สันนิษฐานอีกข้อของไอน์สไตน์ได้รับการพิสูจน์แล้ว...ด้วยงบ 750 ล้านเหรียญฯ และเวลา 52 ปี

By: terminus
Writer
on Fri, 06/05/2011 - 02:25

Gravity Probe B คือโครงการของ NASA ที่ได้รับการเสนอในปี 1959 และ 1960 George โดยนักฟิสิกส์ George Pugh และ Leonard Schiff เพื่อที่จะทดสอบข้อสันนิษฐานสองข้อที่ได้จากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ วันนี้โครงการ Gravity Probe B ได้ให้คำตอบแล้ว

ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป สนามแรงโน้มถ่วงของวัตถุขนาดใหญ่จะบิดกาล-อวกาศให้โค้งงอบุ๋มลงไปแบบเดียวกับลูกโบว์ลิ่งที่วางบนผ้าปูที่นอนที่ขึงไว้ตึงๆ สิ่งนี้เรียกว่า "Geodetic precession" และถ้าหากวัตถุนั้นหมุนรอบตัวเอง กาล-อวกาศรอบๆ ก็จะถูกลากวนเป็นเกลียวตามไปด้วย (ลองจินตนาการถึงลูกแก้วที่หมุนอยู่บนผิวหน้าของน้ำผึ้งข้นๆ) ปรากฎการณ์นี้คือ "Frame dragging effect"

การทดลองที่นักวิทยาศาสตร์เสนอให้ NASA ทำเพื่อพิสูจน์ปรากฏการณ์ทั้งสองนั้นฟังแล้วง่ายมาก นั่นคือ การเอา gyroscope ไปวางไว้ในที่ที่จะไม่ถูกแรงอื่นๆ จากภายนอกรบกวนเลย ถ้า gyroscope หมุนอยู่อย่างเดิมทั้งปีทั้งชาติ ก็แปลว่าไอน์สไตน์มั่ว แต่ถ้า gyroscope เปลี่ยนแกนหมุนไปตรงกับที่คำนวณจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ก็แปลว่าไอน์ไตน์รอดตัวไป

แต่เทคโนโลยีที่มีอยู่ตอนนั้นไม่เพียงพอที่จะทำให้ความฝันนี้เป็นจริง นับตั้งแต่เริ่มโครงการ นักวิทยาศาสตร์ต้องค่อยๆ พัฒนาเทคโนโลยีขึ้นมาเป็นเวลากว่าครึ่งศตวรรษ ประมาณกันว่ามีเทคโนโลยีใหม่อย่างต่ำ 13 ชิ้นถูกสร้างขึ้นมาเพื่อโครงการ Gravity Probe B โดยเฉพาะ รวมทั้งสิ้นใช้งบประมาณไปมากกว่า 750 ล้านเหรียญฯ

NASA เริ่มให้ทุนโครงการในปี 1963 ต่อมางบหมด นักวิทยาศาสตร์ในโครงการเลยต้องหันไปหาเงินอุดหนุนจากนายทุนรายใหญ่ Richard Fairbank และในที่สุดก็ได้งบก้อนสุดท้ายจาก King Abdulaziz City for Science and Technology ของซาอุดิอาระเบีย

จนกระทั่งในเดือนเมษายนปี 2004 การเตรียมการทุกอย่างจึงสำเร็จ gyroscope ของ Gravity Probe B ได้ส่งขึ้นไปสู่อวกาศ เก็บข้อมูลอยู่นานถึงกว่า 17 เดือน

gyroscope ของ Gravity Probe B ประกอบด้วยลูกแก้วควอร์ตซ์ทรงกลม 4 ลูกขนาดประมาณลูกปิงปองเคลือบด้วยสารตัวนำยิ่งยวด niobium ลอยอยู่ในสุญญากาศที่อุณหภูมิเกือบศูนย์องศาสัมบูรณ์ และรอบๆ ลูกแก้วแต่ละลูกมีกล้องจุลทรรศน์ขนาดจิ๋วคอยวัดอยู่ว่าแกนหมุนเคลื่อนจากจุดอ้างอิงไปเท่าไร จุดอ้างอิงที่ใช้ในการทดลองนี้คือดาว IM Pegasi (HR 8703) ซึ่งอยู่ไกลพอจะใช้เป็นจุดอ้างอิงที่คงที่ได้ นักฟิสิกส์ของ NASA ให้การรับรองว่าลูกแก้วใน gyroscope ของ Gravity Probe B คือ "ทรงกลมที่กลมที่สุดเท่าที่มนุษยชาติเคยสร้าง" ส่วนที่ยื่นเลยออกมาหนาสุดมีความหนาไม่เกิน 40 อะตอม เพราะความคลาดเคลื่อนจากทรงกลมแม้เพียงนิดเดียวก็อาจมีผลต่อการวัดการเคลื่อนที่ของแกนหมุนได้

ถึงจะละเอียดรอบคอบขนาดนั้นแล้วก็ตาม เคราะห์ร้ายก็ไม่สิ้นสุด นักฟิสิกส์พบว่าแกนหมุนของ gyroscope บิดเบี้ยวไปเพราะประจุไฟฟ้าที่สะสมบนผิวลูกแก้ว ทำให้ข้อมูลที่เก็บมาเกือบจะใช้ไม่ได้ไปทั้งหมด

