ถ้าโลกถูกหลุมดำ 2 หลุมที่โคจรรอบกันและกันพุ่งชน เราจะไม่มีวันได้ยินเสียงใดๆ ว่ามันกำลังมา เพราะคลื่นเสียงในความหมายทั่วไปเกิดจากการอัดตัว และขยายตัวของตัวกลางที่เป็นอากาศ และเมื่อหลุมดำมาจากอวกาศที่เกือบจะเป็นสุญญากาศซึ่งเสียงเดินทางผ่านไม่ได้ ดังนั้นหูของเราจึงไม่ได้ยินเสียง แต่เราก็มีวิธีรับรู้การเข้ามาของหลุมดำทั้งคู่ได้จากคลื่นโน้มถ่วงที่เกิดจากความเร่งของหลุมดำ ขณะที่หลุมแต่ละหลุมโคจรรอบจุดศูนย์กลางมวลของระบบ และเมื่อคลื่นโน้มถ่วงสามารถทะลุผ่านกระดูกในร่างกายเราทุกชิ้น รวมทั้งกระดูกหูซึ่งจะทำให้กระดูกขยายตัว และหดตัวเข้าออกเป็นจังหวะคิดเป็นระยะทางประมาณ 10-17เมตร คือสั้นกว่า 1/100 ของความยาวเส้นผ่านศูนย์กลางของโปรตอน การเปลี่ยนแปลงที่น้อยนิดนี้จึงทำให้เราไม่รู้สึกอะไรเลย
แต่ถ้าเราประสงค์จะได้ยินเสียงของคลื่นโน้มถ่วงจริงๆ เราก็ต้องใช้หูฟังที่ซูเปอร์ไฮเปอร์ไวมากชื่อ อุปกรณ์แทรกสอดที่ใช้แสงเลเซอร์เพื่อตรวจจับคลื่นโน้มถ่วง (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory หรือ LIGO) ซึ่งปัจจุบันมี 2 เครื่องอยู่ที่เมือง Livingston ในรัฐ Louisiana กับที่เมือง Hanford ในรัฐ Washington ของสหรัฐอเมริกา
และนี่ก็คือเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นเมื่อวันที่ 14 กันยายน ค.ศ.2015 ขณะเวลา 16.51 ตามเวลามาตรฐาน Greenwich เมื่อหลุมดำ 2 หลุมที่หลุมหนึ่งมีมวล 32-41 เท่าของดวงอาทิตย์กับอีกหลุมหนึ่งมีมวล 25-33 เท่าของดวงอาทิตย์และกำลังหมุนวนรอบกันและกัน จนในที่สุดการแผ่พลังงานคลื่นโน้มถ่วงออกไปตลอดเวลาทำให้พลังงานและโมเมนตัมเชิงมุมของหลุมดำทั้งสองลดลงๆ มันจึงเข้ารวมตัวกันเป็นหลุมดำเดียวและมีมวล 58-66 เท่าของดวงอาทิตย์ โดยได้สลัดพลังงานของคลื่นโน้มถ่วงทิ้งไป 2.5-3.5 เท่าของมวลดวงอาทิตย์คูณกับความเร็วแสงยกกำลังสอง
นอกจากนี้ความถี่ของคลื่นโน้มถ่วงที่วัดได้ก็พบว่ามีค่าตั้งแต่ 35-250 เฮริตซ์ ซึ่งก็ตรงกับทฤษฎีที่ Albert Einstein ได้แสดงไว้ตั้งแต่ปี 1916
ในวารสาร Physical Review Letter ฉบับวันที่ 12 กุมภาพันธ์ ปี 2016 นี้ คณะวิจัยซึ่งประกอบด้วยนักฟิสิกส์นับพันจาก 16 ประเทศทั่วโลกได้รายงานการเห็นคลื่นโน้มถ่วงเป็นครั้งแรก หลังจากที่ได้คอยมานาน 100 ปี อีกทั้งยังได้เห็นการเข้ารวมตัวกันเป็นครั้งแรกของหลุมดำสองหลุมด้วยว่า หลุมดำทั้งสองซึ่งอยู่ห่างจากโลกเป็นระยะทาง 230-570 Mpc (1 Mpc = 3.1x1022 เมตร) และมีความเร็ว 0.05-0.12 เท่าของความเร็วแสง ได้เข้าหลอมรวมกันเมื่อ 13,000 ล้านปีก่อน ทำให้คณะนักวิจัยบนโลกสามารถ “เห็น” เหตุการณ์นี้ได้ จึงเป็นการยืนยันอีกคำรบหนึ่งว่า ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ Einstein ถูกต้องทุกประการ
