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:

 

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