แต่ความพยายามอยู่ที่ไหน ความสำเร็จอยู่ที่นั้น นักฟิสิกส์ผู้ยังไม่ยอมแพ้ ค่อยๆ แกะดูว่าแรงจากประจุไฟฟ้าส่งผลต่อการเคลื่อนที่ของ gyroscope อย่างไร จากนั้นจึงนำไปหักล้างเพื่อสกัดเอาข้อมูลการเปลี่ยนแปลงของแกนหมุนที่เกิดจาก Geodetic precession และ Frame dragging effect เท่านั้น

ผลปรากฏออกมาว่าค่าการเปลี่ยนแปลงแกนหมุนจาก Geodetic precession อยู่ที่ 6.600 +- 0.017 ฟิลิปดา ส่วน frame dragging effect อยู่ที่ 0.039 +- 0.007 ฟิลิปดา ซึ่งตรงกับที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ได้ทำนายไว้ (ก่อนหน้านี้ในปี 2007 นักฟิสิกส์ได้รายงานผลของ Geodetic precession มาแล้ว แต่ความแม่นยำของข้อมูลน้อยกว่าผลในครั้งนี้)

ผลการทดลองนี้จะตีพิมพ์ลงในวารสาร Physical Review Letters ฉบับที่กำลังจะออกเร็วๆ นี้

ความสำเร็จในครั้งนี้ยิ่งใหญ่มากสำหรับวงการฟิสิกส์ Clifford Will แห่ง Washington University กล่าวว่า "สักวันหนึ่งนี่จะต้องปรากฏในตำราเรียนในฐานะของการทดลองฟิสิกส์ชิ้นประวัติศาสตร์"

>One day this will be written up in textbooks as one of the classic experiments in the history of physics.

นอกจากการพิสูจน์ทฤษฎีสัมพัทธภาพแล้ว Gravity Probe B ซึ่งเป็นหนึ่งโครงการที่กินเวลายาวนานที่สุดของ NASA และมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด ยังสร้างคุณประโยชน์แก่วงการวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีมากมาย เทคโนโลยีที่สร้างขึ้นมาเพื่อ Gravity Probe B ถูกนำไปประยุกต์ใช้ในโครงการอื่นและอีกหลายวงการ รวมไปถึงทรัพยากรบุคคลทางวิทยาศาสตร์อีกมากมายที่ได้จากโครงการนี้ ตลอดเวลาห้าสิบกว่าปี Gravity Probe B เป็นที่ทดลองและที่ฝึกงานของนักศึกษาปริญญาเอก 100 คน ปริญญาโท 15 คน ปริญญาตรี 350 กว่าคน และนักเรียนไฮสคูลอีก 55 คน หลายคนในจำนวนนี้มีชื่อเสียงในเวลาต่อมา เช่น Sally Ride นักบินอวกาศหญิงคนแรกในประวัติศาสตร์, Eric Cornell เจ้าของรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 2001 เป็นต้น บางคนก็ทุ่มทั้งชีวิตตั้งแต่หนุ่มยันเกษียณให้กับ Gravity Probe B เช่น ดร. Francis Everitt หัวหน้าทีมนักวิจัย

ที่มา - Popular Science, NASA Science News, PhysOrg, BBC News, Science Daily, New York Times, Science News

8 Comments

panther's picture

ถึงจะอ่านแล้วจะไม่ค่อยเข้าถึงเท่าไร แต่ทึ่ง และนับถือในความพยายามเลยครับ

sunback's picture

>>"มีพลังงานเพียงอย่างเดียวเท่านั้นที่แข็งแกร่งกว่าพลังงานไอน้ำ , แข็งแกร่งกว่าพลังงานไฟฟ้าและปรมาณู พลังงานนั้นก็คือความพยายามของมนุษย์" - โจเซ มูริญโญ

XD

heart's picture

ไอน์สไตน์ หมายถึง กลุ่มพลังงานที่เราเรียกว่าหลุมดำ

หลุมดำเกิดจากการที่ดาวฤษก เช่น พระอาทิตย์ หมดพลังงานในการเผาไหม้

ก็จะยุบตัวลง ยุบลงไปจนเหลือขนาดเท่าหัวเข็มหมุด

แล้วสสาร หายไปไหนหละ พระอาทิตย์ดวงโตซะขนาดนั้น

ก็อยู่ที่สูตรระเบิดนิวเคลียร์ e=mc^2 หมายถึง มวล สามารถเปลี่ยนเป็นพลงงานได้

ดังนั้นลองคิดว่ามวลของพระอาทิตย์ ถ้าถูกเปลี่ยนเป็นพลังงาน พระอาทิตย์มีมวลเท่าไหร่ ก็จะได้พลังงานเป็น มวลกำลังสอง ตามสูตร e=mc^2

