระหว่างวัตถุสองชิ้นที่มีมวล โดยมีขนาดแปรผกผันกับระยะทางยกกำลังสอง แม้จะใช้อธิบายการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์และวัตถุต่าง ๆ ได้ดีในระดับหนึ่ง แต่ทฤษฎีของนิวตันก็ยังมีข้อจำกัด โดยเฉพาะกรณีที่วัตถุมีมวลมาก เช่น บริเวณใกล้หลุมดำ หรือในกรณีวัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วใกล้แสง
ไอน์สไตน์เสนอแนวคิดใหม่โดยอธิบายว่าแรงโน้มถ่วงไม่ใช่ “แรง” แบบดั้งเดิมแต่เกิดจากความโค้งงอของปริภูมิ-เวลา (spacetime curvature) ที่เกิดจากมวลและพลังงาน กล่าวคือ วัตถุที่มีมวลมาก เช่น ดาวเคราะห์ ดาวฤกษ์ จะสร้างความโค้งงอของปริภูมิ-เวลาโดยรอบ ดังนั้นวัตถุต่าง ๆ ไม่ได้ถูกดึงดูดโดยแรงแบบที่นิวตันอธิบายแต่เคลื่อนที่ไปตามเส้นทางโค้งงอของปริภูมิ-เวลาที่ถูกบิดงอ นี่คือมุมมองใหม่ที่ทรงพลังและอธิบายปรากฏการณ์ในเอกภพได้แม่นยำยิ่งกว่ากฎแรงโน้มถ่วงของนิวตัน โดยเฉพาะในกรณีที่วัตถุมีความเร็วสูงหรือกรณีวัตถุมวลมหาศาล (ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปผ่านการสาธิตแบบเก่าที่ใช้แผ่นผ้าและลูกบอล)
การสาธิตเพื่อทำความเข้าใจทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปแบบง่าย ๆ มักใช้แผ่นผ้ายืดได้ที่ยึดตรึงไว้กับกรอบและลูกบอลที่มีมวลขนาดต่างกัน โดยลูกบอลมวลมากแทนมวลของดาวฤกษ์หรือวัตถุขนาดใหญ่ ลูกบอลมวลน้อยแทนมวลของดาวฤกษ์หรือวัตถุขนาดเล็ก การสาธิตเริ่มจากวางลูกบอลหนักตรงกลางแผ่นผ้า แผ่นผ้าจะยุบลงกลายเป็นแอ่งแสดงถึงการที่มวลมากทำให้ปริภูมิ-เวลาโค้งงอ จากนั้นเมื่อปล่อยลูกบอลมวลน้อยบนผ้า ลูกบอลมวลน้อยจะเคลื่อนที่เป็นวงรอบแอ่งก่อนที่จะไปรวมกับลูกบอลมวลมาก เหมือนดาวเคราะห์ที่โคจรรอบดาวฤกษ์ขนาดใหญ่เพราะมันเคลื่อนที่ในปริภูมิ-เวลาที่โค้ง การสาธิตแบบนี้ทำได้ง่าย ช่วยให้เข้าใจก็จริง แต่ก็มีข้อจำกัดคือ เป็นการแสดงปริภูมิ-เวลาในรูปแบบสองมิติ ซึ่งความจริงจะมีมิติของปริภูมิสามมิติและหนึ่งมิติของเวลา อีกทั้งยังขาดการแสดงความสัมพันธ์ระหว่างแรงโน้มถ่วงกับการยืดขยายของเวลา สรุปแล้วการสาธิตแบบเก่านี้อาจทำให้ผู้เรียนเกิดมโนทัศน์ที่คลาดเคลื่อน (misconception)
ตัวอย่างอุปกรณ์วีอาร์เฮดเซต (VR headset) สำหรับท่องโลกความเป็นจริงเสมือน
ปัจจุบันเทคโนโลยีก้าวหน้าไปมาก เรามีตัวช่วยใหม่มาใช้แทนการสาธิตแบบเก่าได้ สิ่งนั้นคือ อุปกรณ์วีอาร์เฮดเซต (VR headset) ซึ่งเป็นอุปกรณ์สวมศีรษะที่ใช้สำหรับสร้างความเป็นจริงเสมือน (virtual reality: VR) โดยผู้ใช้งานเพียงสวมใส่อุปกรณ์นี้บนศีรษะก็จะเข้าสู่โลกเสมือนที่ประกอบด้วยภาพและเสียงที่สร้างขึ้นด้วยคอมพิวเตอร์ ภาพที่เห็นผ่านอุปกรณ์นี้เป็นสามมิติรอบตัวและเปลี่ยนตามทิศทางการเคลื่อนไหวของศีรษะ ทำให้มีมุมมองและความรู้สึกเหมือนอยู่ในสถานที่นั้นจริง ๆ
