จากผู้เขียน ช่ ว งไม่ กี่ ปี ที่ ผ่ า นมานี้ นั บ ได้ ว่ า เป็ น ยุ ค สมั ย อั น น่ า ตื่ น เต้ น ของ ฟิ สิ ก ส์ พื้ น ฐาน เพราะการตามหาอนุ ภ าคฮิ ก ส์ โ บซอน โดยใช้ Large Hadron Collider ที่ CERN บรรลุ ผ ลเมื่ อ วั น ที่ 4 กรกฎาคม ค.ศ. 2012 และนำ�ไปสูร่ างวัลโนเบลสาขาฟิสกิ ส์ประจำ� ปี ค.ศ. 2013 การค้นพบอนุภาคฮิกส์โบซอนช่วยเพิ่มความมั่นใจ ให้แก่นักฟิสิกส์ว่าพวกเขารู้จักปริมาณพื้นฐาน อันได้แก่ “มวล” (mass) อย่างลึกซึ้ง ราว 3 ปีถัดมา เมื่อวันที่ 14 กันยายน ค.ศ. 2015 ความ พยายามในการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงด้วยเครื่อง LIGO ก็ บรรลุผล และเป็นไปได้อย่างมากว่าจะนำ�ไปสู่รางวัลโนเบลเช่น กัน แต่แท้จริงแล้วความสำ�เร็จครั้งนี้ได้ช่วยเพิ่มความมั่นใจให้ แก่นักฟิสิกส์ว่า พวกเขารู้จักเรื่องพื้นฐานอย่าง “กาล-อวกาศ” (space-time) อย่างลุ่มลึกด้วยเช่นกัน
ค ลื่ น ค ว า ม โ น้ ม ถ่ ว ง
4
หนังสือเล่มเล็กๆ เล่มนี้บันทึกประเด็นสำ�หรับผู้ที่รักฟิสิกส์ ผู้ที่ชื่นชอบวิทยาศาสตร์ หรือแม้แต่บุคคลทั่วไปที่รู้สึกพิศวงไป กับพลังแห่งความรู้และจินตนาการ รวมทั้งทึ่งกับความมุ่งมั่น ของมนุษย์ในการทำ�ความเข้าใจธรรมชาติ ขอขอบคุณ คุณสุวัฒน์ อัศวไชยชาญ บรรณาธิการ สนพ. สารคดี และทีมงานของสารคดีที่ช่ว ยจัดทำ � หนั ง สื อ เล่ ม นี้ แ บบ ด่วนถึงด่วนที่สุด บัญชา ธนบุญสมบัติ buncha2509@gmail.com www.facebook.com/buncha2509 พฤหัสบดี 10 มีนาคม ค.ศ. 2016
5
ด ร . บั ญ ช า ธ น บุ ญ ส ม บั ติ
สารบัญ บทนำ� 1 ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป - จุดกำ�เนิด พัฒนาการ และผลทำ�นาย 2 คลื่นความโน้มถ่วง 3 เทคโนโลยีการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง 4 การรวมกันของหลุมดำ�และเหตุการณ์อื่นๆ ที่ทำ�ให้เกิดคลื่นความโน้มถ่วง 5 ผลกระทบจากการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง สรุป ขุมทรัพย์ทางปัญญา ประวัติผู้เขียน
7 9 27 37 59 69 74 75 78
บทนำ�
“Ladies and gentlemen, we have detected gravitational waves. We did it!” “ท่านสุภาพสตรีและสุภาพบุรุษ เราตรวจจับคลื่น ความโน้มถ่วงได้ เราทำ�สำ�เร็จ !” นีค่ อื คำ�กล่าวของศาสตราจารย์เดวิด ไรต์ซ ี (Prof. David Reitze) ผูอ้ �ำ นวยการห้องปฏิบตั กิ ารไลโก (LIGO Lab Executive Director) ในการแถลงข่าวของ National Science Foundation (NSF) เมื่ อ วั น ที่ 11 กุ ม ภาพั น ธ์ ค.ศ. 2016 เกี่ ย วกั บ การตรวจจั บ คลื่นความโน้มถ่วงได้โดยตรงเป็นครั้งแรกในประวัติศาสตร์ของ มนุษยชาติ คำ�กล่าวนีแ้ ละน้�ำ เสียงอันตืน่ เต้นบ่งบอกถึงความยิง่ ใหญ่ของ การค้นพบครั้งสำ�คัญนี ้
7
