×

รู้จักกับคลื่นความโน้มถ่วง และ 3 ผู้ค้นพบที่คว้าโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี 2017

04.10.2017
  • LOADING...

HIGHLIGHTS

7 Mins. Read
  • คณะกรรมการโนเบลสาขาฟิสิกส์ (The Nobel Committee for Physics) ตัดสินใจมอบรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2017 ให้แก่นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกัน 3 ท่าน ได้แก่ ไรเนอร์ ไวส์ (Rainer Weiss) แบร์รี เบริช (Barry Barish) และ คิป เอส. โธรน (Kip S. Thorn) สำหรับความร่วมมือในการสร้างเครื่องตรวจจับ LIGO และการสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วง
  • คลื่นความโน้มถ่วงที่มนุษย์ตรวจจับได้เป็นครั้งแรกในประวัติศาสตร์เมื่อวันที่ 14 กันยายน 2015 นั้น เกิดจากหลุมดำ 2 หลุมที่มีมวล 29 และ 36 เท่าของดวงอาทิตย์ อยู่ห่างจากโลกของเราไป 1.3 พันล้านปีแสง หมายความว่าเหตุการณ์นี้เกิดขึ้นเมื่อ 1.3 พันล้านปีมาแล้ว
  • สัญญาณที่ว่านี้ตรวจจับได้ด้วย LIGO ซึ่งบุกเบิกโดยนักวิทยาศาสตร์รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปีนี้ รวมถึงนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรผู้อยู่เบื้องหลังอีกนับพันคนจาก 20 ประเทศทั่วโลก

คณะกรรมการโนเบลสาขาฟิสิกส์ (The Nobel Committee for Physics) ตัดสินใจมอบรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2017 ให้แก่นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกัน 3 ท่าน ได้แก่ ไรเนอร์ ไวส์ (Rainer Weiss) แบร์รี เบริช (Barry Barish) และ คิป เอส. โธรน (Kip S. Thorn) สำหรับความร่วมมือในการสร้างเครื่องตรวจจับ LIGO และการสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วง ซึ่งยืนยันการค้นพบเป็นครั้งแรกเมื่อวันที่ 14 กันยายน 2015 และเพิ่งตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงได้เป็นครั้งที่ 4 เมื่อกลางเดือนกันยายนที่ผ่านมานี้

     

นับว่าเป็นรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ที่มอบให้กับงานที่ใหม่มากเมื่อเทียบกับมาตรฐานการมอบรางวัลที่ผ่านๆ มา นั่นแปลว่าการตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงเป็นความก้าวหน้าด้านฟิสิกส์ดาราศาสตร์และจักรวาลวิทยาครั้งสำคัญของมนุษยชาติ

 

คลื่นความโน้มถ่วง: หนึ่งในบทพิสูจน์ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์

ย้อนไปเมื่อ 300 ปีที่แล้ว ช่วงปลายคริสต์ศตวรรษที่ 17 ไอแซก นิวตัน ได้เสนอแนวคิดว่า แรงโน้มถ่วงเป็นแรงที่เกิดจากสิ่งของที่มีมวลสองก้อนกระทำต่อกัน แนวคิดพื้นฐานนี้ใช้การได้ดีเสมอมาในการทำนายปรากฏการณ์พื้นฐานต่างๆ ทั้งในและนอกโลก ยกเว้น การโคจรของดาวพุธ แต่ในเวลาต่อมา วิทยาการด้านการสำรวจอวกาศทำให้นักฟิสิกส์พบว่า พฤติกรรมของวัตถุบนฟากฟ้าบางประการไม่เป็นไปตามทฤษฎีของนิวตัน

     

ในปี 1906 อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ อัจฉริยะด้านฟิสิกส์ของโลกได้ตีพิมพ์ผลงานอันว่าด้วยทฤษฎีสัมพัทธภาพ (Theory of Relativity) ซึ่งนำเสนอมุมมองใหม่เกี่ยวกับเอกภพของเราด้วยหลักสัมพัทธภาพพิเศษ (Special Relativity) และสัมพัทธภาพทั่วไป (General Relativity) ที่สามารถกลบจุดอ่อนของทฤษฎีนิวตันได้ในที่สุด

   

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปมองว่า เอกภพของเรามี 4 มิติของกาล-อวกาศ (space-time) ซึ่งหมายถึงมิติ กว้าง x ยาว x สูง (3 มิติ) และมิติของเวลาอีก 1 มิติ วัตถุยิ่งมีมวลมากเท่าไร ก็ยิ่งทำให้กาล-อวกาศโค้งงอได้มากขึ้นเท่านั้น เหมือนกับคนที่มีน้ำหนักมาก พอลงไปนั่งบนเตียง ก็จะทำให้เตียงยุบลงไปมากกว่าคนผอม

     