โดยทั่วไปด้านในของอุปกรณ์นี้จะมีหน้าจอแสดงภาพ เซนเซอร์ช่วยตรวจจับการเคลื่อนไหว และหูฟังที่ช่วยให้ได้ยินเสียงรอบทิศทาง เพื่อเพิ่มความสมจริงของประสบการณ์ นอกจากจะใช้เพื่อความสนุกเพลิดเพลิน อย่างวิดีโอเกมแล้ว ยังใช้ในการเรียนการสอนได้และได้ดีด้วย
วัตถุที่มีมวลมากจะทำให้ตาตารางของปริภูมิ-เวลาโค้งงอ โดยยิ่งวัตถุมีมวลมากเท่าใด ความโค้งของตาตารางก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น
ที่มาภาพ : Schumacher et al., 2023
เนื่องจากแนวคิดของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปนั้นเป็นเรื่องที่เข้าใจได้ยาก เพราะเกี่ยวข้องกับมิติที่มนุษย์ไม่สามารถสัมผัสหรือมองเห็นได้โดยตรง เช่น การโค้งงอของปริภูมิ-เวลา ความสัมพันธ์ระหว่างมวล ความโน้มถ่วง การเคลื่อนที่ของเวลา การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีวีอาร์ในการเรียนรู้จึงเป็นเครื่องมือที่มีประโยชน์อย่างยิ่ง เพราะช่วยให้ผู้เรียนเข้าไปอยู่ในโลกของสัมพัทธภาพ มองเห็นการโค้งงอของปริภูมิ-เวลาแบบสามมิติรอบตัว และสังเกตผลกระทบต่าง ๆ จากมวลของวัตถุได้ ตัวอย่างเช่น การจำลองดาวเคราะห์ที่โคจรไปรอบ ๆ มวลมหาศาล หรือการเร่งความเร็วเข้าใกล้แสงแล้วเห็นเวลาช้าลง
ความสามารถของวีอาร์ในการสร้างประสบการณ์ที่สมจริงและจับต้องได้จึงไม่เพียงช่วยในการจดจำ แต่ยังส่งเสริมความเข้าใจในเชิงลึก ช่วยเปลี่ยนการเรียนรู้ที่ยากให้กลายเป็นประสบการณ์ที่น่าตื่นเต้นและเข้าถึงง่ายขึ้น การสาธิตแบบใหม่ด้วยวีอาร์แก้ไขข้อจำกัดของการสาธิตแบบเก่าด้วยลูกบอลและแผ่นผ้าได้ โดยเมื่อผู้เรียนสวมใส่วีอาร์เฮดเซตที่มีซอฟต์แวร์การสาธิตทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปแล้ว จะเข้าไปอยู่ในปริภูมิที่เป็นตาตารางสามมิติและมีนาฬิกาสองเรือน เข็มนาฬิกาทั้งสองหมุนด้วยอัตราคงที่เท่ากัน และมีเสียงดังติ๊ก ๆ ของนาฬิกาที่อยู่ใกล้ที่สุด แสดงถึงการไหลของเวลา ตาตารางและนาฬิกานี้แสดงให้เห็นถึงปริภูมิ-เวลา
(ซ้าย) ตาตารางทางซ้ายเป็นตัวแทนของปริภูมิ ส่วนนาฬิกาแสดงการไหลผ่านของเวลา
(กลาง) วัตถุที่มีมวลทำให้เกิดการโค้งงอของปริภูมิ-เวลา
(ขวา) นาฬิกาจะเดินช้าลงเมื่ออยู่ใกล้วัตถุที่มีมวลมาก เพื่อแสดงให้เห็นถึงปรากฏการณ์การขยายขนาดของเวลา (time dilation)
ที่มาภาพ : Schumacher et al., 2023
