ในอดีตนักวิทยาศาสตร์ที่เชี่ยวชาญเรื่องอวกาศ ไม่เคยมีโอกาสจะได้สัมผัสอวกาศจริง ๆ เลยเหมือนนักวิทยาศาสตร์สาขาอื่น ที่ได้จับต้องหรือสัมผัสของจริง เวลาจะศึกษาสิ่งที่ตนสนใจ ทั้งนี้เพราะนักวิทยาศาสตร์อวกาศไม่มีโอกาสจะขึ้นไปเหนือบรรยากาศโลกถึงชั้นอวกาศเลย
แต่เมื่อวันที่ 12 เมษายน ค.ศ.1961 อุปสรรคในการเดินทางไปอวกาศก็สิ้นสุด เพราะในวันนั้น Yuri A. Gagarin ชาวรัสเซียได้เป็นมนุษย์คนแรกที่เดินทางในยานอวกาศ Vostok 1 ไปโคจรรอบโลก โดยใช้เวลานาน 1 ชั่วโมงกับ 48 นาที
เวลา 60 ปีที่ผ่านไป การเดินทางไปอวกาศก็ยังไม่ได้เป็นเรื่องที่ใคร ๆ ก็สามารถจะไปได้ เพราะอันตราย และอุปสรรคในการไปลักลับยังมีอีกมาก จนใครที่ต้องการจะไปต้องผ่านเกณฑ์การคัดเลือกอย่างเข้มข้น เพื่อให้มั่นใจว่าสามารถเดินทางไปและกลับได้อย่างปลอดภัย เช่น ในโครงการคัดเลือกมนุษย์อวกาศของจีน ผู้ผ่านการคัดเลือกจะต้องมีความสูงอยู่ระหว่าง 160-172 เซนติเมตร หนักตั้งแต่ 55-70 กิโลกรัม มีประสบการณ์บินด้วยตนเองอย่างน้อย 600 ชั่วโมง ไม่สูบบุหรี่ และอาจดื่มแอลกอฮอล์ได้บ้างเล็กน้อย ทุกคนต้องมีสุขภาพแข็งแรง และผ่านการฝึกทดสอบในสถานการณ์และสภาพแวดล้อมที่รุนแรง เพราะยานอวกาศที่นำมนุษย์ขึ้นสู่วงโคจรอาจประสบอุบัติเหตุ จนทำให้มนุษย์อวกาศในยานจำเป็นต้องดีดตัวหนีออกจากยาน แล้วตกสู่พื้นได้อย่างปลอดภัย โดยสวมชุดอวกาศและมีร่มชูชีพที่ช่วยพยุงตัวตลอดเวลาขาลง
แต่ปัจจุบันการเดินทางไปในอวกาศในช่วงเวลาสั้น ๆ กำลังเป็นเรื่องที่ทุกคนสนใจ ดังนั้นโลกจึงมีโครงการต่าง ๆ เช่น Virgin Galactic ของ Elon Musk และ Blue Origin ของ Jeff Bezos ที่ต้องการนำนักทัศนจรไปเยือนอวกาศในช่วงเวลาสั้น ๆ และจะต้องให้โครงการนี้มีความปลอดภัยสำหรับผู้โดยสารทุกคนในการเดินทางทุกครั้ง เพราะถ้าเกิดอุบัติเหตุและมีผู้เสียชีวิต โครงการทัวร์อวกาศเหล่านี้ก็จะชะงักทันที
ในการเดินทางขึ้นไปถึงชั้นที่เป็นอวกาศนั้น ทุกคนจำเป็นต้องเดินทางผ่านชั้นที่เป็นบรรยากาศทั่วไปก่อน ซึ่งบรรยากาศชั้นนี้มีความหนาประมาณ 100 กิโลเมตร และมีความแปรปรวนของอุณหภูมิ ความเร็วของกระแสลม และความหนาแน่นของอากาศที่แตกต่างกันมาก ดังนั้นนักอุตุนิยมวิทยาจึงได้แบ่งบรรยากาศโลกออกเป็นชั้น ๆ ดังนี้ เช่น ชั้นล่างสุด ที่มีความหนาประมาณ 20 กิโลเมตร เรียกชั้น troposphere บรรยากาศชั้นนี้มีความหนาแน่นของอากาศมากเป็นปกติ และมีอุณหภูมิตั้งแต่ 20 ถึง -60 องศาเซลเซียส ชั้นสูงขึ้นไปคือชั้น stratosphere ซึ่งอยู่ที่ระดับความสูง 20 ถึง 60 กิโลเมตรเหนือผิวโลก ชั้นนี้มีความหนาแน่นของอากาศประมาณ 25% ของความหนาแน่นที่ระดับน้ำทะเล และมีอุณหภูมิตั้งแต่ -60 ถึง -40 องศาเซลเซียส (อุณหภูมิของอากาศมิได้ลดลงดังที่คนทั่วไปคิด แต่จะเพิ่มขึ้นเล็กน้อย เมื่อความสูงเพิ่มขึ้น) ถัดขึ้นไปอีกคือ ชั้น mesosphere ซึ่งอยู่ที่ความสูง 60 ถึง 80 กิโลเมตรเหนือผิวโลก อากาศในชั้นนี้มีความหนาแน่น 0.009% ของความหนาแน่นที่ระดับน้ำทะเล ส่วนอุณหภูมิก็มีค่าตั้งแต่ -40 ถึง -100 องศาเซลเซียส เหนือชั้นนี้ขึ้นไปเป็นชั้น thermosphere ซึ่งมีอุณหภูมิตั้งแต่ -100 ถึง -60 องศาเซลเซียส และอากาศในชั้นนี้มีความหนาแน่นน้อยมาก คือประมาณ 0.0007% ของความหนาแน่นที่ระดับน้ำทะเลเท่านั้นเอง เหนือระดับความสูง 100 กิโลเมตรขึ้นไป ถือว่าเป็นเขตอวกาศแล้ว โดยมีเส้น Karmen เป็นเส้นแบ่งบริเวณระหว่างอวกาศกับบรรยากาศโลก (Theodore von Karmen เป็นวิศวกร ชาวอเมริกัน สัญชาติฮังการี ผู้มีผลงานมากมายด้านพลศาสตร์ของของไหลที่มีความเร็วสูงระดับ supersonic กับ hypersonic)
