'คลื่นความโน้มถ่วง' ไอน์สไตน์ผิดตรงไหน? | คมชัดลึก

 

 

 

 

                      คำประกาศก้องของ “เดวิด ไรท์เซ” ผอ.โครงการไลโก (LIGO) เมื่อวันที่ 11 กุมภาพันธ์ 2016 สร้างความปลื้มปีติให้นักวิทยาศาสตร์อย่างไม่สามารถบรรยายเป็นคำพูดออกมาได้ หลายคนน้ำตาไหลเพราะไม่คาดฝันมาก่อนว่า ในยุคที่ตัวเองมีชีวิตจะสามารถยืนยันการมีอยู่จริงของคลื่นนี้ได้

 

                      “คลื่นความโน้มถ่วง” (Gravitational wave) คืออะไร ทำไมนักวิทย์ทั่วโลกต้องใฝ่ฝันถึง !

 

                      ก่อนจะเข้าใจคลื่นนี้ ต้องเข้าใจเรื่อง “1-4 มิติ” เปรียบเทียบได้กับภาพที่เรามองเห็นทั่วไปจะเริ่มจาก “1 มิติ” หมายถึง เส้นตรงที่ลากจากจุดหนึ่งไปอีกจุดหนึ่ง ภาพ “2 มิติ” คือภาพที่วาดรูปมีความกว้างและความยาว ส่วน “3 มิติ” หมายถึงภาพหรือกราฟฟิกที่มี ความกว้าง ความยาว และความลึก คนส่วนใหญ่จะเข้าใจเวลาที่เห็นรูปทรงพีระมิดหรือลูกเต๋าที่วาดแล้วมีมิติความลึกออกมา

 

                      และ “4 มิติ” คือ ความกว้าง ความยาว ความสูงและ “เวลา” ทำไมเวลาจึงเป็นอีก 1 มิติ เนื่องจากในโลกมนุษย์ ทุกสิ่งอย่างมี “เวลา” มาเกี่ยวข้องทั้งสิ้น แต่เราไม่รู้ตัวเพราะมองไม่เห็นชัดเจน ยกตัวอย่างง่ายๆ ว่า เมื่อคนเรานั่งเฉยๆ ไม่เคลื่อนไหวหรือทำอะไรทั้งสิ้น 10 ปีเราจะโตขึ้นหรือแก่ลง มีผมหงอกเข้ามาโดยไม่ได้ทำอะไรเลย เพราะ “เวลา” หมุนไปข้างหน้าเรื่อยๆ

 

                      อธิบายเป็นศัพท์วิทยาศาสตร์มักใช้คำว่า “กาลอวกาศ” หรือ สเปซไทม์ (spacetime) ใครที่สนใจคลื่นมหัศจรรย์นี้ ต้องพยายามทำความคุ้นเคยกับคำว่า “สเปซไทม์” กับ “4 มิติ” ซึ่งหมายถึงการเชื่อมโยงระหว่าง “ที่ว่าง” หรือบางคนเรียกว่า “อวกาศ” (space) และ “เวลา” หรือ “กาล” (time) ที่รวมกันเป็นโครงสร้างหนึ่งเดียว “กาลอวกาศ”

 

                      นักวิทยาศาสตร์ไม่รู้จะวาดรูปอธิบายกาลอวกาศ หรือ “สเปซไทม์” ออกมาเป็นอย่างไร จึงสมมุติให้เป็นรูปตารางเหมือนตาข่ายยืดหยุ่นได้ พร้อมบอกว่าที่เรามองเห็นว่าเป็นอากาศว่างเปล่านั้น ที่จริงมีสเปซไทม์อยู่แต่สายตาคนเรามองไม่เห็นเท่านั้นเอง เราถึงแก่ไปเรื่อยๆ ทั้งๆ ที่ไม่มีอะไรมากระทบ

 

 

 

 

                      บางคนเชื่อว่าในโลกมนุษย์ “เวลา” จะหมุนไปข้างหน้าเสมอ ไม่ย้อนกลับ แต่หากเป็นใน “จักรวาล” อาจมีบางแห่งที่ทำให้เวลาสามารถไปข้างหน้าและถอยหลังได้ด้วย และเนื้อของจักรวาลลักษณะพลิ้วเป็นระลอกคลื่่น เปรียบเหมือนตาข่ายสเปซไทม์ห่อหุ้มอยู่ที่หนแห่งนั่นเอง

