เช็กบิลไอน์สไตน์ : การบิดโค้งของอวกาศรอบมวลที่กำลังหมุน

<TABLE cellSpacing=0 cellPadding=4 width="100%" border=0><TBODY><TR><TD vAlign=center align=middle></TD></TR></TBODY></TABLE><TABLE cellSpacing=0 cellPadding=4 width="100%" border=0><TBODY><TR><TD class=body vAlign=top align=middle><TABLE cellSpacing=0 cellPadding=0 width="100%" border=0><TBODY><TR><TD class=body vAlign=baseline align=left><TABLE cellSpacing=0 cellPadding=0 align=left border=0><TBODY><TR><TD vAlign=top align=middle><TABLE cellSpacing=0 cellPadding=0 width=250 border=0><TBODY><TR><TD vAlign=top align=middle width=250> </TD></TR><TR><TD class=Image vAlign=baseline align=left>ยาน Gravity Probe B </TD></TR></TBODY></TABLE></TD><TD width=5></TD></TR><TR><TD vAlign=top align=middle height=5></TD></TR></TBODY></TABLE> ในปี พ.ศ. 2513 ขณะยาน Mariner 6 อยู่ห่างจากโลก 400 ล้านกิโลเมตร และมีดวงอาทิตย์คั่นกลาง I. Shapiro แห่ง Jet Propulsion Lab ที่ Pasadena ได้ดักฟังสัญญาณที่เขาส่งไปแล้วสะท้อนกลับมา โดยยานและเขาก็ได้พบว่า สัญญาณกลับมาถึงตัวเขาถูกดวงอาทิตย์ชะลอไปนาน 0.000204 วินาที ตรงกับเวลา 0.0002 วินาที ที่ไอน์สไตน์ทำนายไว้ทุกประการ

และในกรณีดาวพุธที่โคจรรอบดวงอาทิตย์ด้วยความเร็วสูงยิ่งกว่าดาวเคราะห์ดวงอื่นในสุริยจักรวาล นักดาราศาสตร์ก็ได้พบว่า วิถีโคจรของดาวพุธไม่เคยซ้ำรอยเดิม โดยตำแหน่งที่มันอยู่ใกล้ดวงอาทิตย์มากที่สุดจะขยับเลื่อนไป 43 ฟิลิปดาในทุกศตวรรษ ซึ่งแสดงให้เห็นว่า ทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของนิวตันถูกต้องแต่ไม่สมบูรณ์ ซึ่งถ้าใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์อธิบายความแตกต่างนี้ ผลการคำนวณจะให้ตัวเลข 43.03 ฟิลิปดา ตรงตามที่นักดาราศาสตร์วัดได้จริงๆ

หรือในกรณีของอนุภาคที่มีความเร็วสูงมาก และสลายตัวได้ นักฟิสิกส์ก็ได้พบว่า ถ้ามันอยู่นิ่งไม่เคลื่อนที่ ชีวิตมันจะสั้น นั่นคือมันจะสลายตัว เมื่อเวลาผ่านไปไม่นาน แต่ถ้ามันเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูง ชีวิตมันจะยืนนานขึ้น ยกตัวอย่างเช่น อนุภาค pi-meson ที่ถ้าอยู่นิ่งจะมีอายุ 0.000025 วินาที แต่ถ้ามันเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 130,000 กิโลเมตร/วินาที มันจะเคลื่อนที่ได้ระยะทาง 4 เมตร ก่อนจะสลายตัว และถ้าความเร็วเพิ่มขึ้น 2 เท่า คนทั่วไปก็มักคิดว่ามันจะไปได้ไกล 8 เมตร แล้วก็สลายตัว แต่ความจริงก็มีว่ามันจะพุ่งไปได้ไกลถึง 15 เมตร จึงสลายตัว นั่นคือความเร็วยิ่งสูงทำให้มันมีชีวิตอยู่ได้ยิ่งนาน และถ้าเพิ่มความเร็วขึ้นอีก 10% มันก็จะเดินทางได้ไกลถึง 26 เมตร ตรงตามที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของไอน์สไตน์ทำนายไว้เช่นกัน

ส่วน Joseph Hafele แห่งมหาวิทยาลัย Washington ในสหรัฐอเมริกา ได้ทดลองนำนาฬิกาประมาณ 4 เรือนติดตั้งบนเครื่องบินโดยสาร แล้วให้เครื่องบิน 2 ลำจากทิศตะวันตกไปทิศตะวันออก แล้วอีก 2 ลำสวนทิศคือ บินจากตะวันออกสู่ตะวันตก และเมื่อเครื่องบินทั้ง 4 ลำบินกลับถึงสถานที่เริ่มต้น Hafele ได้เปรียบเทียบเวลาที่ปรากฏบนนาฬิกาปรมาณูทั้ง 4 เรือน ซึ่งไอน์สไตน์ได้ทำนายว่า นาฬิกาเรือนที่เคลื่อนไหวทางทิศตะวันออกจะเดินช้าลง 40 นาโนวินาที (0.0000004) และนาฬิกาที่เคลื่อนไปทางทิศตะวันตกจะเดินเร็วขึ้น 275 นาโนวินาที (0.00000275 วินาที)

และผลการทดลองก็ได้ตัวเลข 50 นาโนวินาที กับ 160 นาโนวินาทีตามลำดับ ซึ่งแสดงให้เห็นว่า ทิศการเคลื่อนที่ของนาฬิการอบโลก ทำให้เวลาแตกต่างกันจริงๆ และความแตกต่างนั้น เกิดจากการที่เครื่องบินต้องหยุดพักบินกลางทาง ถึงแม้ตัวเลขจะแตกต่างกัน �มาก� แต่ข้อมูลก็นับได้ว่าน่าศรัทธา เพราะการวัดเวลาที่ละเอียดถึงระดับนาโนนั้น ไม่ได้เป็นเรื่องง่าย เมื่อเครื่องบินมีความเร็วที่ไม่สม่ำเสมอ ตัวเครื่องมีการหมุน การส่าย โลกเบื้องล่างก็กำลังหมุน สนามโน้มถ่วงของโลกที่กระทำต่อนาฬิกาจึงแปรปรวนตลอดเวลา ทำให้นาฬิกาตกอยู่ภายใต้อิทธิพลของแรงต่างๆ ร่วม 100 รูปแบบ ดังนั้น การจะเห็นความแตกต่างระหว่างทฤษฎีของนิวตันกับทฤษฎีของไอน์สไตน์ จึงต้องกระทำอย่างระมัดระวัง และรอบคอบมาก และโดยทั่วไปแล้วนักฟิสิกส์ต้องการห้องทดลองขนาดใหญ่เท่าโลก หรือเท่าจักรวาลเพื่อจะเห็นความแตกต่างนี้ และเพราะความแตกต่างด้านตัวเลขระหว่างทฤษฎีกับการทดลองยังมีมาก นักฟิสิกส์จึงยังไม่มีความมั่นใจในความถูกต้องของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปอย่างสมบูรณ์ 100%

ดังนั้น จึงเป็นเรื่องที่ไม่น่าประหลาดใจที่นักฟิสิกส์ยังทดสอบหรือเช็กบิลไอน์สไตน์อยู่ตลอดเวลา 88 ปี ที่ไอน์สไตน์ได้สร้างทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปขึ้นมา ตัวไอน์สไตน์เองก่อนจะเสียชีวิต 6 ปี ก็เคยกล่าวว่า ถึงแม้ใครๆ จะคิดว่าทฤษฎีและสูตรต่างๆ ที่ท่านคิดไว้ประเสริฐและสมบูรณ์ แต่ในอนาคตสูตรต่างๆ หลายสูตรจะถูกปรับเปลี่ยนและความคิดต่างๆ จะถูกแก้ไข แม้แต่ C. N. Yang นักฟิสิกส์ชาวอเมริกันเชื้อสายจีนผู้พิชิตรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์เมื่อปี 2500 ก็ได้เคยกล่าวว่า เมื่อถึงระดับที่เล็กกว่าอะตอม ทฤษฎีของไอน์สไตน์ก็จะต้องมีการปรับเปลี่ยนใหม่โดยต้องใช้ทฤษฎีควอนตัมเป็นหลักในการคิดแทน

