รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์

โดย วรเชษฐ์ บุญปลอด

สัปดาห์ที่ผ่านมาได้มีการประกาศผลผู้ได้รับรางวัลโนเบลในสาขาฟิสิกส์ประจำปี ค.ศ. 2017 มอบให้แก่คณะนักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน ผู้มีผลงานวิจัยและมีส่วนร่วมในการออกแบบเครื่องมือเพื่อสังเกตการณ์อันนำไปสู่การค้นพบหลักฐานการมีอยู่ของคลื่นความโน้มถ่วง ซึ่งนับว่าเป็นข่าวดังในแวดวงวิทยาศาสตร์เมื่อต้นปี 2559 ยืนยันแนวคิดของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ที่อธิบายว่ามีคลื่นชนิดนี้เมื่อกว่า 100 ปีที่แล้ว

รางวัลโนเบลเกิดขึ้นจากพินัยกรรมของ อัลเฟร็ด โนเบล นักเคมีชาวสวีเดน ซึ่งเป็นผู้คิดค้นระเบิดไดนาไมต์ การที่สิ่งประดิษฐ์ของเขาถูกนำมาใช้ในการคร่าชีวิตมนุษย์จำนวนมาก ทำให้โนเบลรู้สึกเสียใจและแสดงเจตจำนงในพินัยกรรมซึ่งเขียนไว้เมื่อ ค.ศ. 1895 ว่าต้องการมอบทรัพย์สินส่วนใหญ่ของเขาสำหรับเป็นเงินรางวัลให้ผู้ที่มีผลงานอันเป็นคุณูปการต่อมนุษยชาติ

แรกเริ่มก่อตั้ง คณะกรรมการจะคัดเลือกผู้ได้รับรางวัลใน 5 สาขา ได้แก่ ฟิสิกส์ เคมี สรีรวิทยาหรือการแพทย์ วรรณกรรม และสันติภาพ ต่อมาธนาคารกลางสวีเดนได้เพิ่มสาขาเศรษฐศาสตร์เมื่อ ค.ศ. 1968 โดยผู้ได้รับคัดเลือกจะได้รางวัลเป็นเหรียญรางวัล เงินรางวัล และใบประกาศเกียรติคุณ โดยพระราชาธิบดีแห่งสวีเดนทรงเป็นผู้พระราชทานรางวัล บางปีอาจไม่มีผู้ได้รับคัดเลือกในบางสาขา

การประกาศผลการคัดเลือกในสาขาฟิสิกส์ มีขึ้นเมื่อวันที่ 3 ต.ค. 2560 ผู้ได้รับรางวัลเป็นนักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน 3 ท่าน ได้แก่ ไรเนอร์ ไวส์ (สถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์) คิป เอส. ทอร์น (สถาบันเทคโนโลยีแคลิฟอร์เนีย) และแบร์รี แบริช (สถาบันเทคโนโลยีแคลิฟอร์เนีย)

นักฟิสิกส์ทั้งสามต่างมีส่วนร่วมในการพัฒนาเครื่องมือสำหรับสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วงที่มีชื่อว่าไลโก (LIGO ย่อมาจาก Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) การทำงานของเครื่องมือนี้ทำให้สามารถค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงอันเกิดจากหลุมดำชนกัน โดยได้ตีพิมพ์ผลงานวิจัยและประกาศการค้นพบต่อสาธารณชนเมื่อเดือน ก.พ. 2559 เป็นผลงานที่ยืนยันทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ที่พยากรณ์การมีอยู่ของคลื่นความโน้มถ่วงไว้เมื่อกว่า 100 ปีที่แล้ว

คลื่นความโน้มถ่วง (Gravitational wave) เป็นคลื่นที่เกิดในปริภูมิเวลา ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปพยากรณ์การมีอยู่ของคลื่นชนิดนี้ซึ่งเป็นคลื่นอีกชนิดหนึ่ง นอกเหนือจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า คลื่นความโน้มถ่วงเคลื่อนที่ในอวกาศด้วยความเร็วเท่าความเร็วแสง ก่อนหน้านี้มีหลักฐานทางอ้อมของคลื่นความโน้มถ่วง ได้จากการสังเกตพัลซาร์ซึ่งเป็นดาวนิวตรอน ซากที่เหลือของดาวฤกษ์มวลมากที่สิ้นอายุด้วยการยุบตัวและระเบิดเป็นซูเปอร์โนวา

