กำเนิดและวิวัฒนาการของจักรวาล#16 ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ตอนที่ 5 Gravitational Waves (1)

คำทำนายสุดท้ายและสำคัญที่สุดในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ (Einstein’s Theory of General Relativity, 1915) คือการมีอยู่ของคลื่นความโน้มถ่วง”Gravitational waves” เมื่อ 100 ปีก่อน และเพิ่งได้รับการยืนยันการมีอยู่จริงของคลื่นนี้จากการตรวจจับโดยตรงเมื่อปี 2015

นักวิทยาศาสตร์ตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงเป็นครั้งแรกโดย LIGO (Laser Interferometer Gravitational Observatory) คลื่นความโน้มถ่วงแรกที่ตรวจจับได้นี้เกิดขึ้นจากการที่หลุมดำสองอันเคลื่อนที่มาชนและรวมตัวกัน การปะทะกันเกิดขึ้นเมื่อ 1.3 พันล้านปีก่อน แต่ระลอกคลื่นพึ่งเดินทางมาถึงโลกในปี 2015!

คลื่นความโน้มถ่วงเป็น ‘ระลอกคลื่น’ ในอวกาศ-เวลา (ripples in space-time) ที่มีกระบวนการกำเนิดที่รุนแรงในจักรวาล ไอน์สไตน์ทำนายการมีอยู่ของคลื่นความโน้มถ่วงในปี 1915 ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของเขา สมการคณิตศาสตร์ของไอน์สไตน์แสดงให้เห็นว่ามีสิ่งพิเศษเกิดขึ้นในจักรวาล เมื่อวัตถุมวลมากสองอัน เช่น ดาวนิวตรอนหรือหลุมดำที่โคจรรอบกันและกัน เคลื่อนที่เข้าหากันด้วยความเร่ง จนถึงความเร็วสูงสุดในเสี้ยววินาทีสุดท้ายของการมาชนและรวมตัวกัน มวลมหาศาลบางส่วนของพวกมันได้แปรเปลี่ยนไปเป็นพลังงานความโน้มถ่วง (ตามกฎการอนุรักษ์พลังงานและสมการของไอน์สไตน์ E = mc²) และเดินทางออกจากแหล่งกำเนิดแบบแผ่ขยายออกไปทุกทิศทุกทาง ปรากฏการณ์นี้ไปรบกวน fabric ของอวกาศ-เวลา เกิดการกระเพื่อมเป็นระลอกคลื่นของอวกาศ-เวลา เหมือนกับระลอกคลื่นในสระน้ำที่เกิดขึ้นเมื่อมีการโยนหินลงไป เรียกคลื่นที่เกิดขึ้นนี้ว่า คลื่นความโน้มถ่วง “Gravitational waves” ซึ่งเดินทางด้วยความเร็วแสง ยิ่งไปกว่านั้นคลื่นความโน้มถ่วงยังนำพาข้อมูลของแหล่งกำเนิดไปกับมันด้วย

 

Gravitational waves: Astounding find validates Einstein

 

Why are these waves so hard to detect?

คลื่นความโน้มถ่วง (Gravitational waves) จะนำพาพลังงานในรูปแบบของการแผ่รังสีความโน้มถ่วง (gravitational radiation) ซึ่งเป็นรูปแบบที่คล้ายกับการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic radiation) มันเป็นคลื่นที่ทรงพลังในจักรวาล มีพลังงานและอำนาจในการทำลายล้างสูง แต่เป็นความโชคดีสำหรับเราที่นี่บนโลก เนื่องจากคลื่นนี้จะมีขนาดเล็กและอ่อนตัวลงไปตามเวลา เมื่อเดินทางมาถึงโลกพวกมันก็มีขนาดเล็กลงนับพันล้านเท่า เล็กกว่านิวเคลียสของอะตอม