 

                      “แรงโน้มถ่วง” (Gravity) เกิดขึ้นเมื่อมีมวลหรือน้ำหนักของวัตถุมากระทบแผ่นตาข่ายสเปซไทม์ทำให้เกิด “การบิดโค้งของกาลอวกาศ”

 

                      จินตนาการได้จากรูปโลกที่ตกอยู่ในตาข่าย แล้วมีดวงจันทร์หนุนรอบๆ เพราะเมื่อมีการบิดงอหรือบิดโค้งก็จะเกิดแรงดึงดูดนั่นเอง

 

                      อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ อธิบายเป็นสมการหน้าตายุ่งเหยิง ที่เรียกว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (general theory of relativity) เมื่อปี 1916 จากนั้นมานักดาราศาสตร์วนเวียนอยู่กับคำว่า “ทุกสิ่งทุกอย่างในเอกภพย่อมมีความสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน” และ “เวลาที่อยู่ในวัตถุความเร็วสูง จะสั้นกว่าเวลาที่อยู่ในวัตถุความเร็วต่ำ” เปรียบเหมือนนั่งซ้อนจักรยาน 5 นาที กับอยู่ในรถซูเปอร์คาร์ 5 นาทีจะรู้สึกต่างกันมาก

 

                      ไอน์สไตน์ เชื่อว่า นอกจากสเปซไทม์จะบิดงอแล้วเกิดเป็นแรงโน้มถ่วงแล้ว หากมีวัตถุมีมวลมหาศาลพุ่งชนกัน “สเปซไทม์นอกจากบิดงอแล้วจะทำให้เกิดเป็นระลอกคลื่นออกมาด้วย” ที่เรียกกันว่า “คลื่นความโน้มถ่วง” นั่นเอง

 

                      ตลอด 100 ปีที่ผ่านมา นักวิทย์พยายามพิสูจน์และตรวจจับเจ้าคลื่นตัวนี้ เพื่อพิสูจน์ทฤษฎีของไอน์สไตน์ว่าเป็นจริงหรือไม่ แม้ไอน์สไตน์จะกล่าวเตือนไว้แล้วว่า “คลื่นความโน้มถ่วง” จะวัดได้ก็ต่อเมื่อเกิดปรากฏการณ์วัตถุขนาดยักษ์ในอวกาศ “ปะทะ” กันอย่างรุนแรงเท่านั้น เช่น ดาวนิวตรอน หรือหลุมดำ และเชื่อว่าจะเป็น “คลื่นความโน้มถ่วง” ที่มีขนาดของคลื่นน้อยมากกว่าจะมาถึงโลก ยิ่งไปกว่านั้นคือคำว่า “มนุษย์ไม่น่าจะวัดได้ ?”

 

 

 

 

                      แต่นักวิทยาศาสตร์กว่า 900 คน จาก 17 ประเทศทั่วโลกไม่เชื่อคำเตือนของไอน์สไตน์ พวกเขามีความทะเยอทะยานจะเอาชนะ ด้วยการสร้างเครื่องมือที่ตรวจจับวัดเจ้าคลื่นตัวนี้

 

