วิทย์ประถม: รู้จักขนาดดวงอาทิตย์และโลก

ผมไปทำกิจกรรมวิทย์พ่อโก้ที่ศูนย์การเรียนปฐมธรรมมาครับ เด็กๆหัดคิดแบบวิทยาศาสตร์โดยพยายามอธิบายมายากล เนื่องจากองค์นี้จะเรียนเนื้อหาเกี่ยวกับดาราศาสตร์ ผมจึงมาคุยกับเด็กๆเรื่องขนาดของโลก ขนาดของดวงอาทิตย์ ระยะห่างของดาวเคราะห์ในระบบสุริยะ โดยใช้แบบจำลองลูกบอลโฟมสีขาวเส้นผ่าศูนย์กลาง 10 เซนติเมตรแทนดวงอาทิตย์ เม็ดโฟมสีฟ้าขนาด 1 มิลลิเมตรแทนโลก และใช้ระยะห่าง 10 เมตรแทนระยะทางโลกถึงดวงอาทิตย์ เป็นต้นครับ

(อัลบั้มบรรยากาศกิจกรรมอยู่ที่นี่ ส่วนลิงก์รวมทุกกิจกรรมอยู่ที่นี่นะครับ)

ก่อนอื่นเด็กๆได้ดูมายากลในคลิปนี้ครับ เด็กๆดูกลก่อนแล้วพยายามอธิบายก่อนเฉลย คราวนี้เป็นกลคนตัวลอยอยู่ได้ด้วยมือเดียว:

กิจกรรมหัดอธิบายมายากลนี้ฝีกเด็กๆให้คิดแบบวิทยาศาสตร์ มีการสังเกต การตั้งสมมุติฐานเพื่ออธิบายสิ่งที่สังเกตมา การตรวจสอบสมมุติฐานกับข้อมูลที่สังเกตมา การตั้งสมมุติฐานใหม่เมื่อสมมุติฐานเดิมขัดกับข้อมูล นอกจากนี้เราพยายามให้เด็กๆมีความกล้าคิดและออกความเห็น และหวังว่าเมื่อโตไปจะไม่ถูกหลอกง่ายๆครับ

เราคุยกันถึงเรื่องขนาดของโลกกันก่อน เล่าให้เด็กๆฟังว่าเส้นรอบวงของโลกจะยาวประมาณ 40,000 กิโลเมตร เรื่องนี้ไม่ใช่เรื่องบังเอิญ แต่เพราะเราเคยนิยาม “เมตร” ให้ผูกกับขนาดของโลกตั้งแต่แรกครับ

• ปี ค.ศ. 1791 ฝรั่งเศสนิยาม 1 เมตร = 1/10,000,000 ของระยะจากเส้นศูนย์สูตรถึงขั้วโลกเหนือ ตามเส้นเมอริเดียนปารีส (คือ 1 ใน 10 ล้านของ ¼ รอบโลกทางเมอริเดียน) ซึ่งถ้าวัดรอบโลกเต็มวงตามนิยามนี้ จะได้ ประมาณ 40,000 กม. โดย “ออกแบบ” ไว้เลย
• ต่อมาพอวัดจริงละเอียดขึ้นพบว่าโลกไม่กลมเป๊ะ เป็นทรงรีเล็กน้อย (อ้วนตรงศูนย์สูตร) และพื้นผิวจริงขรุขระ ทำให้เส้นรอบวงศูนย์สูตร ≈ 40,075 กม. และเส้นรอบวงเมอริเดียนเฉลี่ย ≈ 40,008 กม. จึงไม่ตรง 40,000 เป๊ะ ๆ
• ภายหลังนิยาม “เมตร” เปลี่ยนฐาน (ค.ศ. 1960 ใช้สเปกตรัมคริปตอน-86 และค.ศ. 1983 ใช้ความเร็วแสง: เมตร = ระยะที่แสงเดินทางในสุญญากาศใน 1/299,792,458 วินาที) แต่ตัวเลข “เกือบ 40,000 กม.” ก็ยังอยู่ เพราะค่าจริงของโลกใกล้เคียงกับที่ตั้งใจไว้ตอนแรก