และเช่นเดียวกับปรากฏการณ์ต่างๆที่ไอน์สไตน์ทำนายในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป คลื่นความโน้มถ่วง เป็นเพียงการทดลองทางความคิด เป็นสมการคณิตศาสตร์บนกระดาษของไอน์สไตน์ที่ยังไม่ได้รับการพิสูจน์จากเหตุการณ์ในโลกแห่งความเป็นจริงมานานนับ 100 ปี จนหลายคนเริ่มสงสัยในทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ แม้นแต่ไอน์สไตน์เองก็คิดไว้ว่า มนุษย์คงไม่สามารถตรวจจับคลื่นนี้ได้เนื่องจากเล็กเกินไป คงไม่มีใครสามารถตรวจสอบทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเกี่ยวกับปรากฏการณ์นี้ได้ ในบางช่วงไอน์สไตน์เองก็ไม่แน่ใจว่าคลื่นนี้มีอยู่จริงหรือไม่ เขากลับลำถึงสองครั้ง และเคยประกาศว่าคลื่นความโน้มถ่วงไม่มีอยู่จริง ก่อนที่จะเปลี่ยนใจมายืนยันความคิดของตัวเองอีกครั้งว่า คลื่นนี้มีอยู่จริงในจักรวาล! แน่นอนคุณถูก ไอน์สไตน์! หลังจากที่มนุษย์เพียรพยายามค้นหามันมานาน มีการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงเป็นครั้งแรกจากการตรวจจับโดยตรงเมื่อเร็วๆนี้ ในปี 2015 ครบรอบ 100 ปีสำหรับคำทำนายพอดี Amazing!

 

 

Adele – Rolling in the Deep

 

 

Gravitation waves open a new era of astronomy

คลื่นที่ถูกใช้ในการศึกษามากที่สุดในวิชาฟิสิกส์ คือ คลื่นกล (mechanical waves) และ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic waves)

Mechanical waves เป็นคลื่นที่จำเป็นต้องอาศัยตัวกลาง (ของแข็ง ของเหลว ก๊าซ) ในการเคลื่อนที่ ได้แก่ คลื่นน้ำ คลื่นเสียง คลื่นแผ่นดินไหว เป็นต้น

Electromagnetic waves เป็นคลื่นที่ไม่จำเป็นต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ สามารถเคลื่อนที่ในสูญญากาศได้ ได้แก่ คลื่นแสง คลื่นวิทยุ รังสีเอ็กซ์ รังสีแกมม่า เป็นต้น

การค้นพบคลื่นความโน้มถ่วง (gravitational waves) ในปี 2015 โดย LIGO เป็นเหตุการณ์ที่สำคัญมากในวงการวิทยาศาสตร์ ก่อนหน้านี้ทุกสิ่งที่เรารู้เกี่ยวกับจักรวาลมาจากการศึกษาคลื่นแสง ตอนนี้เรามีวิธีใหม่ในการเรียนรู้เกี่ยวกับจักรวาลโดยการศึกษาคลื่นความโน้มถ่วง

เป็นเวลา 400 ปีที่นักดาราศาสตร์ (astronomer) และนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ (astrophysicist) อาศัยคลื่นแสงในการศึกษาปรากฏการณ์ต่างๆทางดาราศาสตร์ผ่านทางกล้องโทรทรรศน์ประเภทต่างๆ มีปรากฏการณ์หลายอย่างที่ยังคลุมเครือหรือไม่สามารถสังเกตุการณ์เห็นได้อย่างสมบูรณ์ คลื่นความโน้มถ่วงจะเป็นเครื่องมือใหม่ที่มีประสิทธิภาพที่ใช้ความโน้มถ่วงแทนแสงเพื่อวัดปรากฏการณ์ต่างๆของจักรวาล การศึกษาคลื่นความโน้มถ่วงนั้นมีศักยภาพมหาศาลสำหรับการค้นพบส่วนต่างๆของจักรวาลที่มองไม่เห็นด้วยวิธีอื่นๆที่ใช้กันมา อาทิเช่น หลุมดำ บิกแบง และวัตถุอื่นๆในจักรวาลที่ยังไม่ถูกค้นพบ รวมทั้งการก่อตัวของจักรวาล (formation of universe)

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ บอกเราด้วยว่าคลื่นความโน้มถ่วงนั้นมีปฏิสัมพันธ์กับสสารน้อยมาก (weak interactions with matter) ทำให้คลื่นความโน้มถ่วงแทบจะไม่ได้รับผลกระทบใดๆขณะที่มันเดินทางผ่านจักรวาล ทำให้เราได้ข้อมูลที่เกือบครบถ้วนและสะอาดเกี่ยวกับแหล่งกำเนิดของคลื่นนี้

ในทางตรงกันข้ามกับแสงซึ่งเป็นแหล่งที่ให้ข้อมูลของเราเกี่ยวกับสสารต่างๆในจักรวาล ขณะที่แสงเดินทางจากแหล่งกำเนิดผ่านจักรวาลมายังโลก บางส่วนของแสงมีการกระเจิง รวมทั้งถูกปนเปื้อนด้วยฝุ่นในอวกาศและในชั้นบรรยากาศของโลกเราเอง ทำให้ข้อมูลที่แสงนำพามามายังโลกไม่ครบถ้วนและไม่สะอาด

การใช้คลื่นความโน้มถ่วงในการศึกษาเรื่องราวต่างๆของจักรวาล อยู่ใน “ดาราศาสตร์คลื่นความโน้มถ่วง (Gravitational-wave astronomy)” ซึ่งเป็นสาขาใหม่ของดาราศาสตร์ ซึ่งมีจุดมุ่งหมายที่จะใช้คลื่นความโน้มถ่วงในการรวบรวมข้อมูลเชิงสังเกตุการณ์เกี่ยวกับวัตถุต่างๆ เช่น ดาวนิวตรอนและหลุมดำ เหตุการณ์ต่างๆ เช่น supernova รวมทั้งกระบวนการต่างที่เกิดขึ้นในช่วงเวลาของจักรวาลยุคต้นหลังจากบิกแบง

 

Gravitation waves resolve fundamental flaw of Newton’s gravity law

caltechletters.org

กฎความโน้มถ่วงของนิวตัน (Newton’s law of gravitation) มีข้อบกพร่องหลักที่เกี่ยวข้องกับเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นแบบทันทีทันใดในระยะไกล นิวตันอธิบายความโน้มถ่วงว่าเป็นแรงที่เกิดขึ้นอย่างฉับพลันทันที ไม่ต้องการเวลาในการนำพาข้อมูลจากแหล่งกำเนิดไปยังผู้สังเกตุการณ์ ยกตัวอย่างเช่น ถ้าดวงอาทิตย์สิ้นสลายในทันทีทันใด โลกก็จะหยุดการโคจรรอบดวงอาทิตย์พร้อมๆกับการหายไปของดวงอาทิตย์ และจะเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงในอวกาศ ซึ่งขัดแย้งกับทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของไอน์สไตน์ (Einstein’s Theory of special relativity, 1905) ที่ว่า “ไม่มีสิ่งใดสามารถเดินทางได้เร็วกว่าแสง”

ข้อบกพร่องหลักของกฏความโน้มถ่วงของนิวตันได้รับการแก้ไขด้วยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ เป็นดังนี้ ถ้าดวงอาทิตย์หายไป ข้อมูลของมันจะถูกนำพาโดย “คลื่นความโน้มถ่วง” มายังโลก คลื่นความโน้มถ่วงซึ่งเดินทางด้วยความเร็วแสง (186,000 ไมล์ต่อวินาที) ในการเดินทางจากดวงอาทิตย์มายังโลกซึ่งอยู่ห่างกัน 150 ล้านกิโลเมตร มันใช้เวลา 8 นาที 20 วินาที เพราะฉะนั้นโลกจะไม่หยุดการโคจรรอบดวงอาทิตย์ในเวลาเดียวกับที่ดวงอาทิตย์หายไป แต่จะช้ากว่า

 

ryanmarciniak.com

 

Gravitational Waves Prove Einstein’s Theory of General Relativity

หนึ่งในเป้าหมายของดาราศาสตร์คลื่นความโน้มถ่วง (gravitational wave astronomy) คือการตรวจสอบทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ ถึงแม้นว่าทฤษฎีนี้จะให้คำอธิบายความโน้มถ่วงที่ดีที่สุด แต่มันยังเป็นทฤษฎีที่ไม่สมบูรณ์เนื่องจากมันไม่เข้ากันกับกลศาสตร์ควอนตัม (Quantum mechanics)

sammlungfotos.com

นักฟิสิกส์หลายคนเชื่อว่าทฤษฏีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ไม่สมบูรณ์แบบ เพราะมันให้ข้อมูลที่ขัดแย้งกับกลศาสตร์ควอนตัมในกรณีของสนามความโน้มถ่วงบริเวณหลุมดำ โดยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปบอกเราว่า เมื่อใดก็ตามที่มีสิ่งใดๆรวมทั้งแสงเดินทางข้าม “event horizon” ของหลุมดำ ข้อมูลที่สิ่งเหล่านี้นำพาไปจะหายไปกับส่วนที่เหลือของจักรวาลตลอดไปชั่วกัลปาวสาน แต่กลศาสตร์ควอนตัมต้องการข้อมูลไม่ว่าจะถูกสร้างหรือถูกทำลาย ถ้าข้อมูลถูกทำลายไป ก็จะมีกระบวนที่ทำให้ข้อมูลที่หายไปกลับคืนมา นั่นหมายความว่า หลุมดำสามารถหายไปได้ แต่จะมีกระบวนการที่ทำให้ “ข้อมูลที่หายไป” อันเนื่องจากการหายไปของหลุมดำ “คืนกลับมา”