ความสำคัญและความยิ่งใหญ่ของการค้นพบนี้ คือ ในอดีตที่ผ่านมานักวิทยาศาสตร์ได้ใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอันได้แก่ คลื่นวิทยุ แสงที่ตาเห็น รังสีอินฟาเรด รังสีอัลตราไวโอเลต รังสีเอ็กซ์ และรังสีแกมมา รวมถึงอนุภาค neutrino เวลาจะศึกษาธรรมชาติของเอกภพ แต่นักฟิสิกส์ทุกคนก็เชื่อว่า ธรรมชาติยังไม่ได้เปิดเผยข้อมูลที่เอกภพมีอีกเป็นจำนวนมาก มาบัดนี้เมื่อนักฟิสิกส์พบคลื่นโน้มถ่วงแล้ว และนั่นก็หมายความว่า เราจะมีเทคนิคใหม่ที่จะบอกข้อมูลของธรรมชาติที่เราไม่เคยรู้มาก่อน เช่น เหตุการณ์ภายในหลุมดำขนาดเล็ก และดาวนิวตรอน ฯลฯ เพราะเทหวัตถุนี้ส่งคลื่นโน้มถ่วงออกมาให้เรารับรู้ได้
นอกเหนือจากนี้นักฟิสิกส์ก็ยังตื่นเต้นที่มีความรู้อย่างมั่นใจว่า คลื่นโน้มถ่วงจะนำไปสู่การมีอนุภาคโน้มถ่วง (graviton) ด้วย ในทำนองเดียวกับที่เรามีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และมีอนุภาคแสง (photon) และนั่นหมายความว่า เหล่านักฟิสิกส์ทฤษฎีก็สามารถเดินหน้าสร้างทฤษฎีเอกภพของสนามได้ โดยการสังเคราะห์ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปกับทฤษฎีควอนตัมให้เป็นทฤษฎีสนามหนึ่งเดียว ตามที่ Einstein ได้เคยตั้งความหวังไว้
ย้อนอดีตไปถึงปี 1916 เมื่อ Einstein ประสบความสำเร็จในการแสดงให้เห็นว่า สมการสนามโน้มถ่วงที่ตนคิดขึ้นในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปนั้น มีคำตอบที่แสดงให้เห็นว่าสนามโน้มถ่วงมีลักษณะเป็นคลื่น ในทำนองเดียวกับที่สนามแม่เหล็กไฟฟ้ามีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า โดย Einstein ได้ยกตัวอย่างของระบบที่สามารถให้กำเนิดคลื่นโน้มถ่วง เช่น dumb-bell (ตุ้มน้ำหนักที่ใช้ในการออกกำลังกาย เพราะในสมัยนั้นไม่มีใครรู้จักหลุมดำ ดาวนิวตรอน หรือ supernova อะไรเลย) และEinstein ได้ชี้แจงว่า ถ้าจับ dumb-bell หมุนรอบแกนที่ผ่านจุดศูนย์กลางมวลและตั้งฉากกับแขนที่โยงลูกตุ้มทั้งสองอย่างรวดเร็ว ความเร่งเข้าสู่ศูนย์กลางของมวลทั้งสองจะสามารถปล่อยคลื่นโน้มถ่วงออกมาได้ และคลื่นที่มีความเร็วเท่าแสงนี้จะแผ่กระจายออกไปจาก dumb-bell โดยนำพลังงาน และโมเมนตัมเชิงมุมของระบบออกไปด้วย ดังนั้นพลังงานและโมเมนตัมเชิงมุมของ dumb-bell ก็จะลดลงๆ ตลอดเวลา
แต่ในการคำนวณครั้งนั้น Einstein ใช้วิธีการคำนวณโดยประมาณอย่างหยาบๆ ทำให้คำตอบที่ได้มีค่าเป็น 2 เท่าของคำตอบที่ควรจะเป็น (ในเวลาต่อมา Arthur Eddington ได้ตรวจพบความผิดพลาดนี้เป็นคนแรก) กระนั้น แนวคิดของ Einstein ก็ถูกต้องหมด ยกเว้นคำตอบ
เพราะพลังงานของคลื่นโน้มถ่วงที่ Einstein คำนวณไว้มีค่าน้อยนิดมากจนไม่สามารถทำให้มดที่เกาะกำแพงอยู่กระเด็นตกลงมาได้ นักฟิสิกส์ในสมัยนั้นทุกคนจึงมีความเห็นว่า คงไม่มีใครสามารถออกแบบการทดลองที่จะยืนยันการมีหรือไม่มีของคลื่นโน้มถ่วงได้
จนอีก 39 ปีต่อมา คือในปี 1955 Einstein ก็ได้จากโลกไป โดยไม่รู้ว่าคำพยากรณ์ที่ตนนำเสนอนั้น มนุษย์จะมีโอกาสตรวจสอบได้หรือไม่
