Skip to content

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป…มองย้อนไปในสมัยของไอน์สไตน์เมื่อ 96 ปีที่แล้ว[1]

       วันที่ 20 มีนาคม ค.ศ.1916 เป็นวันที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปฉบับสมบูรณ์ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Annalen der Physik ในภาษาเยอรมัน นับเป็นวันที่มีความหมายสำคัญที่สุดวันหนึ่งของโลกฟิสิกส์ทฤษฎี เพราะทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปได้รับการยอมรับในหมู่นักฟิสิกส์ว่าเป็นผลงานชิ้นเอกของไอน์สไตน์ ถือกันว่าเป็นงานที่มหัศจรรย์ล้ำลึกกว่าสมการ E=mc^2 ที่คนชอบนำไปทำเป็นลายเสื้อยืดกัน ครั้งหนึ่ง Paul Dirac หนึ่งในบิดาของวิชากลศาสตร์ควอนตัมเคยกล่าวว่า ``ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปอาจถือว่าเป็นการค้นพบทางวิทยาศาสตร์ที่ยิ่งใหญ่ที่สุดเท่าที่เคยมีมา”  ไอน์สไตน์เริ่มพัฒนาทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปมาตั้งแต่ประมาณปี ค.ศ. 1907  ผ่านการลองผิดลองถูกล้มลุกคลุกคลานเป็นเวลาแปดปี กว่าที่ท่านจะได้สมการที่บรรยายแรงโน้มถ่วงที่สมบูรณ์ในเดือนพฤศจิกายนปี ค.ศ.1915 ซึ่งตามประวัติศาสตร์แล้วสมการนั้นถูกนักคณิตศาสตร์ชั้นแนวหน้าของโลกชาวเยอรมัน David Hilbert ชิงส่งตีพิมพ์ตัดหน้าไอน์สไตน์เป็นเวลา 5 วัน   (Hilbet ส่ง 20 พ.ย. ส่วนไอน์สไตน์ส่ง 25 พ.ย.) ในมุมมองนี้บางคนอาจถือว่า Hilbert เป็นผู้ค้นพบทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปก่อนไอน์สไตน์  แต่เบื้องหลังจริงๆแล้ว ผู้ยิ่งใหญ่ทั้งสองนี้ได้ติดต่อแลกเปลี่ยนความคิดกันเพื่อการพัฒนาทฤษฎีนี้มาเป็นระยะพอสมควร ไอเดียทั้งหมดก็ริเริ่มโดยไอน์สไตน์ ก่อนที่ทั้งคู่ต่างคนต่างแยกกันค้นพบสมการของแรงโน้มถ่วงที่ถูกต้องดังกล่าว

ตามประวัติศาสตร์แล้วไอน์สไตน์จำเป็นต้องพึ่งพาความรู้จากนักคณิตศาสตร์อย่างมากมายเพื่อพัฒนาทฤษฎี ท่านเลยต้องติดต่อไปมาหาสู่กับนักคณิตศาสตร์ชั้นนำของยุคนั้นเป็นประจำ ส่วนมากจะผ่านทางจดหมาย แต่ก็มีบางครั้งที่ได้เดินทางไปบรรยาย ไอน์สไตน์เองยังเคยกล่าวว่า ท่านรู้สึกยินดีปรีดาอย่างยิ่งที่สามารถบรรยายทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป(ฉบับที่ยังมีสมการไม่ถูกต้อง)ให้นักคณิตศาสตร์ชั้นยอดอย่าง Hilbert และ Felix Klein เชื่อถือในแนวคิดนี้ได้ การบรรยายครั้งนั้นเกิดขึ้นที่มหาลัย Gottingen ประมาณปลายเดือนกรกฏาคม ค.ศ.1915 ซึ่งการบรรยายนั้นเองที่นำไปสู่การชิงตัดหน้าส่งสมการตีพิมพ์ก่อนของ Hilbert ตอนปลายปี ปัจจุบันเราสามารถดูงานของไอน์สไตน์ซึ่งตีพิมพ์สมการแรงโน้มถ่วงที่ท่านได้นำเสนอในที่ประชุม Prussian Academy of Sciences(ของเยอรมัน)ได้จากเว็บ wikisource.org ซึ่งแปลเป็นภาษาอังกฤษในชื่อว่า The Field Equations of Gravitation