เพราะบรรยากาศในภาพรวมมีอุณหภูมิต่ำมาก และแก๊สในบรรยากาศมีความหนาแน่นน้อยมาก ดังนั้นเวลานักดิ่งพสุธาตกผ่านบรรยากาศชั้นต่าง ๆ เขาจึงต้องสวมชุดอวกาศ และต้องมีร่มชูชีพเพื่อช่วยในการพยุงตัวเวลาร่อนลง เหมือนคนขับรถที่ต้องมีเข็มขัดนิรภัยและรถต้องมีถุงลม เพื่อช่วยป้องกันภัยเวลารถชนกัน นอกจากนี้นักดิ่งพสุธาก็จะต้องรู้เทคนิคของการตกอวกาศด้วย เพื่อจะได้มีชีวิตรอด แม้การตกนั้นจะใช้เวลาทั้งหมดไม่นานก็ตาม
หลักการง่าย ๆ ที่นักดิ่งพสุธาทุกคนจะต้องทำเวลาตกจากที่สูงมาก คือ ต้องไม่ให้ลำตัวตั้งอยู่ในแนวดิ่งตั้งแต่เริ่มตก เพราะการวางตัวในลักษณะนั้นจะทำให้ความเร็วในการตกมีค่าสูงมากจนเกินไป จนทำให้ร่างกายหมดสติ เพราะความดันภายในและภายนอกร่างกายมีค่าไม่เท่ากัน ด้วยเหตุนี้ นักดิ่งพสุธาจึงจำเป็นต้องกางแขนทั้งสองข้างออก แล้วนอนคว่ำในแนวราบ เพื่อให้สามารถเห็นโลกเบื้องล่าง และให้กระแสลมพัดผ่านตัวในแนวขนานไปกับพื้น ซึ่งจะทำให้ลำตัวของนักดิ่งพสุธาหมุน และต้องพยายามปรับตัวในการหมุน โดยให้ศีรษะเป็นศูนย์กลางและให้เท้าทั้งสองข้างชี้ออกตามแนวรัศมี เพื่อให้เลือดไหลออกจากศีรษะลงไปที่เท้าอย่างช้า ๆ เพราะถ้าความเร็วในการหมุนรอบศูนย์กลางของตัวมีค่ามากเกินไป ร่างกายก็จะหมดสติ ในทางตรงกันข้าม ถ้าเขาหมุนโดยมีปลายเท้าเป็นศูนย์กลาง เลือดจะไหลไปสู่สมองในปริมาณมาก จนทำให้ร่างกายหมดสติได้เช่นกัน
ด้วยเหตุนี้ การรู้สภาพทางกายภาพของบรรยากาศตลอดเส้นทางที่ตก ไม่ว่าจะเป็นเรื่องอุณหภูมิ ความชื้น ความหนาแน่นของอากาศ ตลอดจนความเร็วของกระแสลมพายุที่ระยะสูงต่าง ๆ จึงเป็นข้อมูลที่จำเป็น เพื่อให้นักดิ่งพสุธาสามารถปรับการทำงานของอุปกรณ์ต่าง ๆ ในชุดอวกาศที่เขาสวมอยู่ได้ เช่น มีเครื่องปรับอากาศในชุด เพื่อให้สามารถหายใจเข้า-ออกภายใต้ความดันต่าง ๆ ได้อย่างเหมาะสมและปลอดภัย รวมถึงการมีความสามารถในการปรับอุณหภูมิภายในชุดอวกาศได้ด้วย
ประวัติการศึกษาเรื่องการตกเสรีของวัตถุ (ซึ่งไม่มีชีวิต) จากที่สูงได้กล่าวถึงการทดลองของ Galileo Galilei เมื่อปี 1632 (ตรงกับรัชสมัยสมเด็จพระเจ้าปราสาททอง) ว่าได้ทดลองโยนวัตถุจากยอดหอเอนแห่งเมือง Pisa ในประเทศอิตาลี เพื่อทดสอบทฤษฎีของ Aristotle และบุคคลที่ได้เขียนเกี่ยวกับเรื่องการทดลองนี้ คือ Vincenzo Viviani ผู้เป็นศิษย์ของ Evangelista Torricelli และ Galileo ในอีก 60 ปีต่อมา โดยได้เขียนลงในหนังสือชื่อ Concerning the Two Chief Systems
อีก 380 ปีต่อมา เมื่อความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์ได้เพิ่มมากขึ้น นักวิทยาศาสตร์ก็สนใจจะศึกษาพลศาสตร์ในการตกของสิ่งมีชีวิต โดยเฉพาะคน จากที่สูงมาก ๆ เช่น จากขอบล่างของอวกาศลงสู่พื้นโลกบ้าง เพื่อจะได้เข้าใจธรรมชาติและสุขภาพของคน ขณะอยู่ในสภาพไร้น้ำหนัก และมีแรงโน้มถ่วงกับแรงหนืดของอากาศมากระทำ เพื่อหาองค์ความรู้ด้านความปลอดภัยในการเดินทางกลับโลก และถ้าเกิดอุบัติเหตุไฟไหม้ยาน ซึ่งทำให้นักทัศนาจรอวกาศจำเป็นต้องสละยาน เพื่อจะได้ลงสู่พื้นโลกอย่างปลอดภัย
ประวัติการดิ่งพสุธาจากที่สูงมากตลอดเวลาในช่วง 78 ปีที่ผ่านมา เป็นดังนี้
ปี 1943 Randy Lovelace ซึ่งเป็นแพทย์ทหารชาวอเมริกัน ได้กระโดดออกจาก เครื่องบิน Boeing B-17E ที่ระยะสูง 12.253 กิโลเมตร หลังจากที่ลอยอยู่ ในบรรยากาศโลกเป็นเวลานาน 23 นาที กับ 51 วินาที เขาก็สามารถลงสู่ พื้นดินได้อย่างปลอดภัย แต่การกางออกของร่มชูชีพอย่างกระทันหันก่อน ถึงพื้นดิน ได้ทำให้ Lovelace หมดสติไปชั่วคราว จนกระทั่งเมื่อเขาอยู่ที่ ระดับความสูง 9.144 กิโลเมตร เขาก็คืนสติ
