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:

จากนั้นเด็กๆก็ได้เล่นของเล่นลวงตาเหมือนกับที่น้องๆเล่นไปเมื่อวานนี้ ดังในบันทึก ฝึกอธิบายมายากล, ของเล่นลวงตา, กลความดันอากาศ ครับ

เด็กๆได้รู้จักอาจารย์ Kokichi Sugihara ที่สร้างของเล่นลวงตาต่างๆครับ ตัวอย่างวิดีโอเช่น:

วันนี้ผมไปทำกิจกรรมวิทย์กับเด็กประถมและอนุบาลมาครับ เด็กประถมได้ฝึกหัดคิดแบบวิทยาศาสตร์โดยดูคลิปมายากลและพยายามอธิบายว่าทำอย่างไร และได้เล่นของเล่นลวงตาที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์สามมิติ เด็กอนุบาลสามได้เล่นกลน้ำไม่หล่นจากแก้วด้วยความดันอากาศครับ

(อัลบั้มบรรยากาศกิจกรรมต่างๆอยู่ที่นี่นะครับ กิจกรรมประถมคราวที่แล้วเรื่อง “วิทย์ประถม: ปลูกวัคซีนกันถูกหลอกง่ายๆ” ครับ รวมทุกกิจกรรมอยู่ที่นี่นะครับ)

สำหรับเด็กประถม ผมให้ดูคลิปเล่นกลสองคลิปนี้ครับ เด็กๆดูส่วนแรกที่ยังไม่มีเฉลยก่อน ให้ดูหลายครั้งโดยให้เด็กๆคิดว่านักมายากลทำอย่างไรเราจึงเห็นกลแบบในคลิป ให้มีการเสนอไอเดียแล้วกลับไปดูคลิปว่าไอเดียของเราขัดแย้งกับสิ่งที่เกิดในคลิปไหม มีหลักฐานใหม่ๆที่สังเกตเพิ่มในคลิปหรือไม่ เมื่อหัดคิด หัดตั้งสมมุติฐาน และตรวจสอบกันสักพักแล้วเด็กๆก็ได้ดูส่วนเฉลยครับ:

การฝึกอธิบายกลแบบนี้เป็นการฝึกทักษะการคิดแบบวิทยาศาสตร์ครับ เด็กๆได้เคยชินกับความไม่รู้ การคาดเดา การตรวจสอบการเดา และจะได้มีความรู้ว่าจะถูกหลอกได้อย่างไรบ้างด้วยครับ นอกจากนี้เด็กๆยังสนุกกันมากด้วย

จากนั้นผมก็ให้เด็กๆดูคลิปของเล่นลวงตา ดูเฉพาะส่วนแรกที่ยังไม่มีเฉลยก่อนนะครับ แล้วให้คิดว่ามันจะเป็นไปได้อย่างไรครับ คลิปที่ให้ดูมีพวกนี้:

และวิธีวาดบันไดเพนโรส (หรือบันไดเอสเชอร์) ครับ

หลังจากเด็กๆงงกันสักพักแล้วผมก็ให้เล่นของเล่นที่พิมพ์ออกมาจากเครื่องพิมพ์สามมิติที่สามารถลวงตาเราได้ ที่วิดีโอจะมีลิงก์ไฟล์สำหรับพิมพ์นะครับ เด็กๆสนุกกันดีครับ

วิดีโอของเล่นเป็นแบบนี้ครับ:

สำหรับเด็กอนุบาลสาม ผมให้หัดเล่นกลน้ำไม่ไหลออกจากแก้วโดยอาศัยแรงดันอากาศครับ แบบแรกคือเอาแก้วใส่น้ำ เอาแผ่นพลาสติกหรือกระดาษแข็งเรียบๆมาปิด แล้วกลับแก้วให้คว่ำลง แผ่นพลาสติกหรือกระดาษแข็งที่ปิดไว้ก็จะติดอยู่และน้ำก็ไม่หกจากแก้วครับ:

อีกแบบก็คือเราเอาตะแกรงร่อนแป้งที่เป็นรูๆมาให้เด็กๆทุกคนดูว่ามีรู เทน้ำใส่ก็ไหลผ่าน เป่าก็มีลมผ่าน แล้วเอาน้ำใส่แก้ว เอาตะแกรงวางข้างบน เอามือปิดด้านบนของตะแกรงให้คลุมปากแก้วด้านล่างไว้ แล้วพลิกเร็วๆให้แก้วใส่น้ำคว่ำอยู่ด้านบนตะแกรง เราจะพบว่าน้ำในแก้วไม่ไหลผ่านตะแกรงลงมาครับ ทั้งนี้ก็เพราะน้ำที่ติดกับตะแกรงมีแรงตึงผิวไม่แตกออกเป็นเม็ดน้ำเล็กๆ ทำให้ความดันอากาศภายนอกต้านไว้ไม่ให้น้ำไหลออกมาครับ ผมเคยทำคลิปวิธีทำไว้ที่ช่องเด็กจิ๋วและดร.โก้ครับ:

กลทั้งสองแบบมีหลักการคล้ายกันที่ว่าอากาศภายนอกแก้วมีความดันมากพอที่จะรับน้ำหนักน้ำไม่ให้หกออกมาครับ ในกรณีตะแกรงจะใช้แรงตึงผิวของน้ำรับแรงจากความดันอากาศแทนแผ่นพลาสติกในอีกกรณีหนึ่งครับ

เด็กๆเล่นกันสนุกสนานดีครับ:

มีเด็กอนุบาลสามถามว่าถ้าเราเอาตะแกรงไปแช่น้ำแล้วเอาแก้วคว่ำบนตะแกรง แล้วยกตะแกรงขึ้นมา น้ำจะรั่วออกไหม  เราเลยทดลองทำกัน พบว่าน้ำจะอยู่บนตะแกรงไม่รั่วออกมาครับ