หลังจากที่ไอน์ไสตน์พยายามช่วงชิงตีพิมพ์สมการก่อน (แต่ก็ไม่ทัน Hilbert) ท่านก็กลับไปรวบรวมความคิด เขียนบทความขนาดยาว อธิบายที่มาที่ไปของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปในแบบที่นักฟิสิกส์คนอื่นๆสามารถศึกษาและเข้าใจตามได้ เป็นผลงานฉบับสมบูรณ์ตีพิมพ์ในวันที่ 20 มีนาคม ค.ศ.1915 ซึ่งปัจจุบันเราสามารถโหลดเอกสารต้นฉบับภาษาเยอรมันได้ฟรีที่เว็บของวารสาร Annalen der Physik 354 (7), 769-822  สำหรับใครที่สนใจสามารถอ่านงานของไอน์สไตน์เป็นแปลเป็นภาษาอังกฤษสามารถเข้าไปดูได้ที่ wikisource.org ตามลิงค์นี้ครับ The Foundation of the Generalised Theory of Relativity ซึ่งโดยปกติแล้วเว็บแนววิกิจะสามารถโหลดเก็บเป็นไฟล์ pdf นะครับ เลือกจากด้านข้างๆของบทความ ลองหาดูนะครับ

ก่อปราสาทบนบ่าของนิวตัน

หลังจากที่ผมได้อุทิศพื้นที่ยืดยาวให้กับเครดิตการตีพิมพ์ผลงานของท่านไอน์สไตน์และ ท่านHilbert ก็ได้เวลาเขียนถึงสิ่งที่น่าสนใจกว่าคือเนื้อหาฟิสิกส์ตามประวัติศาสตร์ซึ่งที่เป็นที่ไปที่มาของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป เรื่องนี้ต้องคุยกันยาวนะครับ เพราะมีเนื้อหาที่น่าสนใจอยู่เยอะมาก อาจจะต้องทยอยแบ่งเขียน หรือกลับมาลงรายละเอียดเพิ่มเติมหลายจุดในตอนต่อๆไปนะครับ

ก่อนยุคของไอน์สไตน์ เรามีทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของนิวตันที่มีสมการเรียบง่ายแต่ทรงพลังมาก สามารถอธิบายธรรมชาติได้อย่างอัศจรรย์ ปรากฏการณ์ต่างๆที่มนุษย์เรา
มองเห็นบนท้องฟ้า การเคลื่อนที่ของเทหวัตถุต่างๆที่มนุษย์เรารู้จักทั้งหมดสั่งสมกันมาหลายพันปี (ในความเป็นจริงแล้ว ส่วนใหญ่ใช้ก็คำนวณแค่วงโคจรของดาวเคราะห์ในระบบสุริยะนี่ล่ะครับ)
สามารถบรรยายได้ด้วยสมการ

F = \frac{G M_1 M_2}{r^2}
เมื่อ G คือ ค่าคงที่ของแรงโน้มถ่วง M_1 และ M_2 เป็นมวลของวัตถุ และ r ระยะห่างระหว่างวัตถุทั้งสอง

ทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของนิวตันดูง่ายๆ ใครๆก็สามารถเข้าใจได้ก็จริง แต่ก็มีจุดอ่อนที่สำคัญคือ ส่วนใหญ่แล้วเราไม่สามารถแก้สมการหาผลเฉลยของระบบที่ซับซ้อนได้เลย
โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อระบบที่เราสนใจศึกษาประกอบมวลมากกว่าสองก้อนขึ้นไป นักคณิตศาสตร์ในยุคหลังจากนิวตันจึงได้ร่วมกันพัฒนามุมมองใหม่ที่แตกต่างจากกลศาสตร์ของนิวตัน คือแทนที่จะมองระบบทางฟิสิกส์เป็นก้อนของวัตถุ ก็เปลี่ยนไปมองระบบในภาพของพลังงานแทน โยงการเคลื่อนที่ของวัตถุเข้ากับพลังงานจลน์ โยงแรงที่กระทำระหว่างสองมวลเข้ากับพลังงานศักย์ นักคณิตศาสตร์อัจฉริยะหลายคนที่พัฒนากลศาสตร์ต่อจากนิวตัน ก็ฝากชื่อไว้ในตำราเรียนของฟิสิกส์และวิศวะกลายเป็นชื่อของระบบกลศาสตร์ เช่น Euler, Lagrange, Hamilton และ Jacobi ซึ่งเราคงไม่สนใจลงรายละเอียดตรงนี้

อยากจะเน้นย้ำว่าไอเดียที่เปลี่ยนการมองภาพของแรงจากแบบดั้งเดิมของนิวตัน มาเป็นลักษณะของพลังงานศักย์โน้มถ่วง/สนามแรงโน้มถ่วงทำให้นักคณิตศาสตร์อย่าง Laplace และ Poisson สามารถแก้ปัญหาหลายๆอย่างที่เทคนิคทางคณิตศาสตร์สมัยของนิวตันไม่สามารถทำได้ อธิบายปรากฏการณ์ต่างๆได้กว้างขวางยิ่งขึ้น แนวคิดนี้มีอิทธิพลมากต่อนักฟิสิกส์รุ่นหลังไม่ว่าจะเป็น Maxwell หรือ ไอน์สไตน์ก็ใช้แนวคิดนี้ในการพัฒนาทฤษฎีของตนเอง  แต่ไม่ว่าเทคนิคและมุมมองจะพัฒนาไปแค่ไหน โดยเนื้อแท้แล้วทฤษฎีแรงโน้มถ่วงก็ยังเหมือนเดิม เหมือนกับที่นิวตันเคยเขียนไว้ในหนังสืออมตะที่เรียกกันย่อๆว่า Principia มีมาตั้งแต่ ค.ศ.1687

