อ.เจษฎา อธิบาย 3 ข้อสงสัย คลื่นแรงโน้มถ่วง แบบชัดๆ ง่ายๆ(มีคลิป)

‘คลิปไฮไลต์การแถลงข่าว "การค้นพบคลื่นความโน้มถ่วง" และ 3 คำถามยอดฮิตกับเรื่องนี้ (ยาวมาก แต่อ่านง่ายนะครับ ผมเขียนเอง)

"Ladies and gentlemen. We have detected gravitation wave. We did it! " เฮๆๆๆ (ปรบมือกันลั่นห้อง และทั่วโลก) สำหรับใครที่ได้ดูการแถลงข่าวสดๆ คงจะตื่นเต้นสุดๆ กับบรรยากาศของการประกาศการค้นพบที่สำคัญที่สุดครั้งหนึ่งในรอบหลายสิบปีนี้ ประมาณว่ามันสำคัญเท่ากับหรืออาจจะมากกว่าตอนที่ค้นพบอนุภาคฮิกส์ด้วยซ้ำ และมีแนวโน้มว่าทีมวิจัยนี้ น่าจะได้รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ด้วย

จากคลิป จะเห็น David Reitze ผู้อำนวยการของ ไลโก้ (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) หอสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วงด้วยเลเซอร์อินเตอร์เฟอรอมีเตอร์) มาบรรยายอธิบายว่า ทีม LIGO ได้ยืนยันการตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วง จากการชนกันของหลุมดำ (black hole) เล็ก 2 หลุมที่อยู่ห่างจากโลกเราไปเป็น 1.3 พันล้านปีแสง (แปลว่า มันเป็นเหตุการณ์ในอดีตยาวนานมาก)

เจ้าหลุมดำเล็กทั้งสองได้หมุนตัวเข้าหากัน ใกล้เข้าไปเรื่อยๆ แล้วรวมตัวเข้าเป็นหลุมดำใหญ่หลุมใหม่ ซึ่งการหมุนตัวนี้ทำให้เริ่มมีคลื่นความโน้มถ่วงเกิดขึ้นเป็นระยะๆ (ดูคลื่นสีเขียวใน animation ในคลิป จะชัดเจนมาก) จังหวะที่หลุมดำมันปะทะกัน รวมเข้าเป็นอันเดียวกันนั้น คลื่นความโน้มถ่วงก็รวมเข้าด้วยกันแล้วก็กระจายตัวออกอย่างรุนแรง คล้ายๆ เวลาที่หินตกลงไปในน้ำแล้วเราเห็นเป็นริ้วๆ วงๆ ออกมารอบจุดนั้น

คลื่นความโน้มถ่วงที่ส่งออกมาจากการรวมตัวอย่างรุนแรงของหลุมดำนี้ ได้เดินทางไปทั่วจักรวาล และเมื่อผ่านสิ่งใด (เช่น โลกของเรา) ก็จะทำให้อวกาศ (และเวลา) บริเวณนั้นมีการยืดและหดตัวตามแรงโน้มถ่วงที่เกิดขึ้น (ดูคลิป "โลกกระเพื่อมตามคลื่นความโน้มถ่วง" ประกอบด้วย ขำดี)

ตรงนี้แหล่ะที่ใช้ LIGO ในการตรวจจับการยืดและหดตัวของโลกเราได้ โดยไลโก้ จะเป็นท่อยาวกว่า 4 กิโลเมตร 2 ท่อตั้งฉากกัน (ดูรูปในคลิป) มีแสงเลเซอร์ยิงจากตรงกลางไปสะท้อนที่ปลายท่อกลับมา ปรกติแล้วแสง 2 ลำที่กลับมานี้จะซ้อนตัดกันเองหายไปโดยสมบูรณ์
แต่ถ้ามีคลื่นความโน้มถ่วงเข้ามาสู่โลก แม้ว่าจะกระเพื่อมแผ่วมากก็ตาม มันจะทำให้โลกบิดเบี้ยวไปเล็กน้อย และท่อทั้งสองจะยาวต่างกันนีดดดดนึง (ระดับเฟมโตเมตร 1x10-15 เมตร หรือเล็กกว่าขนาดของโปรตอนซะอีก) แสงสะท้อนกลับทั้ง 2 ลำจะเริ่มไม่พอดีกัน ทำให้เราอาจจะวัดค่าสัญญาณความต่างนี้ได้ ซึ่งที่ผ่านมาหลายสิบปี ยังไม่เคยมีเครื่องมือวัดแบบ interferometer ที่ประเทศไหนทำได้สำเร็จเลย
ความเจ๋งก็อยู่ตรงที่เจ้า LIGO มันไวมากพอที่จะจับความแตกต่างนี้ได้ โดยสถานีไลโก้ฝาแฝดที่อยู่ใน 2 เมือง (หลุยส์เซียน่า กับ วอชิงตัน) คนละฟากของอเมริกา จะเช็คว่าได้ตรวจเจอสัญญาณตรงกันหรือเปล่า (หรือเป็นแค่เสียงรบกวนจากการจราจรแถวนั้น) ซึ่่งวันนี้ก็คอนเฟิร์มการค้นพบเรียบร้อยแล้ว

