ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ Einstein ได้พยากรณ์ว่า เวลามวลเคลื่อนที่ด้วยความเร่ง โครงสร้างอวกาศ-เวลาในบริเวณรอบมวลจะมีการเปลี่ยนแปลงเป็นระลอกคลื่นที่เคลื่อนที่ไปด้วยความเร็วแสง ดังนั้นเมื่อคลื่นโน้มถ่วงเดินทางผ่านอวกาศจนถึงอุปกรณ์ตรวจรับ LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) ระลอกคลื่นจะทำให้แขนของ LIGO ยืดออกในทิศหนึ่ง และแขนอีกข้างหนึ่งซึ่งทำมุม 90° กับแขนแรกหดเข้า แม้ความแตกต่างของการยืดหดจะน้อยนิดเพียง 1 ใน 10,000 ของขนาดโปรตอน คือ 10-18 เมตร LIGO ก็สามารถวัดได้
แต่ในปี 1922 หลังจากที่ Arthur Eddington ได้อ่านผลงานเรื่องคลื่นโน้มถ่วงที่ Einstein คำนวณ เขารู้สึกทึ่งในคำทำนายนี้มาก และได้เรียกความเร็วของคลื่นโน้มถ่วงว่า ความเร็วแห่งการคิด นั่นคือ Einstein คิดอะไรๆ ก็เร็วเท่าแสง
แม้วันเวลาจะผ่านไป 20 ปี หลังจากที่ Einstein ได้นำเสนอทฤษฎีคลื่นโน้มถ่วงแล้ว ก็ยังไม่มีนักฟิสิกส์คนใดสามารถตรวจรับคลื่นดังกล่าวได้ ดังนั้น Einstein จึงได้ย้อนกลับไปทบทวนที่มาของทฤษฎีคลื่นโน้มถ่วงอีกครั้งหนึ่ง โดยได้วิจัยร่วมกับ Nathan Rosen และพบว่า วิธีการคำนวณที่ทำไปนั้นผิดพลาด คือ ในความเป็นจริงคลื่นโน้มถ่วงไม่มีในธรรมชาติ
ดังนั้น Einstein จึงเสนอผลงานที่ทำใหม่นี้ไปลงพิมพ์ในวารสาร Physical Review และบรรณาธิการของวารสารก็ได้ส่งผลงานที่ Einstein ทำร่วมกับ Rosen ไปให้ผู้ประเมินอ่าน โดยปกปิดชื่อของ Einstein กับ Rosen ไว้ เพื่อไม่ให้ผู้ประเมินมีอคติ และผู้ประเมินก็ได้พบว่า ผลงานที่ Einstein กับ Rosen ทำนั้นยังมีที่ผิดพลาด จึงเสนอให้บรรณาธิการปฏิเสธไม่รับลงพิมพ์
การถูกปฏิเสธครั้งนั้น ทำให้ Einstein นักฟิสิกส์ผู้ยิ่งใหญ่ที่สุดของโลกรู้สึกเคืองมาก จึงประกาศถอนผลงานชิ้นนั้นกลับคืน และตั้งใจว่าตลอดชีวิตที่เหลือจะไม่ส่งผลงานไปลงพิมพ์ในวารสาร Physical Review อีกเลย
การสืบค้นชื่อคนประเมิน ปรากฏว่าชื่อ H.P. Robertson ซึ่งขณะนั้นดำรงตำแหน่งศาสตราจารย์แห่งมหาวิทยาลัย Princeton และในเวลาต่อมาได้กระซิบบอก Einstein ว่า งานคำนวณที่ทำไปนั้นผิด Einstein จึงได้แก้ไขผลงานที่ทำกับ Rosen ใหม่คราวนี้มี Leopold Infeld เป็นผู้ร่วมวิจัย แล้วส่งงานไปลงพิมพ์ในวารสาร Journal of the Franklin Institute ซึ่งก็ได้รับการตีพิมพ์ทันที
ในงานฉบับแก้ไขนั้น Einstein กับ Infeld ได้คำนวณอย่างละเอียด และได้ผลว่าคลื่นโน้มถ่วงมีจริงและสามารถเกิดขึ้นได้จริง หลังจากนั้นทุกคนในวงการฟิสิกส์ก็ชะเง้อคอย แล้วการรอคอยร่วม 100 ปีก็สิ้นสุด เมื่อวันที่ 14 กันยายนที่ผ่านมานี้ โดยทีมวิจัยคลื่นโน้มถ่วงสองทีมที่เมือง Hanford รัฐ Washington กับที่เมือง Livingston รัฐ Louisiana ในสหรัฐอเมริกา ซึ่งอยู่ห่างกันประมาณ 3,000 กิโลเมตร สามารถตรวจรับคลื่นโน้มถ่วงที่เกิดจากการชนกันระหว่างหลุมดำสองหลุมที่มีมวลประมาณ 30 เท่าของดวงอาทิตย์ได้