ช่วงเวลาตั้งแต่ปี 1906-1915 เป็นช่วงเวลาที่ไอน์สไตน์พัฒนาทฤษฎีของตนเองให้สมบูรณ์ยิ่งขึ้นพร้อมเสนอแนวทางการพิสูจน์ทฤษฎีของตนไว้มากมาย และในเวลาต่อมายังมีนักวิทยาศาสตร์อีกมากที่ร่วมกันเสนอแนวทางการทดสอบพร้อมทั้งยังร่วมมือกันสังเกตการณ์และดำเนินการทดลองเพื่อพิสูจน์ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ไม่ว่าจะเป็นเรื่องแสงที่เดินทางผ่านวัตถุที่มีมวลมหาศาลในอวกาศจะเดินทางเป็นเส้นโค้ง หรือเวลาที่เดินช้าลงเนื่องจากความโน้มถ่วง ฯลฯ เรียกได้ว่าเป็นทฤษฎีที่ผ่านการพิสูจน์มาแล้วนักต่อนัก แต่ก็ยังไม่มีการทดสอบไหนพิสูจน์ได้ว่าทฤษฎีนี้ผิด ยกเว้นเพียงแนวคิดเดียวที่ต้องรอให้เทคโนโลยีและวิศวกรรมเจริญก้าวหน้ามาจนถึงปี 2015 นั่นก็คือการพิสูจน์ถึงการมีอยู่จริงของคลื่นความโน้มถ่วง หรือ Gravitational Wave

 

 

เอกภพสั่นไหวด้วยคลื่นความโน้มถ่วง

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปอธิบายว่า เมื่อใดก็ตามที่มวลเคลื่อนที่ด้วยความเร่ง การบิดงอของกาล-อวกาศจะเกิดขึ้นเป็นคลื่นความโน้มถ่วง เหมือนกับเรือคลองแสนแสบที่แล่นไปตามผิวน้ำก็ย่อมเกิดคลื่นน้ำกระจายออกมาโดยรอบ ดังนั้น ถ้าเรามีเครื่องวัดที่ละเอียดมากพอก็จะสามารถวัดการกระเพื่อมของกาล-อวกาศได้

     

แต่การเคลื่อนที่ของวัตถุทั่วไปนั้นก่อให้เกิดคลื่นความโน้มถ่วงที่น้อยมากจนนักดาราศาสตร์ต้องเฝ้ารอปรากฏการณ์ระดับใหญ่มหึมาและรุนแรงอย่างการเคลื่อนเข้าชนกันของหลุมดำ

     

หลุมดำ (Black Hole) คือวัตถุที่มีแรงโน้มถ่วงเข้มข้นมาก ทำให้กาล-อวกาศโค้งงอเสียจนแม้แต่แสงก็ไม่สามารถเดินทางออกมาได้ เปรียบได้กับมดเคราะห์ร้ายที่ตกลงไปในหลุมของแมงช้าง

     

ตลอดช่วงชีวิตของไอน์สไตน์ เขาไม่เคยนึกฝันมาก่อนว่านักวิทยาศาสตร์จะสามารถตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงได้จริง จนกระทั่งในทศวรรษที่ 80 สองนักดาราศาสตร์ชาวอเมริกัน โจเซฟ เทย์เลอร์ (Joseph Taylor) และรัสเซลล์ ฮัลส์ (Russell Hulse) ใช้กล้องโทรทรรศน์วิทยุศึกษาการโคจรรอบกันของพัลซาร์ (Pulsar) 2 ดวง

     

ซึ่งพัลซาร์เป็นดาวนิวตรอนที่มีความหนาแน่นมหาศาล ทั้งคู่พบว่าในขณะที่พัลซาร์กำลังหมุนวนเข้าใกล้กันมากขึ้นเรื่อยๆ มันได้สูญเสียพลังงานไปส่วนหนึ่ง และค่าพลังงานนั้นตรงกับพลังงานของคลื่นความโน้มถ่วงที่คำนวณได้ตามทฤษฎี ผลงานนี้ส่งผลให้โจเซฟและรัสเซลล์ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ไปในปี 1993

     

แต่นั่นเป็นเพียงการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงทางอ้อม ยังไม่ใช่การตรวจจับตัวคลื่นโดยตรง ซึ่งต้องรอการถือกำเนิดขึ้นของเครื่องตรวจจับ LIGO

 

หลุมดำเริงระบำ

คลื่นความโน้มถ่วงที่มนุษย์ตรวจจับได้เป็นครั้งแรกในประวัติศาสตร์เมื่อวันที่ 14 กันยายน 2015 นั้น เกิดขึ้นจากหลุมดำ 2 หลุมที่มีมวล 29 และ 36 เท่าของดวงอาทิตย์ อยู่ห่างจากโลกของเราไป 1.3 พันล้านปีแสง หมายความว่าเหตุการณ์นี้เกิดขึ้นเมื่อ 1.3 พันล้านปีมาแล้ว