ถึงปี 1960 การวิจัยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ในประเด็นคลื่นโน้มถ่วงก็ฟื้นคืนชีพอีกครั้งหนึ่ง เมื่อ Hermann Bondi ได้แสดงให้เห็นว่า ความสงสัยใดๆ เกี่ยวกับการอุบัติของคลื่นโน้มถ่วงไม่ได้เป็นผลที่เกิดจากพิกัดที่ใช้ในการคำนวณ คือคลื่นมีความเป็นอิสระจากพิกัด และสามารถเกิดได้ในธรรมชาติจริง และเมื่อเกิดขึ้นแล้ว มวลโมเมนตัมเชิงมุม และพลังงานของวัตถุที่เปล่งคลื่นลดลงๆ ด้าน Joseph Weber แห่งมหาวิทยาลัย Maryland ในสหรัฐฯ ก็ได้สร้างทรงกระบอกโลหะขนาดใหญ่ และหนัก เพื่อดักจับคลื่นโน้มถ่วงที่มากระทบทรงกระบอกแล้ว เหนี่ยวนำให้ทรงกระบอกขยายตัวและหดตัว แต่ Weber ก็ไม่ได้เห็นคลื่นโน้มถ่วง
จึงเป็นว่าเทคนิคการวิจัยของเรื่องนี้จึงมีสองรูปแบบ คือ ศึกษาผลที่เกิดขึ้นเวลาคลื่นโน้มถ่วงมาตกกระทบอุปกรณ์บนโลก และศึกษาการเปลี่ยนแปลงของดาวที่มีมวลมาก เช่น ดาวนิวตรอนและหลุมดำในอวกาศ หลังจากที่ได้ปล่อยคลื่นโน้มถ่วงออกไป
สำหรับการวิเคราะห์เหตุการณ์ที่เกิดขึ้นในอวกาศขณะดาวปล่อยคลื่นโน้มถ่วงออกไปนั้น ได้ดำเนินไปเป็นครั้งแรกในฤดูร้อนของปี 1974 โดยนิสิตปริญญาเอก ชื่อ Russell Hulse กับอาจารย์ที่ปรึกษาชื่อ Joseph Taylor ซึ่งได้ศึกษาการโคจรของดาวพัลซาร์ (pulsar) คู่ โดยใช้กล้องโทรทรรศน์วิทยุที่ Puerto Rico
คนทั้งสองได้วิเคราะห์ลักษณะวงโคจรของพัลซาร์คู่ PSR 1913+16 (PSR มาจากคำว่า pulsar และ 1913+16 บอกตำแหน่งที่ดาวอยู่ในท้องฟ้า) ซึ่งโคจรรอบจุดศูนย์กลางมวลของระบบมัน และดาวทั้งสองอยู่ใกล้กันมาก โดยมีความเร็ว 300 กิโลเมตร/วินาที
ตามปรกติพัลซาร์จะปล่อยคลื่นที่มีคาบสม่ำเสมอคือ 59x10-3 วินาที และนักวิทยาศาสตร์ทุกคนก็คิดว่า คาบนี้จะมีค่าคงตัวตลอดไป แต่สองอาจารย์กับศิษย์ได้พบว่า คาบที่วัดได้มีค่าเปลี่ยนไป 0.25 นาโนวินาที (0.25x10-9 วินาที) ทุกปี ในขณะที่พัลซาร์ใช้เวลา 27906.98163 วินาทีในการโคจรครบรอบ การสังเกตเห็นนี้สำคัญมาก เพราะเป็นการเห็นผลที่เกิดขึ้นจากดาวซึ่งเป็นไปตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเป็นครั้งแรก ผลการวัดมวลของพัลซาร์แสดงให้เห็นว่า พัลซาร์คู่นั้นมีมวลรวมกันเท่ากับ 2.8275 เท่าของดวงอาทิตย์ นอกจากนี้ระยะห่างระหว่างพัลซาร์ทั้งสองก็ลดลงๆ ตามวันเวลาที่ผ่านไปด้วย ทั้งนี้เพราะพัลซาร์ทั้งคู่ได้ปล่อยพลังงานคลื่นโน้มถ่วงออกไปตลอดเวลา ในปริมาณที่สอดคล้องกับที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปได้พยากรณ์ไว้
ความสำเร็จในการ “เห็น” คลื่นโน้มถ่วงโดยวิธีอนุมานนี้ (คือไม่ได้เห็นตรงๆ) ทำให้ Hulse และ Taylor ได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ประจำปี 1993
