Blockdit Logo (Mobile)
นิตยสารสาระวิทย์
•
20 ก.ค. 2022 เวลา 08:50 • วิทยาศาสตร์ & เทคโนโลยี
คลื่น เป็ด และอวกาศ
Doppler Ducklings and the Expanding Universe
เรื่องและภาพโดย วริศา ใจดี
หลังฤดูหนาวที่พายุหิมะสูงเป็นฟุตได้ผ่านพ้นไปแล้ว อากาศก็เริ่มอบอุ่นขึ้น ก้าวเข้าสู่ฤดูใบไม้ผลิที่มาพร้อมกับฝน เหล่าลูกเป็ดและห่านที่เกิดใหม่เริ่มออกมาฉลองการเปลี่ยนผ่านของฤดู ทุก ๆ ครั้งที่ฉันออกไปเดินเล่นรอบทะเลสาบในโรงเรียน ฉันสังเกตเห็นลูกเป็ดต่อขบวนว่ายตามแม่เป็ดไปต้อย ๆ แสดงถึงความน่ารักระหว่างแม่กับลูก
นอกจากนี้ยังเป็นการช่วยผ่อนแรงในการว่ายน้ำด้วยนะ ลูกเป็ดจะขี่ลูกคลื่นที่เกิดจากการว่ายน้ำของแม่ ใช้ลูกคลื่นดันตัวเองไปข้างหน้าโดยไม่ต้องออกแรงว่ายมากเท่ากับแม่เป็ดที่นำขบวนอยู่ การว่ายน้ำตามกันของครอบครัวเป็ดก่อให้เกิดริ้วคลื่นน้ำที่มีระเบียบน่าดู เป็นความสวยงามจากธรรมชาติท่ามกลางฝนปรอยปรายที่ฉันไม่สามารถละสายตาไปได้เลย
เกริ่นมาขนาดนี้แล้ว ก็ไม่พ้นที่ฉันจะขอเล่าเรื่องราวฟิสิกส์เบื้องหลังความสวยงามนี้ แต่เนื่องจากพอฉันเข้าใกล้เป็ดน้อยแล้วเป็ดว่ายหนี ดังนั้นต้องขอใช้เป็ดพลาสติกจำลองสถานการณ์แทน
แน่นอนว่าคลื่นน้ำนั้นมีหน้าตาต่าง ๆ กันไป ไม่ได้เกิดเพราะความบังเอิญอย่างที่ฉันคิด พอมองนาน ๆ เข้าฉันก็เริ่มสังเกตว่า คลื่นน้ำรอบตัวเป็ดไม่ได้เป็นลักษณะวงกลมที่แผ่ออกเป็นชั้น ๆ เสมอไป โดยเฉพาะคลื่นจากตัวเป็ดที่ว่ายน้ำไปมา ในบางทีมันก็มีลักษณะเบี้ยวโย้ไปฝั่งใดฝั่งหนึ่ง ซึ่งต่างกับคลื่นจากหยดน้ำฝนที่ตกลงในแม่น้ำจะมีลักษณะแผ่กระจายเป็นวงกลมที่มีจุดศูนย์กลางเดียว
นี่เป็นผลลัพธ์ของปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ (Doppler Effect) นั่นเอง ปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นเมื่อแหล่งกำเนิดคลื่นเคลื่อนที่ผ่านหน้าคลื่นไปขณะที่สร้างคลื่นออกมาด้วย ซึ่งเวลาเป็ดลอยนิ่ง ๆ อยู่ในน้ำ เราจะเห็นคลื่นกระเพื่อมตามจังหวะหายใจเป็นวงแผ่ออกไปแบบสม่ำเสมอ เหมือนเวลาที่หยดน้ำฝนตกลงในแม่น้ำ
วงคลื่นน้ำที่แผ่ออกไปตามรัศมีนั้นเรียกว่าหน้าคลื่น ส่วนที่นูนขึ้นคือสันคลื่น ส่วนที่บุ๋มลงคือท้องคลื่น และระยะห่างระหว่างหน้าคลื่นก็คือความยาวคลื่น
แต่เมื่อเจ้าเป็ดเริ่มว่ายน้ำไปข้างหน้าเมื่อไหร่ เราจะสังเกตเห็นว่าคลื่นข้างหน้าที่เป็ดกำลังว่ายเข้าหามีหน้าคลื่นที่ชิดกันกว่าด้านหลังที่เป็ดว่ายออกห่าง
ทั้งนี้ก็เพราะจุดศูนย์กำเนิดคลื่น ถูกขยับไปเรื่อย ๆ ทุกครั้งที่เป็ดเคลื่อนไปข้างหน้า และหน้าคลื่นจึงถูกบีบอัดเข้าหากัน นั่นทำให้คลื่นทางด้านหน้าของเป็ด มีความยาวคลื่นสั้นกว่าคลื่นทางด้านหลังของเป็ด ดังรูป
หรือพูดอีกอย่างก็คือ ถ้าเรายืนด้านหลังเป็ด และเห็นว่าเป็ดกำลังเคลื่อนที่ออกห่างจากเรา เราจะวัดความยาวคลื่นที่มาถึงเราได้ยาวกว่าปกติ
ในทางกลับกัน ถ้าเรายืนที่ด้านหน้าของเป็ด และเห็นว่าเป็ดกำลังเคลื่อนที่เข้าหาเรา เราจะวัดความยาวคลื่นที่มาถึงเราได้สั้นกว่าปกติ
แน่นอนว่าไม่ใช่แค่ในคลื่นน้ำ ในตัวกลางอื่น ๆ อย่างเสียงก็เกิดปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ได้เช่นกัน ไม่ว่าจะเป็นเวลาเราเดินข้างถนนแล้วมีรถซิ่งมาข้าง ๆ พร้อมกับบีบแตร ลองสังเกตดูว่าเสียงที่ได้ยินจะต่างกันระหว่างกรณีที่รถวิ่งเข้าหาเรา กับรถวิ่งออกจากเราไป