ปี 1960 Joe Kittinger นักบินแห่งกองทัพอากาศสหรัฐฯ ได้ทดสอบประสิทธิภาพ การทำงานของร่มชูชีพหลายครั้ง โดยกระโดดจากบอลลูนที่บรรจุแก๊ส ฮีเลียม โดยได้ทำสถิติความสูง 31.3 กิโลเมตร คือ จากชั้น stratosphere และได้ทำสถิติความเร็วสูงสุดด้วย คือ 988 กิโลเมตร/ชั่วโมง ผ่านชั้น บรรยากาศที่มีอุณหภูมิ -70 องศาเซลเซียส และใช้เวลาตกเสรี (คือ ไม่มีร่ม ชูชีพช่วยในการตกเลย) เป็นเวลานาน 4 นาทีกับ 36 วินาที รวมเวลาทั้งสิ้น 13 นาทีกับ 45 วินาที สถิติของ Kittinger นี้ ได้ยืนนานเป็นเวลา 52 ปี จนกระทั่งถูก Felix Baumgartner ทำลายในปี 2012
ปี 1962 Yevgeni Andreyev ชาวรัสเซีย ได้กระโดดจากบอลลูน ที่ระยะสูง 24.5 กิโลเมตรเหนือผิวโลก หลังจากที่ตกแบบเสรี คือ ไม่ได้ใช้ร่มชูชีพช่วยใน ขณะหนึ่ง (เพราะอากาศมีความหนาแน่นน้อย ร่มจึงไม่กาง) แล้วใช้เวลาใน การตก นาน 4 นาที กับ 30 วินาที
ปี 1966 Nick Piantanida นักบินชาวอเมริกัน ได้กระโดดจากบอลลูนที่ระดับความ สูง 37.6 กิโลเมตร ทั้ง ๆ ที่ไม่เคยมีประสบการณ์ในการกระโดดร่มมาก แต่ ก็ต้องการจะเสี่ยงชีวิต และต้องการจะมีชื่อเสียง หลังจากที่ได้ตกเสรีเป็น เวลานาน 17 นาที หน้ากากของหมวกนิรภัยที่เขาสวมได้แตกออก ทำให้ Piantanida เป็นลมหมดสติ และตกถึงพื้นในสภาพสลบไสล เพราะ ร่างกายขาดออกซิเจน และได้เสียชีวิตในโรงพยาบาลในอีก 4 เดือนต่อมา
ปี 2012 Felix Baumgartner วัย 43 ปี ชาวออสเตรีย ซึ่งทำงานประจำใน โครงการ Red Bull Stratos ได้ขึ้นบอลลูนฮีเลียมไปจนถึงระยะสูง 39.044 กิโลเมตรเหนือพื้นดิน แล้วกระโดดลงมา มีอยู่ช่วงหนึ่งที่ Baumgartner มีความเร็วสูงถึง 1,342 กิโลเมตร/ชั่วโมง ซึ่งนับว่ามากเป็น 1.24 เท่าของความเร็วเสียง (หรือ 1.24 Mach ซึ่ง 1 Mach มีค่าเท่ากับ 1,100 กิโลเมตร/ชั่วโมง) หลังจากที่ได้ตกเสรีเป็นเวลานาน 4 นาที กับ 20 วินาที ร่มชูชีพก็ได้กางออกนำ Baumgartner ร่อนลงในทะเลทรายใกล้ เมือง Roswell ในรัฐ New Mexico ประเทศสหรัฐอเมริกาอย่างปลอดภัย
การมีอุปกรณ์ GPS (Global Positioning System) ติดอยู่ที่ชุดอวกาศของเขา ได้ทำให้เจ้าหน้าที่โครงการทุกคน รู้ตำแหน่ง ความเร็วและความเร่งของ Baumgartner ตลอดเวลาที่เขาตกสู่ผิวโลก อุปกรณ์ GPS ระบุว่า เขามีความเร็วในแนวดิ่ง 1357.6 กิโลเมตร/ชั่วโมง หรือ 377 เมตร/วินาที และเขาได้เริ่มกระโดดเมื่ออยู่ที่ระดับความสูง 38.9694 กิโลเมตรเหนือผิวโลก เขาได้ตกเสรีเป็นระยะทาง 36.4026 กิโลเมตร ก่อนที่ร่มชูชีพจะกางออก เพื่อชะลอความเร็ว
การวิเคราะห์การตกสู่โลกของ Baumgartner โดยใช้กฎการเคลื่อนที่ของ Newton ได้แสดงให้เห็นว่า
เพราะอุปกรณ์ GPS ที่ติดอยู่กับชุดอวกาศสามารถบอกความเร็ว v ของ Baumgartner ณ เวลาต่าง ๆ และระยะสูงเหนือพื้นดินได้ตลอดเวลา ทำให้การคำนวณหาค่า g ณ ตำแหน่งต่าง ๆ ไม่มีปัญหาใด ๆ โดยใช้กฎแรงดึงดูดของ Newton ในการหาความหนาแน่น d ของอากาศนั้น ก็สามารถจะรู้ได้จากข้อมูลอุตุนิยมวิทยา เมื่อเป็นเช่นนี้ การคำนวณหาค่า CD จึงไม่มีปัญหาใด ๆ และได้พบว่า CD มีค่าไม่คงตัว ซึ่งเป็นเรื่องไม่น่าประหลาดใจ เพราะสูตรแรงต้านของอากาศที่ใช้ เป็นสูตรที่เหมาะสำหรับการเคลื่อนที่ที่วัตถุมีความเร็วต่ำกว่าเสียง ดังนั้นเมื่อความเร็วสูงกว่าเสียง CD จึงเปลี่ยนอย่างกระทันหัน
เพราะการดิ่งพสุธา โดยใช้ร่มชูชีพช่วยเพียงอย่างเดียวเป็นเรื่องอันตรายสำหรับคนทั่วไปที่รักตัวกลัวตาย ดังนั้นจึงอาจมีคำถามว่า เหตุใดคนบางคนจึงชอบทำให้คนอื่นรู้สึกสยองขวัญกับการกระทำของตน
