คุยกันเรื่องคลื่นความโน้มถ่วง หัดดูคลื่นเคลื่อนที่ใน Slinky

วันอังคารที่ผ่านมาผมไปทำกิจกรรมวิทยาศาสตร์กับเด็กๆมาครับ สำหรับเด็กประถมผมพยายามเล่าเรื่องการค้นพบที่ยิ่งใหญ่ของมนุษยชาติคือการวัดคลื่นความโน้มถ่วงโดยตรงเป็นครั้งแรก อีกพันสองพันปีต่อจากนี้ถ้าสปีชีส์เรายังไม่สูญพันธุ์ คนสมัยนั้นคงจำเรื่องราวร้อยแปดพันเก้าสมัยนี้ไม่ได้แล้ว พวกเราทุกคนไม่ว่ามหาเศรษฐี ยาจก นักปราชญ์ มหาโจร คงจะสูญหายไปตามกาลเวลา แต่การค้นพบนี้จะติดอยู่ในประวัติศาสตร์มนุษยชาติต่อไปครับ ได้ดูคลิปจำลองการโค้งของอวกาศบนผ้ายืดด้วยครับ สำหรับเด็กอนุบาลสามทับหนึ่ง ผมให้เล่น Slinky ซึ่งก็คือสปริงอ่อนๆขนาดใหญ่ ให้สังเกตการตกของ slinky และสังเกตการเคลื่อนที่และการสะท้อนของคลื่นใน slinky และได้ดูคลิป Infinite Slinky ด้วยครับ

(อัลบั้มบรรยากาศกิจกรรมอยู่ที่นี่นะครับ คราวที่แล้วเรื่อง “พยายามวัดความเร็วประสาท+สมอง เริ่มรู้จักค่า Pi เล่นของเล่นบูมเมอแรง” ครับ)

สำหรับเด็กประถม ผมบอกเด็กๆว่าปกติเราคิดว่าเวลาของแต่ละคนเพิ่มขึ้นเท่าๆกัน แต่ความคิดนี้ไม่ตรงกับความเป็นจริงในธรรมชาติ เมื่อประมาณร้อยปีที่แล้ว ไอน์สไตน์แสดงให้โลกดูว่าเวลาของแต่ละคนเดินช้าเดินเร็วขึ้นกับว่าคนๆนั้นเคลื่อนที่อย่างไร ถ้าเคลื่อนที่เร็วเวลาก็จะเดินช้าลง นอกจากนี้ถ้าเราอยู่ใกล้แถวที่มีแรงโน้มถ่วงมากๆเวลาเราก็จะช้าลงด้วย ระยะทางก็เหมือนกัน ถ้าเราวัดความยาวตอนเราเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว ความยาวจะสั้นกว่าถ้าเราวัดตอนอยู่เฉยๆ ในชีวิตปกติประจำวันของเรา เราอยู่ในที่ที่แรงโน้มถ่วงไม่มากนัก และเคลื่อนที่ไม่เร็ว (เคลื่อนที่เร็วไม่เร็วต้องเทียบกับความเร็วแสงซึ่งเท่ากับ 300,000 ก.ม,/วินาที ครับ) เราก็เลยไม่ค่อยเห็นความแตกต่างของเวลาและระยะทาง

เราอาจจะหัวเราะว่าไอน์สไตน์บ้าหรือเปล่า แต่การทดลองต่างๆที่ผ่านมาร้อยปีพบว่าธรรมชาติทำงานอย่างนั้นครับ อุปกรณ์ในชีวิตประจำวันของเราที่ใช้หลักการของไอน์สไตน์ตลอดเวลาก็คือเครื่อง GPS ครับ

เครื่อง GPS บอกตำแหน่งของมันได้เพราะมันคุยกับดาวเทียมหลายๆดวงที่โคจรรอบโลกอยู่ครับ มันสามารถวัดระยะห่างจากดาวเทียมต่างๆได้ จึงสามารถคำนวณตำแหน่งของมันได้ว่าต้องอยู่ตรงนี้จึงจะห่างจากดาวเทียมต่างๆอย่างที่วัดระยะได้ การจะคำนวณอย่างนี้การนับเวลาของเครื่อง GPS และของดาวเทียมต้องนับให้เท่าๆกัน แต่ดาวเทียมโคจรรอบโลกอยู่ด้วยความเร็วสูงมาก เวลามันเลยช้ากว่าบนโลกไปประมาณ 7 ส่วนล้านวินาทีต่อวัน (7 ไมโครวินาทีต่อวัน) แต่เนื่องจากดาวเทียมอยู่ห่างผิวโลกออกไป แรงโน้มถ่วงของโลกอ่อนลง เวลาจะเดินเร็วเนื่องจากแรงโน้มถ่วงอ่อนไปประมาณ 45 ส่วนล้านวินาทีต่อวัน (45 ไมโครวินาทีต่อวัน) ผลลัพธ์ก็คือเวลาของดาวเทียมเดินเร็วกว่าเวลาบนโลกไป 45-7 = 38 ไมโครวินาทีต่อวัน ซึ่งวิศวกรผู้สร้างดาวเทียมเหล่านี้ได้คิดเรื่องเหล่านี้ไว้แล้วครับ ทำให้ GPS ทำงานได้อย่างที่เป็น

สิ่งที่ไอน์สไตน์แสดงให้โลกดูเมื่อร้อยปีที่แล้วเรียกว่า “ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป” (General Relativty) ครับ ในทฤษฎีนี้ไอน์สไตน์ยังแสดงให้ดูว่าเวลาของที่มีมวลหนักๆมีความเร่งที่ไม่สมมาตรแบบกลมๆเกินไป จะเกิดคลื่นความโน้มถ่วงแพร่กระจายออกมา เจ้าคลื่นความโน้มถ่วงนี้เคลื่อนที่ไปถึงไหนก็จะทำให้ระยะทางแถวนั้นสั่นๆ สั้นบ้างยาวบ้าง แล้วก็หยุดสั่นเมื่อคลื่นผ่านไป ไอน์สไตน์คำนวณขนาดคลื่นและพบว่าขนาดคลื่นจะเล็กมาก จึงคิดว่าคงไม่สามารถวัดได้โดยตรง

เวลาผ่านไป 100 ปี ด้วยความรู้ที่เพิ่มขึ้นของมนุษยชาติ ทำให้สามารถสร้างเครื่องวัดคลื่นความโน้มถ่วงได้สำเร็จครับ นับเป็นก้าวสำคัญอีกก้าวของความรู้ความเข้าใจของสปีชีส์เรา ที่ผ่านมาจนกระทั่งมีเครื่องนี้ เวลาเราสำรวจจักรวาล เราต้องอาศัยแสงต่างๆคือ คลื่นวิทยุ คลื่นไมโครเวฟ คลื่นอินฟราเรด แสงที่ตาเรามองเห็น รังสีอัลตร้าไวโอเล็ท รังสีเอ็กซ์เรย์ รังสีแกมมา ที่วัตถุในจักรวาลปล่อยออกมา แล้วเราเอากล้องเราไปรับเพื่อสังเกตวัตถุต่างๆ ด้วยอุปกรณ์แบบใหม่คือเจ้าเครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง เรามีวิธีใหม่ที่จะสำรวจจักรวาลได้ครับ ตอนนี้จึงเหมือนตอนที่กาลิเลโอเอากล้องโทรทรรศน์ส่องท้องฟ้า หรือโรเบิร์ต ฮุค เอากล้องจุลทรรศน์พืชและสัตว์เล็กๆเมื่อหลายร้อยปีก่อนครับ เราน่าจะค้นพบส่ิงแปลกๆในจักรวาลในอนาคตครับ

ผมให้เด็กๆดูคลิปสรุปการค้นพบและผมอธิบายไปด้วยครับ:

ได้ดูคลิปจำลองว่าความโน้มถ่วงทำให้อวกาศโค้งอย่างไร:

สำหรับท่านที่สนใจเพิ่มเติม ลองไปฟังอาจารย์จากมหิดลคุยกันเรื่องนี้นะครับ:

สำหรับเด็กอนุบาลสามทับหนึ่ง ผมเอาของเล่นที่เรียกว่าสลิงกี้ (Slinky) ซึ่งคือสปริงอ่อนๆใหญ่ๆครับ

เด็กๆได้สังเกตๆว่าคลื่นวิ่งผ่านกันไหมบนสลิงกี้:

ได้ทายว่าเวลาของตก เช่นสลิงกี้ตก ส่วนไหนตกก่อน:

นอกจากนี้ผมเอาคลิปสลิงกี้เดินไม่หยุดให้เด็กๆดูด้วยครับ:

3 thoughts on “คุยกันเรื่องคลื่นความโน้มถ่วง หัดดูคลื่นเคลื่อนที่ใน Slinky”

    1. Aha, I’ve seen his face on Numberphile YouTube channel but haven’t followed his toy talks.
      Thank you very much for the head-up.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *