คลื่นความโน้มถ่วง คืออะไร มาดูคำอธิบายในฉบับเข้าใจง่าย จาก ดร.เจษฎา เด่นดวงบริพันธ์ พร้อมตอบคำถาม 3 ข้อ ที่คนสงสัยเกี่ยวกับ คลื่นความโน้มถ่วง ในขณะนี้
เป็นข่าวการค้นพบครั้งสำคัญทางวิทยาศาสตร์ที่สร้างความฮือฮาไปทั่วโลก เมื่อล่าสุด (11 กุมภาพันธ์ 2559) นักวิทยาศาสตร์จากหอสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วงด้วยเลเซอร์อินเตอร์เฟอรอมีเตอร์ หรือ LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) เพิ่งจะแถลงการค้นพบ "คลื่นความโน้มถ่วง" (Gravitatoinal waves) ว่ามีอยู่จริง ตามที่นักฟิสิกส์ผู้ยิ่งใหญ่ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ เคยทำนายไว้เมื่อกว่า 100 ปีที่แล้ว พร้อมอธิบายว่า คลื่นความโน้มถ่วงที่ว่า เกิดจากการเคลื่อนที่เข้าชนกันของหลุมดำ 2 หลุม ที่มีขนาดใหญ่ราว 30 เท่าของดวงอาทิตย์ ที่เกิดขึ้นตั้งแต่ 1,300 ล้านปีก่อน [อ่านข่าว นักวิทย์แถลงการค้นพบ คลื่นความโน้มถ่วง มีจริงดังไอน์สไตน์เคยทำนายเมื่อ 100 ปีที่แล้ว]
อย่างไรก็ตาม แม้จะมีการอธิบายรายละเอียดที่มาที่ไปของการเกิด และการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วง แต่ก็เชื่อว่ายังมีคนอีกไม่ใช่น้อยที่ยังมีคำถามติดอยู่ในใจ อาทิ คลื่นความโน้มถ่วงคืออะไร เหตุใดเพิ่งมาค้นพบตอนนี้ และการศึกษาเกี่ยวกับคลื่นความโน้มถ่วง จะนำประโยชน์อะไรมาให้มนุษยชาติบ้าง ด้วยเหตุนี้ รศ. ดร.เจษฎา เด่นดวงบริพันธ์ อาจารย์ประจำภาควิชาชีววิทยา คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย จึงได้ขออาสา มาตอบคำถามดังกล่าว โดยใช้คำอธิบายในรูปแบบง่าย ๆ เพื่อให้เราได้เข้าใจกัน
โดย เฟซบุ๊ก Jessada Denduangboripant ของ รศ. ดร.เจษฎา เด่นดวงบริพันธ์ ได้อธิบายรายละเอียดเกี่ยวกับการค้นพบ "คลื่นความโน้มถ่วง" (12 กุมภาพันธ์ 2559) โดยระบุว่า ทีม LIGO ได้ยืนยันการตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วง จากการชนกันของหลุมดำเล็ก 2 หลุม ที่อยู่ห่างจากโลกเราไปเป็น 1.3 พันล้านปีแสง (แปลว่า มันเป็นเหตุการณ์ในอดีตยาวนานมาก) เจ้าหลุมดำเล็กทั้ง 2 ได้หมุนตัวเข้าหากัน ใกล้เข้าไปเรื่อย ๆ แล้วรวมตัวเข้าเป็นหลุมดำใหญ่หลุมใหม่ ซึ่งการหมุนตัวนี้ทำให้เริ่มมีคลื่นความโน้มถ่วงเกิดขึ้นเป็นระยะ ๆ จนถึงจังหวะที่หลุมดำปะทะกัน รวมเข้าเป็นอันเดียวกันนั้น คลื่นความโน้มถ่วงก็รวมเข้าด้วยกันแล้วก็กระจายตัวออกอย่างรุนแรง คล้าย ๆ เวลาที่หินตกลงไปในน้ำแล้วเราเห็นเป็นริ้ว ๆ วง ๆ ออกมารอบจุดนั้น
