ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป สนามแรงโน้มถ่วงของวัตถุขนาดใหญ่จะบิดกาล-อวกาศให้โค้งงอบุ๋มลงไปแบบเดียวกับลูกโบว์ลิ่งที่วางบนผ้าปูที่นอนที่ขึงไว้ตึงๆ สิ่งนี้เรียกว่า 'Geodetic precession' และถ้าหากวัตถุนั้นหมุนรอบตัวเอง กาล-อวกาศรอบๆ ก็จะถูกลากวนเป็นเกลียวตามไปด้วย (ลองจินตนาการถึงลูกแก้วที่หมุนอยู่บนผิวหน้าของน้ำผึ้งข้นๆ) ปรากฎการณ์นี้คือ 'Frame dragging effect'การทดลองที่นักวิทยาศาสตร์เสนอให้ NASA ทำเพื่อพิสูจน์ปรากฏการณ์ทั้งสองนั้นฟังแล้วง่ายมาก นั่นคือ การเอา gyroscope ไปวางไว้ในที่ที่จะไม่ถูกแรงอื่นๆ จากภายนอกรบกวนเลย ถ้า gyroscope หมุนอยู่อย่างเดิมทั้งปีทั้งชาติ ก็แปลว่าไอน์สไตน์มั่ว แต่ถ้า gyroscope เปลี่ยนแกนหมุนไปตรงกับที่คำนวณจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ก็แปลว่าไอน์ไตน์รอดตัวไป
แต่เทคโนโลยีที่มีอยู่ตอนนั้นไม่เพียงพอที่จะทำให้ความฝันนี้เป็นจริง นับตั้งแต่เริ่มโครงการ นักวิทยาศาสตร์ต้องค่อยๆ พัฒนาเทคโนโลยีขึ้นมาเป็นเวลากว่าครึ่งศตวรรษ ประมาณกันว่ามีเทคโนโลยีใหม่อย่างต่ำ 13 ชิ้นถูกสร้างขึ้นมาเพื่อโครงการ Gravity Probe B โดยเฉพาะ รวมทั้งสิ้นใช้งบประมาณไปมากกว่า 750 ล้านเหรียญฯ
NASA เริ่มให้ทุนโครงการในปี 1963 ต่อมางบหมด นักวิทยาศาสตร์ในโครงการเลยต้องหันไปหาเงินอุดหนุนจากนายทุนรายใหญ่ Richard Fairbank และในที่สุดก็ได้งบก้อนสุดท้ายจาก King Abdulaziz City for Science and Technology ของซาอุดิอาระเบีย จนกระทั่งในเดือนเมษายนปี 2004 การเตรียมการทุกอย่างจึงสำเร็จ gyroscope ของ Gravity Probe B ได้ส่งขึ้นไปสู่อวกาศ เก็บข้อมูลอยู่นานถึงกว่า 17 เดือน
gyroscope ของ Gravity Probe B ประกอบด้วยลูกแก้วควอร์ตซ์ทรงกลม 4 ลูกขนาดประมาณลูกปิงปองเคลือบด้วยสารตัวนำยิ่งยวด niobium ลอยอยู่ในสุญญากาศที่อุณหภูมิเกือบศูนย์องศาสัมบูรณ์ และรอบๆ ลูกแก้วแต่ละลูกมีกล้องจุลทรรศน์ขนาดจิ๋วคอยวัดอยู่ว่าแกนหมุนเคลื่อนจากจุดอ้างอิงไปเท่าไร จุดอ้างอิงที่ใช้ในการทดลองนี้คือดาว IM Pegasi (HR 8703) ซึ่งอยู่ไกลพอจะใช้เป็นจุดอ้างอิงที่คงที่ได้ นักฟิสิกส์ของ NASA ให้การรับรองว่าลูกแก้วใน gyroscope ของ Gravity Probe B คือ 'ทรงกลมที่กลมที่สุดเท่าที่มนุษยชาติเคยสร้าง' ส่วนที่ยื่นเลยออกมาหนาสุดมีความหนาไม่เกิน 40 อะตอม เพราะความคลาดเคลื่อนจากทรงกลมแม้เพียงนิดเดียวก็อาจมีผลต่อการวัดการเคลื่อนที่ของแกนหมุนได้
