การทดลองข้ามทศวรรษยืนยันอีกครั้ง “ไอน์สไตน์” ถูกต้อง

แม้จะผ่านมาเป็น 100 ปีแต่ทฤษฎีของไอน์สไตน์ก็ยังต้องได้รับพิสูจน์กันต่อไป ล่าสุดการทดลองอันยาวนานของนาซาได้ยืนยัน 2 คำทำนายสำคัญตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป และเป็นครั้งแรกที่ยืนยันได้ว่ากาล-อวกาศบิดเบี้ยวไปตามการหมุนของวัตถุ ซึ่งเป็นการย้ำอย่างชัดเจนว่านักฟิสิกส์ชาวยิวผู้นี้ยังคงถูกต้อง

การยืนยันล่าสุดในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (General Relativity หรือ GR) ซึ่งเป็นทฤษฎีของความโน้มถ่วง (Gravity) ของ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) ว่ายังคงถูกต้องนั้น เป็นผลการสังเกตการณ์ของยานอวกาศกราวิตี โพรบ บี (Gravity Probe B) ขององค์การบริหารการบินอวกาศสหรัฐฯ (นาซา) ซึ่งถูกส่งขึ้นไปตั้งแต่ 20 เม.ย.2004 เพื่อสังเกตปรากฏการณ์ตามคำทำนายจากทฤษฎีที่เขาเสนอมาตั้งแต่ปี 1916

ตรวจหาอวกาศโค้งงอและบิดเบี้ยว
ตามคำทำนายของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป กาลเวลา (time) และอวกาศ (space) จะบิดเบี้ยวไป เนื่องจากการมีอยู่ของวัตถุขนาดใหญ่อย่างดาวเคราะห์และดวงดาวต่างๆ และเพื่อพิสูจน์ความถูกต้องของทฤษฎี ยานกราวิตีโพรบบี หรือ จีพี-บี (GP-B) จึงถูกส่งขึ้นไปตรวจวัดปรากฏการณ์ที่เป็นผลจากวัตถุขนาดใหญ่อย่างเช่นโลกได้ 2 ปรากฏการณ์ด้วยกัน

นั่นคือ ปรากฏการณ์จีโอติก (geodetic effect) ที่กาลอวกาศโค้งงออันเนื่องจากการมีอยู่ของวัตถุขนาดใหญ่ และเมื่อโลกหรือวัตถุขนาดใหญ่อื่นๆ หมุนจะทำให้กาลอวกาศบิดเบี้ยวในลักษณะของการ “ลาก” (dragging) กาลอวกาศไป ซึ่งเรียกปรากฏการณ์ดังกล่าวว่า ปรากฏการณ์เฟรมแดรกกิง (frame-dragging effect) หรือปรากฎการณ์การลากกรอบอ้างอิง ซึ่งไม่มีปรากฏการณ์เหล่านี้ในแนวคิดของ เซอร์ไอแซค นิวตัน (Sir Isaac Newton) เพราะอวกาศในแนวคิดของนิวตันนั้นสมบูรณ์และไม่โค้งงอ

“ในเอกภพของไอน์สไตน์ “กาล” (time) และ “อวกาศ” (space) โค้งงอด้วยแรงโน้มถ่วง โลกของเราได้ทำให้อวกาศที่อยู่โดยรอบโค้งงอเล็กน้อยๆ ด้วยแรงโน้มถ่วงของโลกเราเอง ลองจินตนาการว่าโลกแช่อยู่ในน้ำผึ้ง เมื่อโลกหมุน น้ำผึ้งที่อยู่รอบๆ ก็บิดตาม ซึ่งก็เป็นอย่างเดียวกับที่เกิดขึ้นกับกาลและอวกาศ” ศ.ฟรานซิส เอเวอริตต์ (Prof.Francis Everitt) นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยแสตนฟอร์ด (Stanford University) สหรัฐฯ และผู้ตรวจสอบหลักในโครงการยานกราวิตีโพรบบีอธิบาย