แถมทีม LIGO แสดงความเจ๋งของมันออกมา โดยวัดคลื่นความโน้มถ่วงออกมาเป็น "เสียง" ได้ด้วย จากการเปลี่ยนสัญญาณคลื่นกลายเป็นความถี่เสียง หึ่งงง วู๊บบ วู๊บบ (ดูในคลิป) ทำให้ต่อไปนี้ เราสามารถเปลี่ยนแปลงการศึกษาจักรวาลของเรา จากการ "ดู (ภาพแสง)" มาเป็น "ฟัง (เสียงคลื่น)" ของสิ่งใดๆ ในจักรวาลที่เราเคยมองไม่เห็นมาก่อน ตัวอย่างเช่น การตรวจวัดคลื่นความโน้มถ่วงครั้งนี้ กลายเป็นหลักฐานสำคัญที่บอกว่าหลุมดำนั้นมีอยู่จริง ไม่ใช่แค่เป็นไปตามทฤษฎี

ต่อไปเป็นคำถาม-คำตอบยอดฮิตของเรื่องนี้ (ขอตอบแบบง่ายๆ นะ .. ถ้าผิดตรงไหน บอกด้วย)

1_คลื่นความโน้มถ่วงคืออะไร_ทำไมถึงสำคัญต่อวงการวิทยาศาสตร์

ไอสไตน์ ซึ่งโด่งดังจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (general theory of relativity) ได้เสนอไว้ตั้งแต่ปี 1915 เกือบร้อยปีก่อนเกี่ยวกับคลื่นความโน้มถ่วง ว่าตามสมการคำนวณแล้ว เมื่อวัตถุขนาดใหญ่ยักษ์ในอวกาศมาปะทะกัน เช่น ดาวนิวตรอนคู่นึง หรือหลุมดำคู่นึง (อย่างเช่นที่วัดได้คราวนี้) จะต้องเกิดคลื่นความโน้มถ่วงขึ้น แต่ขนาดของคลื่นนั้นจะน้อยมากจนแม้แต่ไอสไตน์เองก็บอกว่า มนุษย์เราไม่น่าจะวัดมันได้ และจนแล้วจนรอด ก็ยังไม่เคยมีนักวิทยาศาสตร์ทีมไหนที่หาหลักฐาน "โดยตรง" ของการมีอยู่ของคลื่นความโน้มถ่วงได้เลย

ถ้าคลื่นความโน้มถ่วงมีจริง จักรวาลของเราจะมีลักษณะเป็นแบบที่ไอสไตน์เสนอไว้ คือ ไม่ใช่เป็นแค่ที่ว่างเปล่าและมีดาวต่างๆ ลอยอยู่เหมือนลูกโป่งลอยในอากาศ แต่เป็น "กาลอวกาศ" ที่รวมกันระหว่าง space และ time และเทหวัตถุทั้งหมดในอวกาศนั้น เหมือนลูกบอลที่จมบ้างลอยบ้างอยู่ในน้ำ

ดาวฤกษ์หรือเทหวัตถุที่มีขนาดใหญ่ ก็เหมือนกับกำลังกด จมลงไปบนผิวหน้าน้ำอันนั้น แล้วทำให้วัตถุที่มีขนาดเล็กกว่า เคลื่อนที่ไหลเข้าไปหา และนี่คือหลักสำคัญในการอธิบายถึง "ความโน้มถ่วง" ระหว่างวัตถุในอวกาศ ... โจทย์ปัญหาสำคัญที่คนยุคก่อนหน้านั้นหาคำอธิบายไม่ได้ชัดเจน ว่าวัตถุในอวกาศดึงดูดกันและกันได้อย่างไร