นั่นเป็นเพราะปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ของแหล่งกำเนิดคลื่นที่เคลื่อนที่มีผลต่อความยาวคลื่น และตามความสัมพันธ์ v=fλ เมื่อความเร็วเสียงในตัวกลางเดียวกันมีค่าคงที่ ตัวแปรที่ถูกกระทบเมื่อความยาวคลื่นเปลี่ยนไปอีกตัวก็คือความถี่คลื่น และความถี่นี่ละที่ส่งผลต่อระดับเสียงที่เปล่งออกมา หรือที่เรียกว่า pitch โดยยิ่งเสียงมีความถี่สูง ระดับเสียงก็ยิ่งสูง (high pitch) ถ้าเสียงมีความถี่ต่ำ ระดับเสียงก็จะต่ำ (low pitch)
ระดับความถี่ที่ตรวจจับจะขึ้นกับตำแหน่งของผู้สังเกต และความเร็วในการเคลื่อนที่ของแหล่งกำเนิด ดังสมการในรูป
ให้รถเป็นแหล่งกำเนิดเสียง โดยวิ่งหนี A และวิ่งเข้าหา B
vs แทนความเร็วของรถ (แหล่งกำเนิดคลื่น)
v แทนความเร็วของคลื่น (ความเร็วเสียงในอากาศ)
f แทนความถี่ของคลื่น
λ แทนความยาวคลื่น
สูตรนี้ใช้ในกรณีที่ผู้สังเกตอยู่นิ่ง ๆ ไม่เคลื่อนที่ (stationary observer)
นี่แสดงให้เห็นว่าปรากฏการณ์ดอปเพลอร์เกิดกับคลื่นในหลากหลายตัวกลาง แล้วแต่ว่าการเปลี่ยนแปลงนั้นจะแสดงออกมาอย่างไร
ตัวอย่างสำคัญอีกอันคือปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ในคลื่นแสงที่ก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในสเปกตรัมของต้นกำเนิด อย่างดาวหรือแม้แต่กาแล็กซี ทำให้ปรากฏการณ์ดอปเพลอร์เป็นหนึ่งในกุญแจสำคัญของการไขความลับทิศทางการเปลี่ยนแปลงของจักรวาล ตามที่คุณเอ็ดวิน ฮับเบิล (Edwin Hubble) นักดาราศาสตร์ชาวอเมริกันได้อธิบายเอาไว้
ลักษณะของคลื่นที่เปลี่ยนความถี่ไปเมื่อแหล่งกำเนิดเคลื่อนที่สัมพันธ์กับทิศทางการเคลื่อนที่ของโลก และสะท้อนออกมาในรูปของสเปกตรัมหรือแสงสีของวัตถุนั้น
ดังนั้นเมื่อวัตถุอวกาศเคลื่อนที่เข้าหาโลก ก็เทียบได้กับเมื่อเป็ดว่ายน้ำเข้าหาเรา หน้าคลื่นจึงถูกบีบอัดเข้าหากันตามปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ ทำให้ความยาวคลื่นสั้นลงและความถี่สูงขึ้น เมื่อเป็นกรณีวัตถุอวกาศ คลื่นแสงที่มันปล่อยออกมาจะเป็นคลื่นที่มีความถี่สูงกว่าและตกอยู่ในช่วงสเปกตรัมสีฟ้า เรียกว่า blue shift
ในทางกลับกัน เมื่อวัตถุอวกาศเคลื่อนที่ออกห่างจากโลก ก็เทียบได้กับเมื่อเป็ดว่ายน้ำหนีเรา และคลื่นที่มาถึงเราก็คือคลื่นจากก้นเป็ด ซึ่งตามปรากฏการณ์ดอปเพลอร์แล้ว จะมีหน้าคลื่นที่ห่างกันมากกว่า ความยาวคลื่นยาวขึ้น และความถี่ต่ำลงนั่นเอง เช่นเดียวกันกับวัตถุอวกาศ คลื่นที่มันปล่อยออกมาในรูปคลื่นแสงก็จะเป็นคลื่นที่มีความถี่ต่ำกว่าและตกอยู่ในช่วงสเปกตรัมสีแดง เรียกว่า red shift
การที่นักดาราศาสตร์สังเกตกาแล็กซีที่ไกลจากโลกเรามาก ๆ เป็นสีแดง ซึ่งมีความถี่คลื่นต่ำ บ่งบอกให้รู้ว่ากาแล็กซีนั้นกำลังเคลื่อนที่ออกห่างจากโลกเราเรื่อย ๆ จึงนับเป็นหลักฐานสำคัญในการสรุปว่า จักรวาลของเรากำลังขยายตัวออกอยู่ตลอดเวลา ไม่น่าเชื่อเลยใช่ไหมล่ะว่าการว่ายน้ำของเป็ดจะเทียบเคียงได้กับปรากฏการณ์ระดับจักรวาล ที่นำเราไปสู่ข้อสรุปถึงความเป็นไปของจักรวาลได้ใกล้เคียงความจริงมากยิ่งขึ้น
โฆษณา