ยานกราวิตีโพรบบีถูกส่งขึ้นไปพร้อมกับไจโรสโคป (gyroscope) หรือลูกข่างวัดการหมุนที่มีความแม่นยำมากถึง 4 ตัว ซึ่งไจโรสโคปทั้งหมดจะหมุนโดยมีดาว ไอเอ็ม เปกาซี (IM Pegasi) หรือ เอชอาร์ 8703 (HR 8703) เป็นจุดอ้างอิงของแกนหมุน การเลื่อนของแกนหมุนเพียงเล็กน้อยเป็นสิ่งยืนยันว่าไอน์สไตน์ถูกต้อง แต่หากไอน์สไตน์ผิดไจโรสโคปจะหมุนอย่างมั่นคง

หัวใจการทดลองอยู่ที่ “ไจโรสโคป”
ข้อมูลจากศูนย์การบินอวกาศมาร์แชลล์ (Marshall Space Flight Center) ของนาซาระบุว่า ไจโรสโคปแต่ละตัวประกอบด้วยลูกบอลขนาด 38 มิลลิเมตร ที่ทำจากแร่ควอตซ์เคลือบนิโอเบียม ควอตซ์เป็นธาตุที่มีความเสถียรในหลายช่วงอุณหภูมิ ยืดและหดตัวน้อย ไจโรสโคปทั้งหมดถูกจัดวางเรียงเป็นแถว มี 2 ตัวที่หมุนตามเข็มนาฬิกาและอีก 2 ตัวหมุนทวนเข็มนาฬิกา

เพื่อผลการทดลองที่แม่นยำลูกบอลทรงกลมจะถูกรักษาไว้ที่ความเย็นใกล้ “ศูนย์องศาสัมบูรณ์” (absolute zero) หรือประมาณ -273 องศาเซลเซียส ภายในกระบอกสุญญากาศขนาดใหญ่ที่บรรจุฮีเลียมในสถานะของไหลยิ่งยวด (super-fluid) ซึ่งช่วยปกป้องกันสิ่งรบกวนจากภายนอก ทั้งความดัน ความร้อน สนามแม่เหล็ก แรงโน้มถ่วง และประจุไฟฟ้า

ไจโรสโคปและกล้องโทรทรรศน์ตามดาวถือเป็นหัวใจสำคัญของยานกราวิตีโพรบบี ซึ่งโคจรรอบโลกในแนวขั้วโลกเหนือ-ขั้วโลกใต้อยู่ที่ระดับความสูง 642 กิโลเมตร โดยคาดว่าผลจากปรากฏการณ์เฟรมแดรกกิงจะทำให้แกนหมุนของไจโรสโคปในระนาบการหมุนของโลกเปลี่ยนไปปีละ 0.014 ฟิลิปดา หรือ 0.000011 องศา ซึ่งยังไม่มีเคยมีการวัดปรากฏการณ์นี้ได้มาก่อน

จากการวิเคราะห์ข้อมูลที่เก็บรวบรวมตั้งแต่ 28 ส.ค.2004 ถึง 14 ส.ค.2005 ทีมวิจัยของ ศ.เอเวอร์ริตต์ พบว่าแกนหมุนของไจโรสโคปเลื่อนไปด้วยอัตรา 6,601.818.3 มิลลิฟิลิปดาต่อปี (mas/yr) * จากปรากฏการณ์จิโอเดติก ส่วนการเลื่อนของแกนหมุนจากปรากฏการณ์เฟรมแดรกกิงอยู่ที่ 37.27.2 มิลลิฟิลิปดาต่อปี เปรียบเทียบกับคำทำนายตามทฤษฎีที่ว่าปรากฏการณ์จีโอเดติกจะทำให้แกนหมุนเลื่อนไป 6,606.1 มิลลิฟิลิปดาต่อปี ส่วนผลจากเฟรมแดรกกิงอยู่ที่ 39.2 มิลลิฟิลิปดาต่อปี