ยุคของแรงแม่เหล็กไฟฟ้าและการค้นพบวงโคจรผิดเพี้ยนไปของดาวพุธ

ในสมัยของแมกซ์เวล คือราวปี ค.ศ. 1850 เป็นต้นไป เป็นช่วงเวลาที่น่าตื่นเต้นที่สุดช่วงหนึ่งของฟิสิกส์ทฤษฎี ความสำเร็จในการรวมแรงไฟฟ้าเข้ากับแรงแม่เหล็กของแมกซ์เวล ทำให้นักฟิสิกส์ในยุคต่อมาฝันว่าจะรวมแรงโน้มถ่วงเข้ากับแรงไฟฟ้าด้วยกันกลายเป็นทฤษฎีเดียวที่สามารถอธิบายได้ทุกอย่าง ความฝันนี้ตัวไอน์สไตน์เองก็พยายามทำให้เป็นจริงจวบจนวาระสุดท้ายของชีวิต แต่ท่านก็ทำไม่สำเร็จ แม้ว่าในยุคหลังมนุษย์เราจะค้นพบแรงพื้นฐานเพิ่มขึ้นอีกสองแรงจากวิชานิวเคลียร์ แล้วพบต่อไปว่าอาจสามารถรวมเข้ากับแรงแม่เหล็กไฟฟ้าอธิบายได้ด้วยทฤษฎีเดียวกัน แต่แรงโน้มถ่วงก็ยังต้องแยกตัวอยู่ไม่สามารถรวมกันกับแรงอื่นๆได้อยู่ดี ในปัจจุบันเรามีทฤษฎีอยู่จำนวนหนึ่งที่พยายามอธิบายแรงโน้มถ่วงร่วมกับแรงอื่นๆ เช่น string theory หรือ loop quantum gravity แต่ทฤษฎีทั้งสอง รวมถึงทฤษฎีแนวแรงโน้มถ่วงเชิงควอนตัมทั้งหลายก็ยังมีปัญหาที่ยังไม่สามารถแก้ได้ในทางทฤษฎีอยู่เยอะ อีกทั้งการทดลอง เพื่อทดสอบทฤษฎีก็ดูเหมือนจะเป็นไปแทบไม่ได้ในทางปฏิบัติ มันจึงไม่น่าแปลกใจอะไรที่ช่วงบั้นปลายชีวิตของไอน์สไตน์จะพยายามรวมแรงแม่เหล็กไฟฟ้า เข้ากับแรงโน้มถ่วงแต่ไม่เป็นผล
แต่การที่นักฟิสิกส์ในยุคนั้นตั้งคำถามเปรียบเทียบจริงจังระหว่างแรงโน้มถ่วงและแรงแม่เหล็กไฟฟ้าก็ถือว่าเป็นการเปิดช่องให้ไอน์สไตน์ค้นพบทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป
ในเวลาต่อมา

++โปรดติดตามตอนต่อไป++
 เอกสารอ้างอิง
1. J J O’Connor and E F Robertson, General relativity
เว็บไซต์ http://www-history.mcs.st-and.ac.uk/HistTopics/General_relativity.html
2. A Pais, ‘Subtle is the Lord…’ The Science and the life of Albert Einstein (Oxford, 1982).
3. หัวข้อที่เกี่ยวข้องกับประวัติและเนื้อหาของทฤษฎีสัมพัทธภาพใน http://en.wikipedia.org