                      หรือที่เรียกกันว่า “โครงการไลโก” โครงการหอสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วงแทรกสอดแสงเลเซอร์ (LASER Interferometer Gravitational-wave Observatory) ทั่วโลกมี 4 เครื่องด้วยกันที่อิตาลี เยอรมนี แต่ของทั้ง 2 ประเทศยังไม่ทันสมัยมากนัก ส่วนอีก 2 เครื่องตั้งอยู่ในอเมริกา ที่เมืองแฮนฟอร์ด มลรัฐวอชิงตัน และ เมืองลิวิงสตัน รัฐหลุยเซียนา ซึ่งอยู่คนละฟากฝั่งของสหรัฐอเมริกา เครื่องตรวจจับของทั้ง 2 รัฐข้างต้นเรียกว่า อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ (Interferometer) ใช้หลักการแสงเลเซอร์ยิงสะท้อนกับกระจกเพื่อตรวจวัดคลื่นจากนอกโลก ลักษณะเป็นท่อยาวกว่า 4 กิโลเมตร โครงการนี้เริ่มเปิดทำการเมื่อปี 2002 ลงทุนกว่า 2 หมื่นล้านบาท ผ่านไป 10 ปีไม่เคยตรวจพบคลื่นนี้เลย จนกระทั่งเมื่อปี 2015 มีการลงทุน 6,000 ล้านบาทเพื่อปรับปรุงหรืออัพเกรดให้ทันสมัยตามเทคโนโลยีที่เปลี่ยนไป โดยเฉพาะวัสดุที่ตรวจจับให้มีความละเอียดอ่อนมากขึ้น มีการยกตัวอย่างว่า อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ สามารถตรวจจับความสั่นสะเทือนของต้นไม้ที่ล้มห่างจากวอชิงตันไป 1,000 กิโลเมตรได้สบายๆ

 

                      ด้วยความเซ็นซิทิฟจนสามารถจับเสียงและแรงสั่นสะเทือนหรือคลื่นของทุกสิ่งอย่างได้ เครื่องนี้จึงถูกตั้งระบบให้ไม่ต้องสนใจสิ่งใดทั้งสิ้น นอกจากตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงจากนอกโลกเท่านั้น

 

                      แล้วทำไมอเมริกาต้องมี 2 เครื่อง ?

 

                      เพื่อป้องกันความสงสัย และการจะพิสูจน์ว่าเป็นคลื่นความโน้มถ่วงจริงหรือไม่ ต้องให้ทั้ง 2 เครื่องตรวจจับได้พร้อมกัน แล้วเอาข้อมูลมาเปรียบเทียบรายละเอียดต่างๆ หากตรวจได้เพียงเครื่องเดียวก็ไม่สามารถยืนยันได้จริง ตามทฤษฎีแล้วไม่ว่าจะมีกี่เครื่องตั้งอยู่กี่ประเทศทั่วโลกก็ตาม หากเกิดคลื่นความโน้มถ่วง ทุกเครื่องจะมีข้อมูลตรงกันทั้งหมด !

 

                      หลังจากลงทุนไป 6,000 ล้านบาท นับว่าคุ้มค่ามาก เพราะเปิดเครื่องใหม่ทำงานได้ไม่กี่วัน ก็ตรวจจับได้ทันที !

 

 

 

 

                      เวลา 05.51 น. เช้าตรู่ 14 กันยายน 2015 เครื่องอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ 2เครื่องในอเมริกาตรวจจับคลื่นบางอย่างได้ห่างกันในเวลาเสี้ยววินาทีหรือประมาณ “7 มิลลิวินาที” เปรียบเทียบได้กับระยะเวลาที่แมลงวันขยับปีก 1 ครั้ง ใช้เวลา 3 มิลลิวินาที หมายถึงเพียงแมลงวันขยับปีก 2 ครั้งเท่านั้น นับเป็นเวลาที่น้อยกว่ามนุษย์กะพริบตา 1 ครั้งเสียอีก

 

                      เจ้าหน้าที่ประจำเครื่องไลโกของทั่ง 2 รัฐแทบหยุดหายใจ หลังจากยืนยันด้วยแท่งคลื่นในจอคอมพิวเตอร์ว่ามีขนาดและเวลาตรงกันเป๊ะๆๆๆ…

 

                      ผู้อำนวยการไลโกตัดสินใจขอร้องให้ทุกคนเก็บคลื่นที่เจอไว้เป็นความลับสุดยอด จนกว่าจะพิสูจน์จากทีมผู้เชี่ยวชาญทุกคน และจัดตีพิมพ์เป็นผลงานวิชาการเผยแพร่ตามหลักวิชาการ เพื่อป้องกันความผิดพลาดเหมือนหลายโครงการที่ประกาศก่อนจะให้นักวิทยาศาสตร์โดยเฉพาะนักฟิสิกส์จากทั่วโลกมาพิสูจน์ข้อเท็จจริง

 

                      หลังจากผ่านด่านการตรวจพิสูจน์ซ้ำแล้วซ้ำอีกกว่า 5 เดือน ทีมไลโกจึงพร้อมที่จะประกาศสิ่งที่พวกเขาค้นพบให้มวลมนุษยชาติได้รับรู้