ในการตอบคำถามนี้ Chuangsheng Chen แห่งมหาวิทยาลัย California ที่ Irvine (UCI) ได้เสนอความคิดเมื่อ 20 ปีก่อนนี้ว่า การกระทำที่เสี่ยงชีวิตในลักษณะนี้เป็นผลที่เกิดจากการที่ร่างกายของคน ๆ นั้นมียีน (gene) ผจญภัยในตัว เพราะนับตั้งแต่มนุษย์ได้อพยพออกจากทวีปแอฟริกา เมื่อ 50,000 ปีก่อน และได้พเนจรอย่างกระจัดกระจายไปทั่วโลก เพราะยีนผจญภัยนี้ ได้ผลักดันให้มนุษย์ชอบการเสี่ยงภัยนั่นเอง
ในปี 2011 Luke Matthews จากมหาวิทยาลัย Harvard ในประเทศสหรัฐอเมริกาได้แสดงให้เห็นว่ายีน ชื่อ DRD4 มี 4R allele ที่มีบทบาทในการทำให้คนมีอารมณ์สม่ำเสมอและรอบคอบ แต่ถ้าคน ๆ นั้นมี 7R และ 2R allele เขาจะเป็นคนที่ชอบผจญภัยและชอบเสี่ยงอันตราย แต่ก็สามารถเอาตัวรอดได้ Matthews ได้ข้อสรุปนี้จากการวิเคราะห์ความถี่ในการพบ 7R และ 2R allele ในร่างกายของมนุษย์ที่อาศัยอยู่ตามเส้นทางจากแอฟริกาไปยุโรป เอเชีย และอเมริกา และได้พบว่า เมื่อคนอยู่ห่างไกลจากทวีปแอฟริกาเพียงใด ความถี่ในการพบ 7R และ 2R allele ก็จะยิ่งมาก ผลงานนี้ได้รับการเผยแพร่ในวารสาร American Journal of Physical Anthropology , DOI : 10.1002/ajpa.21507
ส่วนคนที่ไม่มียีนผจญภัยในตัว ก็ยังไม่สิ้นหวังที่จะได้เดินทางไปในอวกาศกับเขาด้วย ในลักษณะที่เป็นนักทัศนาจรอวกาศแบบชะโงกทัวร์ เพราะ Elon Musk มีโครงการ Space X , Jeff Bezos มีโครงการ Blue Origin และ Richard Branson ก็มีโครงการ Virgin Galactic นำคนที่ต้องการจะสัมผัสอวกาศ โดยเดินทางไปในยานอวกาศ ในช่วงเวลาสั้น ๆ แต่ต้องจ่ายเงินค่าโดยสารคนละประมาณ 8 ล้านบาท และพบว่ามีคนสมัครจะไปทริปนี้จาก 70 ประเทศ ร่วม 1,500 คนแล้ว
สำหรับการเดินทางไปอวกาศ เพื่อให้ได้ประสบการณ์ไร้น้ำหนักนั้น ก็สามารถกระทำได้ โดยใช้เครื่องบิน G-Force One โดยเครื่องบินจะบินไต่ขึ้นท้องฟ้าในลักษณะที่เป็นเส้นโค้งแบบพาราโบลาซึ่งมีความชันไม่มาก เมื่อเครื่องบินขึ้นถึงระยะสูงสุดแล้ว นักบินก็จะดับเครื่อง แล้วบังคับให้เครื่องบินปักหัวลง ซึ่งจะทำให้ผู้โดยสารตกอยู่ในสภาพไร้น้ำหนักชั่วคราว ความชันของวิถีบินจะสร้างแรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อผู้โดยสาร ซึ่งมีค่าต่าง ๆ เช่น ทำให้ผู้โดยสารมีน้ำหนักเป็น 1/3 ของน้ำหนักตัว ซึ่งแสดงว่าเขากำลังเดินอยู่บนดาวอังคาร และถ้าทำให้น้ำหนักตัวมีค่าเป็น 1/6 ของน้ำหนักจริง ก็แสดงว่าเขากำลังเดินอยู่บนดวงจันทร์ เป็นต้น
การกระโดดจากที่สูงมาก เช่น จากขอบอวกาศแล้วตกลงอย่างเสรีเป็นเวลานาน ๆ ยังไม่มีใครใดกระทำ แต่เราก็มั่นใจได้ว่าในอนาคตจะมีคนกล้าทำแน่นอน เพื่อทำลายสถิติปี 2014 ในการตกเสรีเป็นระยะทาง 41 กิโลเมตร ของ Alan Eustace
คำถามที่น่าสนใจคำถามหนึ่ง สำหรับการไปทัศนาจรอวกาศในระยะสั้นเช่นนี้ คือ การเดินทางได้ทำให้การดำรงชีวิตของชาวโลกคนอื่น ๆ ดีขึ้นอย่างไร หรือไม่
ในการตอบคำถามนี้ บรรดาคนที่มีประสบการณ์เดินทาง ได้เล่าความรู้สึกว่า ขณะอยู่ที่สูงและมองออกไปนอกหน้าต่างของยาน เขารู้สึกเสมือนว่าตนเป็นเพียงเศษธุลีเล็ก ๆ เพราะมองไม่เห็นเส้นพรมแดนที่แบ่งแยกประเทศต่าง ๆ ไม่เห็นความแตกต่างในระหว่างคนแต่ละชาติ ตลอดเวลาก็รู้เพียงว่า เขาเป็นเพียงมนุษย์คนหนึ่งที่มาจากโลก และกำลังอาศัยอยู่บนโลก ประสบการณ์นี้ได้ทำให้เขารู้สึกว่าจะต้องอนุรักษ์และรักษาโลกไว้ให้ดีที่สุด เพราะไม่มีโลกอื่นจะให้ไป หรือให้อยู่อีกแล้ว
อ่านเพิ่มเติมจาก “STRATOQUEST (Project) The balloon encyclopedia” stratocal.com.ar. Retrieved 2019-04-23
สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" จาก "ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน" ได้ทุกวันศุกร์
แต่เมื่อวันที่ 12 เมษายน ค.ศ.1961 อุปสรรคในการเดินทางไปอวกาศก็สิ้นสุด เพราะในวันนั้น Yuri A. Gagarin ชาวรัสเซียได้เป็นมนุษย์คนแรกที่เดินทางในยานอวกาศ Vostok 1 ไปโคจรรอบโลก โดยใช้เวลานาน 1 ชั่วโมงกับ 48 นาที
เวลา 60 ปีที่ผ่านไป การเดินทางไปอวกาศก็ยังไม่ได้เป็นเรื่องที่ใคร ๆ ก็สามารถจะไปได้ เพราะอันตราย และอุปสรรคในการไปลักลับยังมีอีกมาก จนใครที่ต้องการจะไปต้องผ่านเกณฑ์การคัดเลือกอย่างเข้มข้น เพื่อให้มั่นใจว่าสามารถเดินทางไปและกลับได้อย่างปลอดภัย เช่น ในโครงการคัดเลือกมนุษย์อวกาศของจีน ผู้ผ่านการคัดเลือกจะต้องมีความสูงอยู่ระหว่าง 160-172 เซนติเมตร หนักตั้งแต่ 55-70 กิโลกรัม มีประสบการณ์บินด้วยตนเองอย่างน้อย 600 ชั่วโมง ไม่สูบบุหรี่ และอาจดื่มแอลกอฮอล์ได้บ้างเล็กน้อย ทุกคนต้องมีสุขภาพแข็งแรง และผ่านการฝึกทดสอบในสถานการณ์และสภาพแวดล้อมที่รุนแรง เพราะยานอวกาศที่นำมนุษย์ขึ้นสู่วงโคจรอาจประสบอุบัติเหตุ จนทำให้มนุษย์อวกาศในยานจำเป็นต้องดีดตัวหนีออกจากยาน แล้วตกสู่พื้นได้อย่างปลอดภัย โดยสวมชุดอวกาศและมีร่มชูชีพที่ช่วยพยุงตัวตลอดเวลาขาลง
แต่ปัจจุบันการเดินทางไปในอวกาศในช่วงเวลาสั้น ๆ กำลังเป็นเรื่องที่ทุกคนสนใจ ดังนั้นโลกจึงมีโครงการต่าง ๆ เช่น Virgin Galactic ของ Elon Musk และ Blue Origin ของ Jeff Bezos ที่ต้องการนำนักทัศนจรไปเยือนอวกาศในช่วงเวลาสั้น ๆ และจะต้องให้โครงการนี้มีความปลอดภัยสำหรับผู้โดยสารทุกคนในการเดินทางทุกครั้ง เพราะถ้าเกิดอุบัติเหตุและมีผู้เสียชีวิต โครงการทัวร์อวกาศเหล่านี้ก็จะชะงักทันที
ในการเดินทางขึ้นไปถึงชั้นที่เป็นอวกาศนั้น ทุกคนจำเป็นต้องเดินทางผ่านชั้นที่เป็นบรรยากาศทั่วไปก่อน ซึ่งบรรยากาศชั้นนี้มีความหนาประมาณ 100 กิโลเมตร และมีความแปรปรวนของอุณหภูมิ ความเร็วของกระแสลม และความหนาแน่นของอากาศที่แตกต่างกันมาก ดังนั้นนักอุตุนิยมวิทยาจึงได้แบ่งบรรยากาศโลกออกเป็นชั้น ๆ ดังนี้ เช่น ชั้นล่างสุด ที่มีความหนาประมาณ 20 กิโลเมตร เรียกชั้น troposphere บรรยากาศชั้นนี้มีความหนาแน่นของอากาศมากเป็นปกติ และมีอุณหภูมิตั้งแต่ 20 ถึง -60 องศาเซลเซียส ชั้นสูงขึ้นไปคือชั้น stratosphere ซึ่งอยู่ที่ระดับความสูง 20 ถึง 60 กิโลเมตรเหนือผิวโลก ชั้นนี้มีความหนาแน่นของอากาศประมาณ 25% ของความหนาแน่นที่ระดับน้ำทะเล และมีอุณหภูมิตั้งแต่ -60 ถึง -40 องศาเซลเซียส (อุณหภูมิของอากาศมิได้ลดลงดังที่คนทั่วไปคิด แต่จะเพิ่มขึ้นเล็กน้อย เมื่อความสูงเพิ่มขึ้น) ถัดขึ้นไปอีกคือ ชั้น mesosphere ซึ่งอยู่ที่ความสูง 60 ถึง 80 กิโลเมตรเหนือผิวโลก อากาศในชั้นนี้มีความหนาแน่น 0.009% ของความหนาแน่นที่ระดับน้ำทะเล ส่วนอุณหภูมิก็มีค่าตั้งแต่ -40 ถึง -100 องศาเซลเซียส เหนือชั้นนี้ขึ้นไปเป็นชั้น thermosphere ซึ่งมีอุณหภูมิตั้งแต่ -100 ถึง -60 องศาเซลเซียส และอากาศในชั้นนี้มีความหนาแน่นน้อยมาก คือประมาณ 0.0007% ของความหนาแน่นที่ระดับน้ำทะเลเท่านั้นเอง เหนือระดับความสูง 100 กิโลเมตรขึ้นไป ถือว่าเป็นเขตอวกาศแล้ว โดยมีเส้น Karmen เป็นเส้นแบ่งบริเวณระหว่างอวกาศกับบรรยากาศโลก (Theodore von Karmen เป็นวิศวกร ชาวอเมริกัน สัญชาติฮังการี ผู้มีผลงานมากมายด้านพลศาสตร์ของของไหลที่มีความเร็วสูงระดับ supersonic กับ hypersonic)