การสังเกตคลื่นวิทยุที่แผ่ออกมาจากพัลซาร์แห่งหนึ่ง พบว่าประกอบด้วยดาวนิวตรอนสองดวงโคจรรอบกัน คาบการโคจรที่สั้นลงทีละน้อยอย่างต่อเนื่อง แสดงว่าขณะที่โคจรรอบกันนั้น ดาวนิวตรอนทั้งสองกำลังเคลื่อนเข้าหากันอย่างช้าๆ แสดงว่าระบบกำลังสูญเสียพลังงานออกไปในอวกาศ ซึ่งตามทฤษฎีเชื่อว่าเป็นผลจากการแผ่คลื่นความโน้มถ่วง สนับสนุนว่าคลื่นความโน้มถ่วงมีอยู่จริง แต่ยังไม่ใช่การตรวจวัดได้โดยตรง

นักฟิสิกส์จึงพยายามคิดค้นเครื่องมือที่มีความละเอียดสูง สามารถตรวจวัดคลื่นความโน้มถ่วงได้โดยตรง มีชื่อว่าไลโก เป็นเครื่องตรวจวัดการแทรกสอดของแสง มีโครงสร้างเป็นรูปตัวแอล (L) แต่ละด้านยาว 4 กิโลเมตร ก่อสร้างขึ้นสองแห่งในสหรัฐอเมริกา คือที่ลิฟวิงสตัน รัฐหลุยเซียนา และแฮนฟอร์ด รัฐวอชิงตัน

เมื่อคลื่นความโน้มถ่วงเดินทางจากอวกาศอันไกลโพ้นมาถึงโลก การสั่นไหวที่เกิดขึ้นในปริภูมิเวลาทำให้ระยะทางภายในโครงสร้างรูปตัวแอล มีการยืดและหด เมื่อด้านหนึ่งยืดออก อีกด้านหนึ่งจะหดเข้า ก่อให้เกิดการแทรกสอดของแสง ซึ่งสามารถตรวจวัดได้แม้ระยะทางจะเปลี่ยนไปเพียงเศษเสี้ยวของขนาดอะตอม

วันที่ 14 ก.ย. 2558 หอสังเกตการณ์ 2 แห่งของไลโกได้ตรวจพบคลื่นแทรกสอดอันมีรูปแบบสอดคล้องกับแบบจำลองที่เกิดขึ้นเมื่อหลุมดำ 2 หลุม โคจรรอบกันและชนกัน และพบว่าเกิดจากเหตุการณ์ที่อยู่ห่างจากโลกราว 1,300 ล้านปีแสง

ไรเนอร์ ไวส์ เป็นคนแรกที่เสนอแนวคิดการประดิษฐ์มาตรแทรกสอดสำหรับตรวจวัดคลื่นความโน้มถ่วง ซึ่งเขาได้สร้างต้นแบบขึ้นเมื่อเกือบ 50 ปีที่แล้ว ต่อมาเขาได้ร่วมมือกับ คิป ทอร์น ซึ่งมีส่วนสำคัญในการพัฒนาทฤษฎีเพื่อทำความเข้าใจเกี่ยวกับคลื่นความโน้มถ่วง ส่วน แบร์รี แบริช เป็นผู้ดูแลการก่อสร้างไลโกและหาทุนสนับสนุนโครงการให้แล้วเสร็จ

หลังจากการตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงเป็นครั้งแรกเมื่อปี 2558 ได้มีการตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงอีกสามครั้ง จากแหล่งกำเนิดต่างที่กัน ครั้งสุดท้ายประกาศเมื่อวันที่ 27 ก.ย. 2560 ซึ่งได้ผลการสังเกตการณ์จากเครื่องตรวจวัดชื่อว่าเวอร์โกที่สร้างขึ้นในอิตาลี ซึ่งระยะห่างระหว่างเครื่องตรวจวัดของไลโกกับเวอร์โก ช่วยให้สามารถระบุตำแหน่งของแหล่งกำเนิดคลื่นได้แม่นยำขึ้น