ในโลกของไอน์สไตน์นั้น มีเหตุการณ์ต่างๆ มากมายที่ขัดกับความรู้สึกทั่วไป เช่น ไอน์สไตน์พบว่าเราสามารถแปลงสสารให้กลายเป็นพลังงานได้ และในทำนองตรงกันข้าม เราก็สามารถ �เสก� สสารจากพลังงานก็ได้ หรือคนสองคนที่กำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร็วไม่เท่ากัน ไอน์สไตน์ก็พบว่า นาฬิกาของคนทั้งสองเดินเร็วไม่เท่ากัน หรือแม้แต่มวลของสสารก็ใช่ว่าจะไม่เปลี่ยนแปลง เพราะคนที่อยู่นิ่งจะวัดมวลได้ค่าๆ หนึ่ง แต่คนที่กำลังเคลื่อนที่จะวัดมวลก้อนนั้นได้ค่ามากขึ้น และถ้าเขาเคลื่อนที่ยิ่งเร็วค่าของมวลที่วัดได้ก็ยิ่งมาก และความรู้ที่เราๆ เคยเรียนกันมาในชั้นประถมว่า แสงเดินทางเป็นเส้นตรงนั้นก็จริง ถ้าบริเวณที่แสงเดินทางผ่านเป็นสุญญากาศ แต่ถ้าแสงผ่านใกล้ดวงอาทิตย์หรือหลุมดำที่มีมวลมหาศาล แรงโน้มถ่วงที่ดวงอาทิตย์หรือหลุมดำกระทำต่อแสง จะทำให้แสงเดินโค้งลงได้ หรือในกรณีสสารที่เคลื่อนที่ด้วยความเร่ง ไอน์สไตน์ก็ทำนายว่า สสารก้อนนั้นจะแผ่รังสีคลื่นโน้มถ่วง (Grairtational wave) ออกมา เหล่านี้คือคำทำนายชนิดหลุดโลกของไอน์สไตน์ ซึ่งได้รับการพิสูจน์โดยการทดลองว่า ถูกต้องในหลายเรื่อง และอีกหลายเรื่องที่ยังไม่มีใครสามารถตรวจสอบได้

อีกหนึ่งคำทำนายที่ได้จากทฤษฎีของไอน์สไตน์ ซึ่งไอน์สไตน์ไม่ได้คำนวณไว้ แต่เป็นผลการคำนวณของนักฟิสิกส์ชาวออสเตรียสองคนชื่อ Josef Lense และ Hans Thirring ซึ่งได้พบว่าเวลาสสารหมุน (เช่น โลกหมุนรอบตัวเอง) มันจะดึงอวกาศในบริเวณรอบตัวมันให้บิดเบี้ยวตามไปด้วย เหมือนเวลาลูกบอลหมุนติ้วในน้ำเชื่อมและเราวางไม้ขีดไฟลงในน้ำเชื่อมนั้น โดยให้ปลายข้างหนึ่งของไม้ขีดไฟชี้ตรงไปยังลูกบอล เราก็จะเห็นว่า เมื่อลูกบอลหมุน น้ำเชื่อมที่อยู่ใกล้ลูกบอลจะมีความเร็วสูงกว่าน้ำเชื่อมที่อยู่ไกล ดังนั้น ปลายข้างหนึ่งของไม้ขีดไฟที่อยู่ใกล้ลูกบอล จะมีความเร็วสูงกว่าปลายอีกข้างหนึ่งของไม้ขีดไฟที่อยู่ไกล และเมื่อความเร็วของปลายทั้งสองข้างไม่เท่ากัน ไม้ขีดไฟก็จะหมุนด้วย ฉันใดก็ฉันนั้น โลกที่กำลังหมุนรอบตัวเอง ก็กำลังทำให้อวกาศรอบๆ บิดเบี้ยวเสียรูปทรง ดังนั้น ยานอวกาศใดๆ ที่อยู่ในวงโคจรเหนือโลกก็จะหมุนส่ายเพราะอวกาศรอบโลกถูกบิดเบี้ยวโดยโลกที่กำลังหมุน

