ปริภูมิ-เวลา

แผนภาพปริภูมิ-เวลา เส้นระหว่างนาฬิกาทุกเรือนมีความยาวเท่ากันที่หนึ่งชั่วโมงแสง (1.07 พันล้านกิโลเมตร) แต่หากเรามองแผนภาพนี้ในฐานะผู้สังเกตการณ์ เราจะรู้สึกว่าเส้นสีน้ำเงินมีความยาวกว่าเส้นเขียว

ในวิชาฟิสิกส์ ปริภูมิ-เวลา (อังกฤษ: spacetime) เป็นแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ใด ๆ ที่รวมปริภูมิและเวลาเข้าด้วยกันเป็นความต่อเนื่องประสานเดียว ปริภูมิ-เวลาของเอกภพนั้นเดิมตีความจากมุมมองปริภูมิแบบยุคลิด (Euclidean space) ซึ่งถือว่าปริภูมิประกอบด้วยสามมิติ และเวลาประกอบด้วยหนึ่งมิติ คือ "มิติที่สี่" โดยการรวมปริภูมิและเวลาเข้าไปในแมนิโฟลด์ (manifold) เดียวที่เรียกกันว่า ปริภูมิ-เวลาแบบมินคอฟสกี (Minkowski space) นักฟิสิกส์ได้ทำให้ทฤษฎีทางฟิสิกส์จำนวนมากดูมีความเรียบง่ายขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ ตลอดจนอธิบายการทำงานของเอกภพทั้งระดับใหญ่กว่าดาราจักรและเล็กกว่าอะตอมได้อย่างเป็นรูปแบบเดียวกันมากยิ่งขึ้น

คำอธิบาย

ในกลศาสตร์ดั้งเดิมที่ไม่เป็นเชิงสัมพัทธ์, การใช้ปริภูมิแบบยุคลิดแทนปริภูมิเวลามีความเหมาะสม, เนื่องจากเวลานั้นถือว่าเป็นสากลและคงที่, ดำรงอยู่อย่างเป็นอิสระในฐานะแห่งสถานะของการเคลื่อนที่ของผู้สังเกตการณ์ (observer) ในบริบทเชิงสัมพัทธภาพ,เวลาไม่สามารถแยกออกจากสามมิติของปริภูมิได้เพราะอัตราของการสังเกตที่ซึ่งเวลาได้ผ่านไปสำหรับวัตถุนั้นขึ้นอยู่กับความเร็วของวัตถุเทียบกับผู้สังเกตการณ์และยังขึ้นอยู่กับความแรงของสนามความโน้มถ่วง (gravitational field) อีกด้วย, ซึ่งสามารถที่จะชะลอการล่วงไปของเวลาสำหรับวัตถุที่มองเห็นได้โดยผู้สังเกตการณ์ที่อยู่ภายนอกของสนาม

ในจักรวาลวิทยา, แนวคิดของปริภูมิเวลาจะเป็นการรวมเอาทั้งปริภูมิและเวลาเข้าด้วยกันให้กลายเป็นเอกภพ (universe) ที่เป็นนามธรรมเพียงหนึ่งเดียว ในทางคณิตศาสตร์นั้น มันก็คือแมนิโฟลด์ที่ประกอบไปด้วย "เหตุการณ์" ซึ่งจะถูกอธิบายได้ตามประเภทของระบบพิกัดบางอย่าง โดยปกติแล้ว มิติเชิงพื้นที่ทั้ง 3 มิติ (ความยาว, ความกว้าง, ความสูง) และอีกมิติหนึ่งชั่วขณะ (เวลา) เป็นสิ่งจำเป็นต้องมี

ประวัติ

บทความหลัก: History of special relativity และ History of Lorentz transformations

รูปที่ 1-2 ไมเคิลสันและมอร์ลีย์คาดว่าการเคลื่อนที่ผ่านอีเธอร์จะทำให้เกิดการเลื่อนเฟสที่แตกต่างกันระหว่างแสงที่เคลื่อนผ่านแขนทั้งสองของเครื่องมือของพวกเขา คำอธิบายที่สมเหตุสมผลที่สุดสำหรับผลลัพธ์เชิงลบของพวกเขา ซึ่งก็คือการลากของอีเธอร์ ขัดแย้งกับการสังเกตการณ์ความคลาดเคลื่อนของดวงดาว (Figure 1-2. Michelson and Morley expected that motion through the aether would cause a differential phase shift between light traversing the two arms of their apparatus. The most logical explanation of their negative result, aether dragging, was in conflict with the observation of stellar aberration.)

ในช่วงกลางคริสตศตวรรษที่ 19 การทดลองต่างๆ เช่น การสังเกตจุดอาราโก (Arago spot) และการวัดความแตกต่างของอัตราเร็วแสงในอากาศเทียบกับน้ำ (Differential measurements of the speed of light in air versus water) ถือเป็นการพิสูจน์ลักษณะคลื่นของแสง ซึ่งตรงข้ามกับทฤษฎีอนุภาคหรือทฤษฎีคอพัสคิวลาร์ของแสง (Corpuscular theory) การแพร่กระจายของคลื่นนั้นถือว่าต้องมีตัวกลางที่เคลื่อนไหวได้ ในกรณีของคลื่นแสงนั้น ถือว่าเป็นอีเธอร์นำแสง (Luminiferous aether) ซึ่งเป็นตัวกลางเชิงสมมติฐาน

ดูเพิ่มเติม

• Basic introduction to the mathematics of curved spacetime
• Complex spacetime
• Einstein's thought experiments
• Four-dimensionalism
• Geography
• Global spacetime structure
• List of spacetimes
• Metric space
• Philosophy of space and time
• Present
• Time geography

อ่านเพิ่มเติม

• แม่แบบ:BarrowTipler1986
• George F. Ellis and Ruth M. Williams (1992) Flat and curved space–times. Oxford University Press. ISBN 0-19-851164-7
• Lorentz, H. A., Einstein, Albert, Minkowski, Hermann, and Weyl, Hermann (1952) The Principle of Relativity: A Collection of Original Memoirs. Dover.
• Lucas, John Randolph (1973) A Treatise on Time and Space. London: Methuen.
• Penrose, Roger (2004). The Road to Reality. Oxford: Oxford University Press. ISBN 0-679-45443-8. Chapters 17–18.
• Taylor, E. F.; Wheeler, John A. (1992). Spacetime Physics, Second Edition. Internet Archive: W. H. Freeman. ISBN 0-7167-2327-1.
• Arkani-Hamed, Nima (1 ธันวาคม 2017). The Doom of Spacetime: Why It Must Dissolve Into More Fundamental Structures (Speech). The 2,384th Meeting Of The Society. Washington, D.C. สืบค้นเมื่อ 16 กรกฎาคม 2022.

ลิ้งค์ภายนอก

• วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อเกี่ยวกับ Spacetime
• Albert Einstein on space–time 13th edition Encyclopædia Britannica Historical: Albert Einstein's 1926 article
• Encyclopedia of Space–time and gravitation Scholarpedia Expert articles
• Stanford Encyclopedia of Philosophy: "Space and Time: Inertial Frames" by Robert DiSalle.