Blockdit Logo (Mobile)
Science Complex
•
17 ส.ค. 2019 เวลา 12:45 • วิทยาศาสตร์ & เทคโนโลยี
Test Einstein Theory ตอนที่ 3 | ปรากฏการณ์เลื่อนทางแดงของแสงภายใต้สนามโน้มถ่วง (Gravitational Redshift)
คำอธิบายรูปภาพ : ปรากฏการณ์เลื่อนทางแดงของแสงอันเนื่องมาจากสนามโน้มถ่วงสูงของดาวนิวตรอน
ในปี ค.ศ. 1973 สหรัฐอเมริกาได้เริ่มโครงการ GPS หรือ การระบุตำแหน่งบนผิวโลกโดยการส่งดาวเทียมจำนวน 24 ดวงขึ้นสู่อวกาศ ในการพัฒนา GPS ช่วงแรกเน้นใช้ทางการทหารเป็นหลัก
อีก 7 ปีต่อมา หรือ ค.ศ. 1980 ประชาชนทั่วไปถึงจะเริ่มมีสิทธิ์ในการใช้งาน GPS ทั้งนี้ระบบ GPS เกิดจากความร่วมมือกันระหว่างหน่วยงานจากห้องปฏิบัติการวิจัย Naval, Aerospace Corporation และ APL นำโดยนักวิจัย 3 ท่านได้แก่ Roger L. Easton, Ivan A. และ Bradford Parkinson
นอกจากนี้ยังมีนักคณิตศาสตร์หญิงผู้เก่งกาจ คือ Gladys West ช่วยวางรากฐานระบบตรวจหาตำแหน่งดาวเทียมเพื่อให้การระบุตำแหน่งบนผิวโลกให้มีความแม่นยำมากยิ่งขึ้น
ย้อนไปในปี ค.ศ. 1955 นักฟิสิกส์ทฤษฎีเชื้อสายอเมริกัน - เยอรมัน นามว่า Friedwardt Winterberg มีความเชี่ยวชาญในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ ได้เสนอไอเดียว่าควรใช้นาฬิกาอะตอม (Atomic Clocks) สำหรับใช้ในระบบดาวเทียม เนื่องจากการวัดเวลาของผู้สังเกตจะได้ไม่เท่ากันเมื่ออยู่ห่างกันในบริเวณที่มีสนามโน้มถ่วง - ปรากฏการณ์ดังกล่าวเราเรียกว่า "Gravitational Redshift"
แต่ ณ ขณะนั้นไอเดียในการสร้างนาฬิกาอะตอมเพื่อใช้ระบุตำแหน่งอย่างแม่นยำยังไม่สามารถทำได้ จนกระทั่งในปี ค.ศ. 1971 นักฟิสิกส์ Joseph C. Hafele และนักดาราศาสตร์ Richard E. Keating สามารถสร้างนาฬิกาอะตอมซีเซียม และเริ่มทดสอบการใช้งานโดยการบรรทุกไว้บนเครื่องบินพาณิชย์ กำหนดเส้นทางบินไปรอบโลกเพื่อทดสอบความแม่นยำของการจับเวลาที่ต่างสถานที่กันสองแห่ง และได้ผลสอดคล้องกับไอเดียของ Friedwardt Winterberg
หากปราศจากนาฬิกาอะตอม การระบุตำแหน่งบนผิวโลกคงไม่แม่นยำถึงทุกวันนี้
#อีกด้านหนึ่งของมุมมองต่อปรากฏการณ์GravitationalRedshift
ปรากฏการณ์ Gravitational Redshift มักอธิบายด้วยมุมมองของเวลาที่ผู้สังเกตวัดเวลาได้ไม่เท่ากัน แต่ในแง่ของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป มักจะอธิบายอีกมุมมองหนึ่งว่าการเปลี่ยนแปลงความยาวคลื่นของแสงเมื่อวิ่งผ่านบริเวณที่มีสนามโน้มถ่วง ทั้งนี้ทฤษฎีได้ทำนายว่า
"คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เดินทางออกจากบริเวณที่มีความโน้มถ่วงสูงไปยังบริเวณที่มีความโน้มถ่วงต่ำกว่าจะมีความยาวคลื่นเพิ่มขึ้น และในทางกลับกันคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เดินทางสู่บริเวณที่มีความโน้มถ่วงสูงจะมีความยาวคลื่นลดลง"
เรารู้ว่าเมื่อคลื่นแสงมีความยาวเพิ่มขึ้นหากเคลื่อนที่ออกจากบริเวณที่มีสนามโน้มถ่วง มักจะอยู่ในโทนสีแดง ดังนั้นตามข้อทำนายจะหมายถึงว่า แสงจะค่อนข้างออกไปในโทนแดงมากขึ้น (Redder - เลื่อนไปทางแดง = Redshift) เลยเป็นที่มาของชื่อปรากฏการณ์ Gravitational Redshift ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่ทดสอบได้ยากมากว่ามีอยู่จริง
#แล้วการเปลี่ยนแปลงความยาวคลื่นเกี่ยวข้องอะไรกับเวลาที่ผู้สังเกตวัดจากบริเวณในสนามโน้มถ่วงเช่นโลก
ดาวเทียมถูกออกแบบมาให้มันรู้ตัวเองว่าอยู่บริเวณใดเหนือผิวโลก ในขณะเดียวกันเครื่องมือบนโลกก็สร้างมาเพื่อตรวจสอบว่าดาวเทียมอยู่เหนือผิวโลกห่างออกไปเท่าไหร่
