ควานหาคลื่นโน้มถ่วง

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (General Theory of Relatively) ของ Einstein เปนทฤษฎีที่ประเสริฐที่สุด ทฤษฎีหนึ่งของฟสิกส เพราะทฤษฎีนี้ไดรับการตรวจสอบในหลายแงหลายมุมและไดใหผลการทํ านายตรงผล การทดลองทุกครั้งไปตลอดระยะเวลา 81 ปที่ผานมา แตมีปรากฏการณหนึ่งเดียวเทานั้นที่ทฤษฎีนี้ได พยากรณวามีในธรรมชาติ และยังไมมีมนุษยใดในโลกไดพบหรือไดเห็นเลย ปรากฏการณที่วานี้คือ คลื่นโนม ถวง (gravitational wave) ซึ่ง Einstein ไดคํานวณพบวาจะเกิดขึ้นทุกครั้งที่วัตถุถูกแรงกระทํา เชน ถาเอาเรือ ดํานํ้าปรมาณูที่หนักประมาณ 10,000 ตันมาหมุนรอบจุดศูนยกลางมวลของมันใหเร็วจนกระทั่งเรือเกือบจะหัก กลาง Einstein ทํานายวาเรือลํานี้จะแผคลื่นโนมถวงที่มีกําลัง 10 (-24) วัตต (=0.000,000,000,000,000,000,000,001 วัตต) หากคุณผูอานไมมี idea เลยวากําลังที่ผมพูดถึงนี้กระจี๊ดแค ไหน ผมก็ขอเรียนใหทราบวา มดที่ไตกําแพงธรรมดาจะใชกําลัง 10 (-7) วัตต และนั่นก็หมายความวาพลังงาน ของคลื่นโนมถวงที่ถูกสรางออกมาจากเรือดํ านํ้ าปรมาณูที่กํ าลังหมุนติ้วอยูนั้นมีคานอยกวาพลังงานที่มดใชใน การไตกําแพงแสนลานลานเทา และนี่ก็คือเหตุผลวาเหตุใดนักฟสิกสจึงยังไมประสบความสํ าเร็จในการเห็น หรือรับคลื่นโนมถวงที่มีคานอยนิดเชนนี้เลย

ถึงกระนั้นนักฟสิกสทุกคนก็รู และเชื่อมั่นวาคลื่นโนมถวงมีจริง เราคงรูกันแลววาเวลาเราเรงประจุไฟฟา ประจุจะเปลงคลื่นแมเหล็กไฟฟา (แสง) ออกมา ฉันใดฉันนั้น Einstien ไดพบวาเวลาเรงสสารใดๆ สสารนั้นก็ จะเปลงคลื่นโนมถวงเชนกัน โดยปริมาณของคลื่นจะมากหรือนอยเพียงใดขึ้นกับความเรงและมวลของสสาร นั้นๆ หากความเรง และมวลนอย คลื่นโนมถวงที่จะแผกระจายออกมาก็จะมีไมมาก แตถาสสารมีความเรง และมวลมากคลื่นโนมถวงที่จะเกิดขึ้นก็จะมีคามากดวย ดังนั้นในกรณีการวิ่ง 100 เมตรของ Carl Lewis ดวย มวลที่นอยและความเรงที่นอยเชนนี้ เราไมคาดหวังวาจะมีวันเห็นคลื่นโนมถวงแผกระจายจากตัว Lewis แตใน กรณีของหลุมดํา (black hole) ที่มีมวลเปนรอยลานเทาของดวงอาทิตย สองหลุมพุงเขาชนกัน คลื่นโนมถวงที่ เกิดขึ้นในกรณีนี้จะมีมากถึงระดับที่นักฟสิกสตรวจรับได เพราะเวลาคลื่นโนมถวงเดินทางผานอวกาศดวย ความเร็วแสงมากระทบวัตถุบนโลก วัตถุจะเปนหลักฐานพิสูจนใหเรารูวาไดมีคลื่นโนมถวงมากระทบวัตถุนั้นแลว