ด ร . บั ญ ช า ธ น บุ ญ ส ม บั ติ
คลื่นความโน้มถ่วงคืออะไร สำ�คัญอย่างไร ทำ � ไมจึ ง ตื่ น เต้ น กั น นั ก ? ไม่ ใ ช่ เ พี ย งแค่ นั ก วิ ท ยาศาสตร์ แต่ สำ � นั ก ข่ า วทั่ ว โลกต่ า งพากั น รายงานข่ า วกั น อย่ า งครึ ก โครม อี ก ด้ ว ย ส่ ว นในบ้ า นเรา มหาวิ ท ยาลั ย ชั้ น นำ � อย่ า งน้ อ ยสี่ แ ห่ ง ก็จัดการเสวนาในเวลาใกล้เคียงกัน เหตุที่ต้องตื่นเต้นประการหนึ่งก็เพราะผ่านไปเกือบ 100 ปี พอดีนับจากที่ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ได้เสนอทฤษฎีสัมพัทธภาพ ทั่วไป (general relativity) ในวันที่ 25 พฤศจิกายน ค.ศ. 1915 และต่ อ มาตี พิ ม พ์ บ ทความในเดื อ นมิ ถุ น ายน ค.ศ. 1916 ซึ่ ง ใช้ทฤษฎีนี้ทำ�นายการมีอยู่ของคลื่นความโน้มถ่วง และในที่สุด หลั ง จากพยายามมาหลายสิ บ ปี ก็ ส ามารถตรวจจั บ คลื่ น ความ โน้มถ่วงได้โดยตรงเป็นครัง้ แรกเมือ่ วันที ่ 14 กันยายน ค.ศ. 2015 ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ทำ�นายปรากฏการณ์ หลายอย่าง เช่น การที่เวลาเดินช้าลงในบริเวณที่มีสนามความ โน้มถ่วงสูง การเดินทางของแสงเป็นเส้นโค้งเมือ่ เฉียดใกล้ดาวฤกษ์ การขยายตัวของเอกภพ เลนส์ความโน้มถ่วง หลุมดำ� ฯลฯ ซึ่ง ได้รับการค้นพบว่ามีอยู่จริงมาแล้วทั้งหมด เหลืออยู่เพียงสิ่งเดียว คือ “คลื่นความโน้มถ่วง” ที่ยังไม่เคยตรวจจับโดยตรงได้สักที การค้นพบคลืน่ ความโน้มถ่วงครัง้ นีจ้ งึ เป็นเสมือนตราประทับ สุดท้ายที่รับรองความถูกต้องให้กับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ ไอน์สไตน์ภายใต้บริบทการใช้งานของทฤษฎีนี ้ เรื่องน่าทึ่งและน่าคิดก็คือจินตนาการและความรู้ของคนคน หนึ่งนั้นมีพลังมากเพียงใด เพราะกว่าจะได้รับการพิสูจน์ว่าเป็น จริงก็ตอ้ งใช้เทคโนโลยีซึง่ ก้าวหน้าอย่างทีส่ ดุ ของอีก 100 ปีตอ่ มา !
ค ลื่ น ค ว า ม โ น้ ม ถ่ ว ง
8
1
ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป - จุดกำ�เนิด พัฒนาการ และผลทำ�นาย
1
ก่อนทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปถือกำ�เนิด ไอน์สไตน์ได้ทำ�อะไรมาก่อนแล้วบ้าง ? ตอบ : ไอน์สไตน์เริม่ สร้างชือ่ เสียงในวงการฟิสกิ ส์ในปี ค.ศ. 1905 (ขณะนั้นยังไม่โด่งดังระดับโลก) เพราะได้ตีพิมพ์บทความหลาย ฉบับเสนอคำ�อธิบายและแนวคิดที่ปฏิวัติวงการวิทยาศาสตร์ใน สามเรื่องหลัก ได้แก่
9
ด ร . บั ญ ช า ธ น บุ ญ ส ม บั ติ
