สัมพัทธภาพแบบกาลิเลโอ

เวลาที่เรานั่งรถยนต์ เราจะทราบได้อย่างไรว่ารถยนต์ที่เรานั่งกำลังเคลื่อนที่อยู่?
หลายๆคนอาจจะตอบว่า ก็เราเห็นว่ารถยนต์ที่เรานั่งกำลังวิ่งนะสิ!

แต่ถ้าลองคิดให้ลึกซึ้งขึ้นอีกนิดจะพบว่าเราไม่ได้เห็นรถของเราวิ่ง แต่เราเห็นสิ่งต่างๆรอบตัวเราเคลื่อนที่ผ่านเราไปต่างหาก เช่น เห็นวิวทิวทัศน์ข้างทาง ต้นไม้ เสาไฟฟ้า วิ่งสวนทางกับเราไป เราจึงจะบอกได้ว่ารถยนต์ของเรากำลังเคลื่อนที่ไปข้างหน้าแต่ถ้าไม่มีสิ่งของรอบๆรถให้เราอ้างอิงละ เช่นเราถูกปิดตาให้นั่งอยู่ในรถยนต์ เราจะบอกได้หรือไม่ว่ารถยนต์กำลังเคลื่อนที่ แน่นอนถ้ารถไม่เร่งเครื่องหรือเบรกจนเราหัวทิ่มหัวตำละก็ เราแทบจะบอกไม่ได้เลย และนี่คือหลักความจริงทางฟิสิกส์ การจะบอกว่าวัตถุใดๆเคลื่อนที่จะต้องอ้างอิง หรือ “สัมพัทธ์” กับสิ่งใดสิ่งหนึ่งเสมอ เช่น รถยนต์เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 80 กิโลเมตรต่อชั่วโมง เทียบกับบ้านซึ่งอยู่นิ่งๆเป็นต้น

การเคลื่อนที่สัมพัทธ์

สำหรับผู้สังเกตสองคนที่เคลื่อนที่สัมพัทธ์กันด้วยความเร็วคงที่ เขาจะไม่สามารถบอกได้ว่าใครกันแน่ที่เคลื่อนที่ ซึ่งจะทำให้ผู้สังเกตทั้งสองบรรยายเหตุการณ์ต่างๆ ที่เกิดขึ้นได้ต่างกัน

ตัวอย่าง รถสีแดง จอดอยู่นิ่ง รถสีฟ้าวิ่งด้วยความเร็ว และ ลูกปืนวิ่งด้วยความเร็ว สำหรับผู้สังเกตในรถสีแดง เขาจะรู้สึกว่าตัวเองอยู่นิ่งและมองเห็นรถสีฟ้าวิ่งผ่านหน้าไปความเร็ว เทียบกับตัวเขาและก็จะเห็นลูกกระสุนปืนวิ่งด้วยอัตราเร็ว เทียบกับตัวเขาเช่นกัน ซึ่งเมื่อ ลูกกระสุนก็แซงรถคันสีแดงไป ดังรูป animation ข้างล่าง

สำหรับผู้สังเกตในรถสีฟ้า เขาจะเห็นเหตุการณ์ต่างออกไปจากที่ผู้สังเกตบนรถสีแดงเห็น เนื่องจากรถสีฟ้าวิ่งด้วยความเร็วคงที่ ดังนั้นคนที่นั่งอยู่บนรถจะไม่รู้สึกว่าตนเองกำลังเคลื่อนที่ แต่จะเห็นสิ่งที่อยู่รอบๆตัวเขาเคลื่อนที่สวนทางมา ดังแสดงใน animation ข้างล่าง

สำหรับผู้สังเกตในรถสีฟ้า เขาจะเห็นรถสีแดงวิ่งสวนทางมา ด้วยความเร็ว และลูกปืนวิ่งแซงไปด้วยความเร็ว

จะเห็นว่าผู้สังเกตบนรถสีแดงและผู้สังเกตบนรถสีฟ้า เห็นการเคลื่อนที่แตกต่างกัน ซึ่งปรากฏการณ์นี้เป็นจริงสำหรับทุกๆผู้สังเกตที่อยู่บนกรอบอ้างอิงเฉื่อย อย่างไรก็ตามแม้ว่าผู้สังเกตทั้งสองจะเห็นการเคลื่อนที่ต่างกัน แต่ว่ากฎทางฟิสิกส์ที่อธิบายการเคลื่อนที่นั้นเหมือนกัน ความจริงนี้คือหลักการของสัมพัทธภาพแบบกาลิเลโอ

ลองจินตนาการว่านิสิตกำลังนั่งอยู่บนรถไฟฟ้าใต้ดิน ถ้าหน้าต่างรถไฟฟ้าถูกปิดจนมองไม่เห็นทิวทัศน์ข้างนอก (หรืออาจกำลังอยู่กลางอุโมงค์ใต้ติด) เราจะบอกความแตกต่างระหว่างรถไฟที่กำลังหยุดนิ่ง กับรถไฟที่กำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่อย่างนิ่มนวลได้อย่างไร?

Galileo’s Principle of Relativity บอกว่าไม่มีการทดลองทางฟิสิกส์ใดๆที่จะบอกได้ว่ารถไฟกำลังเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วคงที่หรือหยุดนิ่ง

ก่อนที่จะพิจารณาฟิสิกส์ในขั้นต่อไป เราอธิบายการเชื่อมโยงเหตุการณ์ที่ผู้สังเกตต่างๆเห็น โดยใช้ภาษาคณิตศาสตร์