Alienum phaedrum torquatos nec eu, vis detraxit periculis ex, nihil expetendis in mei. Mei an pericula euripidis, hinc partem.
 

นักฟิสิกส์ตรวจสอบทฤษฎีของไอน์สไตน์ที่ขอบหลุมดำยักษ์

นักฟิสิกส์ตรวจสอบทฤษฎีของไอน์สไตน์ที่ขอบหลุมดำยักษ์

ก่อนยุคของไอน์สไตน์

นักฟิสิกส์และนักดาราศาสตร์ใช้ทฤษฎีความโน้มถ่วงของนิวตันในการอธิบายและทำนายปรากฏการณ์ต่างๆที่เกี่ยวกับความโน้มถ่วงได้เป็นอย่างดี

ตั้งแต่วิถีการโคจรของดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์ , อธิบายการเกิดน้ำขึ้น-น้ำลง ,  ทำนายการมีอยู่ของดาวเนปจูน , อธิบายการโคจรของดาวหางฮัลเลย์  ที่สำคัญ นักฟิสิกส์ยังใช้ทฤษฎีความโน้มถ่วงของนิวตันในการส่งดาวเทียมไปโคจรรอบโลก ส่งยานอวกาศพร้อมมนุษย์ไปเยือนดวงจันทร์ รวมทั้งส่งยานอวกาศไปสำรวจดาวเคราะห์ต่างๆมากมายได้สำเร็จ

ทว่ากลับมีอยู่อย่างหนึ่งที่นักฟิสิกส์ไม่สามารถใช้ทฤษฎีความโน้มถ่วงของนิวตันมาอธิบายได้ นั่นคือ การโคจรของดาวพุธที่ส่ายรอบดวงอาทิตย์ (Precession of the perihelion of Mercury)

ทฤษฎีความโน้มถ่วงของนิวตันระบุว่าดาวพุธควรจะโคจรเป็นวงรีรอบดวงอาทิตย์โดยไม่ส่าย แม้จะรวมผลการรบกวนจากแรงโน้มถ่วงของดาวเคราะห์อื่นๆก็ยังไม่สามารถอธิบายการส่ายนี้ได้

ปัญหานี้จึงค้างคาในโลกฟิสิกส์มานานราวสองร้อยกว่าปี

จนกระทั่งอัจฉริยะ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์สร้างทฤษฎีที่สามารถอธิบายการส่ายของดาวพุธได้ นั่นคือ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป(General relativity)  ซึ่งเป็นทฤษฎีที่มองเอกภพแตกต่างไปจากนิวตันโดยสิ้นเชิง แต่ในบริเวณที่ความโน้มถ่วงมีค่าอ่อนๆ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปจะมีลักษณะไม่ต่างจากทฤษฎีความโน้มถ่วงของนิวตัน เราจึงเข้าใจได้ว่าตั้งแต่ดาวศุกร์ออกไปจนถึงระบบสุริยะรอบนอก ทฤษฎีความโน้มถ่วงของนิวตันจึงสามารถอธิบายการโคจรของวัตถุเหล่านี้ได้เป็นอย่างดี แต่ดาวพุธได้รับอิทธิพลความโน้มถ่วงจากดวงอาทิตย์มาก ทำให้ผลจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเริ่มปรากฏชัดขึ้นจนทฤษฎีความโน้มถ่วงของนิวตันไม่สามารถอธิบายได้นั่นเอง

แน่นอน นักฟิสิกส์ทุกวันนี้ เชื่อถือทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเป็นอย่างดี แต่ในขณะเดียวกัน พวกเขาก็พยายามมองหาว่าขอบเขตการใช้งานของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปอยู่ตรงไหน พูดง่ายๆคือ พยายามมองหาว่าทฤษฎีนี้ใช้การไม่ได้เมื่อไร

หนทางหนึ่งคือ การศึกษาการเคลื่อนที่ของวัตถุในบริเวณที่มีความโน้มถ่วงสูงมากๆ เช่นเดียวกับที่เราเคยพบปัญหาของทฤษฎีความโน้มถ่วงของนิวตันด้วยการโคจรของดาวพุธ

