คำว่ามิติ จริงๆ แล้วหลายความหมาย แต่ถ้าเราพูดถึง 3 มิติ หลายๆ คนก็จะเข้าใจตรงกันว่า กว้าง ยาว สูง แล้วสำหรับมิติที่มีมากกว่านี้ เช่น มิติที่ 4 มิติที่ 5 ล่ะคืออะไร หลายๆ คนอาจจะเข้าใจว่ามิติที่มากกว่า 3 คือมิติของ ความลี้ลับ จิตวิญญาณ ทวยเทพ ภูตผีปีศาจ บ้างก็ว่า มนุษย์ต่างดาว เส้นทางเดินของ UFO สู่อีกจักรวาล และอื่นๆ ตามความเชื่อหรือจินตนาการของแต่ละบุคคล จริงๆแล้วในวงการวิทยาศาสตร์มีการใช้มิติ ที่มากกว่า 3 อยู่อย่างแพร่หลาย หากแต่มิติที่ 4 ที่ 5 หรือ มิติที่มากกว่า 5 ในทางวิทยาศาสตร์ไม่ใช่สิ่งลี้ลับแต่อย่างใด เป็นเรื่องธรรมดาเสียด้วยซ้ำ วันนี้เราจะมาดูกับว่า มิติ ในทางวิทยาศาสตร์มันเป็นอย่างไร
มิติ ในทางวิทยาศาสตร์น่าจะมาจากการแปลว่า การวัด เช่น วัดเวลา วัดระยะ วัดมวล วัดความเร็ว และอื่นๆ สิ่งเหล่านี้ถ้าใครได้เรียนฟิสิกส์ระดับ ม6. จนถึงระดับมหาวิทยาลัย อาจจะได้เรียนในหัวข้อที่เรียกว่า การวิเคราะห์เชิงมิติ (Dimensional analysis) ซึ่งเป็นบทเรียนที่คล้ายคลึงกับการพิจารณาหน่วยของตัวแปรในสมการ
อีกประเด็นหนึ่งสำหรับ มิติในทางวิทยาศาสตร์ก็คือ การวัดความกว้าง ความยาว และความสูง หรือ 3 มิติ ที่เราคุ้นเคย คำว่ากว้างยาวสูงนี้ หลายคนคงจะนึกแว๊บในหัวว่า "ปริมาตรของกล่องทรงสี่เหลี่ยม"
ที่นึกแว๊บมานี้ก็ไม่เชิงครับ ผมขอนำเสนอแบบนี้ครับว่า สามมิติ หมายถึง เราจำเป็นต้องวัดระยะ (ตำแหน่ง) อย่างน้อย 3 ครั้งเพื่อที่จะระบุสิ่งที่อยู่นิ่งอย่างแน่นอนว่าสิ่งนั้นอยู่ตรงไหน เช่น ถ้าตอนนี้เราอยากจะบอกตำแหน่งที่แน่นอนของหลอดไฟที่อยู่บนเพดานห้อง เพื่อความง่ายให้เราลองไปยืนอยู่ที่มุมใดมุมหนึ่งของห้อง การจะระบุตำแหน่งหลอดไฟ เราจะวัดระยะอย่างน้อย 3 ครั้ง คือ
1. วัดระยะห่างระหว่างเรา (ที่ยืนอยู่ตรงมุมห้อง) กับหลอดไฟตามแนวเดียวกับด้านกว้างของห้อง
2. วัดระยะด้วยวิธีเดียวกันตามแนวยาวของห้อง
3. วัดความสูงระหว่างพื้นถึงเพดาน
ถึงตรงนี้ หลายคนอาจจะนึกเถียง กับบทความนี้ว่า เฮ้ย ไม่เห็นต้องวัด 3 ครั้งเลยนะ เรายืนอยู่มุมห้องใช่ไหม ก็แค่ยึดตลับเมตรวัดระยะห่างระหว่างตัวเรากับหลอดไฟแค่ครั้งเดียวก็พอไม่ใช่หรือ คำตอบคือคุณวัดแค่ครั้งเดียวจริง วัดอย่างรู้ตัวว่าคุณวัด แต่คุณได้ทำการวัดอีกสองครั้งไปโดยที่ไม่รู้ตัว การวัดที่ 2 คือ มุมกวาดซึ่งเป็นมุมที่วัดว่าคุณหันหน้าจากด้านกว้าง (หรือยาว) ไปเป็นมุมเท่าไร และการวัดที่ 3 คือ มุมเงยหรือก็คือมุมที่วัดว่าสายวัดจากตลับเมตรต้องเอียงขึ้นจากพื้นทำมุม เท่าไรกับพื้นห้อง การวัด ทำนองนี้เรียกว่าการวัดแบบวิธีทรงกลม การวัดจะประกอบด้วย การวัดระยะห่าง มุมกวาด และมุมเงย ครับ