คลื่นความโน้มถ่วงที่ส่งออกมาจากการรวมตัวอย่างรุนแรงของหลุมดำนี้ ได้เดินทางไปทั่วจักรวาล และเมื่อผ่านสิ่งใด (เช่น โลกของเรา) ก็จะทำให้อวกาศ (และเวลา) บริเวณนั้นมีการยืดและหดตัวตามแรงโน้มถ่วงที่เกิดขึ้น ตรงนี้เองที่ใช้ LIGO ตรวจจับการยืดและหดตัวของโลกเราได้
โดย LIGO มีลักษณะเป็นท่อยาวกว่า 4 กิโลเมตร 2 ท่อตั้งฉากกัน มีแสงเลเซอร์ยิงจากตรงกลางไปสะท้อนที่ปลายท่อกลับมา ซึ่งตามปกติแล้วแสง 2 ลำที่กลับมานี้จะซ้อนตัดกันเองหายไปโดยสมบูรณ์ แต่ถ้ามีคลื่นความโน้มถ่วงเข้ามาสู่โลก ก็จะทำให้โลกบิดเบี้ยวไปเล็กน้อย จนท่อทั้ง 2 มีความยาวต่างกันเล็กน้อย ในระดับเฟมโตเมตร 1x10-15 เมตร หรือเล็กกว่าขนาดของโปรตอน ส่งผลให้แสงสะท้อนกลับทั้ง 2 ลำเริ่มไม่พอดีกัน เราจึงวัดค่าสัญญาณความต่างนี้ได้ ซึ่งที่ผ่านมาหลายสิบปี ยังไม่เคยมีเครื่องมือวัดแบบอินเตอร์เฟอรอมีเตอร์ (Interferometer) ที่ประเทศไหนทำได้สำเร็จเลย
แต่แล้วเครื่อง LIGO นี้กลับไวพอจะจับความแตกต่างได้ แถมยังสามารถวัดคลื่นความโน้มถ่วงออกมาเป็น "เสียง" ได้ด้วย จากการเปลี่ยนสัญญาณคลื่นกลายเป็นความถี่เสียง จนกลายมาเป็นหลักฐานชิ้นสำคัญที่บอกว่าหลุมดำนั้นมีอยู่จริง ไม่ใช่แค่เป็นไปตามทฤษฎี
สำหรับคำถามยอดฮิตจากการค้นพบครั้งนี้ มี 3 ข้อด้วยกัน
1. คลื่นความโน้มถ่วงคืออะไร ทำไมถึงสำคัญต่อวงการวิทยาศาสตร์
ไอน์สไตน์ ซึ่งโด่งดังจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (general theory of relativity) ได้เสนอไว้ตั้งแต่ปี 2458 เกี่ยวกับคลื่นความโน้มถ่วง ว่าตามสมการคำนวณแล้ว เมื่อวัตถุขนาดใหญ่ยักษ์ในอวกาศมาปะทะกัน เช่น ดาวนิวตรอนคู่หนึ่ง หรือหลุมดำคู่หนึ่ง (อย่างเช่นที่วัดได้คราวนี้) จะต้องเกิดคลื่นความโน้มถ่วงขึ้น แต่ขนาดของคลื่นนั้นจะน้อยมากจนแม้แต่ไอสไตน์เองก็บอกว่า มนุษย์เราไม่น่าจะวัดมันได้ และจนแล้วจนรอด ก็ยังไม่เคยมีนักวิทยาศาสตร์ทีมไหนที่หาหลักฐาน "โดยตรง" ของการมีอยู่ของคลื่นความโน้มถ่วงได้เลย
ถ้าคลื่นความโน้มถ่วงมีจริง จักรวาลของเราจะมีลักษณะเป็นแบบที่ไอสไตน์เสนอไว้ คือ ไม่ใช่เป็นแค่ที่ว่างเปล่าและมีดาวต่าง ๆ ลอยอยู่เหมือนลูกโป่งลอยในอากาศ แต่เป็น "กาลอวกาศ" ที่รวมกันระหว่าง space และ time และเทหวัตถุทั้งหมดในอวกาศนั้น เหมือนลูกบอลที่จมบ้างลอยบ้างอยู่ในน้ำ