ดังนั้นคลื่นความโน้มถ่วงที่มีกำเนิดจากการชนกันและรวมตัวกันของหลุมดำจะให้การทดสอบทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปในเรื่องนี้ได้ดีที่สุด

หมายเหตุ: เนื่องจากเรื่องนี้เป็นเรื่องยากและมีรายละเอียดที่ต้องใช้เวลาในการศึกษาและทำความเข้าใจ ในอนาคตผู้เขียนหวังว่าคงได้มีโอกาสศึกษาเรื่องนี้อย่างจริงๆจังๆ จะได้นำมาเล่าสู่กันฟังให้มากกว่านี้

 

 

 

The Lumineers – Ophelia

 

 

The effects of a passing gravitational wave

nanograv.org

คลื่นความโน้มถ่วง (gravitational waves) มีคุณสมบัติคล้ายคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic waves) ดังนี้ เดินทางผ่านอวกาศด้วยความเร็วแสง และเป็นคลื่นตามขวาง (transverse wave) คือคลื่นที่เมื่อเดินทางผ่านไปในตัวกลาง จะทำให้อนุภาคในตัวกลางเคลื่อนที่ตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่น แนวแกนที่อนุภาคเคลื่อนที่/สั่น/กวัดแกว่ง เรียก โพลาไรเซซัน “polarization” ของคลื่นความโน้มถ่วง

ดังนั้นเมื่อคลื่นความโน้มถ่วงเดินทางผ่านอวกาศ-เวลา มันจะไปบีบอัดและยืด (squeeze and stretch) อวกาศ-เวลา ในแนวตั้งฉากกับทิศทางของการเดินทางของคลื่น เช่นเดียวกับคลื่นน้ำในมหาสมุทร (ให้สังเกตุการกระเพื่อมของวงแหวนสีน้ำเงินในรูปเคลื่อนไหวข้างล่าง)

 

thephysicsmill.com

 

Polarization of Gravitational Waves

ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ไอน์สไตน์กล่าวว่าคลื่นความโน้มถ่วงมีโพลาไรเซซันที่เป็นไปได้ 2 รูปแบบ คือ “plus (+) polarization” กับ “cross (x) polarization” ที่เรียกเช่นนี้ เพราะมันไปบิดเบี้ยวอวกาศ-เวลา ทำให้อวกาศ-เวลาถูกยืดออกและถูกบีบอัดตามแนวแกน x และ Y ในรูปแบบ “เครื่องหมายบวก (plus)” และแบบ “ไม้กางเขน (cross)” ซึ่งทั้ง 2 รูปแบบมีการเคลื่อนที่/สั่น/กวัดแกว่งเหมือนกัน แต่ระนาบของ polarization แตกต่างกัน 45 องศา

 

thephysicsmill.com

วงแหวนทางซ้ายแสดง plus (+) polarization ส่วนวงแหวนทางขาวแสดง cross (x) polarization

 

inspirehelp.net

จากรูปข้างบน คลื่นความโน้มถ่วงเดินทางในทิศทาง Z ภาพทางซ้ายแสดง Plus polarization แนวแกนที่อนุภาคสั่นเป็นเครื่องหมายบวก (+) ภาพทางขวาแสดง Cross polarization แนวแกนที่อนุภาคสั่นเป็นลักษณะไม้กางเขน (x)

ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ในขณะที่คลื่นความโน้มถ่วงเดินทางผ่านจักรวาล มันจะไปบิดเบี้ยวอวกาศ-เวลา (space-time) ทำให้อวกาศ-เวลาถูกยืดออกและถูกบีบอัดในแนวแกน x และแกน y สลับกันไป (ทำให้ความยาวของแกน x และ แกน y เปลี่ยนแปลงไป สั้นลงหรือยาวขึ้น) โดยมีรูปแบบการสั่นของแนวแกน xy หรือ polarization 2 รูปแบบคือ Plus (+) polarization และ Cross (x) polarization

twitter.com

 

 

Ellie Goulding – Anything Could Happen

 

 

First Indirect Evidence for Gravitational Waves

แม้ว่าไอน์สไตน์ทำนายการมีอยู่ของคลื่นความโน้มถ่วงในปี 1915 แต่ยังไม่มีการค้นพบหลักฐานของการมีอยู่ของคลื่นนี้ จนกระทั่ง 20 ปีหลังจากการตายของไอน์สไตน์ ในปี 1974 Russell Alan Hulse และ Joseph Hooton Taylor, Jr. นักดาราศาสตร์สองคนสามารถตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงด้วยวิธีทางอ้อมได้เป็นครั้งแรก โดยใช้กล้องโทรทรรศน์วิทยุที่หอดูดาว Arecibo ในเปอร์โตริโก สังเกตุปรากฏการณ์ท้องฟ้า และค้นพบระบบดาวคู่ “Hulse-Taylor Binary ” (ตั้งชื่อตามผู้ค้นพบ) ซึ่งประกอบไปด้วยพัลซาร์ PSR 1913+16 และดาวนิวตรอนโคจรรอบกันและกัน