เพราะบรรยากาศในภาพรวมมีอุณหภูมิต่ำมาก และแก๊สในบรรยากาศมีความหนาแน่นน้อยมาก ดังนั้นเวลานักดิ่งพสุธาตกผ่านบรรยากาศชั้นต่าง ๆ เขาจึงต้องสวมชุดอวกาศ และต้องมีร่มชูชีพเพื่อช่วยในการพยุงตัวเวลาร่อนลง เหมือนคนขับรถที่ต้องมีเข็มขัดนิรภัยและรถต้องมีถุงลม เพื่อช่วยป้องกันภัยเวลารถชนกัน นอกจากนี้นักดิ่งพสุธาก็จะต้องรู้เทคนิคของการตกอวกาศด้วย เพื่อจะได้มีชีวิตรอด แม้การตกนั้นจะใช้เวลาทั้งหมดไม่นานก็ตาม
หลักการง่าย ๆ ที่นักดิ่งพสุธาทุกคนจะต้องทำเวลาตกจากที่สูงมาก คือ ต้องไม่ให้ลำตัวตั้งอยู่ในแนวดิ่งตั้งแต่เริ่มตก เพราะการวางตัวในลักษณะนั้นจะทำให้ความเร็วในการตกมีค่าสูงมากจนเกินไป จนทำให้ร่างกายหมดสติ เพราะความดันภายในและภายนอกร่างกายมีค่าไม่เท่ากัน ด้วยเหตุนี้ นักดิ่งพสุธาจึงจำเป็นต้องกางแขนทั้งสองข้างออก แล้วนอนคว่ำในแนวราบ เพื่อให้สามารถเห็นโลกเบื้องล่าง และให้กระแสลมพัดผ่านตัวในแนวขนานไปกับพื้น ซึ่งจะทำให้ลำตัวของนักดิ่งพสุธาหมุน และต้องพยายามปรับตัวในการหมุน โดยให้ศีรษะเป็นศูนย์กลางและให้เท้าทั้งสองข้างชี้ออกตามแนวรัศมี เพื่อให้เลือดไหลออกจากศีรษะลงไปที่เท้าอย่างช้า ๆ เพราะถ้าความเร็วในการหมุนรอบศูนย์กลางของตัวมีค่ามากเกินไป ร่างกายก็จะหมดสติ ในทางตรงกันข้าม ถ้าเขาหมุนโดยมีปลายเท้าเป็นศูนย์กลาง เลือดจะไหลไปสู่สมองในปริมาณมาก จนทำให้ร่างกายหมดสติได้เช่นกัน
ด้วยเหตุนี้ การรู้สภาพทางกายภาพของบรรยากาศตลอดเส้นทางที่ตก ไม่ว่าจะเป็นเรื่องอุณหภูมิ ความชื้น ความหนาแน่นของอากาศ ตลอดจนความเร็วของกระแสลมพายุที่ระยะสูงต่าง ๆ จึงเป็นข้อมูลที่จำเป็น เพื่อให้นักดิ่งพสุธาสามารถปรับการทำงานของอุปกรณ์ต่าง ๆ ในชุดอวกาศที่เขาสวมอยู่ได้ เช่น มีเครื่องปรับอากาศในชุด เพื่อให้สามารถหายใจเข้า-ออกภายใต้ความดันต่าง ๆ ได้อย่างเหมาะสมและปลอดภัย รวมถึงการมีความสามารถในการปรับอุณหภูมิภายในชุดอวกาศได้ด้วย
ประวัติการศึกษาเรื่องการตกเสรีของวัตถุ (ซึ่งไม่มีชีวิต) จากที่สูงได้กล่าวถึงการทดลองของ Galileo Galilei เมื่อปี 1632 (ตรงกับรัชสมัยสมเด็จพระเจ้าปราสาททอง) ว่าได้ทดลองโยนวัตถุจากยอดหอเอนแห่งเมือง Pisa ในประเทศอิตาลี เพื่อทดสอบทฤษฎีของ Aristotle และบุคคลที่ได้เขียนเกี่ยวกับเรื่องการทดลองนี้ คือ Vincenzo Viviani ผู้เป็นศิษย์ของ Evangelista Torricelli และ Galileo ในอีก 60 ปีต่อมา โดยได้เขียนลงในหนังสือชื่อ Concerning the Two Chief Systems
อีก 380 ปีต่อมา เมื่อความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์ได้เพิ่มมากขึ้น นักวิทยาศาสตร์ก็สนใจจะศึกษาพลศาสตร์ในการตกของสิ่งมีชีวิต โดยเฉพาะคน จากที่สูงมาก ๆ เช่น จากขอบล่างของอวกาศลงสู่พื้นโลกบ้าง เพื่อจะได้เข้าใจธรรมชาติและสุขภาพของคน ขณะอยู่ในสภาพไร้น้ำหนัก และมีแรงโน้มถ่วงกับแรงหนืดของอากาศมากระทำ เพื่อหาองค์ความรู้ด้านความปลอดภัยในการเดินทางกลับโลก และถ้าเกิดอุบัติเหตุไฟไหม้ยาน ซึ่งทำให้นักทัศนาจรอวกาศจำเป็นต้องสละยาน เพื่อจะได้ลงสู่พื้นโลกอย่างปลอดภัย
ประวัติการดิ่งพสุธาจากที่สูงมากตลอดเวลาในช่วง 78 ปีที่ผ่านมา เป็นดังนี้
ปี 1943 Randy Lovelace ซึ่งเป็นแพทย์ทหารชาวอเมริกัน ได้กระโดดออกจาก เครื่องบิน Boeing B-17E ที่ระยะสูง 12.253 กิโลเมตร หลังจากที่ลอยอยู่ ในบรรยากาศโลกเป็นเวลานาน 23 นาที กับ 51 วินาที เขาก็สามารถลงสู่ พื้นดินได้อย่างปลอดภัย แต่การกางออกของร่มชูชีพอย่างกระทันหันก่อน ถึงพื้นดิน ได้ทำให้ Lovelace หมดสติไปชั่วคราว จนกระทั่งเมื่อเขาอยู่ที่ ระดับความสูง 9.144 กิโลเมตร เขาก็คืนสติ