ผลการวิเคราะห์ของทีมวิจัย ศ.เอเวอร์ริตต์ครั้งนี้ ตีพิมพ์ลงวารสารวิชาการฟิสิคัลรีวิวเลตเตอร์ส (Physical Review Letters) อันมีชื่อเสียงซึ่งบีบีซีนิวส์ระบุถึงความสำคัญของงานวิจัยนี้ว่า นอกจากย้ำถึงความอัจฉริยะของไอน์สไตน์แล้ว ยังให้เครื่องมือที่มีความละเอียดมากขึ้นเพื่อทำความเข้าใจฟิสิกส์ที่ขับเคลื่อนจักรวาลด้วย

เตรียมการทดลองยาวนาน 4 ทศวรรษ
กว่าจะได้ส่งยานกราวิตีโพรบบีขึ้นไปพิสูจน์ทฤษฎีไอน์สไตน์ต้องใช้เวลากว่า 4 ทศวรรษ โดยแนวคิดในการส่งไจโนสโคปขึ้นไปโคจรรอบโลกเพื่อพิสูจน์ทฤษฎีสัมพัทธภาพนั้นถูกเสนอขึ้นช่วงปี 1959-1960 โดยนักฟิสิกส์ 2 คนคือ จอร์จ พัฟ (George Pugh) เลโอนาร์ด สชิฟฟ์ (Leonard Schiff) ซึ่งต่อมาชิฟฟ์ได้กลายเป็นอธิการบดีของมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด

ในช่วงแรกโครงการนี้เป็นความร่วมมือระหว่างภาควิชาฟิสิกส์และภาควิชาอื่นภายในสแตนฟอร์ด จนกระทั่งปี 1971 การบริหารจัดการโครงการถูกโอนย้ายไปยังศูนย์การบินอวกาศมาร์แชลของนาซา ส่วน ศ.เอเวอร์ริตต์ ผู้วิเคราะห์ผลล่าสุดในการทดลองพิสูจน์ทฤษฎีของไอน์สไตน์ก็มีส่วนร่วมในโครงการนี้มาตั้งแต่ต้น โดยเขาได้รับเชิญให้ไปทำงานที่สแตนฟอร์ดตั้งแต่ปี 1962 เพื่อร่วมโครงการนี้โดยมีสชิฟฟ์เป็นที่ปรึกษาโครงการ

แม้ว่าแนวคิดของปฏิบัติการนี้จะค่อนข้างเรียบง่าย โดยการทดลองต้องการเพียงดาวอ้างอิงการหมุน กล้องโทรทัศน์และพื้นที่ของการหมุน แต่หน่วยงานที่เกี่ยวข้องกับการทดลองนี้ต้องใช้เวลาหลายสิบปีเพื่อพัฒนาไจโรสโคปที่มีความแม่นยำสูง โดยลูกบอลของไจโรสโคปนี้ได้รับการบันทึกว่าเป็นลูกบอลที่กลมที่สุดในโลกที่มนุษย์เคยสร้างขึ้น และยังต้องเตรียมเทคโนโลยีที่มีความก้าวหน้าเพื่อตอบสนองการทดลองที่ “เรียบง่าย” นี้

นักฟิสิกส์ไทยชี้ผลทดลองเป็นไปตามคาด
ในมุมของนักฟิสิกส์ไทย ดร.บุรินทร์ กำจัดภัย จากสถาบันสำนักเรียนท่าโพธิ์ฯ วิทยาลัยเพื่อการค้นคว้าระดับรากฐานแห่งมหาวิทยาลัยนเรศวร เผยกับทีมข่าววิทยาศาสตร์ ASTV-ผู้จัดการออนไลน์ว่า เขาไม่แปลกใจกับการทดลองนี้เพราะเชื่อมั่นอยู่แล้วว่าทั้ง 2 ปรากฏการณ์ที่กราวิตีโพรบบีพิสูจน์ไปนั้นน่าจะเป็นจริง แต่ก็พลอยรู้สึกตื่นเต้นยินดีไปด้วยกับผลการทดลองเช่นเดียวกับนักฟิสิกส์ความโน้มถ่วงคนอื่นๆ ซึ่งก็น่าจะตื่นเต้นกับข้อมูลที่ได้จากปฏิบัติการในครั้งนี้ เพราะ เป็นครั้งแรกที่สามารถตรวจวัดปรากฏการณ์เฟรมแดรกกิงได้ ส่วนการโค้งงอของอวกาศนั้นยานแคสสินี (Cassini) ขององค์การอวกาศยุโรปเคยตรวจวัดได้ก่อนหน้านี้แล้ว