รูปซ้ายคือการวัดแบบพิกัดฉาก 1. วัดระยะตามแนวกว้าง 2. วัดระยะตามแนวยาว 3. ยัดความสูง
รูปขวาคือการวัดแบบพิกัดทรงกลม 1. วัดระยะห่างระหว่างเรากับหลอดไฟ 2. วัดมุมกวาด 3. วัดมุมเงย
ตอนนี้เรารู้แล้วว่า 3 มิติ หมายถึงการจะระบุตำแหน่งของวัตถุที่อยู่นิ่งจะต้องใช้การวัดระยะอย่างน้อย สามครั้ง แล้วถ้าเราจะระบุสิ่งที่กำลังเคลื่อนที่ล่ะ การวัดสามครั้งไม่จะไม่เพียงพอ ในอีกความหมายหนึ่งก็คือ สามมิติยังไม่เพียงพอที่จะใช้พิจารณาวัตถุที่กำลังเคลื่อนไหว การที่จะระบุวัตถุที่กำลังเคลื่อนไหวจะ ต้องใช้ 4 มิติ อีกมิติที่เพิ่มเติมคือ เวลา
4 มิติ ก็คือเราจะต้องใช้การวัดอย่างน้อย 4 ครั้ง เพื่อที่จะหาวัตถุที่กำหลังเคลื่อนไหวพบ การวัดสามครั้งแรกก็คือการวัดตำแหน่งตามที่ได้อธิบายไป การวัดครั้งที่สี่ก็คือการวัดเวลา ตัวอย่างที่ชัดเจนของการวัดสี่ครั้งก็คือการนัดพบปะกับผู้คน เช่น ถ้าเราจะไปรับประทานอาหารที่ตึกใบหยก เราจะต้องระบุ (การวัด) อะไรบ้างจึงจะหาคนที่เรานัดเจอ คำพูดที่บอกว่าเจอกันที่ตึกใบหยกก็คือการวัดตำแหน่งไปแล้ว 2 ครั้ง (โดยไม่รู้ตัว) การวัด 2 ครั้งที่ว่าคือการวัดตำแหน่ง เหนือ และตะวันออก ของตึกใบหยกนั้นเอง เท่านี้ยังไม่พอ ตึกใบหยกมีตั้ง 70 กว่าชั้น การตกลงกันว่าจะเจอกันชั้นไหน ก็คือการวัดความสูง คือการวัดครั้งที่ 3 สิ่งสุดท้ายที่จำเป็นจะต้องมีคือเวลา เช่นเจอกันตอน 4 โมงเย็นนะ การระบุเวลาก็คือการวัดครั้งที่สี่
การ วัดตำแหน่งทั้งสามอาจจะเข้าใจได้ไม่ยาก เพราะการวัด 2 ครั้งแรก ก็คือ ตึกใบหยกอยู่ทิศเหนือเท่าไร และ ทิศตะวันออกเท่าไร การวัดครั้งที่สามคือสูงเท่าไร การวัดครั้งที่สี่เนี่ยสิ วัดเวลา เวลาจับต้องไม่ได้แล้วจะวัดอย่างไร การที่เราได้เงยหน้าดูนาฬิกาก็คือเราได้ทำการวัดเวลาเรียบร้อยแล้ว
การวัดทั้งสี่ครั้งได้แก่ 1. 13 องศา 45 ลิปดา เหนือ 2. 100 องศา 32 ลิปดา ตะวันออก 3. สูงจากพื้นดิน 332 เมตร (การวัดนี้เป็นแบบเดี่ยวกับการวัดเชิงทรงกลม) และ 4. เวลา 16.00 น.
