สมาคมดาราศาสตร์ไทย

ซักฟอกกาลิเลโอ

ซักฟอกกาลิเลโอ

9 มิ.ย. 2547
รายงานโดย: วิมุติ วสะหลาย (wimut@hotmail.com)
เมื่อราวสี่ร้อยปีก่อน กาลิเลโอ กาลิเลอี เกิดความสงสัยในความเชื่อบางอย่างของคนในยุคนั้น จึงได้ทำการทดลองอันลือลั่นด้วยการหย่อนสิ่งของหลายชิ้นลงมาจากหอเอนแห่งเมืองปีซา ผลคือ ของทุกชิ้นไม่ว่าจะหนักหรือเบาตกลงด้วยความเร็วเท่ากัน การค้นพบนี้ขัดแย้งกับความเชื่อในยุคนั้น และเป็นที่มาของหลักสมมูล (Equivalence Principle) อันเป็นการเปิดประตูสู่ยุคใหม่ของวิทยาศาสตร์ และเป็นรากฐานของทฤษฎีต่าง ๆ ในปัจจุบัน แม้แต่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของแอลเบิร์ต ไอนส์ไตน์ ก็ตั้งอยู่บนสมมุติฐานว่าหลักสมมูลเป็นความจริง

แต่แนวคิดนี้กำลังถูกท้าทาย

จิม วิลเลียมส์ นักฟิสิกส์จากห้องปฏิบัติการเจพีแอลของนาซา กล่าวว่า ทฤษฎีใหม่ ๆ หลายทฤษฎีสนับสนุนว่าความเร่งเนื่องจากความโน้มถ่วงขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของวัตถุด้วย หากแนวคิดนี้เป็นจริง ย่อมหมายถึงการปฏิวัติทางฟิสิกส์ครั้งใหญ่เลยทีเดียว

นักวิทยาศาสตร์กำลังจะพิสูจน์ทฤษฎีนี้ แต่ความคลาดเคลื่อนของหลักสมมูลเพียงน้อยนิดไม่อาจวัดได้จากการทดลองทิ้งก้อนหินจากหอเอนหรือจากการทดลองอย่างอื่นบนโลก แต่จำเป็นต้องสร้างห้องทดลองและหา "ก้อนหิน" ที่ใหญ่กว่าเดิม และขณะนี้ก็พบก้อนหินสองก้อนที่จะใช้ทดสอบแล้ว นั่นคือโลกและดวงจันทร์

เมื่อกว่า 30 ปีที่แล้ว นักบินอวกาศจากโครงการอะพอลโลที่ไปเหยียบดวงจันทร์ ได้นำแผงสะท้อนแสงไปวางไว้บนดวงจันทร์ อุปกรณ์นี้มีประโยชน์อย่างมากในการวัดระยะห่างระหว่างโลกกับดวงจันทร์ได้อย่างแม่นยำ การวัดกระทำโดยการยิงแสงเลเซอร์จากโลกไปที่แผงสะท้อนแสงนี้แล้ววัดระยะเวลาในการสะท้อนกลับมายังโลก เมื่อได้ระยะเวลาก็ทราบระยะทางได้เนื่องจากทราบอัตราเร็วของแสงอยู่แล้ว

การทดสอบที่นักดาราศาสตร์กำลังจะทดสอบหลักสมมูลจะใช้ประโยชน์จากแผงสะท้อนแสงนี้อีกครั้ง แต่แทนที่จะวัดการตกของลูกบอลจากหอเอนเมืองปีซา กลับวัดการอัตราเร่งของโลกและดวงจันทร์สู่ดวงอาทิตย์ โดยจะสังเกตการเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยของวงโคจรดวงจันทร์ โลกและดวงจันทร์มีองค์ประกอบต่างกัน มวลต่างกัน หากวัตถุทั้งสองมีอัตราเร่งสู่ดวงอาทิตย์เท่ากัน ก็จะเป็นการยืนยันความถูกต้องของหลักสมมูล แต่ถ้าไม่เท่ากัน ก็ถึงเวลาต้องชำระวิชาฟิสิกส์ขนานใหญ่