การตรวจรับคลื่นโน้มถ่วงได้ทำให้นักฟิสิกส์และนักดาราศาสตร์ทั่วโลกมีเทคนิคใหม่ที่สามารถใช้ศึกษาธรรมชาติที่ลึกลับของเอกภพได้ เช่น ใช้คลื่นโน้มถ่วงในการเห็นเหตุการณ์ในอดีตหลัง Big Bang 380,000 ปี หรือใช้ศึกษาธรรมชาติของหลุมดำ หรือใช้ค้นหาสสารมืดก็ได้
เมื่อมองไปในอนาคตข้างหน้า LIGO ก็จะได้รับการพัฒนาให้สามารถรับคลื่นโน้มถ่วงที่เกิดจากปรากฏการณ์ที่ซับซ้อน และเกิดยาก เช่น กรณีกาแลกซี่ชนกัน หรือกรณีดาวนิวตรอน 2 ดวงชนกัน ซึ่งในกรณีหลังนี้นักดาราศาสตร์ได้คาดการณ์ว่า เหตุการณ์ชนกันจะเกิดขึ้นประมาณเดือนละครั้ง และจากลักษณะของคลื่นโน้มถ่วงที่ได้รับ นักดาราศาสตร์จะสามารถบอกขนาดของดาวนิวตรอนที่ชนกันได้ นอกจากนี้การรับรู้ความรุนแรงของการชนก็สามารถบอกได้ว่า เหตุการณ์ชนกันนั้นเกิดห่างจากโลกเพียงใด และถ้านักดาราศาสตร์ใช้กล้องโทรทรรศน์ธรรมดาช่วยสังเกตดูเหตุการณ์ดังกล่าว เขาก็จะรู้ว่าอวกาศได้ขยายตัวไปมากเพียงใดจากอดีตถึงปัจจุบัน ซึ่งข้อมูลนี้จะสามารถบอกอิทธิพลพลังงานมืดได้ ยิ่งถ้านักดาราศาสตร์เห็นการชนระหว่างดาวนิวตรอนหรือหลุมดำที่มีมวลต่างกันบ่อย ข้อมูลที่ได้ก็จะเป็นประโยชน์ในการศึกษาธรรมชาติของแรงโน้มถ่วงว่าขึ้นกับมวลและระยะทางตรงตามคำทำนายของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปหรือไม่
ไม่เฉพาะที่สหรัฐฯ เท่านั้นที่มี LIGO ใช้ ที่อินเดีย ญี่ปุ่น และอิตาลีก็มี LIGO เช่นกัน โดยและบรรดา LIGO เหล่านี้จะช่วยกันตรวจรับคลื่นที่มีความยาวคลื่นแตกต่างจากคลื่นที่ LIGO ของอเมริการับได้ คือเป็นคลื่นโน้มถ่วงที่เกิด ขณะเอกภพอยู่ในช่วงแรกๆ ของการกำเนิด คือ ช่วงการเฟ้อ (inflation)
เมื่อวันที่ 3 ธันวาคมที่ผ่านมานี้ ขณะเวลา 01.04 นาฬิกาตามเวลาท้องถิ่น องค์การอวกาศแห่งยุโรป European Space Agency (ESA) ได้ยิงจรวด VEGA จากฐานยิงที่เมือง Kourou ในประเทศ Guiana ของฝรั่งเศสขึ้นอวกาศ มิใช่เพื่อให้นำดาวเทียมชื่อ LISA Pathfinder ที่ติดตั้งอยู่ในจรวดไปทำหน้าที่สำรวจสภาวะอากาศของโลก หรือค้นหาดาวเคราะห์ที่อยู่นอกระบบสุริยะ หรือค้นหาหลุมดำ หรืออะไรอื่นใด แต่เพื่อให้ทีมนักวิทยาศาสตร์ยุโรป 40 คน ได้ทดสอบเทคโนโลยีที่ ESA จะใช้ในการตรวจรับคลื่นโน้มถ่วงในอนาคตอย่างละเอียด