ผลการทดลอง ICARUS หักล้างนิวทริโนเคลื่อนที่เร็วกว่าแสง

           ทีม ICARUS (ตั้งชื่อตามคนในตำนานกรีกที่พยายามติดปีกบินขึ้นฟ้า แต่พอโดนแสงอาทิตย์ขี้ผึ้งละลาย ขนนกหลุดเลยล่วงลงทะเลตาย ดูIcarus จากWikipedia) ได้ทำการวัดความเร็วการเคลื่อนที่ของนิวทริโนจาก CERN ซึ่งปล่อยออกมาในช่วงวันที่ 21 ต.ค. ถึง 6 พ.ย. ปีที่แล้ว พบว่าเวลาที่นิวทริโนใช้ในการเคลื่อนที่สอดคล้องกับทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษทุกประการ ไม่พบผลต่างของเวลา 60 นาโนวินาทีที่ทีม OPERA รายงาน ผลต่างของเวลาที่นิวทริใช้เคลื่อนที่เทียบกับผลที่คำนวณตามทฤษฎีสัมพัทธภาพลดเหลือ 0.3 นาโนวินาที ซึ่งก็ถือว่าเป็นศูนย์ในทางปฏิบัติ เมื่อเทียบกับค่าความคลาดเคลื่อนเชิงสถิติ 4 นาโนวินาทีและความคลาดเคลื่อนจากเครื่องมือรวมกับกระบวนการวัด(systematic error)ซึ่งมีค่า 9 นาโนวินาที  และเนื่องจากหัววัด ICARUS มีขนาดเล็กกว่าหัววัดของ OPERA จึงสามารถตรวจจับนิวทริโนได้จำนวนเหตุการณ์น้อยกว่า ผลการทดลองที่รายงานในข่าวมาจากการวัดนิวทริโนจำนวน 7 เหตุการณ์

จากการที่ผลการทดลองของ ICARUS ออกมาดีแบบนี้ รวมกับข่าวที่ทาง OPERA เปิดเผยเมื่อเดือนที่แล้วว่า การวัดเวลาการเคลื่อนที่ของนิวทริโน (time-of-flight) อาจผิดพลาดได้จากการเชื่อมต่อสายสัญญาณส่งข้อมูลไม่ดีพอ จึงเป็นไปได้ว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของไอน์สไตน์ก็ยังคงถูกต้องต่อไป เรื่องนิวทริโนเคลื่อนที่เร็วกว่าแสงอาจเป็นเพียงแค่สีสันที่ไม่ใช่ความจริง แต่บรรดานักทฤษฎีทั้งหลายก็ได้ตีพิมพ์ผลงานอธิบายกันจริงจัง อธิบายกันเยอะแยะมากมาย มีทฤษฎีอธิบายกันได้อย่างสนุกสนานตามยุคสมัยที่งานวิจัยถูกขับเคลื่อนด้วยพลังของอินเทอร์เน็ตแบบทุกวันนี้

ใครที่สนใจสามารถอ่านเพิ่มเติมได้ที่บลอกของ Luboš Motl ในหัวข้อ ICARUS: the neutrino speed discrepancy is 0, not 60 ns
และสามารถอ่านเปเปอร์รายงานผลการทดลองนี้ได้จาก arXiv:1203.3433

หมายเหตุ
ในช่วงปลายปีที่แล้วทีม ICARUS (ย่อมาจาก Imaging Cosmic And Rare Underground Signals) ก็ได้รายงานผลว่านิวทริโนไม่ได้เคลื่อนที่เร็วกว่าแสง เพียงแต่ว่าตอนนั้นไม่ได้วัด time-of-flight ได้โดยตรง เป็นการวัดผลที่เกิดจากทฤษฎีของ Cohen และ Glashow ที่มองว่าหากนิวทริโนเคลื่อนที่เร็วกว่าแสงก็จะเกิด Cherenkov-like radiation ซึ่งเป็นการแผ่รังสีที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของอนุภาคเร็วกว่าแสงในตัวกลาง(ความเร็วแสงจะน้อยกว่าค่า c) ไอเดียคล้ายๆกับที่เครื่องบินเมื่อบินเร็วกว่าเสียงจะต้องผ่ากรวยเสียงทำให้เกิดคลื่นกระแทก ในตอนนั้น ICARUS พยายามวัดการแผ่รังสีตามทฤษฎีของ Cohen และ Glashow แต่ก็ไม่พบ สำหรับใครที่สนใจสามารถทบทวนความหลังได้จากบลอกของ Tommaso Dorigo หัวข้อ ICARUS Refutes Opera’s Superluminal Neutrinos

อัพเดทจาก CERN Press Release

UPDATE 16 March 2012
ICARUS experiment at Gran Sasso laboratory reports new measurement of neutrino time of flight consistent with the speed of light

The ICARUS experiment at the Italian Gran Sasso laboratory has today reported a new measurement of the time of flight of neutrinos from CERN to Gran Sasso. The ICARUS measurement, using last year’s short pulsed beam from CERN, indicates that the neutrinos do not exceed the speed of light on their journey between the two laboratories. This is at odds with the initial measurement reported by OPERA last September.

“The evidence is beginning to point towards the OPERA result being an artefact of the measurement,” said CERN Research Director Sergio Bertolucci, “but it’s important to be rigorous, and the Gran Sasso experiments, BOREXINO, ICARUS, LVD and OPERA will be making new measurements with pulsed beams from CERN in May to give us the final verdict. In addition, cross-checks are underway at Gran Sasso to compare the timings of cosmic ray particles between the two experiments, OPERA and LVD. Whatever the result, the OPERA experiment has behaved with perfect scientific integrity in opening their measurement to broad scrutiny, and inviting independent measurements. This is how science works.”