ปี 1960 Joe Kittinger นักบินแห่งกองทัพอากาศสหรัฐฯ ได้ทดสอบประสิทธิภาพ การทำงานของร่มชูชีพหลายครั้ง โดยกระโดดจากบอลลูนที่บรรจุแก๊ส ฮีเลียม โดยได้ทำสถิติความสูง 31.3 กิโลเมตร คือ จากชั้น stratosphere และได้ทำสถิติความเร็วสูงสุดด้วย คือ 988 กิโลเมตร/ชั่วโมง ผ่านชั้น บรรยากาศที่มีอุณหภูมิ -70 องศาเซลเซียส และใช้เวลาตกเสรี (คือ ไม่มีร่ม ชูชีพช่วยในการตกเลย) เป็นเวลานาน 4 นาทีกับ 36 วินาที รวมเวลาทั้งสิ้น 13 นาทีกับ 45 วินาที สถิติของ Kittinger นี้ ได้ยืนนานเป็นเวลา 52 ปี จนกระทั่งถูก Felix Baumgartner ทำลายในปี 2012
ปี 1962 Yevgeni Andreyev ชาวรัสเซีย ได้กระโดดจากบอลลูน ที่ระยะสูง 24.5 กิโลเมตรเหนือผิวโลก หลังจากที่ตกแบบเสรี คือ ไม่ได้ใช้ร่มชูชีพช่วยใน ขณะหนึ่ง (เพราะอากาศมีความหนาแน่นน้อย ร่มจึงไม่กาง) แล้วใช้เวลาใน การตก นาน 4 นาที กับ 30 วินาที
ปี 1966 Nick Piantanida นักบินชาวอเมริกัน ได้กระโดดจากบอลลูนที่ระดับความ สูง 37.6 กิโลเมตร ทั้ง ๆ ที่ไม่เคยมีประสบการณ์ในการกระโดดร่มมาก แต่ ก็ต้องการจะเสี่ยงชีวิต และต้องการจะมีชื่อเสียง หลังจากที่ได้ตกเสรีเป็น เวลานาน 17 นาที หน้ากากของหมวกนิรภัยที่เขาสวมได้แตกออก ทำให้ Piantanida เป็นลมหมดสติ และตกถึงพื้นในสภาพสลบไสล เพราะ ร่างกายขาดออกซิเจน และได้เสียชีวิตในโรงพยาบาลในอีก 4 เดือนต่อมา
ปี 2012 Felix Baumgartner วัย 43 ปี ชาวออสเตรีย ซึ่งทำงานประจำใน โครงการ Red Bull Stratos ได้ขึ้นบอลลูนฮีเลียมไปจนถึงระยะสูง 39.044 กิโลเมตรเหนือพื้นดิน แล้วกระโดดลงมา มีอยู่ช่วงหนึ่งที่ Baumgartner มีความเร็วสูงถึง 1,342 กิโลเมตร/ชั่วโมง ซึ่งนับว่ามากเป็น 1.24 เท่าของความเร็วเสียง (หรือ 1.24 Mach ซึ่ง 1 Mach มีค่าเท่ากับ 1,100 กิโลเมตร/ชั่วโมง) หลังจากที่ได้ตกเสรีเป็นเวลานาน 4 นาที กับ 20 วินาที ร่มชูชีพก็ได้กางออกนำ Baumgartner ร่อนลงในทะเลทรายใกล้ เมือง Roswell ในรัฐ New Mexico ประเทศสหรัฐอเมริกาอย่างปลอดภัย
การมีอุปกรณ์ GPS (Global Positioning System) ติดอยู่ที่ชุดอวกาศของเขา ได้ทำให้เจ้าหน้าที่โครงการทุกคน รู้ตำแหน่ง ความเร็วและความเร่งของ Baumgartner ตลอดเวลาที่เขาตกสู่ผิวโลก อุปกรณ์ GPS ระบุว่า เขามีความเร็วในแนวดิ่ง 1357.6 กิโลเมตร/ชั่วโมง หรือ 377 เมตร/วินาที และเขาได้เริ่มกระโดดเมื่ออยู่ที่ระดับความสูง 38.9694 กิโลเมตรเหนือผิวโลก เขาได้ตกเสรีเป็นระยะทาง 36.4026 กิโลเมตร ก่อนที่ร่มชูชีพจะกางออก เพื่อชะลอความเร็ว
การวิเคราะห์การตกสู่โลกของ Baumgartner โดยใช้กฎการเคลื่อนที่ของ Newton ได้แสดงให้เห็นว่า
เพราะอุปกรณ์ GPS ที่ติดอยู่กับชุดอวกาศสามารถบอกความเร็ว v ของ Baumgartner ณ เวลาต่าง ๆ และระยะสูงเหนือพื้นดินได้ตลอดเวลา ทำให้การคำนวณหาค่า g ณ ตำแหน่งต่าง ๆ ไม่มีปัญหาใด ๆ โดยใช้กฎแรงดึงดูดของ Newton ในการหาความหนาแน่น d ของอากาศนั้น ก็สามารถจะรู้ได้จากข้อมูลอุตุนิยมวิทยา เมื่อเป็นเช่นนี้ การคำนวณหาค่า CD จึงไม่มีปัญหาใด ๆ และได้พบว่า CD มีค่าไม่คงตัว ซึ่งเป็นเรื่องไม่น่าประหลาดใจ เพราะสูตรแรงต้านของอากาศที่ใช้ เป็นสูตรที่เหมาะสำหรับการเคลื่อนที่ที่วัตถุมีความเร็วต่ำกว่าเสียง ดังนั้นเมื่อความเร็วสูงกว่าเสียง CD จึงเปลี่ยนอย่างกระทันหัน
เพราะการดิ่งพสุธา โดยใช้ร่มชูชีพช่วยเพียงอย่างเดียวเป็นเรื่องอันตรายสำหรับคนทั่วไปที่รักตัวกลัวตาย ดังนั้นจึงอาจมีคำถามว่า เหตุใดคนบางคนจึงชอบทำให้คนอื่นรู้สึกสยองขวัญกับการกระทำของตน