เทคโนโลยีที่ใช้ในการสร้างดาวเทียม LISA Pathfinder มูลค่า 17,000 ล้านบาทจะเป็นเทคโนโลยีเดียวกับที่องค์การ ESA จะใช้ในการสร้าง eLISA (Evolved Laser Interferometer Space Antenna) คือ สร้างให้มวลที่ใช้ในการทดสอบซึ่งอยู่ในดาวเทียมไม่ถูกรบกวนโดยแรงภายนอกใดๆ ไม่ว่าจะเป็นแรงแม่เหล็กไฟฟ้า คลื่นคอสมิก คลื่นวิทยุ หรือพายุสุริยะอื่นใด นอกจากแรงโน้มถ่วงเพียงแรงเดียว
LISA Pathfinder มีอุปกรณ์สำคัญคือ มวลสองก้อนรูปลูกบาศก์ที่มีด้านยาวด้านละ 46 เซนติเมตรและทำด้วยทองคำปนแพลทตินัม โดยให้วัตถุทั้งสองมีมวล 2 กิโลกรัมเท่ากันพอดี อีกทั้งถูกกำหนดให้ลอยอยู่ในดาวเทียมห่างกัน 38 เซนติเมตร ดังนั้น เวลาคลื่นโน้มถ่วงเคลื่อนที่ผ่าน ระยะห่างระหว่างมวลจะเปลี่ยนแปลง ซึ่งแม้จะน้อยนิดเพียง 10-18 เมตร อุปกรณ์เลเซอร์บนดาวเทียมก็จะสามารถวัดระยะทางที่เปลี่ยนได้อย่างไม่ผิดพลาด
ก่อนที่จรวดจะถูกยิงขึ้นจากฐาน มวลทั้งสองได้ถูกยึดตรึงแน่นกับดาวเทียม LISA Pathfinder ไม่ให้ขยับเขยื้อนแม้แต่น้อย หลังจากที่จรวดได้ทะยานขึ้นท้องฟ้าแล้ว 2 ชั่วโมง LISA Pathfinder ได้แยกตัวจากจรวด VEGA แล้วเดินทางต่อไป โดยมีวงโคจรรอบโลกเป็นวงรีมากขึ้นๆ หลังจากเวลาผ่านไป 8 สัปดาห์ LISA Pathfinder ก็เดินทางถึงจุด L-1 (แอลหนึ่ง) (L=Lagrangian) ในอวกาศซึ่งเป็นตำแหน่งที่เสถียร เพราะ ณ ที่นั่นแรงโน้มถ่วงของโลกกับแรงโน้มถ่วงของดวงอาทิตย์หักล้างกันพอดี จุด L-1 นี้อยู่บนเส้นตรงที่ลากระหว่างดวงอาทิตย์กับโลก โดยอยู่ห่างจากโลกเป็นระยะทาง 1.5 ล้านกิโลเมตร และยานจะอยู่ที่นั่นตลอดไป ESA คาดหวังว่า ถ้ามีแรงโน้มถ่วงที่น้อยนิดผ่านเข้ามา เลเซอร์บนยานก็จะสามารถวัดระยะห่างระหว่างมวลได้ทันที ด้วยข้อมูลความถี่ของเลเซอร์ที่เปลี่ยนไป
หัวใจการทดลองนี้จึงอยู่ที่ลูกบาศก์ 2 ลูกใน LISA Pathfinder โดยทันทีที่ยาน LISA Pathfinder เดินทางถึงจุด L-1 เรียบร้อย อุปกรณ์ที่ยึดจับมวลก็ได้ปลดล็อกออกอย่างนิ่มนวลที่สุด เพื่อไม่ให้ตำแหน่งของมวลกระทบกระเทือนแม้แต่น้อย มวลจะลอยอยู่ในสุญญากาศที่ว่างเปล่า ซึ่งได้รับการปกป้องไม่ให้อิทธิพลของแรงภายนอกใดๆ มารบกวน เงื่อนไขนี้จึงทำให้เทคโนโลยีที่ ESA ใช้ในสร้าง LISA Pathfinder มีความเป็นซุเปอร์ไฮเทคมาก
ในความเป็นจริง LISA Pathfinder ได้รับการอนุมัติให้สร้างตั้งแต่ปี 2000 และถูกกำหนดให้ปล่อยขึ้นอวกาศตั้งแต่ปี 2006 แต่ความยากลำบากในการสร้างได้ทำให้โครงการล่าช้าไปถึงปี 2015
จากนั้น ESA หวังว่าเทคโนโลยีที่ได้ในการสร้าง LISA Pathfinder จะถูกนำไปใช้ในการสร้างดาวเทียม eLISA (Evolved Laser Interferometer Space Antenna) ที่สามารถตรวจรับคลื่นโน้มถ่วงที่มีความถี่ต่ำ ซึ่งเป็นคลื่นโน้มถ่วงเกิดจากการชนกันระหว่างหลุมดำที่มีมวลเป็นล้านเท่าของดวงอาทิตย์ หรือจากการปะทะกันระหว่างกาแล็กซี่ หรือเป็นคลื่นโน้มถ่วงที่เกิดในเสี้ยววินาทีแรกที่เอกภพถือกำเนิดใหม่ๆ