The ICARUS experiment has independent timing from OPERA and measured seven neutrinos in the beam from CERN last year. These all arrived in a time consistent with the speed of light.

“The ICARUS experiment has provided an important cross check of the anomalous result reports from OPERA last year,” said Carlo Rubbia, Nobel Prize winner and spokesperson of the ICARUS experiment. “ICARUS measures the neutrino’s velocity to be no faster than the speed of light. These are difficult and sensitive measurements to make and they underline the importance of the scientific process. The ICARUS Liquid Argon Time Projection Chamber is a novel detector which allows an accurate reconstruction of the neutrino interactions comparable with the old bubble chambers with fully electronics acquisition systems. The fast associated scintillation pulse provides the precise timing of each event, and has been exploited for the neutrino time-of-flight measurement. This technique is now recognized world wide as the most appropriate for future large volume neutrino detectors”.

นิวทริโนเร็วกว่าแสงจริง หรือเป็นเพียงแค่สายเคเบิลส่งข้อมูลหลวม?

ตามข่าวได้จาก

ScienceInsider: Error Undoes Faster-Than-Light Neutrino Results

Nature:Flaws found in faster-than-light neutrino measurement

     ข่าวนี้จริงๆแล้วก็อยู่ในระดับของข่าวลือ เหมือนกับช่วงก่อนที่ทีมทดลอง OPERA จะประกาศการค้นพบว่านิวทริโนเคลื่อนที่เร็วกว่าแสง ก็มีใครบางคนที่เห็นรายงานภายในแล้วเอาผลการทดลองมาปล่อยก่อนที่จะแถลงจริงๆ จากบลอกของ Nature อ้างไปถึงแหล่งข่าวนิรนามที่เว็บไซต์ ScienceInsider นำมาลงไว้ เปิดเผยว่าทีม OPERA สงสัยว่าความเหลื่อมล้ำของเวลา 60 นาโนวินาที ( 60 ในพันล้านส่วนของวินาที) ที่นิวทริโนเคลื่อนที่มาถึงจุดหมายก่อนเวลา อาจจะมาจากการเชื่อมต่อของสายไฟเบอร์ออฟติกระหว่าง GPS และระบบจับเวลากลางของการทดลองที่ไม่ดีพอ เขายังบอกต่ออีกว่าหลังจากที่ลองต่อสายเคเบิลใหม่ให้แน่นขึ้นแล้วลองวัดเวลาที่ใช้ในการส่งข้อมูลในสายเคเบิลดูใหม่ ก็พบว่าข้อมูลนั้นสามารถเดินทางได้เร็วขึ้นกว่าที่คาดไว้ 60 นาโนวินาทีพอดี!!!

    แต่อย่างว่าครับ แหล่งข่าวก็คือแหล่งข่าว เป็นเพียงแค่คนๆหนึ่งคาบข่าวมาบอก บางทีอาจคลาดเคลื่อนจากความเป็นจริงได้  ตัวอย่างเช่นเวลาที่บอกว่าเป็น 60 นาโนวินาทีเป๊ะๆลงตัวพอดี ก็อาจเป็นไปได้ว่าแหล่งข่าวคนนั้นเขาพูดเอง ในตอนนี้พวกเราที่อยู่นอกทีมวิจัยOPERAก็คงไม่มีทางรู้หรอกว่าข้อเท็จจริงเป็นอย่างไร บางทีต้องฟังหูไว้หูนะครับ เหมือนกับข่าวลือเรื่องการค้นพบอนุภาค stop quark (s+top quark) ที่ทำนายไว้โดยทฤษฎี supersymmetry  ของทีมATLAS เมื่อช่วงต้นเดือนที่ผ่านมา หลายคนก็ปล่อยข่าวต่อๆกันมาว่า ATLAS เห็นอะไรบางอย่าง ซึ่งพอถึงเวลาประกาศจริงก็กลายเป็นว่ายังไม่ค้นพบอะไรที่ผิดจากแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาค (standard model of particle physics)ได้ทำนายไว้

เนื่องจากการทดลองนี้ใช้หลักการง่ายๆ คือ จับเวลาที่ใช้การเคลื่อนที่ของนิวทริโนจากแหล่งกำเนิดที่ CERN สู่เครื่องวัดที่ห่างออกไปประมาณ 700 กิโลเมตร เหมือนกับการหาความเร็วเฉลี่ยโดยปกติ คนก็สงสัยกันว่าเทคโนโลยีปัจจุบันมันสามารถวัดระยะทาง และเทียบเวลาได้แม่นยำขนาดนั้นจริงเหรอ ความคลาดเคลื่อนที่เกิดจาก GPS (Global Positioning System) จึงเป็นประเด็นที่ถกเถียงกันตั้งแต่แรกเริ่ม คือ นับตั้งแต่วันที่ทีมทดลอง OPERA ประกาศผลของมาอย่างเป็นทางการเมื่อเดือนกันยายนปีที่แล้วกันเลยทีเดียว ถึงตอนนี้ประเด็นนี้ก็ยังเป็นที่ถกเถียงอยู่ยังไม่ได้ข้อสรุปที่ฟันธงลงไปได้