ดังนั้นเส้นรอบวงโลกจึงมีขนาดเกือบ 40,000 กม. เพราะ เดิมทีเราเลือกให้ 1 เมตรอิงจากรอบโลก นั่นเอง แต่เมื่อวัดแม่นขึ้นและคำนึงถึงรูปทรงจริงของโลก จึงได้ค่าประมาณ 40,008–40,075 กม. แทนที่จะเป็น 40,000 กม. เป๊ะ ๆ

เราพยายามเข้าใจ 40,000 กิโลเมตรโดยคิดว่าถ้าขับรถรอบโลกได้ที่ความเร็ว 100 กิโลเมตรต่อชั่วโมงจะใช้เวลา 400 ชั่วโมงหรือประมาณ 17 วัน หรือถ้านั่งเครื่องบินที่ความเร็วประมาณ 1,000 กิโลเมตรต่อชั่วโมงก็ใช้เวลา 40 ชั่วโมงหรือเกือบสองวัน

สำหรับเด็กประถมปลาย ผมถามเด็กๆว่าถ้าเรารู้เส้นรอบวงโลกแล้วเราหาเส้นผ่าศูนย์กลางได้หรือไม่ มีเด็กบางคนรู้ว่าเส้นผ่าศูนย์กลางจะเท่ากับเส้นรอบวงหารด้วยค่าพาย (3.141592653…) ดังนั้นเส้นผ่าศูนย์กลางโลกจึงประมาณเกือบๆ 13,000 กิโลเมตร

รูปทรงของโลกที่เกือบเป็นทรงกลมสมบูรณ์แบบ แต่รอบเอวกว้างกว่าความสูงนิดนึงเนื่องจากการหมุน เส้นผ่าศูนย์กลางเกือบๆ 13,000 กิโลเมตร เส้นรอบวงเกือบ 40,000 กิโลเมตรเป๊ะๆ ภูเขาที่สูงที่สุดสูงไม่ถึง 10 กิโลเมตร มหาสมุทรลึกที่สุดประมาณ 10 กิโลเมตร ทั้งภูเขาและมหาสมุทรมีขนาดความสูงหรือความลึกน้อยมากเมื่อเทียบกับขนาดโลก (น้อยกว่า 1 ใน 1,000 — ดังนั้นรูปภาพโลกจากอวกาศจึงดูกลมมากๆ)

สำหรับพวกเราชาวโลก เราจะรู้สึกว่าโลกมีขนาดกว้างใหญ่ไพศาลมากๆ แต่นั่นเป็นเพราะเราเป็นสิ่งมีชีวิตที่ติดอยู่บนผิวโลก ที่เกิดและน่าจะตายบนดาวเคราะห์ดวงนี้ แต่ถ้าเราศึกษาเรื่องดาราศาสตร์ เราจะเข้าใจว่าจักรวาลมีขนาดใหญ่มากๆ วันนี้ผมจึงทำกิจกรรมแนะนำให้เด็กๆเริ่มเข้าใจดาราศาสตร์โดยพูดถึงดวงอาทิตย์ด้วย

ถามเด็กๆว่าใครรู้บ้างว่าดวงอาทิตย์มีขนาดใหญ่เท่าไร เด็กๆก็พยายามเดาพยายามตอบ จากนั้นผมก็เฉลยอกเด็กๆว่าเส้นผ่าศูนย์กลางดวงอาทิตย์จะใหญ่ประมาณ 100 เท่าของโลก (จริงๆคือ 109 เท่า แต่ประมาณว่า 100 เท่าก็ได้จะได้จำง่ายๆ)