“ผมได้ยินเรื่องกราวิตีโพรบบีครั้งแรกเมื่อราวๆ 10 ปีก่อนครับ ตั้งแต่ครั้งยังเรียนอยู่ที่ต่างประเทศ ได้ยินว่ามีโครงการนี้และกำลังจะเริ่มส่งยานขึ้นไป ตอนนี้เพื่อนๆ นักทดลองและนักสัมพัทธภาพคนอื่นๆ คงจะตื่นเต้นกับข้อมูลนี้เพราะแรงโน้มถ่วงเป็นแรงที่มีขนาดอ่อนมากวัดได้ยากและการยืนยันทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปนั้นไม่ใช่เรื่องง่ายเลย ข่าวนี้เป็นข่าวใหม่มากครับเพราะรายงานชิ้นนี้เพิ่งตีพิมพ์ในวารสารเมื่อวันที่ 1 พ.ค. นี้เอง ส่วนบทความก็เพิ่งจะปรากฏบนฐานข้อมูล arXiv ** เมื่อวันที่ 18 พ.ค.นี้” ดร.บุรินทร์กล่าว

ดร.บุรินทร์คิดว่า โดยประโยชน์ทางอ้อมแล้วการทำการทดลองของกราวิตีโพรบบีนี้ได้สะท้อนให้เห็นอย่างชัดเจนว่าการทดลองทางฟิสิกส์บริสุทธิ์เพื่อพิสูจน์ทฤษฎีรากฐานนี้ได้กระตุ้นและเหนี่ยวนำให้มีการพัฒนาเทคโนโลยีการวัด ประดิษฐกรรมและเทคโนโลยีขั้นสูงอื่นๆที่มีความแม่นยำและละเอียดสูง วิทยาศาสตร์ทำให้เกิดเทคโนโลยี และเทคโนโลยีก็ได้ย้อนมาเกื้อหนุนต่อการทดลองทางวิทยาศาสตร์

นักฟิสิกส์ไทยคนเดิมบอกด้วยว่า สิ่งที่ยืนยันความถูกต้องของทฤษฎีไอน์สไตน์ครั้งแรกคือปรากฏการณ์ดาวพุธเลื่อนตำแหน่งระหว่างเกิดปรากฏการณ์สุริยุปราคาเต็มดวงที่ เซอร์ อาร์เธอร์ เอดดิงตัน (Sir Arthur Eddington) เป็นผู้สังเกตพบเมื่อปี 1919 ซึ่งเป็นการยืนยันว่าอวกาศโค้งงอเพราะการมีอยู่ของมวลขนาดใหญ่ทำให้แสงเดินทางโค้งงอและเห็นตำแน่งดาวพุธเลื่อนไป และการสังเกตการณ์ของเอดดิงตันได้ทำให้ไอน์สไตน์มีโด่งดังขึ้นอย่างมาก

ส่วนความท้าทายต่อไปของนักฟิสิกส์ทดลองขั้นต่อไปก็คือการวัดคลื่นความโน้มถ่วง ซึ่งคลื่นดังกล่าวจะเกิดขึ้นเมื่อมีการขยับหรือกระเพิ่มของมวลสารขนาดมากๆ ซึ่งจะทำให้เกิดการกระเพื่อมของกาลอวกาศรอบๆ โดยนาซาและองค์การอวกาศยุโรป (อีซา) มีความร่วมมือกันเพื่อส่งยานอวกาศ 3 ลำในปฏิบัติการลีซา (Laser Interferometer Space Antenna: LISA) ขึ้นไปตรวจวัดคลื่นความโน้มถ่วง

* มิลลิฟิลิปดา (milliarcsecond: mas)
** arXiv: 1105.3456v1 [gr-qc] C. W. F. Everitt et al. สามารถ download ได้ฟรีจาก http://arxiv.org