ตามรายงานภายในของทีม OPERA ที่ Eugenie Samuel Reich อ้างถึงใน Nature บอกว่าทีม OPERA กำลังตรวจสอบสาเหตุของความคลาดเคลื่อนสองแบบซึ่งเกี่ยวกับการจับเวลาและ GPS ทั้งคู่ ความคลาดเคลื่อนสองแบบนี้จะทำให้การจับเวลาผิดพลาดแบบตรงกันข้ามกัน คือ แบบหนึ่งทำให้มองเห็นเหมือนนิวทริโนเคลื่อนที่มาถึงเร็วไป(ทำให้มีความเร็วมากกว่าแสง) อีกแบบหนึ่งทำให้เห็นเหมือนนิวทริโนเคลื่อนที่มาถึงช้าไป เชื่อว่าหลังจากที่ปรับแต่ง แก้ไขการทดลองให้ดีขึ้นแล้ว เมื่อ CERN เดินเครื่องใหม่ในปีนี้ ปล่อยนิวทริโนมารอบใหม่ ก็จะรู้ผลว่าการทดลองที่ผ่านมาผิดพลาดหรือไม่อย่างไร ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของไอน์สไตน์ยังคงถูกหรือไม่ เราคงต้องรออีกสักพักครับ

เพิ่มเติมจากทีม OPERA วันนี้(23 ก.พ. 2555 จากเว็บ CERN Press Release)
สรุปสั้นๆว่ามีสองปัญหาที่อาจเกิดขึ้นได้คือ

1. ปัญหาการเทียบเวลาระหว่างออสซิลเลเตอร์ของสัญญาณ GPS และนาฬิกาหลักที่ใช้ในการทดลอง OPERA ในกรณีนี้จะทำให้วัดเวลาได้คลาดเคลื่อนมากกว่าค่าจริง ทำให้มองว่า ความเร็วของนิวทริโน (ระยะทางหารด้วยเวลา) น้อยกว่าค่าจริง

2. ปัญหาการเชื่อมต่อของสายเคเบิลไฟเบอร์ออฟติก ที่จะส่งผลให้การวัดเวลาคลาดเคลื่อนน้อยกว่าค่าจริง ซึ่งอันนี้เองอาจส่งผลให้เราเห็นนิวทริโนผิดไป เป็นเคลื่อนที่เร็วกว่าแสง

อย่างไรก็ดี ปัญหาสองข้อนี้กำลังได้รับการตรวจสอบอยู่จากทีม OPERA ครับ ต้องรอเดือนพฤษภาคมจึงจะสามารถทำการวัดได้ใหม่ว่ามีอะไรที่ผิดไปแค่ไหน


UPDATE 23 February 2012

The OPERA collaboration has informed its funding agencies and host laboratories that it has identified two possible effects that could have an influence on its neutrino timing measurement. These both require further tests with a short pulsed beam. If confirmed, one would increase the size of the measured effect, the other would diminish it. The first possible effect concerns an oscillator used to provide the time stamps for GPS synchronizations. It could have led to an overestimate of the neutrino’s time of flight. The second concerns the optical fibre connector that brings the external GPS signal to the OPERA master clock, which may not have been functioning correctly when the measurements were taken. If this is the case, it could have led to an underestimate of the time of flight of the neutrinos. The potential extent of these two effects is being studied by the OPERA collaboration. New measurements with short pulsed beams are scheduled for May.
จาก
http://press.web.cern.ch/press/PressReleases/Releases2011/PR19.11E.html


A Universe from Nothing (เอกภพมาจากความว่างเปล่า) หนังสือเล่มใหม่ของ Lawrence M. Krauss

เขียนจากบทความของ Dennis Overbye ใน The Newyourk Times

There’s More to Nothing Than We Knew

สามารถดูหนังสือจาก amzon.com ได้ที่
A Universe from Nothing: Why There Is Something Rather than Nothing