เพื่อให้เด็กๆประถมซาบซึ้งขนาดโลกเทียบกับดวงอาทิตย์ ผมจึงแจกเม็ดโฟมสีฟ้าขนาดประมาณ 1 มิลลิเมตรแทนโลกให้เด็กๆ และเอาโฟมขาวขนาด 10 เซ็นติเมตรแทนดวงอาทิตย์ (เพราะเส้นผ่าศูนย์กลางดวงอาทิตย์ใหญ่ 109 เท่าของโลก และเราตีกลมๆเป็นประมาณ 100 เท่า) แล้ววางให้มีระยะห่างระหว่างโฟมทั้งสองประมาณ 10 เมตร (เพราะระยะทางระหว่างโลกและดวงอาทิตย์จะเป็นประมาณ 108 เท่าเส้นผ่าศูนย์กลางดวงอาทิตย์ ตีกลมๆเป็น 100 เท่า)

เรื่องที่ทำให้เด็กๆตกใจขึ้นไปอีก คือด้วยสเกลแบบนี้ ถ้าดวงอาทิตย์อยู่ในกรุงเทพ ดาวฤกษ์ที่อยู่ใกล้สุด (พร็อกซิม่า เซนทอรี่) จะอยู่แถวๆไต้หวัน!!! คืออยู่ห่างไปเกือบๆสามพันกิโลเมตร อวกาศมันใหญ่และว่างเปล่ามากๆเกินที่เราจินตนาการกันทั่วไปจริงๆ

เพิ่มเติมสำหรับผู้สนใจเปรียบเทียบขนาดและระยะห่างดาวเคราะห์อื่นๆในระบบสุริยะครับ:

นี่คือตาราง “เส้นผ่านศูนย์กลาง” แบบย่อส่วนเมื่อกำหนดให้ โลก = 1.00 มม. (ใช้ค่าเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ย/เส้นศูนย์สูตร ปัดทศนิยมคอลัมน์ย่อส่วนเป็น 2 ตำแหน่ง)

วัตถุ	เส้นผ่านศูนย์กลางแบบย่อส่วน (มม.)	เส้นผ่านศูนย์กลางจริง (กม.)
ดวงอาทิตย์ (Sun)	109.20	1,391,400
พุธ (Mercury)	0.38	4,879
ศุกร์ (Venus)	0.95	12,104
โลก (Earth)	1.00	12,742
อังคาร (Mars)	0.53	6,779
พฤหัสบดี (Jupiter)	10.97	139,822
เสาร์ (Saturn)	9.14	116,464
ยูเรนัส (Uranus)	3.98	50,724
เนปจูน (Neptune)	3.86	49,244

หมายเหตุ: ไม่ได้นับ “วงแหวนของดาวเสาร์” ในเส้นผ่านศูนย์กลาง (ตารางเป็นขนาดตัวดาวเท่านั้น) 

และนี่คือตารางระยะทางดวงอาทิตย์–ดาวเคราะห์ (ใช้ค่าเฉลี่ยกึ่งแกนเอกของวงโคจร) โดยระบุทั้งหน่วยกิโลเมตรและ AU พร้อมคอลัมน์ “ระยะทางแบบย่อส่วน (เมตร)” ที่สเกล 1 AU = 10 เมตร
กำหนดให้ 1 AU = 1 Astronomical Unit = ระยะทางระหว่างโลกและดวงอาทิตย์ = ประมาณ 150 ล้านกิโลเมตร

ดาวเคราะห์	ระยะทางแบบย่อส่วน (เมตร)	ระยะทาง (AU)	ระยะทาง (กม.)
พุธ (Mercury)	3.87	0.387099	57,909,176
ศุกร์ (Venus)	7.23	0.723332	108,208,926
โลก (Earth)	10.00	1.000000	149,597,887
อังคาร (Mars)	15.24	1.523662	227,936,637
พฤหัสบดี (Jupiter)	52.03	5.203363	778,412,027
เสาร์ (Saturn)	95.37	9.537070	1,426,725,413
ยูเรนัส (Uranus)	191.91	19.191264	2,870,972,220
เนปจูน (Neptune)	300.69	30.068963	4,498,252,911

หมายเหตุ: วงโคจรเป็นวงรี ระยะจริงจึงเปลี่ยนแปลงไปตามตำแหน่งในวงโคจร ตารางนี้ใช้ค่าเฉลี่ย (กึ่งแกนเอก) และปัดทศนิยมของคอลัมน์ “ย่อส่วน” เป็น 2 ตำแหน่ง