นาฬิกาไม่ใช่เวลา แต่เป็นเครื่องมือชนิดหนึ่งสำหรับวัดเวลา ถ้าเปรียบว่าเวลาคือความยาว นาฬิกาก็คือไม้บรรทัด
การที่วัตถุมีการเคลื่อนไหว สามารถถือได้ว่าวัตถุกำลังเคลื่อนที่ไปทั้งในตำแหน่งและเวลา ส่วนวัตถุที่อยู่นิ่งกับที่ จะถือว่าได้เคลื่อนที่ในเวลาแต่ไม่ได้เคลื่อนที่ในตำแหน่ง การเคลื่อนที่ไปในเวลาของวัตถุจะเป็นในทางที่เวลาเพิ่มขึ้น(จากอดีตไปอนาคต) ไม่สามารถเคลื่อนที่ย้อนเวลา และไม่มีทางจะหยุดการเคลื่อนที่ในเวลา (หรือก็คือหยุดเวลาไม่ได้นั้นแหละ)
เพื่อที่จะระบุตำแหน่งของสิ่งที่เคลื่อนไหว เราจำเป็นต้องวัด ตำแหน่ง (อย่างน้อย 3 ครั้ง) และเวลา ไม้บรรทัดคือเครื่องมือสำหรับวัดตำแหน่งชนิดหนึ่ง และ นาฬิกาก็เป็นเครื่องมือวัดเวลาชนิดหนึ่ง
เนื่องจากมนุษย์รับรู้เวลาและอวกาศทั้ง 4 มิติ การอธิบายธรรมชาติจึงใช้ทั้งตำแหน่งและเวลา มีใช้งานที่แตกต่างกันอยู่ 2 แบบ เรียกว่า เชิงสัมพัทธภาพ และ เชิงไม่สัมพัทธภาพ
การใช้มิติเวลา แบบไม่สัมพัทธภาพ คือ มิติของเวลาไม่มีความเกี่ยวข้องกับมิติของอวกาศทั้งสาม ผลที่สำคัญคือ ถ้ามีผู้สังเกต A และ B กำลังวัดเวลาและระยะโดยใช้วิธีการและกรอบอ้างอิงของแต่ละคน สุดท้ายจะสรุปได้ว่าผู้สังเกตทั้งสองคนจะวัดช่วงเวลาและระยะที่เท่ากันเสมอ ฟิสิกส์ที่ใช้การตีความแบบนี้ได้แก่ กลศาสตร์แบบฉบับ กลศาสตร์ควอนตัม
การใช้มิติเวลา แบบสัมพันธภาพ คือ มิติของเวลามีความเกี่ยวข้องกับมิติของอวกาศ ผลที่สำคัญคือ ผู้สังเกต A จะวัดช่วงเวลาและระยะได้แตกต่างจากผู้สังเกต B นอกจากนี้ ความแตกต่างของการวัดเกิดจากผู้สังเกตทั้งสองมีความเร็วหรือความเร่ง สัมพัทธ์ซึ่งกันและกัน นอกจากนี้ถ้าผู้สังเกตแต่ละคนอยู่ในสภาพที่มีความโน้มถ่วงต่างกัน ก็จะผลให้ผู้สังเกตทั้งสองวัดช่วงเวลาและระยะได้ต่างกันอีกด้วย ฟิสิกส์ที่ ใช้การตีความแบบนี้ได้แก่ แน่นอนเลยคือทฤษฎีสัมพัทธ์ภาพของไอน์สไตน์ นอกจากนี้ยังมี จักรวาลวิทยา ทฤษฎีอนุภาคในปัจจุบัน และอื่นๆ
ในหน้านี้ได้พูดถึงเกี่ยวกับมิติเวลาว่ามันคืออะไร อีกทั้ง มีการตีความอย่างไร อย่างไรก็ตาม มิติเวลามีรายละเอียดอีกมาก ผู้อ่านสามารถหาอ่านเรื่องของมิติเวลาได้จากหนังสือเรียนทฤษฎีสัมพัทธ์ภาพ พิเศษของไอน์สไตน์
ก่อนอื่นขออธิบายเรื่อง 5 มิติ สักเล็กน้อย ในทางทฤษฎี 5 มิติ หมายถึงการจะระบุสิ่งที่กำลังเคลื่อนไหวจะต้องใช้การวัดอย่างน้อย 5 ครั้ง คือ เวลา 1 ครั้ง ความกว้าง ความยาว ความสูง อีกอย่างละครั้ง ในตอนนี้การจะเรียกว่า กว้าง ยาว สูง คงจะไม่สะดวกนัก เราจะเรียกใหม่ว่า อวกาศลำดับที่ 1 คือ กว้าง ถัดไป อวกาศลำดับที่ 2 คือ ยาว และ อวกาศลำดับที่ 3 คือ สูง การวัดครั้งที่ 5 คือการวัดระยะตามแนว อวกาศลำดับที่ 4 นั้นเอง อาจพูดได้ว่า 5 มิติประกอบด้วย เวลา อวกาศลำดับที่ 1 2 3 และ 4 นั้นเอง
คนซ้ายสุดคือ Gunnnar Nordstrom คนกลางคือ Theodor Kaluza คนขวาสุดคือ Oskar Klein
แผ่นที่ถูกตีตารางแทนมิติอวกาศทั้ง 3 มิติ วงกลมสีส้ม แสดงมิติอวกาศลำดับที่ 4 ที่ขดเป็นวงกลม
มีแนวคิดว่า แรงสองประเภทนี้แปรผกผันกับระยะกำลังสองเหมือนกัน ขนาดของแรงก็ควรจะไม่ต่างกันมาก แต่ผลคำนวณจากระบบตัวอย่างกลับพบว่า แรงไฟฟ้ามีค่ามากกว่าแรงดึงดูดมากๆๆๆๆๆๆๆ
แบบจำลองเบรนจริงๆ แล้ว ไม่จำเป็นต้องม้วนอวกาศลำดับที่ 4 ก็สามารถอธิบายเรื่องที่คนเราไม่สามารถรับรู้มิติที่ 5 เหตุผลเพราะอนุภาคต่างถูกขังอยู่ในเบรนที่ เราจึงไม่สามารถยื่นมือหรือก้าวเดินไปในทิศทางอวกาศลำดับที่ 4 ได้ นอกจากนี้ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าก็ยังไม่สามารถแผ่ออกจากเบรนจึงทำให้เรามองไม่เห็นมิติ ที่ 5 อย่างไรก็ตาม มิติทิที่ 5 สำหรับแบบจำลองเบรนก็ยังจำเป็นต้องม้วนเพือแก้ปัญหาเรื่องแรงดึงดูดระหว่าง มวลแปรผกผันกับระยะกำลังสาม
แบบจำลองเบรน โดยที่มิติที่ 5 ถูกม้วนเป็นวงกลม ความเป็นคาบในแนวอวกาศลำดับที่ 4 สามารถทำให้ แรงระหว่างมวลจากเดิมที่แปรผกผันกับระยะกำลังสาม สามารถแปลงรูป และให้ผลที่สอดคล้อง แรงที่แปรผกผันกับระยะกำลังสองได้ สรุปคือ แบบจำลองนี้นอกจากจะอธิบายเรื่องความอ่อนของอำนาจความโน้มถ่วงได้แล้วยังไม่ ขัดกับกฏของนิวตันอีกด้วย
ที่กล่าวไปนั้นคือตัวอย่างของทฤษฎีที่มี 5 มิติ ตรงนี้หลายคนอาจจะสงสัยว่าเมื่อมีมิติที่ 5 แล้ว จะมีมิติพิเศษถัดๆไปหรือไม่ ในจริงๆ ถ้าหากนักฟิสิกส์ต้องการ เขาสามารถเขียนทฤษฎีที่มีจำนวนมิติเท่าใดก็ได้ ประเด็นอยู่ที่ว่าการเพิ่มมิติไปมากๆ นั้นจะสมเหตุสมผลหรือไม่ และจะเป็นทฤษฎีที่ดีหรือไม่
ในบทความนี้ได้นำเสนอเรื่องเรื่องราวของมิติที่ 4 (เวลา) และมิติพิเศษ ซึ่งมีเป้าหมายอยากจะให้ผู้อ่านได้รับรู้ว่า ในวงการวิทยาศาสตร์ มิติที่ 4 ที่ 5 เป็นวิธีหนึ่งที่ใช้แก้ปัญหาทางทฤษฎีเท่านั้น ไม่ใช่เรื่องลี้ลับ ไม่ใช่เรื่องของสิ่งเหนือธรรมชาติแต่อย่างใด ในทางทฤษฎีแล้ว จำนวนมิติสามารถมีได้มากมาย ขึ้นอยู่กับบริบทของทฤษฎี
สงวนสิทธิ์ภายใต้สัญญา อนุญาต ครีเอทีฟคอมมอนส์ แสดงที่มา-ไม่ใช้เพื่อการค้า-ไม่ดัดแปลง 3.0 ประเทศไทย. ท่านสามารถนำเนื้อหาในส่วนบทความไปใช้ แสดง เผยแพร่ โดยต้องอ้างอิงที่มา ห้ามใช้เพื่อการค้าและห้ามดัดแปลง |
ความคิดเห็น