เพราะอุปกรณ์ LIGO ขององค์การ NSF (National Science Foundation) ของสหรัฐฯ สามารถรับคลื่นโน้มถ่วงที่มีความถี่สูง แต่ eLISA ที่จะถูกส่งขึ้นอวกาศในปี 2034 จะทำหน้าที่ตรวจรับคลื่นโน้มถ่วงที่มีความถี่ต่ำ ดังนั้น ข้อมูลที่ได้ทั้งจาก eLISA และ LIGO จะช่วยให้นักฟิสิกส์เห็นสเปกตรัมความถี่ของคลื่นโน้มถ่วงที่มีค่าต่างๆ ได้ หรือเราอาจกล่าวได้ว่า ในขณะที่ LIGO ช่วยให้เห็นเอกภพเป็นภาพขาว-ดำ แต่ eLISA จะทำให้เห็นเป็นภาพสี และในขณะที่ “แขน” แต่ละข้างของอุปกรณ์ LIGO มีความยาว 4 กิโลเมตร “แขน” ของ eLISA จะมีความยาวถึง 5 ล้านกิโลเมตร ซึ่งจะเป็นระยะห่างที่คงตัวระหว่างดาวเทียม 3 ดวงในอวกาศ ซึ่งถ้ามีคลื่นโน้มถ่วงเคลื่อนที่ผ่านเข้ามา อิทธิพลของคลื่นจะทำให้อวกาศ-เวลาระหว่างยานยืดออกและหดเข้าได้มากถึง 35 เซนติเมตร ดังนั้นการสังเกตเห็นการยืด-หดของแขน eLISA จึงสามารถทำได้ง่ายกว่ากรณีของ LIGO
ในงานขั้นต่อไป ซึ่งวิศวกรที่สร้างดาวเทียม eLISA มีความประสงค์จะทำคือหาแหล่งกำเนิดของหลุมดำว่า หลุมดำขนาดใหญ่ที่เห็นเกิดจากการยุบตัวของดาวฤกษ์หลังจากที่เชื้อเพลิงนิวเคลียร์บนดาวฤกษ์หมด หรือเกิดจากการรวมกันระหว่างหลุมดำขนาดเล็ก หรือเกิดจากสาเหตุใด
เพราะ eLISA ซึ่งประกอบด้วยดาวเทียมที่มีรูปลักษณ์เหมือนกัน 3 ดวง และดวงหนึ่งสามารถส่งแสงเลเซอร์ถึงอีกสองดวงได้ ดังนั้นแสงจะใช้เวลาเดินทางประมาณ 16 วินาที และมวลที่ใช้ในการทดสอบก็เป็นลูกบาศก์เหมือนของ LISA Pathfinder คือ ลอยอยู่ในดาวเทียม โดยไม่แตะสัมผัสกับส่วนใดๆ ของดาวเทียม และวิศวกรสร้าง eLISA จะวัดระยะห่างระหว่างลูกบาศก์ทั้งสองอย่างละเอียดถึง 2x10-11เมตร
โครงการสร้าง eLISA นี้ NASA และ ESA จะเป็นเจ้าภาพร่วมกันโดยมี Karsten Danzmann แห่งมหาวิทยาลัย Hannover ในเยอรมนีเป็นหัวหน้าทีม
ถ้าโครงการนี้ประสบความสำเร็จ eLISA ก็อาจจะเห็นคลื่นโน้มถ่วงที่มีความถี่ต่ำซึ่งเกิดจากดาวแคระขาว 2 ดวงที่โคจรรอบกัน หรืออาจจะเห็นคลื่นโน้มถ่วงที่เกิดจากการชนกันระหว่างหลุมดำที่มีมวลเป็นล้านเท่าของดวงอาทิตย์ก็ได้ด้วย
อ่านเพิ่มเติมจาก Gravitational Waves: Theory and Experiments โดย Michele Maggiore จัดพิมพ์โดย Oxford University Press ปี 2007 และ Traveling at the Speed of Thought: Einstein and the Quest for Gravitational Wave โดย Daniel Kennefick จัดพิมพ์โดย Princeton University Press ปี 2007
เกี่ยวกับผู้เขียน
สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ สุทัศน์ ยกส้าน ได้ทุกวันศุกร์