นักวิทยาศาสตร์ได้วัดระยะห่างระหว่างโลกกับดวงจันทร์มาตั้งแต่ยุคอะพอลโลแล้ว ตัวเลขที่แม่นยำที่สุดในปัจจุบันคือ 385,000 กิโลเมตร ความคลาดเคลื่อนประมาณ 1.7 เซนติเมตร แต่การวัดใหม่นี้ นาซาและมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติสหรัฐอเมริกาจะเริ่มปฏิบัติการใหม่ เรียกว่า ปฏิบัติการวัดระยะทางของดวงจันทร์ด้วยเลเซอร์หอดูดาวอาปาเชพอยต์ หรือปฏิบัติการอะพอลโล (APOLLO--Apache Point Observatory Lunar Laser-ranging Operation) ปฏิบัติการนี้จะวัดระยะทางใช้วิธีการยิงเลเซอร์ไปยังดวงจันทร์เพียงช่วงสั้น ๆ เพียงหนึ่งในล้านล้านวินาทีแล้ววัดระยะเวลาในการสะท้อนกลับ และกล้องโทรทรรศน์ที่ใช้ในการวัดแสงสะท้อนกลับก็ใช้กล้องขนาดใหญ่ถึง 3.5 เมตรจากเดิมที่ใช้กล้องขนาด 0.72 เมตร ปฏิบัติการนี้จะมีความแม่นยำกว่าวิธีที่ใช้เดิม ๆ ถึง 10 เท่า ให้ความความเคลื่อนเพียง 1-2 มิลลิเมตรเท่านั้น ความแม่นยำระดับนี้จึงน่าจะเพียงพอที่จะพิสูจน์หลักสมมูลได้

คาดว่าปฏิบัติการนี้จะเริ่มต้นรายปลายปีนี้ เรื่องนี้ย่อมเป็นที่น่ายินดีสำหรับนักฟิสิกส์ เพราะเป็นเวลานับสิบปีมาแล้วที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปกับกลศาสตร์ควอนตัมซึ่งเป็นทฤษฎีที่อธิบายพฤติกรรมของธรรมชาติที่สำคัญไม่สอดคล้องกัน จึงมีแนวคิดของการหาทฤษฎีใหม่ที่รวมทฤษฎีทั้งหมดเข้าด้วยกันซึ่งจะอธิบายธรรมชาติได้ทุกอย่าง เป็นที่รู้จักกันในชื่อ ทฤษฎีสรรพสิ่ง (Theory of Everything) หากการทดลองของนักวิทยาศาสตร์ในครั้งนี้สามารถพบจุดบกพร่องในหลักสมมูลจริง อาจก่อให้เกิดการปฏิวัติทางฟิสิกส์ อันเป็นการนำเราเข้าใกล้ทฤษฎีในฝันยิ่งขึ้นก็เป็นได้

แผงสะท้อนแสงบนดวงจันทร์ที่ติดตั้งโดยนักบินอวกาศจากโครงการอะพอลโล 14 นอกจากอะพอลโล 14 แล้ว ยังมีภารกิจอื่น ๆ ที่มีการนำอุปกรณ์ชนิดนี้ไปติดตั้งบนดวงจันทร์เหมือนกัน ได้แก่ อะพอลโล 11 อะพอลโล 15 และยานลูโนฮอด (Lunokhod) ของสหภาพโซเวียตอีกสองลำ

แผงสะท้อนแสงบนดวงจันทร์ที่ติดตั้งโดยนักบินอวกาศจากโครงการอะพอลโล 14 นอกจากอะพอลโล 14 แล้ว ยังมีภารกิจอื่น ๆ ที่มีการนำอุปกรณ์ชนิดนี้ไปติดตั้งบนดวงจันทร์เหมือนกัน ได้แก่ อะพอลโล 11 อะพอลโล 15 และยานลูโนฮอด (Lunokhod) ของสหภาพโซเวียตอีกสองลำ

เครื่องวัดระยะทางด้วยเลเซอร์ที่ตั้งอยู่ที่ตั้งหอดูดาวแมกดอนัลด์ของมหาวิทยาลัยเทกซัส การวัดระยะห่างของดวงจันทร์ทำโดยยิงแสงเลเซอร์เป็นเวลาสั้น ๆ ไปยังแผงสะท้อนแสงที่ตั้งไว้บนดวงจันทร์ และวัดระยะเวลาในการสะท้อนกลับ

เครื่องวัดระยะทางด้วยเลเซอร์ที่ตั้งอยู่ที่ตั้งหอดูดาวแมกดอนัลด์ของมหาวิทยาลัยเทกซัส การวัดระยะห่างของดวงจันทร์ทำโดยยิงแสงเลเซอร์เป็นเวลาสั้น ๆ ไปยังแผงสะท้อนแสงที่ตั้งไว้บนดวงจันทร์ และวัดระยะเวลาในการสะท้อนกลับ

ตำแหน่งบนดวงจันทร์ที่มีชุดสะท้อนแสงติดตั้งไว้ จุดเอ คือจุดที่ยานอะพอลโลลงจอด จุดแอลคือจุดที่ยานลูโนฮอดของโซเวียตลงจอด

ตำแหน่งบนดวงจันทร์ที่มีชุดสะท้อนแสงติดตั้งไว้ จุดเอ คือจุดที่ยานอะพอลโลลงจอด จุดแอลคือจุดที่ยานลูโนฮอดของโซเวียตลงจอด

ที่มา: