MENU
Banner

แสงกับรางวัลโนเบล ตอนที่ 32 | ค.ศ. 2017 สำหรับความทุ่มเทและการมีส่วนสำคัญในการสร้าง LIGO และ การสังเกตพบคลื่นแรงโน้มถ่วง

nobelprizes-optics232
บทความ | ดร.ศรัณย์ สัมฤทธิ์เดชขจร
นักวิจัยอาวุโส ศูนย์เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์แห่งชาติ (เนคเทค-สวทช.)

จากการที่ Albert Einstein ได้เผยแพร่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปไว้เมื่อ ค.ศ. 1915 เขาเองยังได้คิดต่อและคาดการณ์ถึงคลื่นแรงโน้มถ่วง (Gravitational wave) ซึ่งเกิดจากวัตถุขนาดใหญ่เร่งตัวและไปรบกวนสนามแรงโน้มถ่วง คล้ายๆ กับกรณีที่เราโยนวัตถุลงในน้ำแล้วเกิดการกระเพื่อมของคลื่นน้ำไปตลอดพื้นผิวนั่นเอง เพียงแต่คลื่นแรงโน้มถ่วงนี้จะเคลื่อนที่ไปทั่วจักรวาลด้วยความเร็วแสง เมื่อ Albert Einstein เสนอแนวคิดดังกล่าวขึ้นมา เขาเองก็บอกเช่นกันว่าคลื่นแรงโน้มถ่วงนี้คงไม่สามารถตรวจวัดได้โดยตรงเนื่องจากสัญญาณที่ได้จากการที่คลื่นสั่นขึ้นลงไปมาจะมีค่าน้อยมากๆ ถึงแม้ว่าความถี่ของคลื่นจะอยู่ในช่วงที่หูของคนเรารับได้ก็ตาม

การสั่นของคลื่นน้อยแค่ไหนคงต้องเปรียบเทียบกับไม้บรรทัดที่เราคุ้นเคยที่หนึ่งช่องใหญ่วัดได้ 1 ซม. และช่องละเอียดจะวัดได้ที่ระดับ 1 มม. เพียงแต่กรณีของคลื่นแรงโน้มถ่วงนั้น 1 มม. ในที่นี้คือระยะการสั่นเบาๆ ของเส้นผม ที่เกิดขึ้นบนไม้บรรทัดที่หนึ่งช่องใหญ่นั้นยาวเท่ากับ 10 ปีแสง (94.6 ล้านล้านกิโลเมตร) เลยทีเดียว

ดังนั้นการที่จะตรวจวัดคลื่นแรงโน้มถ่วงโดยตรงนั้น จึงจำเป็นต้องสร้างเครื่องมือพิเศษขึ้นมา ซึ่งในปี ค.ศ. 1962 ชาวรัสเซีย M. E. Gertsenshtein และ V. I. Pustovoit ได้เสนอแนวคิดการใช้หลักการแทรกสอดกันของแสงมาใช้ตรวจวัดคลื่นแรงโน้มถ่วงแล้ว

ทาง Kip Thorne และ Rainer Weiss เองก็มั่นใจว่าแนวคิดดังกล่าวสามารถวัดคลื่นแรงโน้มถ่วงได้และเป็นที่มาของการทดลองเล็กๆ และ วางแผนผลักดันในการสร้างหอสังเกตการณ์ Large Interferometer Gravititional-Wave Observatory (LIGO) มาตั้งแต่ปี ค.ศ. 1970 โดยได้รับการสนับสนุนจาก National Science Foundation ด้วยงบประมาณในช่วงเริ่มต้นที่มากกว่า 300 ล้านเหรียญสหรัฐ พร้อมทั้งดึงมือคนที่มีประสบการณ์บริหารโครงการวิทยาศาสตร์ขนาดใหญ่ คือ Barry Barish มาช่วย ซึ่งเขาต้องวางแผนการทำงาน รวมไปถึงการดึงคนฝีมือดีมาช่วยงานและขยายกลุ่มคนทำงานจากที่เริ่มต้นที่ 40 คน ไปเป็นโครงการระดับนานาชาติขนาดใหญ่ที่มีผู้ร่วมงานกว่าพันคน

ทั้งสามคนเสริมกันและกันได้ดีทีเดียวโดย Kip Thorne เชี่ยวชาญในด้านทฤษฎี ส่วน Rainer Weiss เชี่ยวชาญด้านวิศวกรรม ในขณะที่ Barry Barish มีความเป็นผู้นำในการนำและบริหารทีมงาน

LIGO
โครงสร้างการแทรกสอดกันของแสงที่ใช้ใน LIGO (ภาพจาก https://thescientificodyssey.typepad.com/my-blog/2016/02/episode-342-supplemental-unscripted-thoughts-on-ligo.html)

ลักษณะโครงสร้างของ LIGO จะเป็นการแทรกสอดแบบ Michelson คล้ายตัว L โดยมีกระจกหนัก 40 กิโลกรัมอยู่ที่ปลายทั้งสองด้านที่ระยะห่าง 4 กิโลเมตรจากจุดที่แสงเลเซอร์ที่มีกำลังแสง 700 วัตต์ถูกแยกออกเป็นสองลำและมารวมกันอีกครั้งแล้วเกิดการแทรกสอดกันในเวลาต่อมา

ในโครงสร้างของ LIGO ยังมีกระจกเพิ่มอีก 1 ชิ้นที่แขนแต่ละข้างของตัว L ทำหน้าที่เป็นโพรงแบบ Fabry-Pérot เพื่อให้แสงสะท้อนกลับไปกลับมามากขึ้นจะได้เพิ่มโอกาสให้แสงเจอกับคลื่นแรงโน้มถ่วงมากขึ้นนั่นเอง

แนวคิดพื้นฐานของ LIGO นั้นดูเหมือนง่ายแต่จริงแล้วเป็นโครงการวิทยาศาสตร์ขนาดใหญ่ (Big Science) ที่ต้องใช้เวลากว่า 40 ปี ทั้งการวางแผน การเลือกสถานที่ การสร้างเครื่องมือและอุปกรณ์ใหม่ๆ ที่ไม่มีอยู่ในขณะนั้นขึ้นมา ครอบคลุมตั้งแต่ระบบสุญญากาศ ระบบป้องกันการสั่นสะเทือน อิเล็กทรอนิกส์ เลเซอร์ และวัสดุชนิดต่างๆ รวมไปถึงพัฒนาวิธีการวิเคราะห์ และ วิศวกรรมที่เกี่ยวข้อง เพื่อให้มั่นใจว่าผลกระทบจากใบไม้ที่หล่นจากต้นไม้ใกล้ๆ เด็กๆ ที่วิ่งไปมา และรถที่ผ่านไปมา ในบริเวณนั้น จะไม่ส่งผลกระทบต่อการทำงานและข้อมูลที่ได้จากหอสังเกตการณ์นี้

LIGO เริ่มเก็บและวิเคราะห์ข้อมูลมาตั้งแต่ปี ค.ศ. 2002 พร้อมกับการปรับปรุงระบบอยู่เรื่อยๆ จนกระทั่งวันที่ 14 กันยายน ค.ศ. 2015 ซึ่งเป็นวันที่สัญญาณที่รอคอยก็ดังขึ้น ขณะนั้นผู้บุกเบิกหลักทั้งสามท่านก็มีอายุเฉลี่ยที่เจ็ดสิบปลายๆ แล้ว และทฤษฎีที่ Albert Einstein ได้วางไว้ในเรื่องคลื่นแรงโน้มถ่วงก็ได้รับการยืนยันอีกครั้งหนึ่ง

LIGO
คลื่นแรงโน้มถ่วงที่วัดได้จาก LIGO ทั้งสองแห่งที่ Hanford และ Livingston ของสหรัฐฯ ที่ห่างกัน 3,000 กิโลเมตรเป็นสิ่งยืนยันถึงการค้นพบ (ภาพจาก https://www.laserfocusworld.com/articles/print/volume-52/issue-04/newsbreaks/co2-laser-precisely-counter-heats-ligo-main-mirror.html)
LIGO
ภาพการเปรียบเทียบคลื่นแรงโน้มถ่วงที่ได้กับการมาเจอกันของหลุมดำ 2 หลุม โดยในช่วงแรกหลุมดำทั้งสองโคจรห่างกันอยู่ และเมื่อโคจรเข้ามาใกล้กันมากขึ้นความสูงของคลื่นของเพิ่มขึ้น จนกระทั่งก่อนเกิดการรวมกันประมาณหนึ่งในยี่สิบวินาทีความถี่และความสูงของคลื่นก็จะเพิ่มขึ้นและลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อหลุมดำทั้งสองรวมตัวกันแล้ว (nobelprize.org)
ประวัติย่อ : Rainer Weiss
Rainer Weiss
Rainer Weiss

Rainer Weiss เกิดที่ Berlin เยอรมันในปี ค.ศ. 1932 โดยมีบิดาเป็นแพทย์ และมารดาเป็นนักแสดง ซึ่งพอเกิดมาได้ไม่นานครอบครัวก็ตกอพยพออกจากเยอรมันในช่วงสงครามและมาอยู่สหรัฐฯ เขาจบปริญญาตรีที่ Massachusetts Institute of Technology (MIT) ในปี ค.ศ. 1955 และปริญญาเอกในปี ค.ศ. 1962 โดยในช่วงเรียนปริญญาตรีนั้นเสียเวลาไปหน่อยเนื่องจากติดสาวและทำให้สอบตกตอนชั้นปีที่ 3 ตัวเขาเองนั้นมีความสนใจทั้งเรื่องดนตรี และ อิเล็กทรอนิกส์ โดยเฉพาะเรื่องการลงมือสร้างและซ่อมอะไรด้วยตัวเอง ซึ่งเป็นทุนเดิมที่ทำให้เขาสามารถออกแบบและให้ข้อเสนอทางวิศวกรรมในการสร้าง LIGO ได้เป็นอย่างดี ปัจจุบันดำรงตำแหน่งเป็นศาสตราจารย์ที่ MIT

ประวัติย่อ : Kip S. Thorne
Kip S. Thorne
Kip S. Thorne

Kip S. Thorne เกิดที่ Utah สหรัฐฯ ในปี ค.ศ. 1940 ในครอบครัวที่มีบิดาเป็นนักเคมี และมารดาเป็นนักเศรษฐศาสตร์ เขาจบปริญญาตรีที่ California Institute of Technology (Caltech) ในปี ค.ศ. 1962 และปริญญาเอกที่ Princeton University ในปี ค.ศ. 1965 หลังจากนั้นกลับมาเป็นอาจารย์ที่ Caltech ในปี ค.ศ. 1967 และเป็นศาสตราจารย์ในปี ค.ศ. 1970

ประวัติย่อ : Barry C. Barish
Barry C. Barish
Barry C. Barish

Barry C. Barish เกิดในปี ค.ศ. 1936 ที่ Nebraska สหรัฐฯ ในครอบครัวที่อพยพมาจากโปแลนด์ เขาจบปริญญาตรีในปี ค.ศ. 1957 และปริญญาเอกในปี ค.ศ. 1962 จาก University of California Berkeley หลังจากนั้นได้เข้าร่วมที่ Caltech ในปี ค.ศ. 1963 โดยเน้นไปที่การทดลองด้านฟิสิกส์อนุภาค และได้เป็นศาสตราจารย์ในปี ค.ศ. 1991 เขามีประสบการณ์ในการร่วมงาน นำทีม และ บริหารโครงการฟิสิกส์ขนาดใหญ่มามากมาย

แหล่งข้อมูล

  • G. Brumfiel, “Physics Nobel for quantum optics,” Nature, Vol. 190, p. 152, October 2012.
  • http://nobelprize.org , accessed Feb 2019.
  • http://en.wikipedia.org , accessed Feb 2019.
  • ศรัณย์ สัมฤทธิ์เดชขจร, โฟโทนิกส์ มหัศจรรย์แห่งแสง, นานมีบุ๊คพับลิเคชัน, กรุงเทพฯ, กุมภาพันธ์ 2549.

บทความที่เกี่ยวข้อง

แสง รางวัลโนเบล ควอนตัม

วันที่เผยแพร่ 27 สิงหาคม 2562 10:34