ผู้เรียนเห็นทรงกลมสีเหลืองอยู่ด้านหน้า เมื่อหยิบทรงกลมนี้ไปวางในตาตารางสามมิติจะเกิดความโค้งงอตามตำแหน่งที่วางทรงกลมนั้น โดยปริมาณความโค้งของตาตารางนี้กำหนดตามสมการทางคณิตศาสตร์ของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ดังนั้นความโค้งงอที่ตำแหน่งใดตำแหน่งหนึ่งของตาตารางจะขึ้นอยู่กับมวลของวัตถุและระยะห่างจากวัตถุนั้น เมื่อผู้เรียนนำวัตถุเข้าไปใกล้นาฬิกาเรือนใดเรือนหนึ่ง จะพบว่านาฬิกาเรือนนั้นเดินช้าลงเมื่อเทียบกับอีกเรือนหนึ่ง ซึ่งอัตราการเปลี่ยนแปลงนี้ก็กำหนดโดยสมการของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป
ผู้เรียนกดเลือกเมนูเพื่อเปลี่ยนมวลของวัตถุได้ เมื่อปรับให้วัตถุมีมวลมากขึ้น ความโค้งงอของปริภูมิก็จะมากขึ้น และเมื่อนำวัตถุนี้เข้าใกล้นาฬิกาก็จะเห็นความแตกต่างของอัตราการไหลของเวลา การปรับขนาดมวลจะช่วยให้ผู้เรียนสำรวจความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณมวลกับขนาดของความโน้มถ่วงได้อย่างชัดเจน
ในยุคที่เทคโนโลยีก้าวหน้าอย่างไม่หยุดยั้ง การเรียนรู้ก็ได้พัฒนาไปไกลกว่ากระดานดำและหนังสือเรียนในห้องเรียน การเรียนรู้ผ่านเทคโนโลยีวีอาร์ช่วยสร้างประสบการณ์ตรง (experiential learning) ซึ่งช่วยให้ผู้เรียนเข้าใจแนวคิดยาก ๆ และจดจำได้ดีขึ้นเมื่อเทียบกับการเรียนแบบดั้งเดิม โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับนักเรียน นักศึกษา หรือแม้แต่ผู้ที่สนใจทั่วไปที่ไม่มีพื้นฐานทางคณิตศาสตร์เชิงลึกก็สามารถเข้าใจทฤษฎีสัมพัทธภาพผ่านประสบการณ์ในโลกเสมือนจริงนี้ได้ นอกจากความเข้าใจที่ลึกซึ้งแล้ว การเรียนรู้แบบนี้ยังช่วยกระตุ้นความสนใจ ความอยากรู้อยากเห็น และการมีส่วนร่วม ซึ่งเป็นหัวใจของการเรียนรู้อย่างมีประสิทธิภาพ
แหล่งข้อมูลอ้างอิง
- McGrath, D., Savage, C., Williamson, M., Wegener, M., & McIntyre, T. (2008). Teaching special relativity using virtual reality. In Proceedings of The Australian Conference on Science and Mathematics Education.
- Schumacher, K., Joshi, S., Kang, J., Shaffer, E., Raley, J., Arredondo, J. N., … & Vistian, C. (2023, June). GR in VR: Using Immersive Virtual Reality as a Learning Tool for General Relativity. In 2023 ASEE Annual Conference & Exposition.
- Pais, A. (1982). Subtle is the lord: The science and the life of Albert Einstein: The science and the life of Albert Einstein. Oxford University Press, USA.
- Isaacson, W. (2008). Einstein: His life and universe. Simon and Schuster.
About Author