ในการตอบคำถามนี้ Chuangsheng Chen แห่งมหาวิทยาลัย California ที่ Irvine (UCI) ได้เสนอความคิดเมื่อ 20 ปีก่อนนี้ว่า การกระทำที่เสี่ยงชีวิตในลักษณะนี้เป็นผลที่เกิดจากการที่ร่างกายของคน ๆ นั้นมียีน (gene) ผจญภัยในตัว เพราะนับตั้งแต่มนุษย์ได้อพยพออกจากทวีปแอฟริกา เมื่อ 50,000 ปีก่อน และได้พเนจรอย่างกระจัดกระจายไปทั่วโลก เพราะยีนผจญภัยนี้ ได้ผลักดันให้มนุษย์ชอบการเสี่ยงภัยนั่นเอง
ในปี 2011 Luke Matthews จากมหาวิทยาลัย Harvard ในประเทศสหรัฐอเมริกาได้แสดงให้เห็นว่ายีน ชื่อ DRD4 มี 4R allele ที่มีบทบาทในการทำให้คนมีอารมณ์สม่ำเสมอและรอบคอบ แต่ถ้าคน ๆ นั้นมี 7R และ 2R allele เขาจะเป็นคนที่ชอบผจญภัยและชอบเสี่ยงอันตราย แต่ก็สามารถเอาตัวรอดได้ Matthews ได้ข้อสรุปนี้จากการวิเคราะห์ความถี่ในการพบ 7R และ 2R allele ในร่างกายของมนุษย์ที่อาศัยอยู่ตามเส้นทางจากแอฟริกาไปยุโรป เอเชีย และอเมริกา และได้พบว่า เมื่อคนอยู่ห่างไกลจากทวีปแอฟริกาเพียงใด ความถี่ในการพบ 7R และ 2R allele ก็จะยิ่งมาก ผลงานนี้ได้รับการเผยแพร่ในวารสาร American Journal of Physical Anthropology , DOI : 10.1002/ajpa.21507
ส่วนคนที่ไม่มียีนผจญภัยในตัว ก็ยังไม่สิ้นหวังที่จะได้เดินทางไปในอวกาศกับเขาด้วย ในลักษณะที่เป็นนักทัศนาจรอวกาศแบบชะโงกทัวร์ เพราะ Elon Musk มีโครงการ Space X , Jeff Bezos มีโครงการ Blue Origin และ Richard Branson ก็มีโครงการ Virgin Galactic นำคนที่ต้องการจะสัมผัสอวกาศ โดยเดินทางไปในยานอวกาศ ในช่วงเวลาสั้น ๆ แต่ต้องจ่ายเงินค่าโดยสารคนละประมาณ 8 ล้านบาท และพบว่ามีคนสมัครจะไปทริปนี้จาก 70 ประเทศ ร่วม 1,500 คนแล้ว
สำหรับการเดินทางไปอวกาศ เพื่อให้ได้ประสบการณ์ไร้น้ำหนักนั้น ก็สามารถกระทำได้ โดยใช้เครื่องบิน G-Force One โดยเครื่องบินจะบินไต่ขึ้นท้องฟ้าในลักษณะที่เป็นเส้นโค้งแบบพาราโบลาซึ่งมีความชันไม่มาก เมื่อเครื่องบินขึ้นถึงระยะสูงสุดแล้ว นักบินก็จะดับเครื่อง แล้วบังคับให้เครื่องบินปักหัวลง ซึ่งจะทำให้ผู้โดยสารตกอยู่ในสภาพไร้น้ำหนักชั่วคราว ความชันของวิถีบินจะสร้างแรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อผู้โดยสาร ซึ่งมีค่าต่าง ๆ เช่น ทำให้ผู้โดยสารมีน้ำหนักเป็น 1/3 ของน้ำหนักตัว ซึ่งแสดงว่าเขากำลังเดินอยู่บนดาวอังคาร และถ้าทำให้น้ำหนักตัวมีค่าเป็น 1/6 ของน้ำหนักจริง ก็แสดงว่าเขากำลังเดินอยู่บนดวงจันทร์ เป็นต้น
การกระโดดจากที่สูงมาก เช่น จากขอบอวกาศแล้วตกลงอย่างเสรีเป็นเวลานาน ๆ ยังไม่มีใครใดกระทำ แต่เราก็มั่นใจได้ว่าในอนาคตจะมีคนกล้าทำแน่นอน เพื่อทำลายสถิติปี 2014 ในการตกเสรีเป็นระยะทาง 41 กิโลเมตร ของ Alan Eustace
คำถามที่น่าสนใจคำถามหนึ่ง สำหรับการไปทัศนาจรอวกาศในระยะสั้นเช่นนี้ คือ การเดินทางได้ทำให้การดำรงชีวิตของชาวโลกคนอื่น ๆ ดีขึ้นอย่างไร หรือไม่
ในการตอบคำถามนี้ บรรดาคนที่มีประสบการณ์เดินทาง ได้เล่าความรู้สึกว่า ขณะอยู่ที่สูงและมองออกไปนอกหน้าต่างของยาน เขารู้สึกเสมือนว่าตนเป็นเพียงเศษธุลีเล็ก ๆ เพราะมองไม่เห็นเส้นพรมแดนที่แบ่งแยกประเทศต่าง ๆ ไม่เห็นความแตกต่างในระหว่างคนแต่ละชาติ ตลอดเวลาก็รู้เพียงว่า เขาเป็นเพียงมนุษย์คนหนึ่งที่มาจากโลก และกำลังอาศัยอยู่บนโลก ประสบการณ์นี้ได้ทำให้เขารู้สึกว่าจะต้องอนุรักษ์และรักษาโลกไว้ให้ดีที่สุด เพราะไม่มีโลกอื่นจะให้ไป หรือให้อยู่อีกแล้ว
อ่านเพิ่มเติมจาก “STRATOQUEST (Project) The balloon encyclopedia” stratocal.com.ar. Retrieved 2019-04-23
สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" จาก "ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน" ได้ทุกวันศุกร์