ถึงจะละเอียดรอบคอบขนาดนั้นแล้วก็ตาม เคราะห์ร้ายก็ไม่สิ้นสุด นักฟิสิกส์พบว่าแกนหมุนของ gyroscope บิดเบี้ยวไปเพราะประจุไฟฟ้าที่สะสมบนผิวลูกแก้ว ทำให้ข้อมูลที่เก็บมาเกือบจะใช้ไม่ได้ไปทั้งหมด แต่ความพยายามอยู่ที่ไหน ความสำเร็จอยู่ที่นั้น นักฟิสิกส์ผู้ยังไม่ยอมแพ้ ค่อยๆ แกะดูว่าแรงจากประจุไฟฟ้าส่งผลต่อการเคลื่อนที่ของ gyroscope อย่างไร จากนั้นจึงนำไปหักล้างเพื่อสกัดเอาข้อมูลการเปลี่ยนแปลงของแกนหมุนที่เกิดจาก Geodetic precession และ Frame dragging effect เท่านั้น
ผลปรากฏออกมาว่าค่าการเปลี่ยนแปลงแกนหมุนจาก Geodetic precession อยู่ที่ 6.600 +- 0.017 ฟิลิปดา ส่วน frame dragging effect อยู่ที่ 0.039 +- 0.007 ฟิลิปดา ซึ่งตรงกับที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ได้ทำนายไว้ (ก่อนหน้านี้ในปี 2007 นักฟิสิกส์ได้รายงานผลของ Geodetic precession มาแล้ว แต่ความแม่นยำของข้อมูลน้อยกว่าผลในครั้งนี้) ผลการทดลองนี้จะตีพิมพ์ลงในวารสาร Physical Review Letters ฉบับที่กำลังจะออกเร็วๆ นี้
ความสำเร็จในครั้งนี้ยิ่งใหญ่มากสำหรับวงการฟิสิกส์ Clifford Will แห่ง Washington University กล่าวว่า 'สักวันหนึ่งนี่จะต้องปรากฏในตำราเรียนในฐานะของการทดลองฟิสิกส์ชิ้นประวัติศาสตร์
นอกจากการพิสูจน์ทฤษฎีสัมพัทธภาพแล้ว Gravity Probe B ซึ่งเป็นหนึ่งโครงการที่กินเวลายาวนานที่สุดของ NASA และมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด ยังสร้างคุณประโยชน์แก่วงการวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีมากมาย เทคโนโลยีที่สร้างขึ้นมาเพื่อ Gravity Probe B ถูกนำไปประยุกต์ใช้ในโครงการอื่นและอีกหลายวงการ รวมไปถึงทรัพยากรบุคคลทางวิทยาศาสตร์อีกมากมายที่ได้จากโครงการนี้ ตลอดเวลาห้าสิบกว่าปี Gravity Probe B เป็นที่ทดลองและที่ฝึกงานของนักศึกษาปริญญาเอก 100 คน ปริญญาโท 15 คน ปริญญาตรี 350 กว่าคน และนักเรียนไฮสคูลอีก 55 คน หลายคนในจำนวนนี้มีชื่อเสียงในเวลาต่อมา เช่น Sally Ride นักบินอวกาศหญิงคนแรกในประวัติศาสตร์, Eric Cornell เจ้าของรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 2001 เป็นต้น บางคนก็ทุ่มทั้งชีวิตตั้งแต่หนุ่มยันเกษียณให้กับ Gravity Probe B เช่น ดร. Francis Everitt หัวหน้าทีมนักวิจัยOne day this will be written up in textbooks as one of the classic experiments in the history of physics.
ที่มา - Popular Science, NASA Science News, PhysOrg, BBC News, Science Daily, New York Times, Science News
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น