การค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงถือว่าเป็นการเปิดหน้าต่างบานใหม่ของการสำรวจเอกภพ นักวิทยาศาสตร์หวังว่าการศึกษาคลื่นความโน้มถ่วงต่อไปในอนาคตจะช่วยตอบคำถามทางฟิสิกส์ดาราศาสตร์และเอกภพวิทยา ทำให้มนุษย์สามารถเข้าใจในธรรมชาติของสิ่งต่างๆ ที่เกิดขึ้นในเอกภพ รวมถึงกำเนิดและวิวัฒนาการของเอกภพได้ดียิ่งขึ้น

ปรากฏการณ์ท้องฟ้า (8-15 ต.ค.)

ดาวพฤหัสบดีซึ่งอยู่ในกลุ่มดาวหญิงสาวได้เคลื่อนเข้าใกล้ดวงอาทิตย์จนเริ่มสังเกตได้ยากในมุมมองจากโลก ท้องฟ้าเวลาหัวค่ำจึงเหลือดาวเสาร์เป็นดาวเคราะห์สว่างดวงเดียวที่เห็นได้ด้วยตาเปล่าหลังดวงอาทิตย์ตก

ดาวเสาร์อยู่ในกลุ่มดาวคนแบกงู ซึ่งพื้นที่ส่วนหนึ่งของกลุ่มดาวนี้คั่นอยู่ระหว่างกลุ่มดาวแมงป่องกับคนยิงธนู เมื่อท้องฟ้ามืดลงพอสมควรจะเริ่มเห็นดาวเสาร์ปรากฏอยู่สูงทางทิศตะวันตกเฉียงใต้ หลังจากนั้นดาวเสาร์จะเคลื่อนต่ำลงเรื่อยๆ จนตกลับขอบฟ้าในเวลาประมาณ 4 ทุ่ม

ท้องฟ้าทิศตะวันออกในเวลาเช้ามืดมองเห็นดาวศุกร์เป็นดาวสว่างที่สุดอยู่ใกล้ขอบฟ้า ดาวอังคารก็อยู่บนท้องฟ้าทิศตะวันออกเช่นเดียวกัน แต่สว่างน้อยกว่ามาก สัปดาห์นี้ทั้งดาวศุกร์และดาวอังคารจะเคลื่อนออกจากกลุ่มดาวสิงโตเข้าสู่กลุ่มดาวหญิง ดาวพุธเป็นดาวเคราะห์อีกดวงที่สว่างพอจะเห็นได้ แต่ที่หายไปจากท้องฟ้าในช่วงนี้ก็เพราะกำลังอยู่ใกล้ดวงอาทิตย์ โดยอยู่แนวเดียวกับดวงอาทิตย์ในวันที่ 9 ต.ค. เราจะเริ่มมีโอกาสเห็นดาวพุธบนท้องฟ้าเวลาหัวค่ำในกลางเดือน พ.ย.

จันทร์เพ็ญเมื่อปลายสัปดาห์ที่แล้ว สัปดาห์นี้จึงเข้าสู่ข้างแรม มองเห็นดวงจันทร์อยู่บนท้องฟ้าเวลาเช้ามืดของทุกวัน วันที่ 10 ต.ค.ดวงจันทร์อยู่ใกล้ดาวอัลเดบารันหรือดาวตาวัวในกลุ่มดาววัวที่ระยะ 2 องศา วันที่ 12 ต.ค.ดวงจันทร์สว่างครึ่งดวง หลังจากนั้นกลายเป็นเสี้ยว เช้ามืดวันที่ 15 จะเห็นจันทร์เสี้ยวอยู่ใกล้ดาวหัวใจสิงห์ในกลุ่มดาวสิงโตที่ระยะ 7 องศา