การที่จะระบุตำแหน่งออกมาได้นั้นต้องใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เช่น คลื่นวิทยุ ในการรับส่งสัญญาณไปมา เนื่องจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเดินทางด้วยความเร็วแสง หากเราจะวัดระยะห่างระหว่างดาวเทียมและโลก ก็ต้องอาศัยนาฬิกาจับเวลา นั่นหมายถึง ดาวเทียมต้องมีนาฬิกา ผู้วัดบนโลกก็ต้องมีนาฬิกาวัดเวลา/ตรวจสอบอ้างอิงซึ่งกันและกัน
สัญญาณที่ส่งไปมาระหว่างดาวเทียมและโลกจะอยู่ในรูปคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ดังนั้นเป็นธรรมดาที่มันจะถูกรบกวนด้วยสนามโน้มถ่วงของโลก ทำให้ผู้สังเกตที่อยู่ห่างกัน วัดเวลาได้คลาดเคลื่อนไปจากเดิม > ส่งผลให้ > การระบุตำแหน่งผิดเพี้ยนไป
ดังนั้นจะอธิบายปรากฏการณ์ Gravitational Redshift ในมุมมองของการวัดเวลาที่คลาดเคลื่อน หรือจะอธิบายในแง่การเปลี่ยนแปลงความยาวคลื่นของแสงที่วิ่งผ่านสนามโน้มถ่วงก็เป็นเรื่องที่เกี่ยวเนื่องกัน
#การทดสอบปรากฏการณ์GravitationalRedshift
ส่วนใหญ่แล้วการทดสอบปรากฏการณ์ดังกล่าวจะแบ่งออกเป็น 2 วิธี ได้แก่ การสังเกตจากปรากฏการณ์ทางดาราศาสตร์ และการสร้างเครื่องมือวัด
1. การสังเกตจากปรากฎการณ์ทางดาราศาสตร์
ในปี ค.ศ. 2011 กลุ่มนักวิจัยนำโดย Radek Wojtak จากสถาบัน Niels Bohr แห่งมหาวิทยาลัย Copenhagen ได้รวบรวมข้อมูลจากกระจุกกาแล็กซีกว่า 8,000 แห่ง พบว่าแสงที่มาจากกระจุกาแล็กซีเหล่านี้มีการเลื่อนเฉดสีไปทางแดง (Gravitational Redshift) เมื่อเทียบกับกระจุกกาแล็กซีข้างเคียงกัน นั่นแสดงถึงว่า แสงได้สูญเสียพลังงานเมื่อวิ่งผ่านบริเวณที่มีสนามโน้มถ่วง
2. สร้างเครื่องมือวัด
ในปี ค.ศ. 1959 การทดลองของ Pound และ Rebka โดยการส่งรังสีแกมมาจากหอคอยสูง 22.5 เมตร และวัดการเปลี่ยนแปลงของความยาวรังสีแกมมา ณ บริเวณฐานหอคอย พบว่ารังสีแกมมาซึ่งเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดหนึ่งมีความยาวคลื่นเปลี่ยนไปประมาณ 1%
ปี ค.ศ. 1965 การทดลองดังกล่าวได้มีการทดสอบซ้ำโดยนักฟิสิกส์สองท่าน คือ Pound และ Snider พบว่าแท้จริงแล้วผลของ Pound และ Rebka มีค่าน้อยกว่า 1%
ภายหลังนักฟิสิกส์ได้วิเคราะห์ข้อมูลเวลาที่ระบบ GPS ได้บันทึกไว้ (อารมณ์ใช้ Big Data) พบว่าผลความคลาดเคลื่อนในการวัดเวลาของดาวเทียมคลาดเคลื่อนไป 38 ไมโครวินาทีต่อวัน (แค่วัดผิดนิดหน่อย ตำแหน่งคลาดเคลื่อนได้หลายเมตรเลยครับ)
ส่วนการทดลองที่แม่นยำที่สุดในช่วงเวลาเดียวกัน คือ การส่งนาฬิกาอะตอมไฮโดรเจนไปพร้อมกับจรวดที่ระดับความสูง 10,000 กิโลเมตร และได้วัดเวลาเทียบกับพื้นดิน พบว่าคลาดเคลื่อนไป 0.007%
ปี ค.ศ. 2014 ดาวเทียมกาลิเลโอได้ขึ้นสู่อวกาศ โดยมีภารกิจหลัก คือ เป็นดาวเทียมนำร่อง (Navigation Satellite) แต่การส่งขึ้นสู่วงโคจรมีข้อผิดพลาดทำให้ดาวเทียมมีวงโคจรเปลี่ยนไปเป็นรูปวงรี (เดิมต้องการเป็นวงกลม) ถึงแม้จะเป็นการส่งดาวเทียมที่ผิดพลาด นักวิจัยก็อาศัยวงโคจรวงรีที่มีระยะห่างจากโลกไม่เท่ากันนี่แหละ เป็นโอกาสในการตรวจสอบทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์เสียเลย
เนื่องจากดาวเทียมกาลิเลโอมีนาฬิกาอะตอมที่ให้ผลคลาดเคลื่อนเพียง 1 วินาทีทุก ๆ การตรวจสอบความคลาดเคลื่อนในรอบ 3 ล้านปี (ใครจะอยู่ถึง) เอาเป็นว่าโคตรแม่นยำในการวัดเวลา ณ ตอนนี้
ผลการวิเคราะห์พบว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปก็ยังมีความถูกต้องแม่นยำเช่นเดิม
เรียบเรียงโดย Einstein@min | @thaiphysicsteacher.com
ช่องทางติดตามข่าววิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ดูเพิ่มเติมในซีรีส์

โฆษณา