วัตถุที่มีความโน้มถ่วงสูงที่นักดาราศาสตร์สนใจศึกษามาโดยตลอดอย่างหนึ่งคือ หลุมดำมวลยิ่งยวด (supermassive black hole) ซึ่งหลุมดำมวลยิ่งยวดที่ใจกลางกาแล็กซีทางช้างเผือกของเรามีมวลมากถึง 4 ล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์

ปัญหาคือ หลุมดำมวลยิ่งยวดดังกล่าวอยู่ห่างจากโลกออกไปมากถึง 26,000 ปีแสง และในทิศทางที่มองจากโลกนั้น มันถูกรายล้อมไปด้วยดาวฤกษ์และฝุ่นมหาศาลจนสังเกตได้ยากมากจนแทบเป็นไปไม่ได้หากใช้กล้องโทรทรรศน์ทั่วไป

ล่าสุด นักฟิสิกส์และนักดาราศาสตร์ นำทีมโดยReinhard Genzel ได้ ใช้กล้องโทรทรรศน์  Very Large Telescope ในประเทศชิลี  ตรวจจับรีงสีอินฟราเรดและแสงจากดาวฤกษ์ดวงหนึ่งชื่อ S2 ซึ่งโคจรเข้ามาใกล้หลุมดำมวลยิ่งยวดมากที่สุดช่วงเดือนพฤษภาคม ค.ศ. 2018 ที่เพิ่งผ่านมานี้ โดยมีระยะห่างราว 20,000 ล้านกิโลเมตร และโคจรด้วยความเร็ว 25 ล้านกิโลเมตรต่อชั่วโมง (เกือบ 3%ของความเร็วแสง!)  พวกเขาเก็บข้อมูลและตำแหน่งของดาวฤกษ์ S2 อย่างต่อเนื่องยาวนานราวๆ 26 ปี แล้วนำมาเทียบกับทฤษฎีความโน้มถ่วงของนิวตัน ไอน์สไตน์ และทฤษฎีความโน้มถ่วงแบบอื่นๆที่นักฟิสิกส์ยุคใหม่เสนอขึ้น

ผลการสังเกตสอดคล้องกับทฤษฎีสัมพันธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ แต่ไม่สอดคล้องกับทฤษฎีความโน้มถ่วงอื่นๆเลย เท่ากับว่าจนถึงตอนนี้ทฤษฎีของไอน์สไตน์ถูกต้องมาตลอดร้อยปี!

นอกจากนี้ งานวิจัยล่าสุดนี้ยังศึกษาปรากฏการณ์ที่เรียกว่า gravitational redshift  จากดาวฤกษ์ S2 ด้วย กล่าวคือทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปทำนายว่าแสงจากดาวฤกษ์บริเวณหลุมดำมวลยิ่งยวดที่เปล่งมายังโลก จะถูกความโน้มถ่วงของหลุมดำดึงให้มีความยาวคลื่นเพิ่มขึ้นได้ เมื่อนักดาราศาสตร์วัดความยาวคลื่นของแสงที่มาจากดาวฤกษ์ S2 ก็พบความเปลี่ยนแปลงที่ตรงกับที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปทำนายไว้เป็นอย่างดี

ในอนาคตเมื่อนักดาราศาสตร์มีอุปกรณ์ที่ละเอียดและทรงประสิทธิภาพยิ่งขึ้น ความแข็งแกร่งของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปก็จะถูกท้าทายมากขึ้นเรื่อยๆ

อยากรู้เหมือนกันว่าเมื่อไรกันหนอ ที่เราจะเห็นแบบจังๆว่าทฤษฎีของไอน์สไตน์ผิด

บทความโดย  อาจวรงค์  จันทมาศ

อ้างอิง

https://phys.org/news/2018-07-gravity-relativity-galactic-centre-massive.html

https://www.eso.org/public/news/eso1825/

Date

สิงหาคม 6, 2018

Category

STEM NEWS