ซึ่งคำทำนายนี้ ยังไม่เคยได้รับการทดสอบเลย แต่เมื่อวันที่ 20 เมษายน ที่ผ่านมานี้ NASA ก็ได้ปล่อยยานอวกาศชื่อ Gravity Probe B มูลค่า 27,000 ล้านบาท เพื่อเช็กบิลไอน์สไตน์สำหรับเรื่องนี้ ซึ่งถ้าอุปกรณ์ตรวจวัดได้ค่ามุมหมุนตรงตามที่ทฤษฎีไอน์สไตน์ทำนายไว้ การทดลองนี้ก็จะยิ่งใหญ่เป็นตำนานเล่าขานกันไปทั้งชาติ แต่ถ้าผลที่ได้แตกต่่างจากที่ทฤษฎีทำนาย นั่นก็หมายความว่า ทฤษฎีไอน์สไตน์จะต้องได้รับการแก้ไข เพราะไม่สมบูรณ์ทันที

ยาน Gravity Probe B ต้องใช้เวลาสร้างนาน 45 ปี นานจนคนที่คิดออกแบบยานชื่อ L. Schift, W. Fairfank และ R. Cannon แห่งมหาวิทยาลัย Stanford ได้เสียชีวิตไปแล้ว

ตัวยานที่หนัก 3.5 ตัน ภายในมีลูกทรงกลม 4 ลูกขนาดเท่าลูกปิงปองติดตั้งอยู่ ลูกทรงกลมทั้ง 4 นี้ถูกทำให้มีอุณหภูมิต่ำถึง -273 องศาเซลเซียส และหมุนรอบตัวเองนาทีละ 10,000 รอบ มันจึงมีสภาพเหมือนอุปกรณ์ชนิดหนึ่งที่เรียกว่า gyroscope การอยู่ในสุญญากาศ ในสภาพที่ไร้น้ำหนัก น่าจะทำให้ทิศการหมุนของ gyroscope ไม่เปลี่ยนแปลง ไม่ว่าเวลาจะผ่านไปนานเท่าใดก็ตาม แต่ถ้าจะว่าตามทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ ถ้าให้ทิศของ gyroscope ชี้ตรงไปที่ดาวฤกษ์ Rigel ซึ่งอยู่ห่างจากโลก 3 แสนปีแสง การหมุนรอบตัวเองของโลกจะทำให้ ทิศของ gyroscope เบี่ยงเบนไป 0.0007 องศาในเวลา 1 ปี การทดลองนี้จึงเปรียบเสมือนการหวังจะเห็นเส้นผมที่อยู่ห่างออกไป 18 กิโลเมตร ด้วยตาเปล่า ถึงกระนั้นวิศวกรผู้สร้าง Gravity Probe B ก็คาดหวังไว้ 100% ว่าอุปกรณ์จะวัดได้ และข้อมูลแสดงผลการทดลองจะปรากฏเป็นครั้งแรกในเดือนตุลาคมปี 2548 ครับ กรุณาอดใจรอ
</TD></TR></TBODY></TABLE></TD></TR></TBODY></TABLE>