ดังนั้น สรุปว่า ถ้ามีหลักฐานว่าคลื่นความโน้มถ่วงมีจริง จักรวาลก็จะเป็นองค์รวมของกาลอวกาศจริง ตามที่ไอสไตน์ (และนักฟิสิกส์ต่อๆ มา) ว่าไว้

2_หากไอน์สไตน์เสนอว่ามีคลื่นความโน้มถ่วงตั้งแต่เมื่อ100ปีก่อน_ทำไมถึงเพิ่งมาค้นพบได้ตอนนี้_อะไรคือสิ่งที่ทำให้การค้นพบล่าช้า

อย่างที่เกริ่นไปแล้วว่า คลื่นความโน้มถ่วงนี้ แม้ว่าจะเกิดจากการปะทะกันอย่างรุนแรงของเทหวุัตถุที่ใหญ่และมีพลังมากอย่างหลุมดำ แต่ขนาดของมันก็เล็กมากๆ จนตรวจวัดไม่ได้ (เทียบได้กับการเอาก้อนยางลบที่ปลายแท่งดินสอ ไปวัดการยืดหดของกาแล็กซี่ทางช้างเผือก) ... โชคดีว่า แม้แต่ LIGO นั้น ซึ่งสร้างมาเป็นสิบปีแล้ว ก็พึ่งจะได้อัพเกรดเครื่องวัดให้ดีขึ้นและตรวจวัดเหตุการณ์หลุมดำคู่ชนกันนี้ได้ทันพอดี

3_การศึกษาคลื่นความโน้มถ่วงจะทำให้ได้องค์ความรู้ใหม่ใดได้บ้าง_และจะเป็นประโยชน์ต่อมนุษยชาติอย่างไร

องค์ความรู้ด้านอวกาศของมนุษยชาติจะเปลี่ยนไปโดยสิ้นเชิง และจะเปิดหน้าต่าง (ฝรั่งใช้คำว่า window เลย) หน้าใหม่สำหรับการศึกษาอวกาศ ไอเดียบรรเจิดและความเจ๋งของ LIGO นี้กลายเป็นแค่จุดเริ่มต้น ที่กำลังนำไปสู่แผนการก่อสร้างสถานีหน้าต่าง (ฝรั่งเรียก window จริงๆ) ในการตรวจสอบจักรวาลเพิ่มขึ้นอีกหลายแห่ง ที่มีความละเอียดสูงขึ้นไปอีก จากเหตุการณ์ในอดีตกว่าพันล้านปีแสงเช่นนี้ เป็นระดับร้อยล้าน สิบล้าน ฯลฯ หรือแม้แต่ทำเป็นสถานีหน้าต่างขึ้นในอวกาศ ซึ่งจะลดความแปรปรวนของสัญญาณบนพื้นโลกลงไปอีก

นักวิทยาศาสตร์คาดว่าด้วยเทคนิคใหม่ (ระดับที่ต้องได้รางวัลโนเบิล) นี้ จะทำให้เราเรียนรู้อวกาศในมุมที่ไม่อาจใช้คลื่นแสงหรือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าศึกษาได้ การตรวจวัดคลื่นความโน้มถ่วงแทนคลื่นแสง จะทำให้เราทราบเสียทีว่าหลุมดำก่อตัวขึ้นได้อย่างไร หรือได้ดูลึกเข้าไปในซุปเปอร์โนวา หรือสามารถศึกษาคลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดจากดวงดาวซึ่งกำลังจะระเบิดได้ก่อนที่แสงจากมันจะเคลื่อนมาถึงโลกเสียอีก หรือแม้แต่ดูย้อนไปถึงตอนเกิดบิ๊กแบง (Big Bang) ขึ้นได้ (ถ้าใช้แสง จะดูได้แค่หลังจาก 4 แสนปีหลังเกิดบิ๊กแบง) ซึ่งโดยรวมแล้ว น่าจะทำให้เราเปลี่ยนมุมมองในการศึกษาและทำความเข้าใจจักรวาลนี้ไปอย่างสิ้นเชิงครับ'