เช็ก “ทฤษฎีสัมพัทธภาพ” ก้าวแรกเป็นไปตาม “ไอน์สไตน์” ทำนาย

บีบีซีนิวส์/นิวไซแอนทิสต์/เรดออร์บิท/ฟิสิกส์เว็บ – ปฏิบัติการ “นาซา” ส่งยานวัดค่าแรงโน้มพิสูจน์ “ทฤษฎีสัมพัทธภาพ” เผยกาล-อวกาศโค้งงอเนื่องจากมวลเป็นไปตามที่ “ไอน์สไตน์” พยากรณ์ไว้แต่ต้องรอข้อมูลเพื่อการวิเคราะห์ที่ละเอียดปลายปีนี้

หลังจากยานวัดความโน้มถ่วง “โพรบ-บี” (Gravity Probe B) ขององค์การบริหารการบินอวกาศสหรัฐ (นาซา) ขึ้นไปพิสูจน์ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ “อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์” (Albert Einstein) ตั้งแต่กลางปี 2547 ได้ส่งข้อมูลกลับมาให้นักวิทยาศาสตร์ได้พิสูจน์กันแล้ว

ล่าสุด ศ.ฟรานซิส เอเวอริตต์ (Prof. Francis Everitt) นักฟิสิกส์แห่งมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด (Stanford University) สหรัฐอเมริกา และนักวิจัยหลักที่ติดตามการวัดผลของยาน ได้ร่วมประชุมของสมาคมฟิสิกส์อเมริกัน (American Physical Society: APS) แจ็กสันวิลล์ รัฐฟลอริดาเมื่อเร็วๆ นี้ เปิดเผยว่า “ไจโรสโคป” (gyroscope) ทั้ง 4 ตัวบนยานใช้เพื่อวัดผลตามทฤษฎีสัมพัทธภาพ

ทั้งนี้ การเอียงของแกนหมุน “ไจโรสโคป” (gyroscope) ของยานโพรบ-บีนี้สามารถวัดการบิดโค้งของกาล-อวกาศได้แม่นยำกว่าแกนหมุนไจโรสโคปใดๆ นับล้านเท่า

ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพพยากรณ์ไว้ว่ามวลของโลกจะทำให้กาล-อวกาศโค้งงอ ซึ่งเรียกผลดังกล่าวว่า "ผลทางภูมิมาตรศาสตร์" หรือ “จีโอเดติก-เอฟเฟกต์” (geodetic effect) หากเปรียบให้เห็นภาพก็คล้ายกับการวางลูกโบว์ลิ่งลงบนผืนผ้ายางที่ทำให้เกิดรอย “บุ๋ม” บนผ้ายาง และตามทฤษฎีแล้วการหมุนของโลกจะทำให้กาล-อวกาศโดยรอบถูกกวาดไปพร้อมกับการหมุนนั้นเรียกผลดังกล่าวว่า “เฟรม-แดรกกิง” (frame dragging) ซึ่งหากเปรียบเทียบก็คล้ายกับการหมุนลูกโบว์ลิ่งที่ทำให้ผ้ายางถูกกวาดไปพร้อมๆ กับการหมุน

ผลจากทฤษฎีทั้ง 2 ข้างต้นนั้นเป็นกุญแจสำคัญที่วัดว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์นั้นถูกต้องหรือไม่ และเมื่อเวลาผ่านไปนับปีการโค้งงอของกาล-อวกาศรอบโลกส่งผลให้แกนหมุนไจโรสโคปบิดจากระนาบโคจรของยานอวกาศไป 6.606 อาร์ค-วินาที (arc-second)* ขณะที่การบิดของการกาล-อวกาศรอบโลกเนื่องจากการหมุนจะส่งผลให้แกนหมุนของโลกยกตัวขึ้นไปในระนาบของเส้นศูนย์สูตร 0.039 อาร์ค-วินาที ซึ่งคล้ายกับความพยายามมองเส้นผมที่ระยะห่างออกไปเกือบครึ่งกิโลเมตร

ส่วนการทดลองแรกจากยานโพรบ-บีนั้นเอเวอริตต์และทีมวิจัยของเขาได้พบข้อมูลที่ยืนยันความถูกต้องของโอเดติก-เอฟเฟกต์ที่ไอน์สไตน์ทำนาย โดยพวกเขาสามารถมองเห็นความโค้งงอของอวกาศได้แม่นยำมากกว่า 1% ขณะที่การบิดของการกาล-อวกาศเนื่องจากการหมุนเล็กกว่าโอเดติก-เอฟเฟกต์ถึง 170 เท่า แต่นักวิทยาศาสตร์ของสแตนฟอร์ดก็พยายามที่จะแยกสัญญาณของการหมุนออกจากข้อมูลที่ได้รับ