     

หลุมดำคู่นี้หมุนวนรอบกันจนเกิดเป็นคลื่นความโน้มถ่วงแผ่ขยายออกไปด้วยความเร็วแสง การหมุนวนนี้กินเวลานับพันล้านปี และเมื่อมันยิ่งเข้าใกล้กันมากขึ้นก็ยิ่งโคจรรอบกันเร็วขึ้น และปลดปล่อยพลังงานออกมาเป็นคลื่นความโน้มถ่วงมากขึ้น ในช่วงสุดท้ายของการเต้นรำคู่กันในอวกาศอันเวิ้งว้าง หลุมดำทั้งสองจะเคลื่อนที่เร็วมากจนกระทั่งขอบของมันมาแตะกันและหลอมรวมเข้าด้วยกันในชั่วเสี้ยววินาที พร้อมกันนั้นมันได้ปลดปล่อยพลังงานออกมาเท่ากับดวงอาทิตย์ 3 ดวงรวมกัน หลุมดำใหม่ที่ถือกำเนิดขึ้นจึงเหลือมวล 62 เท่าของดวงอาทิตย์ และกาล-อวกาศรอบๆ ได้กลับมาเป็นปกติอีกครั้ง

     

คลื่นความโน้มถ่วงอันมหาศาลนี้แผ่ขยายออกไปทุกทิศทุกทาง ดังนั้น ถ้าเราสามารถ ‘ฟัง’ เสียงคลื่นความโน้มถ่วงนี้ได้ เอกภพจะเซ็งแซ่ไปด้วยเสียงที่ไม่ต่างอะไรกับเสียงนกร้องในป่ายามเช้า ความยากในการตรวจจับนี้อยู่ที่การเปลี่ยนแปลงของกาล-อวกาศนั้นมีค่าน้อยมากๆ โดยสัญญาณของคลื่นความโน้มถ่วงเมื่อวันที่ 14 กันยายน 2015 มีขนาดเล็กกว่านิวเคลียสของอะตอมเป็นพันเท่า

     

สัญญาณที่ว่านี้ตรวจจับได้ด้วย LIGO ซึ่งบุกเบิกโดยนักวิทยาศาสตร์รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปีนี้ รวมถึงนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรผู้อยู่เบื้องหลังอีกนับพันคนจาก 20 ประเทศทั่วโลก

 

 

ฝันที่เป็นจริง

กลางทศวรรษที่ 1970 ไรเนอร์ ไวส์ แห่งสถาบัน MIT ได้เริ่มออกแบบเครื่องมือตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงขึ้นมาโดยอาศัยหลักการแทรกสอดของแสงเลเซอร์ อันเป็นต้นแบบของ LIGO หรือ Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory ในเวลาต่อมา

     

ขณะนั้น คิป เอส. โธรน กำลังร่วมมือกับ โรนัลด์ เดรเวอร์​ (Ronald Drever ซึ่งเพิ่งเสียชีวิตไปเมื่อเดือนมีนาคม 2017) สร้างเครื่องต้นแบบขึ้นในสกอตแลนด์

     

เครื่อง LIGO ที่สามสหายร่วมกันคิดขึ้นมีหลักการทำงานโดยแยกแสงเลเซอร์ออกเป็นสองลำวิ่งไปตามท่อยาว 4 กิโลเมตรที่วางตั้งฉากกันทำมุม 90 องศา ปลายสุดของท่อเป็นกระจกที่ใช้สะท้อนเลเซอร์ให้วิ่งกลับมาพบกันอีกครั้ง โดยทั่วไปแสงเลเซอร์จะกลับมาแทรกสอดและหักล้างกันหมด แต่คลื่นความโน้มถ่วงจะไปทำให้ความยาวของท่อทั้งสองเปลี่ยนแปลงไปเล็กน้อยจนเลเซอร์หักล้างกันไม่หมด ซึ่งจะสามารถตรวจจับและนำมาคำนวณหาคลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดขึ้นได้

     

ในสหรัฐอเมริกามี LIGO อยู่สองแห่งไว้สำหรับตรวจทานข้อมูลกันและกัน เครื่องหนึ่งตั้งอยู่ที่เมืองแฮนฟอร์ด รัฐวอชิงตัน ทางตะวันตกเฉียงเหนือของประเทศ ส่วนอีกเครื่องอยู่ห่างออกไปทางใต้ 3,000 กิโลเมตรที่เมืองลิฟวิงสตัน รัฐหลุยเซียนา ทั้งสองเครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงเมื่อวันที่ 14 กันยายน 2015 ได้ห่างกัน 7 มิลลิวินาที และสัญญาณที่ตรวจพบก็เกือบจะคล้ายกัน นั่นแปลว่าสัญญาณที่ได้เป็นคลื่นความโน้มถ่วงจริงๆ

     

แม้หลักการจะดูเหมือนง่าย แต่การก่อสร้างนั้นต้องอาศัยเทคโนโลยีและวิศวกรรมขั้นสูง ไม่ว่าจะเป็นแสงเลเซอร์ที่ให้ความเข้มแสงและความถี่ที่เสถียรที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ กระจกที่แขวนตรงปลายท่อที่ต้องอยู่นิ่งจนกระทั่งแม้ใบไม้ร่วงหล่น เด็กวิ่ง หรือรถบรรทุกวิ่งผ่านก็ไม่อาจทำให้มันขยับได้ แต่กระจกแผ่นเดียวกันนี้ก็ต้องขยับไปตามคลื่นความโน้มถ่วงได้ด้วย เลเซอร์และวัสดุประเภทใหม่จึงต้องถูกคิดค้นขึ้น ท่อสุญญากาศขนาดยักษ์ต้องถูกสร้างขึ้น รวมถึงเทคโนโลยีอื่นๆ อีกมากที่รองรับการทำงานของ LIGO ด้วยเหตุนี้ LIGO จึงต้องใช้เวลาในการก่อสร้างนานถึง 40 ปี

     

ฝันที่ยิ่งใหญ่ย่อมไม่สามารถทำให้เป็นจริงได้ด้วยคนเพียงหยิบมือ การก่อสร้าง LIGO ต้องอาศัยความร่วมไม้ร่วมมือและแหล่งเงินทุนมหาศาล แบร์รี เบริช ได้เข้ามารับหน้าที่เป็นหัวหน้าทีม LIGO และพลิกโฉมทีมวิจัยที่เคยมีกันอยู่ 40 คนกลายเป็นความร่วมมือระดับนานาชาติที่มีผู้ที่เกี่ยวข้องนับพันคน

     

LIGO คือฝันที่เป็นจริงของคนนับพัน ที่ทำให้มนุษย์รู้จักเอกภพมากขึ้น

 

ประตูบานใหม่สู่การศึกษาเอกภพ

เอกภพอันกว้างใหญ่เหนือจินตนาการยังเต็มไปด้วยปริศนาและสิ่งที่เรายังไม่รู้อีกมาก หนึ่งในความไม่รู้นั้นคือคลื่นความโน้มถ่วงที่ปัจจุบันเรารู้จักมันแล้วด้วยเครื่องตรวจจับ LIGO

     

นับแต่วันที่ 14 กันยายน 2015 LIGO ตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงได้อีก 2 ครั้ง และเมื่อวันที่ 14 สิงหาคมที่ผ่านมา LIGO ที่ร่วมมือกับเครื่องตรวจจับ VIRGO ที่ตั้งอยู่ ณ เมืองปิซา ประเทศอิตาลี ก็สามารถตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงได้เป็นครั้งที่ 4 โดยครั้งล่าสุดนี้นักวิทยาศาสตร์ระบุตำแหน่งของหลุมดำได้แม่นยำมากขึ้น ปัจจุบันอินเดียและญี่ปุ่นก็กำลังเร่งก่อสร้างเครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงด้วยเช่นกัน

     

แม้เราจะตรวจวัดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและอนุภาคต่างๆ ได้และพาให้เราไปรู้จักกับรังสีคอสมิกพลังงานสูงไปจนถึงนิวตริโนซึ่งไม่มีมวล แน่นอนว่านั่นทำให้มนุษย์รู้จักเอกภพมากขึ้น แต่ LIGO สามารถตรวจจับการโค้งงอของกาล-อวกาศได้โดยตรง คลื่นความโน้มถ่วงถือเป็นความรู้ชุดใหม่ของโลกที่ไม่เคยมีใครมองเห็นมาก่อน ทั้งยังเป็นบทพิสูจน์สุดท้ายของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปที่ต้องรอเวลาถึง 100 ปี

     

จึงไม่น่าแปลกใจที่แม้จะยังไม่มีการประยุกต์ใช้ความรู้นี้ให้เกิดประโยชน์กับมนุษยชาติโดยตรงในเวลาอันใกล้ แต่ก็เป็นงานที่สมควรได้รับรางวัลโนเบลอันทรงเกียรตินี้อย่างแท้จริง

 

อ้างอิง:

FYI
  • คิป เอส. โธรน นอกจากจะเป็นนักวิทยาศาสตร์รางวัลโนเบลแล้ว ยังเป็นผู้ให้คำปรึกษาด้านความถูกต้องทางวิทยาศาสตร์ให้กับผู้กำกับคริสโตเฟอร์ โนแลน ในภาพยนตร์ Interstellar อีกด้วย
  • LOADING...

READ MORE





Latest Stories

Close Advertising