 

                      โดยอธิบายว่าไลโกตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วง จากการชนกันหรือหลอมรวมเป็นหนึ่งเดียวของหลุมดำ (black hole) 2 หลุมที่อยู่ห่างจากโลกไปเป็น 1,300 ล้านปีแสง หมายความว่าเจ้า 2 หลุมดำนั้นหลอมรวมกันเมื่อ 1,300 ล้านปีที่แล้ว และคลื่นค่อยส่งมาถึงโลกมนุษย์ เปรียบเทียบง่ายๆ กับดวงอาทิตย์ที่อยู่ห่างจากโลก 8 นาทีแสง หมายความว่า แสงจากดวงอาทิตย์ที่ส่องมาถึงโลกที่เราเห็นนั้น เกิดขึ้นเมื่อ 8 นาทีที่แล้วกว่าเราจะเห็นแสง เพราะต้องใช้เวลาเดินทาง 8 นาที

 

                      สิ่งที่ “ไอน์สไตน์” กล่าวไว้ไม่ผิดเพี้ยน เพราะเจ้าหลุมดำทั้งสองนั้นมีมวลมหาศาล เมื่อหมุนตัวเข้าหากัน ทำให้เกิดแรงปะทะกลายเป็นคลื่นความโน้มถ่วงกระเพื่อมเป็นระลอกๆ

 

                      หลายคนสงสัยว่าเจ้า 2 หลุมดำมีมวลหรือน้ำหนักประมาณเท่าไร ?

 

 

 

 

                      ข้อมูลจากรายงานไลโกระบุว่า หลุมดำ 1 มีมวลเป็น 29 เท่าของดวงอาทิตย์ ส่วนหลุมดำที่ 2 มีมวล 36 เท่าของดวงอาทิตย์

 

                      เปรียบเทียบกับโลกมนุษย์ที่มีมวล “6 ล้านล้านล้านตัน” ดวงอาทิตย์ที่ยิ่งใหญ่ส่องแสงให้พวกเรานั้นมีมวล 3.3 แสนเท่าของโลก ดังนั้นหลุมดำ 2 หลุมที่พุ่งชนกันมีขนาด 29 และ 36 เท่าของดวงอาทิตย์

 

                      ไอน์สไตน์ “คิดถูก” ที่ระบุว่าคลื่นนี้จะเกิดเมื่อ “วัตถุขนาดยักษ์ในอวกาศ “ปะทะ” กันอย่างรุนแรงเท่านั้น” แต่ “คิดผิด” ตรงที่ไม่เชื่อว่ามนุษย์จะสามารถตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงได้ แม้ว่าจะเกิดขึ้นเพียงเบาบางและภายใน 0.2 วินาทีเท่านั้น !

 

                      เสี้ยววินาทีที่ตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงได้ เปรียบเสมือนชัยชนะของมวลมนุษยชาติหลังจากทะเยอทะยานและทุ่มเทที่จะตรวจจับบางสิ่งบางอย่างที่อยู่นอกโลกมานานกว่า 100 ปี

 

                      คำถามต่อไปคือ คลื่นความโน้มถ่วงจะทำประโยชน์อะไรให้มนุษย์ทั่วไป ?

 

                      คำตอบง่ายมาก เพราะ “คลื่นไมโครเวฟ” ค้นพบเมื่อปี 1864 โดยที่นักฟิสิกส์ยุคนั้นยังไม่รู้ว่าจะใช้ประโยชน์อะไร จนกระทั่งผ่านไปเกือบ 100 ปี ในปี 1940 จึงมีนักวิทยาศาสตร์สังเกตว่ามันสามารถทำให้ช็อกโกแลตที่อยู่ในกระเป๋าของเขาละลายได้ ผ่านไป 5 ปี ปี 1945 จึงเริ่มมีการผลิตเตาไมโครเวฟเพื่ออุ่นอาหาร

 

                      ผ่านไปอีก 70 ปี ทุกวันนี้พวกเราใช้คลื่นไมโครเวฟในบ้านทุกเช้าเย็น !

 

 

 

-----------------------