ทั้งนี้โพรบ-บีมีความละเอียดมากพอที่จะวัดผลเฟรม-แดรกกิงได้ แต่ทีมนักวิทยาศาสตร์ก็พบแรงทอร์ก (torque) อ่อนๆ และความคลาดเคลื่อนจากเซนเซอร์ที่จะส่งผลให้ความแม่นยำหลุดไปจากผลทดลอง ส่วนการพิสูจน์ทฤษฎีของไอน์สไตน์ขั้นสุดท้ายจะออกมาในเดือน ธ.ค.ปลายปีนี้ และต้องใช้เวลาอีก 8 เดือนวิเคราะห์ผลโดยละเอียด

“เราคาดว่าจะต้องใช้เวลาอีกประมาณ 8 เดือนสำหรับวิเคราะห์รายละเอียดของข้อมูลเพื่อทำความเข้าใจความแม่นยำทั้งหมดของเครื่องมือและเพื่อลดความคลาดเคลื่อนในการวัดจาก 0.1 อาร์ค-วินาทีต่อปีเป็น 0.05 อาร์ค-วินาทีต่อปี ซึ่งเราตั้งเป้าที่จะลดค่าความคลาดเคลื่อนให้เหลือเพียง 0.0054 อาร์ค-วินาที ซึ่งการทำความเข้าใจในข้อมูลวิทยาศาสตร์เหล่านี้ก็เหมือนกันการขุดวัตถุโบราณของนักโบราณคดีที่เริ่มต้นด้วยพลั่ว เครื่องแซะ และลงท้ายด้วยไม้จิ้มฟันและแปรงสีฟันที่จะปัดฝุ่นออกจากสมบัติล้ำค่านั้น ซึ่งตอนนี้เราก็ผ่านขั้นตอนของการใช้แปรงสีฟันแล้ว” วิลเลียม เบนซ์" (William Bencze) ผู้จัดการโครงการโพรบ-บีกล่าว

ทางด้าน ศ.ทิม ซัมเนอร์ (Prof.Tim Sumner) นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยอิมพีเรียลคอลเลจ (Imperial College) ลอนดอน ประเทศอังกฤษ กล่าวว่าการออกมาประกาศการค้นพบในครั้งนี้เป็นเรื่องที่ชุ่มชื่นใจอย่างมาก และเขาก็รู้สึกยินดีที่ได้เห็นว่าผลการพิสูจน์ออกมาแล้ว ซึ่งการวัดค่าต่างๆ เหล่านี้เป็นชิ้นส่วนที่จะไขปริศนาที่ยิ่งใหญ่ โดยสัมพัทธภาพทั่วไปก็เป็นหนึ่งในสาขาที่กว้างใหญ่ของฟิสิกส์และการวัดได้ยากยิ่งในขณะนี้อันเนื่องจากแรงที่อ่อนมาก

ทิมเนอร์กล่าวว่าเขาอยากเห็นหลักฐานที่จะสนับสนุนทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป แต่นักฟิสิกส์บางคนก็อยากสิ่งที่ต่างออกไปจากคำพยากรณ์ของไอน์สไตน์ในการทดลองนี้ และการทดลองอื่นๆ ก็อาจจะเผยให้เห็นข้อบกพร่องของทฤษฎีนี้ได้

ทั้งนี้นักฟิสิกส์ยังไม่สามารถที่จะรวมแรงโน้มถ่วงเข้ากับทฤษฎีสนามรวม (unified theory) ได้ ซึ่งทฤษฎีดังกล่าวจะอธิบายแรงพื้นฐานทั้งหมดซึ่งกระทำอนุภาคต่างๆ ที่เรารู้จักในธรรมชาติได้ และการแก้ไขทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปก็อาจจะเป็นก้าวสำคัญที่ไปสู่ทฤษฎีสนามรวมได้

สำหรับยานโพรบ-บีนั้นอาศัยอุปกรณ์ที่ตัวนำยิ่งยวดในทางควอนตัมที่เรียกว่า “สควิดส์” (superconducting quantum interference devices: SQUIDs) ซึ่งจะทำให้ตำแหน่งแกนหมุนไจโรสโคปที่ชี้ไปยัง “ดาวนำทาง” เปลี่ยนแปลงน้อยมาก โดยไจโรสโคปนี้ถูกบรรจุอยู่ในห้องสุญญากาศที่รักษาอุณหภูมิไว้ที่ -255 องศาเซลเซียสด้วยฮีเลียมเหลว ซึ่งยานถูกส่งขึ้นไปพิสูจน์ทฤษฎีของไอน์สไตน์ตั้งแต่วันที่ 20 เม.ย.2547

*หมายเหตุ
อาร์ค-วินาที (arc-second)
เป็นหน่วยในการวัดมุมซึ่งเทียบเท่ากับหน่วยย่อยขององศาที่เรียกว่า “ฟิลิปดา” โดย 1 อาร์ค-วินาที มีค่าเท่ากับ 1/3600 องศา