 

nasa.gov

ดาวนิวตรอน (neutron star) เป็นดาวขนาดเล็กที่มีความหนาแน่นสูงอย่างยิ่งยวด มันมีเส้นผ่าศูนย์กลางเพียง 10–30 กิโลเมตร แต่มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ถึง 1-2 เท่า ดาวนิวตรอนเป็นซากแกนกลาง (core) ของดาวฤกษ์มวลสูงที่หลงเหลือจากการระเบิดซูเปอร์โนว่า (supernova)

 

slideplayer.com

พัลซาร์ (pulsar) คือ ดาวนิวตรอนประเภทหนึ่งที่หมุนรอบตัวเองด้วยความเร็วสูงมาก และมีสนามแม่เหล็กที่ทรงพลัง พัลซาร์มีการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นอยู่ในช่วงคลื่นวิทยุจากขั้วแม่เหล็ก ออกมาเป็นลำแสงของคลื่นวิทยุ “beam of radio wave / radio beam”

มนุษย์บนโลกสามารถสังเกตุการแผ่รังสีของพัลซาร์ได้เมื่อ radio beam ชี้มาทางโลก การที่พัลซาร์หมุนรอบตัวเองอย่างรวดเร็ว ส่งผลให้ radio beam กวาดผ่านโลกแบบเข้าและออกเป็นช่วงจังหวะอย่างสม่ำเสมอคล้ายสัญญาณชีพจร (pulse) ลักษณะเหมือนกับไฟส่องพุ่งออกมา เช่น ไฟจากประภาคาร (lighthouse) แบบวูบวาบ

 

slideplayer.com

สำหรับระบบดาวคู่ Hulse-Taylor binary นั้น ประกอบไปด้วยพัลซาร์ PSR 1913+16 และดาวนิวตรอนโคจรรอบกันและกัน ทั้งสองดวงมีมวลใกล้เคียงกัน ประมาณ 1.4 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ พัลซาร์โคจรรอบดาวนิวตรอน 1 คาบ กินเวลา 8 ชม. (orbital period = 8 hours)

Hulse-Taylor binary เป็นเสมือนนาฬิกาที่เที่ยงตรงมาก เราที่อยู่บนโลกสามารถสังเกตุเห็นลำแสงของคลื่นวิทยุจากพัลซาร์ PSR 1913+16 เป็นช่วงๆ ซึ่ง Russell Alan Hulse และ Joseph Hooton Taylor เฝ้าสังเกตและศึกษาการโคจรของพัลซาร์รอบดาวนิวตรอนเป็นเวลาหลายปี จากการวัดเวลาที่คลื่นวิทยุถูกปลดปล่อยออกมาจากพัลซาร์เป็นช่วงๆ (radio pulse) พวกเขาค้นพบว่าคาบการโคจร (orbital period) ของพัลซาร์รอบดาวนิวตรอนลดลงไปตลอดเวลา

คาบการโคจรที่ลดลง หมายถึง ดาวทั้งสองเคลื่อนที่เข้าหากันเร็วขึ้นเรื่อยๆและมีการปลดปล่อยพลังงานออกมา ซึ่งอัตราการสูญเสียพลังงานของพัลซาร์ PSR 1913+16 ไปสอดคล้องกันพอดีกับอัตราการสูญเสียพลังงานในรูปของการปลดปล่อยคลื่นความโน้มถ่วง จากการที่วัตถุมวลมากสองอันเคลื่อนที่เข้าหากันด้วยความเร่ง ที่ไอน์สไตน์คำนวณได้จากสมการคณิตศาสตร์ของเขาและให้ไว้ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป การค้นพบนี้เป็นการยืนยันการมีอยู่ของคลื่นความโน้มถ่วงโดยวิธีการสังเกตุและการวัดทางอ้อม ส่งผลให้ Hulse และ Taylor ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1993

 

slideplayer.com

จากรูป เส้นกราฟเป็นค่าที่ได้จากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ส่วนจุดสีดำบนเส้นกราฟเป็นค่าที่ได้จากพัลซาร์ PSR 1913+16 (หรือ PSR B1913+16)
“สามารถติดตามเรื่องราวของ Gravitational wave ได้ในตอนต่อไป”

 

• Facebook
• Twitter
• Line