รางวัลโนเบล สาขาฟิสิกส์ ในปี 2017 ตกเป็นของ Rainer Weiss, Barry C. Barish และ Kip S. Thorne สามนักวิทยาศาสตร์จากไลโก (the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO) ซึ่งค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงที่เป็นปริศนาของนักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกมากว่า 100 ปี

โดยภายใต้โครงการนี้มีนักวิทยาศาสตร์และนักวิจัยร่วมทำงานมากกว่า 1,000 คนจากมากกว่า 20 ประเทศ รวมถึงคนไทย 2 คนที่อยู่ในโครงการประวัติศาสตร์นี้ด้วย ได้แก่ ดร. ธารา เฉลิมทรงศักดิ์ จากมหาวิทยาลัยมหิดล ผู้พัฒนาชิ้นส่วนภายในเครื่องอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ รุ่นที่ 3 และน.ส.ณัฐสินี กิจบุญชู เจ้าหน้าที่ประจำสถานีตรวจวัด เขตแฮนฟอร์ด กรุงวอชิงตัน สหรัฐอเมริกา

หากพูดถึงแรงโน้มถ่วง คนส่วนใหญ่คงจะรู้จักกันดีจากเรื่องเล่าที่ว่า นิวตันค้นพบแรงโน้มถ่วงจากการที่แอปเปิลตกใส่ศีรษะของเขา แต่สำหรับคลื่นความโน้มถ่วง (gravitational wave) แล้ว หากไม่ใช่ผู้ที่สนใจจริง ๆ คงไม่ค่อยคุ้นหูเท่าไรนัก เพราะคลื่นความโน้มถ่วงที่ตรวจจับได้นี้ไม่ได้อยู่บนโลกของเรา แต่อยู่ในอวกาศที่ห่างออกไปเป็นระดับปีแสง ซึ่งนับเป็นเวลานานกว่า 10 ปีมาแล้ว ที่ไลโกพยายามจะตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงดังกล่าว

การตรวจจับหาคลื่นความโน้มถ่วงเริ่มต้นมาจากที่นักวิทยาศาสตร์ในยุคก่อน ไม่สามารถใช้กฎความโน้มถ่วงสากลของนิวตัน ที่มีสูตรว่า F=Gm1m2/r^2 ซึ่งกล่าวถึงแรงดึงดูดระหว่างมวลในเอกภพ ในการอธิบายวงโคจรของดาวพุธรอบดวงอาทิตย์อาทิตย์ได้อย่างหมดข้อสงสัย ต่อมา ในปี ค.ศ. 1916 อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันเชื้อสายยิว ก็ได้เสนอทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป เพื่ออธิบายวงโคจรของดาวพุธ และแสดงให้เห็นจริงว่ากฎความโน้มถ่วงสากลของนิวตันไม่เป็นจริงเสมอไป ในกรณีที่วัตถุเคลื่อนที่ได้เร็วมาก ใกล้เคียงอัตราเร็วแสง ซึ่งเป็นทฤษฎีที่สั่นสะเทือนวงการฟิสิกส์ทีเดียว

ทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ ได้กล่าวถึง "กาลอวกาศ" หรือที่ว่างและเวลา (space-time) ซึ่งเป็นมิติที่ 4 นอกเหนือจากภาพลักษณะ 3 มิติ (กว้างxยาวxลึก) ที่เราคุ้นเคยกันดี โดยอธิบายว่า ผู้สังเกตการณ์ 2 คน ที่อยู่คนละตำแหน่ง เช่น อยู่ในสถานีอวกาศ A ที่หยุดนิ่ง และสถานีอวกาศ B ที่เคลื่อนที่ (เมื่อเทียบกับสถานีอวกาศ A) จะเห็นเหตุการณ์เดียวกัน ด้วยเวลาที่ต่างกัน ซึ่งแสดงให้เห็นถึงการบิดเบือนของเวลา

กาลอวกาศนี้หากเปรียบให้เห็นภาพก็เปรียบเสมือนเครื่องเล่นแทรมโพลีนหรือตาข่ายขึงตึงที่มีความยืดหยุ่น เมื่อมีมวลจากวัตถุกระทำต่อมัน มันจะเคลื่อนไปมาเป็นระลอกคลื่น ระลอกคลื่นนี้เองที่เปรียบเสมือนคลื่นความโน้มถ่วง ซึ่งจะทำให้เกิดการบิดงอของกาลอวกาล ส่งผลต่อการบิดเบือนของระยะทางและเวลา ส่วนวัตถุที่มากระทำก็คือมวลขนาดใหญ่ เช่น หลุมดำ

อย่างไรก็ตาม ในเวลานั้นยังไม่มีเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพเพียงพอที่จะพิสูจน์คลื่นความโน้มถ่วง ที่กล่าวถึงในทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ กระทั่งในปี 1998 LIGO ได้เริ่มทำการตรวจจับคลื่นแรงโน้มถ่วงด้วยเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพ แต่ผ่านไปกว่าสิบปี ก็ยังไม่สามารถตรวจจับคลื่นดังกล่าวพบ LIGO จึงเพิ่มทุนไปกับเครื่องมืออีกครั้ง ซึ่งทำให้ได้เครื่องตรวจสอบคลื่นความโน้มถ่วง (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) ที่มีประสิทธิภาพสูงกว่าเดิม

ลักษณะของเครื่องวัดคลื่นความโน้มถ่วงประกอบด้วยท่อหรือแขนยาว 4 กิโลเมตร จำนวน 2 ท่อ ทำมุมตั้งฉากกัน และมีเครื่องกำเนิดแสงเลเซอร์ ที่จะยิ่งแสงเลเซอร์ออกไปในลักษณะที่เป็นคลื่น โดยส่งออกไปตามแขนยาวทั้งสอง ที่ปลายแขน คลื่นแสงจะสะท้อนกับกระจกและกลับมาที่ตัวรับสัญญาณ ซึ่งระหว่างนี้ หากมีคลื่นความโน้มถ่วงเกิดขึ้น มันจะส่งผลกระทบต่อแขนทั้งสองข้างของเครื่องวัดคลื่นความโน้มถ่วงในลักษณะที่ต่างกัน หากในภาวะปกติ คลื่นแสงที่ส่งกลับมายังตัวแยกลำแสงจะไม่กระทบกัน แต่ถ้าแขนถูกรบกวนจากคลื่นความโน้มถ่วง คลื่นแสงที่เดินทางกลับมาจะมีระยะการเดินทางที่ต่างกัน (ลักษณะของคลื่นจะต่างกัน)

หลังการเพิ่มทุนไปกับเครื่องตรวจสอบคลื่นความโน้มถ่วงครั้งนี้ พวกเขาก็ประสบความสำเร็จ เพราะในเดือนกันยายน 2015 เครื่องตรวจสอบคลื่นความโน้มถ่วงสามารถตรวจจับคลื่นแรงโน้มถ่วงพบเป็นครั้งแรก ซึ่งยืนยันได้ว่าคลื่นแรงโน้มถ่วงที่จับได้นี้เป็นของจริง จากการตรวจจับคลื่นแรงโน้มถ่วงในครั้งถัด ๆ มา รวมถึงการที่ LIGO มีสถานีตรวจจับ 2 สถานี สถานีแรกอยู่ที่แฮนด์ฟอร์ด กรุงวอชิงตัน สถานีที่ 2 อยู่ที่หลุยเซียน่า ซึ่งทั้งสองสถานีสามารถตรวจจับคลื่นแรงโน้มถ่วงได้ตรงกัน การค้นพบนี้ได้พิสูจน์ทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ที่มีมานานกว่า 100 ปีอย่างเป็นรูปธรรมได้ โดยคลื่นแรงโน้มถ่วงที่ตรวจจับได้ในแต่ละครั้ง มีดังนี้

ครั้งที่ 1 เดือนกันยายน 2015 โดยหลุมดำ 2 หลุมมีขนาด 29 และ 36 เท่าของดวงอาทิตย์ (ดวงอาทิตย์มขนาดประมาณ 1.99x10 กำลัง 30 กิโลกรัม) และอยู่ห่างจากโลกออกไปเป็นระยะทาง 1.3 ล้านปีแสง
ครั้งที่ 2 เดือนธันวาคม 2015 การชนกันของหลุมดำสองหลุมทำให้พวกมันรวมกันเป็นหลุมดำขนาดใหญ่ 21 เท่าของดวงอาทิตย์ และอยู่ห่างจากโลกออกไปเป็นระยะทาง 1.4 ล้านปีแสง
ครั้งที่ 3 เดือนมกราคม 2017 การชนกันของหลุมดำสองหลุมทำให้พวกมันรวมกันเป็นหลุมดำขนาดใหญ่ 49 เท่าของดวงอาทิตย์ และอยู่ห่างจากโลกออกไปเป็นระยะทาง 3 ล้านปีแสง

แม้ว่าตอนนี้คลื่นความโน้มถ่วงจะเป็นเพียงการค้นพบครั้งใหม่ แต่มันก็เป็นการค้นพบที่ยิ่งใหญ่เหมาะสมกับรางวัลที่ยิ่งใหญ่อย่างรางวัลโนเบล เพราะได้ช่วยไขปัญหาในทฤษฎีหลาย ๆ ทฤษฎี ซึ่งนับเป็นการเปิดหน้าต่างบานใหม่ของดาราศาสตร์ฟิสิกส์ และคาดหวังว่าโครงการวิจัยนี้จะดำเนินไปอย่างต่อเนื่อง จนถึงวันหนึ่งที่เราสามารถไขความลับของจักรวาล และนำความรู้เหล่านั้นมาใช้ประโยชน์อย่างสูงสุดได้

ภาพปก : Shutterstock