วันนี้เด็กๆม.ต้นที่กลุ่มบ้านเรียนปฐมธรรมได้ดูรายการ Cosmos: A Spacetime Odyssey ตอนที่ 5 กันครับ ตอนนี้เรื่องแสง สเปคตรัมของแสง ประเภทของแสงแบ่งตามความถี่ครับ หลังจากดูเสร็จเราก็สร้าง Spectrometer แบบง่ายๆพับจากกระดาษแข็งกันแล้วส่องดูแสงอาทิตย์ จอ LCD และไฟฉายกันครับ

แสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Radiation) แสงที่เราเห็นเป็นส่วนเล็กๆของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทั้งหมด ผมเคยบันทึกเรื่องคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าไปบ้างแล้วที่นี่, ที่นี่, และที่นี่ เชิญเข้าไปดูนะครับ ถ้าจะเรียนรายละเอียดเยอะขึ้นควรเข้าไปดูที่ Khan Academy เรื่อง Light: Electromagnetic waves, the electromagnetic spectrum and photons แล้วอ่านและดูคลิปให้จบครับ

ใน Cosmos Ep. 5 มีเรื่องการค้นพบแสงอินฟราเรดที่เรามองไม่เห็นแต่รู้สึกได้โดยรู้สึกเป็นความร้อน ลองเข้าไปอ่านที่นี่ครับ: Discovery of Infrared 

นิวตันค้นพบว่าแสงอาทิตย์มีแสงสีต่างๆประกอบกัน เมื่อแสงอาทิตย์วิ่งผ่านแท่งแก้วปริซึม (prism) แสงจะแยกออกเป็นสีต่างๆหลายสีเหมือนรุ้ง นิวตันตั้งชื่อแสงสีต่างๆนี้ว่าสเปคตรัม เชิญดูการทดลองที่นิวตันใช้เพื่อสรุปว่าแสงอาทิตย์มีสีต่างๆรวมกันอยู่ครับ:

โจเซฟ เฟราโฮเฟอร์ (Joseph Fraunhofer) พบว่าในสเปคตรัมมีแถบมืดๆเล็กๆอยู่เหมือนบาร์โค้ด แต่ไม่แน่ใจว่าเกิดจากอะไร แต่ในที่สุดนักวิทยาศาสตร์สมัยต่อมาก็เข้าใจว่าเกิดจากการดูดซับแสงของธาตุต่างๆ โดยที่อะตอมของธาตุต่างๆจะดูดซับแสงที่ความถี่เฉพาะเจาะจงเป็นเอกลักษณ์ของธาตุนั้นๆ ทำให้เราสามารถรู้ส่วนประกอบของวัตถุไกลๆเช่นดาวต่างๆได้ครับ นอกจากนี้แถบที่เลื่อนไปจากที่ที่ควรจะเป็นยังบอกได้ว่าแสงมาจากแหล่งกำเนิดที่เคลื่อนที่เข้าหาหรือออกจากเราได้ด้วยครับ:

หลังจากดู Cosmos จบ เด็กๆก็ประดิษฐ์ Spectrometer เพื่อแยกแสงให้เป็นสีต่างๆที่เป็นส่วนประกอบครับ  เราเอาแบบมาจาก Public Lab ครับ แค่พิมพ์แบบบนกระดาษแข็งแล้วตัดและพับ เอาชิ้นพลาสติกจาก DVD-R และทำช่องให้แสงเข้าเล็กๆแล้วเอาไปติดกับกล้องมือถือครับ:

 

 

วันนี้เด็กๆม.ต้นที่กลุ่มบ้านเรียนปฐมธรรมได้ดูรายการ Cosmos: A Spacetime Odyssey ตอนที่ 4 กันครับ ตอนนี้เกี่ยวกับระยะทางมหาศาลระหว่างดวงดาว ความเร็วที่คงที่ของแสง เวลาไม่คงที่ และหลุมดำครับ

เราวัดระยะทางระหว่างดวงดาวกันโดยเทียบว่าถ้าแสงใช้เวลาเดินทางมันจะต้องใช้เวลาเท่าไรครับ แสงเดินทางผ่านสุญญากาศได้ประมาณ 300,000 กิโลเมตรใน 1 วินาที ดังนั้นระยะทาง 1 วินาทีแสงเท่ากับ 300,000 กิโลเมตร  ดวงจันทร์อยู่ห่างจากโลกประมาณ 400,000 กิโลเมตรก็คือห่างจากโลก = 400,000 กิโลเมตร/ (300,000 กิโลเมตร/1 วินาทีแสง) = 1.3 วินาทีแสงนั่นเอง

ระยะทาง  1 ปีแสง = ระยะทางที่แสงเดินทางได้ในเวลา 1 ปี = 300,000 กิโลเมตร/วินาที x จำนวนวินาทีใน 1 ปี เท่ากับประมาณ 9.5 ล้านล้านกิโลเมตร หรือจำง่ายๆว่า 10 ล้านล้านกิโลเมตร

ดาวฤกษ์ที่ใกล้ที่สุดห่างไปประมาณ 4 ปีแสง ชื่อ Proxima Centauri

ดวงอาทิตย์ของเราอยู่ห่างจากศูนย์กลางทางช้างเผือกประมาณ 25,000 ปีแสง

ขนาดรัศมีของทางช้างเผือกคือประมาณ 50,000 ปีแสง แสดงว่าดวงอาทิตย์ของเราอยู่ห่างจากศูนย์กลางมาประมาณครึ่งทางครับ