ในป พ.ศ. 2517 J. Taylor และ R. Hulse สองนักฟสิกส แหงมหาวิทยาลัย Princeton ในสหรัฐอเมริกา ไดศึกษาดาวสองดวงที่มีชื่อรหัสวา PSR 1913 + 16 ดาวทั้งสองดวงนั้นโคจรรอบกันและกันเปนวงกลม โดย ดาวดวงหนึ่งเปนดวง pulsar (pulsar เปนดาวประเภทหนึ่งที่มีความหนาแนนสูง และหมุนรอบตัวเองเร็วมาก แมมันจะมีขนาดเล็กมาก คือ มีเสนผาศูนยกลางยาวเพียง 2-3 กิโลเมตร แตมันมีมวลมากเทาดวงอาทิตย เอกลักษณที่สําคัญของ pulsar คือมันสามารถแผคลื่นแมเหล็กไฟฟาได ดังนั้นเวลามันหมุน ลํ าคลื่นแมเหล็ก ไฟฟา (แสง) จะถูกกวาดออกไปในอวกาศคลายจากประภาคารใหเรือเดินทะเลเห็น ถึงแมคลื่นแมเหล็กไฟฟา หรือ แสงที่ pulsar สงออกมานี้จะสมํ่าเสมอก็ตาม แตเวลาที่ Hulse และ Taylor สังเกตดูแสงนี้เขาไดเห็นจังหวะคลื่นที่ไม สมํ่ าเสมอเลย ทั้งนี้เพราะดาว pulsar มิไดอยูนิ่งแตเคลื่อนที่รอบ ดาวอีกดวงหนึ่ง Hulse และ Taylor ไดอาศัยความแปรปรวนที่ สังเกตไดนี้คํานวณรัศมีวงโคจรของดาวทั้งสอง และเวลาที่ดาว ใชในการโคจรไปครบหนึ่งรอบไดอยางระเอียดยิบ โดยเขาไดพบวาในชวงป พ.ศ. 2517-2536 นั้นเวลาในการ โคจรครบหนึ่งรอบของดาวทั้งสองไดลดลงเทากับ 0.000,075 วินาที/ป นักฟสิกสทั้งสองยังพบอีกวาดาวทั้งสอง นี้จะโคจรเขาใกลกันตลอดเวลาโดยมีวงโคจรเล็กลงๆ และจะชนกันในอีก 300 ลานป และเมื่อชนกันนั้นแสงที่ แผออกมาจะสวางเทากับกาแล็กซี่หนึ่งแสนกาแล็กซี่ทีเดียว แตเนื่องจาก PSR 1913+16 อยูไกลจากโลกเรา มาก แสงสวางที่มาถึงโลกเราจะมีไมมากนัก แตถาเปนกรณีหลุมดํ าชนกัน ฟากลางคืนบนโลกจะสวางไสว เหมือนกลางวันทีเดียว ความสํ าเร็จของการสังเกตเห็นนี้ทําให Hulse และ Taylor ไดรับรางวัลโนเบลสาขา ฟสิกสประจําป 2536 แตสิ่งที่ Hulse และ Taylor เห็นจริงๆ แลวเปนหลักฐานยืนยันวาคลื่นโนมถวงมีจริงโดย ทางออม คือเขาเห็นวิถีการโคจรของ pulsar ที่เปนเกลียวกนหอย แลวอธิบายวาเกิดจากการที่ pulsar เปล่ง คลื่นโนมถวงออกไป Hulse และ Taylor หาไดเห็นคลื่นโนมถวงอยางจะๆ ไม

ถึงแมการทดลองตรวจรับคลื่นโนมถวง จะเปนการทดลองที่ยากปานงมเข็มในมหาสมุทรก็ตาม นัก ฟสิกสก็ยังมุงมั่นที่จะคนหามัน เพราะถาคลื่นชนิดนี้ไดรับการพิสูจนวามีจริงทฤษฎีสัมพัทธภาพที่ ใครทุกคน ศรัทธาก็จะเปนที่ยินยอมนอมรับอยางสุดหัวใจทันที นอกจากนี้การตรวจรับคลื่นไดจะเปดประตูใหนักฟสิกสรู จักธรรมชาติลึกซึ้งและดียิ่งขึ้น เพราะคลื่นโนมถวงที่สงมาจากหลุมดํ า หรือจากดาวนิวตรอนจะมีคุณสมบัติที่ ไมเหมือนกัน

นักฟสิกสจึงไดพยายามสรางเครื่องมือ ที่สามารถตรวจรับคลื่นชนิดนี้มาเปนเวลานานนับได 34 ปแลว แตก็ยังไมประสบความสําเร็จใดๆ เพราะเครื่องมือที่สามารถรับคลื่นไดตองสามารถเห็นการเปลี่ยนแปลงของ สสารไดละเอียดถึง 0.000,000,000,000,000,000,01 % เชน สมมติวามีดาวดวงหนึ่งยุบตัว และดาวดวงนั้น อยูในกาแล็กซี่ทางชางเผือกของเรา คลื่นโนมถวงที่แผออกจากดาวดวงนั้น เมื่อมาถึงโลกจะทํ าใหความสูงของ คนเปลี่ยนไป 0.000,000,000,0001 เมตร เครื่องมือวัดความสูงของคนจะตองอานไดละเอียดถึงเพียงนั้นเราจึง จะสรุปไดวารางกายคนไดรับคลื่นโนมถวงแลว

ในป พ.ศ. 2508 J. Weber แหงมหาวิทยาลัย Maryland ในสหรัฐอเมริกาไดเปนผูบุกเบิกการทดลอง เรื่องนี้ โดยใชแทงอลูมิเนียมทรงกระบอกที่ยาว 2 เมตร และมีเสนผาศูนยกลางยาว 0.5 เมตร เพื่อตรวจรับคลื่น โนมถวงที่มาตกกระทบ หากคลื่นโนมถวงมีความถี่เทาความถี่ของแทงอลูมิเนียม แทงอลูมิเนียมก็จะสั่นไหว มาก หากคลื่นโนมถวงมีความถี่ตางไป แทงอลูมิเนียมก็จะไมสั่นไหวมากเลย ทุกคนจึงแปลกใจวาเหตุใด Weber ไมประสบความสําเร็จใดๆ

มีวิธีใหมที่นักฟสิกสกําลังนิยมใช ในการตรวจหาคลื่นโนมถวง คือ ใชเลเซอร (laser) โดยวิธีปลอยแสง เลเซอรออกมาใหไปกระทบแผนแกวแยกแสง เมื่อแสงเลเซอรถูกแบงแยกออกเปนสองสวนในแนวตั้งฉากกัน แลว เขาจะใหแสงทั้งสองสวนไปกระทบกระจกสะทอนแสง จากนั้นแสงที่สะทอนกลับจากกระจกจะถูกสงมา รวมกันที่จอ หากระยะทางที่แสงทั้งสองสวนตางกันเทากับครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่นแสงเลเซอรที่ใช เราก็จะ เห็นริ้วมืดริ้วสวางปรากฏบนจอ นักฟสิกสหวังวาเวลา คลื่นโนมถวงจากฟาพุงมากระทบอุปกรณนี้ ซึ่งมีชื่อเรียก วา LIGO ( Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) แขนขางหนึ่งของอุปกรณจะยืดออก เล็กนอยและแขนอีกขางจะหดตัวเล็กนอย ระยะทางที่แตกตางกันนี้จะทํ าใหเห็นการเคลื่อนที่ของริ้วมืดริ้วสวาง บนจอ สหรัฐอเมริกาจะสรางอุปกรณ LIGO ที่เมือง Hanford ในรัฐ Washington และที่เมือง Livingston ใน รัฐ Louisiana โดยมีแขนแตละขางของเครื่องยาว 4 กิโลเมตร อิตาลีกํ าลังสราง LIGO ที่มีแขนยาว 3 กิโลเมตร ที่ Pisa เยอรมันนีกําลังสราง LIGO แขนยาว 600 เมตร ที่Hanover และญี่ปุนก็ กํ าลังสราง LIGO แขนยาว 300 เมตรที่ Tokyo

การแขงขันเห็นคลื่นโนมถวงของ Einstein ไดเริ่มตนแลว และใครก็ตามที่ประสพความสํ าเร็จเปนคน แรกก็จะไดรับรางวัลโนเบลสาขาฟสิกสชัวรๆ ครับ

ที่มา : ดร.สุทัศน์ ยกส้าน
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (สสวท.)