1) ข้ อ พิ สู จ น์ ว่ า อะตอมมี อ ยู่ จ ริ ง ผ่ า นบทความเกี่ ย วกั บ การเคลื่อนที่แบบบราวน์ (Brownian motion) 2) แสงทำ�ตัวเป็นอนุภาคได้ ผ่านบทความอธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก (photoelectric effect) 3) ทฤษฎี สั ม พั ท ธภาพพิ เ ศษ (special relativity) ซึ่ ง เปลีย่ นแปลงความเข้าใจเกีย่ วกับเวลา อวกาศ มวล และพลังงาน อย่างถึงรากถึงโคน ปี ค.ศ. 1905 จึงถือกันว่าเป็น “ปีมหัศจรรย์ของไอน์สไตน์ (annus mirabilis - ภาษาละติน แปลว่า miracle year)” เหตุ เพราะเสมียนในสำ�นักงานสิทธิบัตรอายุ 26 ปี ได้ผลิตผลงาน สั่นสะเทือนรากฐานของวงการวิทยาศาสตร์ถึงสามเรื่องในเวลา เพียงแค่ปีเดียว ! แต่กว่าผลงานแห่งชีวติ ทีแ่ ท้จริง นัน่ คือ ทฤษฎีสมั พัทธภาพ ทั่วไปจะถือกำ�เนิดเต็มรูปแบบก็ต้องรออีก 10 ปีต่อมา คือ ค.ศ. 1915
ไอน์สไตน์ (ภาพถ่ายในปี ค.ศ. 1921)
ที่มาของภาพ > https://upload.wikimedia.org/ wikipedia/commons/3/3e/Einstein_1921_by_F_ Schmutzer_-_restoration.jpg
ค ลื่ น ค ว า ม โ น้ ม ถ่ ว ง
10
2
ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเป็นทฤษฎี เกี่ยวกับอะไร ? ตอบ : ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเป็นทฤษฎีเกี่ยวกับความโน้มถ่วง มีความลุ่มลึกและซับซ้อนมากกว่าทฤษฎีความโน้มถ่วงของนิวตัน ทฤษฎีนีช้ ว่ ยให้มนุษย์เข้าใจความลึกลับของธรรมชาติในเรือ่ ง ต่างๆ ทีไ่ ม่เคยมีใครคาดคิดมาก่อน เช่น แสงถูกเบีย่ งโค้งได้เมือ่ เฉียดเข้าใกล้วัตถุมวลมาก นาฬิกาในสนามความโน้มถ่วงที่แรง กว่าจะเดินช้าลง ทั้งยังเปิดแง่มุมพิศวงให้วงการวิทยาศาสตร์ ได้ศึกษามาจนถึงปัจจุบัน ไม่ว่าหลุมดำ� บิ๊กแบง (big bang) พัฒนาการของเอกภพ รวมทั้งคลื่นความโน้มถ่วง ซึ่งเป็นเรื่อง หลักของหนังสือเล่มนี้
แสงถูกเบี่ยงโค้ง เมื่อเข้าใกล้วัตถุมวลมาก เช่น ดวงอาทิตย์
11
ด ร . บั ญ ช า ธ น บุ ญ ส ม บั ติ
3
ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปมีจุดเริ่มต้น อย่างไร ? ตอบ : จุดเริ่มต้นของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเกิดขึ้นในปี ค.ศ. 1907 ขณะนั้นไอน์สไตน์ยังคงทำ�งานที่สำ�นักงานสิทธิบัตร เขา ได้รับเชิญจาก โยฮันเนส ชทาร์ก (Johannes Stark) ให้เขียน บทความเชิงปริทศั น์วา่ ด้วยทฤษฎีสมั พัทธภาพ (พิเศษ) เพือ่ ตีพมิ พ์ ในวารสาร Jahrbuch der Radioaktivit ät und Electronik เนือ่ งจากทฤษฎีสมั พัทธภาพพิเศษเสนอแนวคิดใหม่เกีย่ วกับ อวกาศและเวลา (space and time) ซึ่งเป็นพื้นฐานของฟิสิกส์ ทุ ก ทฤษฎี แปลว่ า ฟิ สิ ก ส์ ทุ ก สาขาจะต้ องสอดคล้ อ งกั บ ทฤษฎี สัมพัทธภาพพิเศษ (ภายใต้เงื่อนไขของทฤษฎีนี้) ไอน์สไตน์พบวิชาอิเล็กโทรไดนามิกส์ (electrodynamics) เข้ากับทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษได้ จึงไม่ต้องปรับเปลี่ยน วิชา กลศาสตร์ ต้ อ งปรั บ แนวคิ ด ใหม่ เ กี่ ย วกั บ มวล โมเมนตั ม และ พลังงาน ส่วนวิชาเทอร์โมไดนามิกส์ (thermodynamics) ไอน์สไตน์ ได้เสนอแนวทางคร่าวๆ ในการปรับปรุง แต่ประเด็นสำ�คัญคือ ทฤษฎีความโน้มถ่วงของนิวตันมีแนวคิด สำ�คัญบางอย่างไม่สอดคล้องกับทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ เช่น แรงโน้มถ่วงแบบนิวตันจะกระทำ�ในลักษณะทันทีทันใด (action at a distance) ในขณะที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษละทิ้งแนวคิด “การเกิดขึ้นพร้อมกันโดยสัมบูรณ์” (absolute simultaneity)
ค ลื่ น ค ว า ม โ น้ ม ถ่ ว ง
12
นั่นหมายความว่า ทฤษฎีความโน้มถ่วงต้องได้รับการปรับปรุง แต่จดุ สำ�คัญหนึง่ คือ ไอน์สไตน์ยงั พบอีกด้วยว่า การปรับปรุง นี้ไม่อาจทำ�ภายใต้กรอบของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษที่มีอยู่ ในบทความเชิงปริทัศน์นี้ ไอน์สไตน์ยังนำ�เสนอ “หลักแห่ง ความสมมูล” (principle of equivalence) ซึ่งพูดแบบคร่าวๆ ได้ว่า ความเร่งกับความโน้มถ่วงให้ผลเทียบเท่ากัน การค้นพบ หลักแห่งความสมมูลนี้เป็นจุดสำ�คัญ เพราะหลักการนี้ชี้นำ�การ พัฒนาทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ต่อมาไอน์สไตน์เรียกความคิด นี้ว่า “ความคิดที่ทำ�ให้มีความสุขที่สุดในชีวิต” (ดูข้อ 4) น่ารูด้ ว้ ยว่า ในบทความเชิงปริทศั น์ทก่ี ล่าวถึงข้างต้น ไอน์สไตน์ ได้ทำ�นายว่า ความโน้มถ่วงทำ�ให้เวลาเดินช้าลงอีกด้วย ซึ่งต่อมา นักฟิสิกส์เรียกว่า gravitational time dilation
กาล-อวกาศ
13
ด ร . บั ญ ช า ธ น บุ ญ ส ม บั ติ
4
“ความคิดที่ทำ�ให้ไอน์สไตน์มีความสุขที่สุด ในชีวิต” คืออะไร ? เกิดขึ้นตอนไหน ? ตอบ : ไอน์สไตน์เล่าถึงชั่วขณะที่เขาค้นพบหลักแห่งความสมมูล ไว้ว่า “ขณะที่ผมกำ�ลังนั่งอยู่บนเก้าอี้ในที่ทำ�งานของสำ�นักงาน จดสิทธิบัตรในกรุงเบิร์น ก็เกิดความคิดแวบขึ้นมาในสมองว่า ถ้าใครกำ�ลังร่วงหล่นลงมาอย่างอิสระ เขาจะไม่รู้สึกถึงน้ำ�หนัก ตัวของเขาเอง” ต่อมาเขาเรียกความคิด ณ ห้วงเวลานั้นว่า “ความคิดที่ ทำ�ให้มีความสุขที่สุดในชีวิต”
ค ลื่ น ค ว า ม โ น้ ม ถ่ ว ง
14
5
ในระยะแรกที่ไอน์สไตน์พัฒนาทฤษฎี สัมพัทธภาพทั่วไป เขาค้นพบอะไรบ้าง ? ตอบ : ช่วงปี ค.ศ. 1908-1910 ไอน์สไตน์ไม่ค่อยได้ทำ�อะไร เพื่ อปรั บปรุงทฤษฎีสัมพัทธภาพมากนักเพราะให้ เวลากั บเรื่ อง ควอนตัมของแสง พอถึงเดือนมิถนุ ายน ค.ศ. 1911 ไอน์สไตน์ตพี มิ พ์บทความ “On the Influence of Gravity on the Propagation of Light” ในวารสาร Annalen der Physik เสนอการทดลองใน ความคิดว่า ผู้สังเกตที่อยู่ในกล่องปิดที่ถูกเร่งอย่างสม่ำ�เสมอจะ รู้สึกเสมือนหนึ่งอยู่ในสนามความโน้มถ่วง
แอร์วิน ฟินไล ฟรอนด์ลิช
ที่มาของภาพ > http://www-groups.dcs. st-and.ac.uk/~history/Biographies/ Freundlich.html
15
ด ร . บั ญ ช า ธ น บุ ญ ส ม บั ติ