แล้วพลังงานที่ว่า อัดกันอยู่เป็นหัวเข็มหมุด ดังนั้นพลังงานจึงมหาศาลมาก
มีอำนาจโน้มถ่วงสิ่งรอบตัว แม้กระทั่งแสงก็ยากจะหลุดรอดอำนาจมันได้ จึงเรียกมันว่าหลุมดำ

ในจักรวาลมีหลุมดำอยู่จำนวนมาก หลุมดำพวกนี้ไอน์ไสตน์ทำนายว่า มันมีอำนาจในการทำให้อวกาศบิดเบี้ยวไป

โดยที่หลุมดำ ก็อาจจะกำลังหมุนรอบตัวเองด้วยเช่นกัน โดยหมุนด้วยทิศทาง และความเร็วเท่ากับ
ตอนที่มันยังเป็นดาวฤษก ก่อนที่จะยุบตัวไปนั่นแหละั

การหมุนที่ว่า ก็ทำให้อวกาศ บิดเบี้ยวไปตามแรงหมุนด้วย

เหมือนกับลูกโบวลิ่ง ที่โยนลงบนผ้าปูที่นอน ลูกโบว์ลิงค์มีน้ำหนักมาก ก็จะทำให้ผ้าปูที่นอน ย้วยลงไป

และถ้าลูกโบว์ลิงค์หมุนด้วย ผ้าปูที่นอนก็จะได้รับแรงทำให้บริเวณรอบๆ หมุนไปด้วย

ก็เหมือน กาล-อวกาศ ที่หมุนไปด้วย
(กาล อวกาศ เป็นหน่วยของ เ้วลาในอวกาศ)
เวลาจะบิดเบี้ยวไป

จริงๆเรื่องนี้อธิบายได้ยาวมากๆ แต่มนุษย์เองยังคิดอยู่ว่า

ถ้าสามารถสร้างพลังงาน (คล้ายหลุมดำ) ที่สามารถบิดอวกาศให้เบี้ยวไป
และถ้าเราเดินทางข้ามอวกาศที่เบี้ยวนั้น แต่เดินทางเป็นเส้นตรง โดยไม่เบี้ยวไปตามอวกาศที่ถูกบิด
เราจะย่นระยะทาง และเวลา ในการเดินทางข้ามไปยังส่วนหนึ่งของจักรวารได้

พูดง่ายๆก็คือสามารถสร้าง time machine ได้ ถ้าใครสามารถเดินทางผ่านการบิดเบี้ยวของอวกาศนั้นได้

พอเค้ากลับมายังโลกอีกครั้ง เค้าอาจจะพบว่ามนุษย์สูญพันธ์ไปหมดแล้ว เพราะการที่เค้าเดินทาง
กระโดดข้ามการบิดเบี้ยวของอวกาศ อาจจะเป็นช่วงเวลาเป็นหลายล้านๆๆๆปี

heart's picture

อ้อ เสริมอีกนิด

หลุมดำที่ว่า เรารู้จักกันเพราะทฤษฐีสัมพัทธภาพของไอน์ไสตน์เท่านั้น
ไม่มีใครเคยเห็น หรือรู้ว่ามันอยู่ไหน
นั่นเพราะว่า แม้แต่แสงก็หลุดรอดมาไม่ได้ ดังนั้นเครื่องมือในปัจจุบัน จึงตรวจหามันไม่พบ

แต่ถ้าไม่มีใครที่สามารถแย่งทฤษฐีของไอน์สไตน์ได้ และถ้าไอน์สไตน์พูดถูกทุกอย่าง
หลุมดำก็ควรจะมีอยู่จริง

tonkung's picture

ผมเคยได้ยินมาว่ามีวิธีการตรวจจับหลุดดำด้วยนิครับ โดยการดูบริเวณอวกาศนั้นว่ามันบิทเบียวหรือเปล่า อะไรนี้ล่ะ

heart's picture

การตรวจหลุมดำนั้นทำได้โดยการอาศัยการคาดคะเน จากสิ่งที่ควรจะเกิดขึ้นครับ

หลุมดำมีแรงเหนี่ยวนำสูงมาก
จึงดูดทุกสิ่ง แม้กระทั่งแสง ทำให้กล้องใดๆจับภาพไม่ได้

แต่การที่มันโน้มถ่วงนั้นทำให้สิ่งที่มันโน้มถ่วงเดินทางเข้าสู่จุดศูนย์กลางด้วยความเร็วมาก
เมื่อเร็วมาก ก็จะทำให้เกิดรังสีบางอย่าง (คล้ายๆการเกิดรังสี x นั่นแหละครับ)

จึงใช้วิธีการตรวจจับรังสีแทน ว่าบริเวณไหน มีการกำเนิดของรังสีัประเภทใดบ้าง

และรังสีเหล่านั้น เป็นไปตามทฤษฐีหรือไม่

ซึ่งก็ไม่แน่ว่า บริเวณที่มีรังสี ที่เหมาะสมตามทฤษฐี จะเป็นหลุมดำ 100% ครับ

แต่หากว่า รังสีต่างๆที่เกิดขึ้น ใกล้เคียงทฤษฐีมากๆ ก็อาจจะพูดได้ว่าบริเวณนั้น คือหลุมดำ