รายการกาแล็กซีใกล้ๆดูได้ที่หน้านี้ครับ List of nearest galaxies

ไอน์สไตน์พบว่าเวลาของเราแต่ละคนขึ้นไหลไปด้วยอัตราไม่เท่ากันครับ ขึ้นอยู่กับว่านาฬิกาเคลื่อนที่เร็วแค่ไหน และอยู่ใกล้แรงโน้มถ่วงแรงแค่ไหน ถ้าเคลื่อนที่เร็วเวลาก็ไหลช้า ถ้าอยู่ใกล้แรงโน้มถ่วงเยอะเวลาก็ไหลช้า  ตัวอย่างเช่นดาวเทียม GPS โคจรบนท้องฟ้า มันมีความเร็วสูงทำให้เวลาช้ากว่าผิวโลก 7 ไมโครวินาทีต่อวัน แต่เนื่องจากมันห่างจากโลก แรงโน้มถ่วงจึงอ่อนลง ทำให้เวลาเร็วกว่าบนผิวโลก 45 ไมโครวินาทีต่อวัน ดังนั้นผลรวมก็คือเวลาของดาวเทียม GPS จะวิ่งเร็วกว่าเวลาบนผิวโลก 38 ไมโครวินาทีต่อวัน ถ้าไม่คำนวณเวลาที่ไหลต่างกันระหว่างที่ผิวโลกและที่ดาวเทียม ตำแหน่งต่างๆที่คำนวณจากระบบ GPS จะเพี้ยนไปวันละประมาณกว่า 10 กิโลเมตรต่อวันครับ 

ถ้าไม่แน่ใจว่า GPS ทำงานอย่างไรให้ดูคลิปนี้ครับ:

ตอนจักรวาลพึ่งเริ่ม มีเพียงธาตุ H, He, และ Li เท่านั้น ธาตุอื่นๆต้องเกิดจากการรวมตัวของธาตุที่เบากว่า เช่นภายในดาวฤกษ์ที่ความดันจากน้ำหนักที่กดทับและอุณหภูมิที่สูงทำให้นิวเคลียสของธาตุที่เบาวิ่งเข้าหากันใกล้พอที่จะรวมตัวกันได้ (ปกตินิวเคลียสมีประจุเหมือนกันเลยผลักกันด้วยแรงทางไฟฟ้า) เมื่อดาวฤกษ์ใหญ่ๆตายมันจะระเบิด ปล่อยธาตุอื่นๆที่เกิดขึ้นออกมาด้วย ระบบสุริยะของเราเกิดจากซากดาวที่ตายไปแล้ว อะตอมธาตุต่างๆในตัวเราก็มาจากภายในดาวที่ระเบิด รายละเอียดการเกิดธาตุต่างๆที่ลิงก์นี้ครับ 

หลุมดำเป็นสิ่งที่มวลมากๆมีแรงโน้มถ่วงสูง ทำให้ของที่ตกเข้าไปไม่สามารถวิ่งกลับออกมาได้แม้กระทั่งแสง เราจึงเรียกมันว่าหลุมดำ เราสังเกตมันจากแสงเอ็กซ์เรที่เกิดจากความร้อนของสิ่งต่างๆที่วิ่งด้วยความเร็วตกลงไปในหลุมดำ และดูจากวงโคจรดาวรอบๆมัน กลางทุกกาแล็กซีมีหลุมดำขนาดใหญ่ เช่นในทางช้างเผือกมีหลุดดำขนาดมวลเท่ากับ 4,000,000 เท่ามวลดวงอาทิตย์ คลิปข้างล่างคือวงโคจรดาวรอบหลุมดำที่ใจกลางทางช้างเผือกครับ:

ดูเรื่องหลุมดำเพิ่มเติมที่นี่ครับ:

เวลาที่เหลือผมให้เด็กๆคำนวณเวลาที่แสงจากดวงอาทิตย์ใช้วิ่งไปถึงดาวเคราะห์ต่างๆทั้ง 8 ดวง พบตามตารางนี้ครับ:

ชื่อดาวเคราะห์	ชื่อไทย	ระยะทางจากดวงอาทิตย์ (AU) 1 AU = 150 ล้านกิโลเมตร	เวลาแสงเดินทาง (วินาที)	เวลาแสงเดินทาง (นาที)	เวลาแสงเดินทาง (ชั่วโมง)
Mercury	พุธ	0.4	200	3.3	0.06
Venus	ศุกร์	0.7	350	5.8	0.10
Earth	โลก	1	500	8.3	0.14
Mars	อังคาร	1.5	750	12.5	0.21
Jupiter	พฤหัส	5.2	2,600	43.3	0.72
Saturn	เสาร์	9.5	4,750	79.2	1.32
Uranus	ยูเรนัส, หรือมฤตยู	19.2	9,600	160.0	2.67
Neptune	เนปจูน, หรือเกตุ	30.1	15,050	250.8	4.18

จากนั้นเด็กๆก็ได้เล่นของเล่นลวงตาเหมือนกับที่น้องๆเล่นไปเมื่อวานนี้ ดังในบันทึก ฝึกอธิบายมายากล, ของเล่นลวงตา, กลความดันอากาศ ครับ

เด็กๆได้รู้จักอาจารย์ Kokichi Sugihara ที่สร้างของเล่นลวงตาต่างๆครับ ตัวอย่างวิดีโอเช่น: