วิทย์ม.ต้น: COSMOS EP. 4 ความเร็วแสง สัมพัทธภาพ หลุมดำ

วันนี้เราคุยกันถึงคลิปวิดีโอ Cosmos Ep. 4: A Sky Full of Ghosts ที่เด็กๆไปดูกันที่บ้านในสัปดาห์ที่แล้ว เกี่ยวกับระยะทางมหาศาลระหว่างดวงดาว ความเร็วที่คงที่ของแสงในสุญญากาศ ไม้บรรทัดและนาฬิกาทำงานขึ้นกับการเคลื่อนที่และความโน้มถ่วง และหลุมดำครับ

ระยะทางระหว่างดวงดาวไกลมาก เราวัดระยะทางระหว่างดวงดาวกันโดยเทียบว่าถ้าแสงใช้เวลาเดินทางมันจะต้องใช้เวลาเท่าไรครับ

แสงเดินทางผ่านสุญญากาศได้ประมาณ 300,000 กิโลเมตรใน 1 วินาที (ประมาณ 1 พันล้านกิโลเมตรในหนึ่งชั่วโมง) ดังนั้นระยะทาง 1 วินาทีแสงคือระยะทางที่แสงเดินทางได้ในหนึ่งวินาทีซึ่งเท่ากับ 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 30,000 ปีแสง

ขนาดรัศมีของทางช้างเผือกคือประมาณ 50,000 ปีแสง แสดงว่าดวงอาทิตย์ของเราอยู่ห่างจากศูนย์กลางมาประมาณครึ่งทางครับ

รายการกาแล็กซีใกล้ๆดูได้ที่หน้านี้ครับ List of nearest galaxies

เหตุการณ์ต่างๆในจักรวาลเราจะต้องบอกว่าเกิดที่ไหน (x, y, z) และเกิดเมื่อไร (t) ในอดีตเราเข้าใจว่าทุกคนวัดตำแหน่งและเวลาของเหตุการณ์ต่างๆด้วยไม้บรรทัดและนาฬิกาที่ทำงานเหมือนๆกันหมดทุกคน แต่จริงๆแล้วความเข้าใจนี้ยังคลาดเคลื่อนอยู่

การค้นพบของไอน์สไตน์เมื่อปี 1905 (Special Relativity) และ 1916 (General Relativity) แสดงว่าจักรวาลไม่ได้เป็นแบบนั้น กลายเป็นว่าเมื่อเราแต่ละคนวัดตำแหน่งและเวลาของเหตุการณ์ต่างๆ ไม้บรรทัดและนาฬิกาของเราทำงานต่างกันขึ้นอยู่กับการเคลื่อนที่และอยู่ใกล้มวลหรือพลังงานแค่ไหนของตัวเรา เช่นเราจะสังเกตเพื่อนของเราที่เคลื่อนที่เร็วๆเมื่อเทียบกับเราว่าไม้บรรทัดเขาดูสั้นลงและนาฬิกาเดินช้าลง หรือนาฬิกาเพื่อนเราที่อยู่บนยอดเขา (ที่แรงโน้มถ่วงน้อยกว่าเราที่อยู่ที่พื้น) จะเดินเร็วกว่านาฬิกาเรา (แต่ความแตกต่างเหล่านี้จะน้อยมากๆในสถานการณ์ชีวิตประจำวัน จะแตกต่างมากขึ้นถ้าความเร็วสูงเป็นหลายๆเปอร์เซ็นต์ของความเร็วแสง หรือแรงโน้มถ่วงสูงใกล้ๆดาวฤกษ์เป็นต้น)

ความเร็วของแสงในสุญญากาศเป็นความเร็วที่เหตุการณ์ต่างๆสามารถส่งสัญญาณไปที่อื่นในจักรวาลของเรา เป็นความเร็วสูงสุดสำหรับการเคลื่อนที่ ถ้ามีใครสามารถเคลื่อนที่หรือส่งสัญญาณได้เร็วกว่าแสง เขาจะสามารถเห็นอนาคตของเราก่อนอดีตของเราได้ เกิดเหตุการณ์ paradox ต่างๆได้เพราะสามารถส่งข้อมูลไปในอดีต (แต่อาจมีกฎธรรมชาติที่เรายังไม่ค้นพบที่แก้ปัญหาเหล่านี้ก็ได้) ถ้าสนใจเพิ่มลองดูคลิปเหล่านี้ครับ (ถ้ายากไปค่อยดูทีหลังในอนาคตเมื่อสนใจก็ได้):

สิ่งที่ไอน์สไตน์ค้นพบ (เวลาของเราแต่ละคนไหลไปด้วยอัตราไม่เท่ากัน ขึ้นอยู่กับว่านาฬิกาเคลื่อนที่เร็วแค่ไหน และอยู่ใกล้แรงโน้มถ่วงแรงแค่ไหน ถ้าเคลื่อนที่เร็วเวลาก็ไหลช้า ถ้าอยู่ใกล้แรงโน้มถ่วงเยอะเวลาก็ไหลช้า) ถูกใช้ทุกวันในเทคโนโลยีรอบตัว เช่น ดาวเทียม GPS ที่โคจรบนท้องฟ้า มันมีความเร็วสูงทำให้เวลาช้ากว่าผิวโลก 7 ไมโครวินาทีต่อวัน แต่เนื่องจากมันห่างจากโลก แรงโน้มถ่วงจึงอ่อนลง ทำให้เวลาเร็วกว่าบนผิวโลก 45 ไมโครวินาทีต่อวัน ดังนั้นผลรวมก็คือเวลาของดาวเทียม GPS จะวิ่งเร็วกว่าเวลาบนผิวโลก 38 ไมโครวินาทีต่อวัน ถ้าไม่คำนวณเวลาที่ไหลต่างกันระหว่างที่ผิวโลกและที่ดาวเทียม ตำแหน่งต่างๆที่คำนวณจากระบบ GPS จะเพี้ยนไปวันละประมาณกว่า 10 กิโลเมตรต่อวันครับ 

การทำงานของ GPS:

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

แหล่งกำเนิดธาตุต่างๆครับ By Cmglee - Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=31761437 จาก https://en.wikipedia.org/wiki/Nucleosynthesis
แหล่งกำเนิดธาตุต่างๆครับ By Cmglee – Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=31761437 จาก https://en.wikipedia.org/wiki/Nucleosynthesis

หลุมดำเป็นสิ่งที่มวลมาก มีแรงโน้มถ่วงสูง ทำให้ของที่ตกเข้าไปไม่สามารถวิ่งกลับออกมาได้แม้กระทั่งแสง เราจึงเรียกมันว่าหลุมดำ เราสังเกตมันจากแสงเอ็กซ์เรย์ที่เกิดจากความร้อนของสิ่งต่างๆที่วิ่งด้วยความเร็วตกลงไปในหลุมดำ และดูจากวงโคจรดาวรอบๆมัน ใจกลางทุกกาแล็กซีมีหลุมดำขนาดใหญ่ เช่นในทางช้างเผือกมีหลุมดำขนาดมวลเท่ากับ 4,000,000 เท่ามวลดวงอาทิตย์

คลิปข้างล่างคือวงโคจรดาวรอบๆหลุมดำที่ใจกลางทางช้างเผือกครับ งานนี้ได้รางวัลโนเบลทางฟิสิกส์ปี 2020 ครึ่งหนึ่ง:

แนะนำคลิปนี้จากนักวิจัยชั้นนำเรื่องหลุมดำครับ:

และแนะนำคลิปจาก Kurzgezagt:

Leave a Reply

Your email address will not be published.

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.