ดาวฤกษ์หรือเทหวัตถุที่มีขนาดใหญ่ ก็เหมือนกับกำลังกด จมลงไปบนผิวหน้าน้ำอันนั้น แล้วทำให้วัตถุที่มีขนาดเล็กกว่าเคลื่อนที่ไหลเข้าไปหา และนี่คือหลักสำคัญในการอธิบายถึง "ความโน้มถ่วง" ระหว่างวัตถุในอวกาศ... โจทย์ปัญหาสำคัญที่คนยุคก่อนหน้านั้นหาคำอธิบายไม่ได้ชัดเจน ว่าวัตถุในอวกาศดึงดูดกันและกันได้อย่างไร
ดังนั้น สรุปว่า ถ้ามีหลักฐานว่าคลื่นความโน้มถ่วงมีจริง จักรวาลก็จะเป็นองค์รวมของกาลอวกาศจริง ตามที่ไอสไตน์ว่าไว้
2. หากไอน์สไตน์เสนอว่ามีคลื่นความโน้มถ่วงตั้งแต่เมื่อ 100 ปีก่อน ทำไมถึงเพิ่งมาค้นพบได้ตอนนี้
อย่างที่เกริ่นไปแล้วว่า คลื่นความโน้มถ่วงนี้ แม้ว่าจะเกิดจากการปะทะกันอย่างรุนแรงของเทหวัตถุที่ใหญ่และมีพลังมากอย่างหลุมดำ แต่ขนาดของมันก็เล็กมาก ๆ จนตรวจวัดไม่ได้ (เทียบได้กับการเอาก้อนยางลบที่ปลายแท่งดินสอ ไปวัดการยืดหดของกาแล็กซีทางช้างเผือก) โชคดีว่า LIGO ซึ่งสร้างมาเป็นสิบปีแล้ว เพิ่งจะได้อัพเกรดเครื่องวัดให้ดีขึ้นและตรวจวัดเหตุการณ์หลุมดำคู่นี้ชนกันได้ทันพอดี
3. การศึกษาคลื่นความโน้มถ่วงจะทำให้ได้องค์ความรู้ใหม่ใดได้บ้าง และจะเป็นประโยชน์ต่อมนุษยชาติอย่างไร
องค์ความรู้ด้านอวกาศของมนุษยชาติจะเปลี่ยนไปโดยสิ้นเชิง และจะเปิดหน้าต่างหน้าใหม่สำหรับการศึกษาอวกาศ ไอเดียบรรเจิดและความเจ๋งของ LIGO นี้กลายเป็นแค่จุดเริ่มต้น ที่กำลังนำไปสู่แผนการก่อสร้างสถานีหน้าต่าง (ฝรั่งเรียก window จริง ๆ) ในการตรวจสอบจักรวาลเพิ่มขึ้นอีกหลายแห่ง ที่มีความละเอียดสูงขึ้นไปอีก จากเหตุการณ์ในอดีตกว่าพันล้านปีแสงเช่นนี้ เป็นระดับร้อยล้าน สิบล้าน ฯลฯ หรือแม้แต่ทำเป็นสถานีหน้าต่างขึ้นในอวกาศ ซึ่งจะลดความแปรปรวนของสัญญาณบนพื้นโลกลงไปอีก
นักวิทยาศาสตร์คาดว่าด้วยเทคนิคใหม่นี้ จะทำให้เราเรียนรู้อวกาศในมุมที่ไม่อาจใช้คลื่นแสงหรือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าศึกษาได้ การตรวจวัดคลื่นความโน้มถ่วงแทนคลื่นแสง จะทำให้เราทราบเสียทีว่าหลุมดำก่อตัวขึ้นได้อย่างไร หรือได้ดูลึกเข้าไปในซูเปอร์โนวา หรือสามารถศึกษาคลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดจากดวงดาวซึ่งกำลังจะระเบิดได้ ก่อนที่แสงจากมันจะเคลื่อนมาถึงโลกเสียอีก หรือแม้แต่ดูย้อนไปถึงตอนเกิดบิ๊กแบง (Big Bang) ขึ้นได้ (ถ้าใช้แสง จะดูได้แค่หลังจาก 4 แสนปีหลังเกิดบิ๊กแบง) ซึ่งโดยรวมแล้ว น่าจะทำให้เราเปลี่ยนมุมมองในการศึกษาและทำความเข้าใจจักรวาลนี้ไปอย่างสิ้นเชิง
ภาพจาก sapce.com / NASA, เฟซบุ๊ก Jessada Denduangboripant