หนังสือเล่มใหม่ของ Lawrence M. Krauss เพิ่งวางจำหน่ายเมื่อเดือนมกราคมที่ผ่านมาน่าสนใจมากครับ ผมเองยังไม่เห็นหนังสือเล่มนี้และก็คงต้องรออีกนานกว่าจะได้เห็นเองว่าเนื้อหาข้างในเป็นอย่างไร แต่จากเครดิตของคนเขียนซึ่งเป็นนักเอกภพวิทยาคนสำคัญคนหนึ่งทำให้เชื่อว่าหนังสือเล่มนี้คงเป็นอีกเล่มที่อ่านสนุกและมีประเด็นงานวิจัยใหม่ๆที่น่าสนใจครับ สำหรับคนที่เป็นคอหนังสือแนวฟิสิกส์อาจผ่านตางานของ Lawrence M. Krauss มาบ้างจากหนังสือชื่อ The Physics of Star Trek (แต่ผมไม่เคยอ่านนะ) แต่เชื่อว่าหลายคนก็อาจเคยเห็นท่านKrauss ผ่านจอทีวี(หรือจอคอมพิวเตอร์)ในสารคดีเกี่ยวกับเอกภพวิทยาเป็นประจำเช่นกัน เพราะท่านมีชื่อเสียงในแง่ที่สามารถอธิบายเรื่องทางฟิสิกส์ยากๆให้เข้าใจง่ายเลยได้ออกทีวีเป็นประจำ

ในโลกของงานวิจัย ท่าน Krauss ก็จัดว่าอยู่ในระดับแนวหน้าคนหนึ่งในปัจจุบัน ยังมีงานวิจัยตีพิมพ์สม่ำเสมอครับ นี่ก็อาจเป็นอีกสิ่งหนึ่งที่สามารถรับรองได้ว่าความรู้ที่อยู่ในหนังสือเล่มนี้น่าจะทันสมัย ไม่ตกยุค ย้อนกลับไปเมื่อปี ค.. 1995 ท่าน Krauss และนักเอกภพวิทยารุ่นเก๋าชื่อ Michael S. Turner ค้นพบว่าค่าคงที่ของเอกภพ (cosmological constant) สามารถช่วยแก้ เรื่องผลการสังเกตการณ์หลายอย่างไม่เป็นไปตามทฤษฎีได้ นั่นคือท่าน Krauss และท่าน Turner รู้แบบอ้อมๆว่าส่วนประกอบหลักของพลังงานรวมของเอกภพควรจะเป็นพลังงานมืด(dark energy)ที่ยังไม่ถูกค้นพบ มาตั้งแต่ตอนแล้วนั้นครับ รู้ล่วงหน้าเป็นเวลาสามปี ก่อนที่ทีมสังเกตการณ์ซุปเปอร์โนวาจะค้นพลังงานมืดพบโดยตรงและได้รับโนเบลกันไปเมื่อปีที่แล้ว

หนังสือเล่มนี้จะว่าไปก็เขียนขึ้นจากการบรรยายของท่านในงานAAI 2009(Atheist Alliance International-ชื่อโจ่งแจ้งไปนิดมั๊ย) ซึ่งตอนนี้กลายเป็นคลิปในยูทูบที่มียอดการเข้าชมมากกว่าหนึ่งล้านครั้งแล้วครับ คลิปนี้ A Universe From Nothing’ by Lawrence Krauss, AAI 2009

ไอเดียของหนังสือ ผมอยากจะเริ่มจากวลีเด็ดที่ Dennis Overbye เขียนไว้ คือ

เอกภพเริ่มจากความว่างเปล่า เพื่อไปสู่ ความว่างเปล่าในท้ายที่สุด

ประโยคนี้ถือว่าบรรยายความรู้ทางเอกภพวิทยาในปัจจุบันแบบเพ้อๆนิดๆแต่ก็จริงนะ อธิบายแบบสั้นๆคือเอกภพของเราอาจผุดขึ้นมาจากความว่างคล้ายๆกับฟองน้ำฟองหนึ่งที่ผุดขึ้นมาในบนผิวของน้ำในหม้อที่ถูกต้มจนเดือด จากนั้นเอกภพก็วิวัฒน์มาเรื่อยๆจนมีสภาพเหมือนที่เราอยู่ในปัจจุบัน ในอนาคตต่อไปเมื่อเอกภพขยายตัวไปเรื่อยๆ สสารมืด(dark energy)และสสารธรรมดาที่เรารู้จัก(ดวงดาว กลุ่มก๊าซ) จะค่อยๆเจือจางหายไป นึกภาพตามง่ายๆครับ เหมือนเราหยดหมึกหนึ่งหยดลงไปในแก้วน้ำ ต่อจากนั้นก็จินตนาการให้แก้วและน้ำมันขยายตัวเรื่อยๆ หมึกมันก็จะจางลงเหมือนกับเราหยดหมึกลงในสระน้ำซึ่งแทบจะเรียกได้ว่าเป็นความว่างเจือจางจนไม่เหลืออะไร คล้ายกับหยดหมึกหนึ่งหยดลงในมหาสมุทร นั่นคือ ความว่างกลับสู่ความว่างเปล่าในท้ายที่สุด