ส่วนเทคนิคที่ใช้ศึกษาผลที่เกิดเวลาคลื่นโน้มถ่วงกระทบวัตถุนั้น ทำงานโดยอาศัยหลักการว่า คลื่นโน้มถ่วงมีธรรมชาติที่แตกต่างจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เพราะคลื่นชนิดหลังประกอบด้วยสนามไฟฟ้า และสนามแม่เหล็กที่มีทิศตั้งฉากกัน อีกทั้งตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่นด้วย ในสุญญากาศคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะมีความเร็วเท่าแสง และเวลาคลื่นเคลื่อนที่ผ่านอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเช่น อิเล็กตรอนในเสาอากาศ (antenna) ประจุจะเคลื่อนที่ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าที่สามารถเปลี่ยนไปภาพในจอโทรทัศน์ได้ หรือถ้าให้ประจุเคลื่อนที่ไปมา ก็จะมีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเกิดขึ้น ด้านคลื่นโน้มถ่วงก็ประกอบด้วยสนามที่มีทิศตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น และมีความเร็วเท่าแสงเหมือนกัน แต่สนามนี้แตกต่างจากสนามของแรงไฟฟ้า ตรงที่ไม่สามารถทำให้มวลเคลื่อนที่ได้
เช่น ถ้าเรามีอนุภาควางเรียงรายบนวงแหวน และวงแหวนนี้วางตัวตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่นโน้มถ่วง เมื่อเวลาผ่านไป 1 ใน 4 ของคาบ คลื่นจะบีบวงแหวน ทำให้วงแหวนกลมหลายเป็นวงรีรูปไข่ และเมื่อเวลาผ่านไปนาน 1/2 คาบ วงแหวนรูปไข่นั้นก็จะขยายตัวกลับสภาพเป็นวงแหวนกลม แล้วเปลี่ยนทรงเป็นรูปไข่ในทิศตั้งฉากกับรูปไข่เดิมในอีก 1/4 คาบต่อมา และในที่สุดก็กลับสู่สภาพวงกลมเหมือนเดิม เมื่อเวลาผ่านไปครบ 1 คาบพอดี นี่คือสถานการณ์ที่จะเกิดขึ้นเวลาคลื่นโน้มถ่วงเคลื่อนที่ผ่านวัตถุ
ดังนั้นในปี 1972 Raines Weiss แห่ง Massachusetts Institute of Technology จึงได้เสนอให้ National Science Foundation ของสหรัฐฯ จัดสร้างอุปกรณ์ LIGO ขึ้น 2 เครื่อง เพื่อรับคลื่นโน้มถ่วงที่จะเกิดเวลาดาวนิวตรอนหรือหลุมดำชนกัน โดยให้อุปกรณ์มีลักษณะเป็นท่อที่มีความยาว 4 กิโลเมตร 2 ท่อ ฝังตัวในอุโมงค์ใต้ดิน และให้ท่อหนึ่งวางตัวในแนวตะวันออก-ตก ส่วนอีกท่อหนึ่งอยู่ในแนวเหนือ-ใต้ ที่จุดตัดของท่อทั้งสองมีอุปกรณ์แทรกสอดของรังสีอินฟราเรดที่ได้รับการออกแบบให้มีเสถียรภาพสุดๆ คือไม่ถูกรบกวนโดยเหตุการณ์แผ่นดินไหว การจราจรและการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิเลย
การวางตัวตั้งฉากของท่อทั้ง 2 ทำให้ความยาวของท่อยืดออกและหดเข้าแตกต่างกันตามจังหวะที่คลื่นโน้มถ่วงเดินทางถึงท่อ แม้ความยาวจะแตกต่างกันเพียง 10-17 เมตร LIGO ก็สามารถวัดความแตกต่างนั้นได้ และได้ทำให้นักวิทยาศาสตร์เห็นการแทรกสอดของรังสีอินฟราเรดใน LIGO ทั้งที่ Livingston และที่ Hanford ซึ่งให้ผลสอดคล้องกัน เมื่อวันที่ 14 กันยายนที่ผ่านมา นี่จึงเป็นการค้นพบที่ยืนยันกันและกันอย่างมั่นใจ
อ่านเพิ่มเติมจาก The Curious History of Relativity: How Einstein’s Theory of Gravity was Lost and Found Again โดย Jean Eisenstädt จัดพิมพ์โดย Princeton University Press 2006
เกี่ยวกับผู้เขียน
สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ สุทัศน์ ยกส้าน ได้ทุกวันศุกร์