แต่เตือนไว้นิดนึงว่าข้างบนมันเป็นการเปรียบเทียบที่เกินไปนิดหนึ่ง(แต่ผมเขียนตามบทความนะ) เพราะในความเป็นจริงแล้วการที่เอกภพขยายตัวมันไม่ได้ทำให้กาแลกซี่ทางช้างเผือกของเราขยายตัวไปด้วย สิ่งมีชีวิตอื่นที่อาจยังมีอยู่ในกาแลกซี่ของเราก็จะเห็นดาวในท้องฟ้าคล้ายๆเดิมนั่นล่ะ เพียงแต่ว่าเขามนุษย์ต่างดาวคนนั้นจะไม่สามารถเห็นกาแลกซี่อื่นๆอีกแล้วล่ะ มันเคลื่อนออกห่างกันไกลเกินไป

ในหนังสือเล่มนี้กล่าวออกน้ำเสียงเชิงปรัชญาหน่อยๆว่า ความไร้(nothingness)”มันเป็นธรรมชาติมากกว่าความมี(somethingness)” บางคนอาจจะเถียงด้วยมุขเดียวนักปรัชญาสมัยก่อนคือ เอาเท้าเตะหินแล้วถามว่า ไหนใครว่าความว่างเป็นความจริงแท้? (ก็หินก้อนนี้มันก็มีอยู่จริงเห็นๆ) แต่จริงๆแล้วในโลกของฟิสิกส์เรารู้กันมานานแล้วว่า ทั้งหินและเท้าของคนเราส่วนใหญ่ก็ประกอบด้วยที่ว่างนั่นล่ะ มันแค่กางกั้นด้วยสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ไม่ให้เท้าของเราผ่านหินไปเวลาที่เตะโดน

เมื่อต้องพูดถึงความว่างเปล่าอย่างจริงจัง ท่าน Krauss ก็แบ่งแยกออกเป็นสามแบบ คือ แบบที่หนึ่ง “ที่ว่าง” (empty space) หรือสุญญากาศ ซึ่งปัจจุบันวิชากลศาสตร์ควอนตัมก็บอกเราแล้วว่ามันไม่ใช่”ว่าง”อย่างแท้จริง มันถูกเติมเต็มด้วยพลังงาน การสั่นของสนามพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งเราอาจมองว่าเป็นการเริงระบำของอนุภาคเสมือน(virtual particle) ซึ่งการทดลองในปัจจุบันก็ก้าวหน้าขนาดที่สามารถดึง”อนุภาคเสมือนนั้นจาก”ที่ว่าง”ให้มาเป็นอนุภาคจริงๆที่สามารถวัดกันได้แล้ว

ความว่างเปล่าในแบบที่สองน่าจะมาจากทฤษฎีสตริง คือความว่างในระดับที่แม้แต่ “ที่ว่าง” หรือ กาลอวกาศ (space-time) ของเอกภพที่เราอยู่นั้นยังไม่มี แล้วทุกอย่างในเอกภพเรา ไม่ว่าจะเป็น เวลา หรือ อวกาศ ที่ผุดขึ้นจากความว่างเปล่าแบบนี้

แต่ก็ยังมีความว่างในระดับที่ลึกกว่า คือไม่ใช่แค่ว่างเปล่าปราศจากทุกสิ่งทุกอย่างที่มีอยู่ในเอกภพนี้เท่านั้นนะ ในตอนนั้น ในความว่างนั้น แม้แต่กฎทางฟิสิกส์ก็ยังไม่มี (กรรมล่ะสิ จะอธิบายกันอย่างไร) นั่นคือ เขาพยายามถามคำถามว่า กฎฟิสิกส์มาจากไหน (แล้วใครจะรู้ล่ะเนี่ย) กฎฟิสิกส์เกิดขึ้นพร้อมๆกับเอกภพ หรือว่า มีกฎทางฟิสิกส์ก่อนแล้วจึงมีเอกภพตามมา แน่ล่ะครับ ความว่างในระดับสูงสุดที่ยกมาแม้แต่ผู้เขียนเอง นักฟิสิกส์คนอื่นๆบนดาวเคราะห์ดวงเดียวกับผมตอนนี้คงยังไม่รู้คำตอบหรอก ก็ฝันกันว่าอีกสัก 50 ถึง 100 ปีอาจมีคนให้ความกระจ่างได้ ท่าน Krauss ใส่ต่อว่า หากคุณคิดมาทางนี้แล้วรู้สึกว่ามันแห้งเหี่ยวสิ้นหวังที่จะหาคำตอบ นั่นมันเป็นปัญหาของคุณ

เอกภพมันก็เป็นของมันอย่างนี้ล่ะ ไม่ว่าคุณจะชอบหรือไม่” (แน๊ มามุขเดียวกับท่าน A. D. Linde เป๊ะ เลย)