วิชาการ.คอม - การสังเกตพัลซาร์คู่พิสูจน์ทฤษฎีโน้มถ่วงของไอน์สไตน์

การสังเกตพัลซาร์คู่พิสูจน์ทฤษฎีโน้มถ่วงของไอน์สไตน์

โพสต์เมื่อ: 14:21 วันที่ 17 ต.ค. 2549 ชมแล้ว: 39,383 ตอบแล้ว: 4

ทฤษฎีของไอน์สไตน์ยังคงใช้ได้ในสนามโน้มถ่วงที่แรงอย่างขีดสุด ด้วยการทดลองสังเกตระบบพัลซาร์คู่ นักวิทยาศาสตร์ได้ทำการวัดอันแม่นยำที่สุดเกี่ยวกับผลกระทบของสนามโน้มถ่วงต่อคลื่นวิทยุที่ส่งออกมา นี่เป็นการลดช่องว่างในทฤษฎีที่ทำนายว่าสมการของไอน์สไตน์จะใช้ไม่ได้ ณ บริเวณใกล้มวลที่มีความหนาแน่นมาก ๆ

ไมเคิล เครมเมอร์ (Michael Kramer) แห่ง Jodrell Bank Observatory และผู้ร่วมงานได้ทำสี่การทดลองสังเกตคู่ของพัลซาร์ เพื่อพิสูจน์ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป พบว่ามีความถูกต้องถึง 99.5% ทีมงานวิจัยหวังว่าจะปรับปรุงความแม่นยำของการทดลองขึ้นไปอีก เพื่อให้สามารถตรวจวัดโครงสร้างภายในของดาวที่มีความหนาแน่นอย่างสูงทั้งสองนี้ และบางทีอาจจะพบสิ่งบ่งบอกเกี่ยวกับสนามโน้มถ่วงควอนตัมได้เป็นครั้งแรกด้วย

พัลซาร์คู่ PSR J0737-3039A/B ซึ่งประกอบด้วยพัลซาร์ชื่อ PSR J0737-3039A และ PSR J0737-3039B ซึ่งถูกค้นพบโดยทีม Jordrell Bank ในปี ค. ศ. 2003 อยู่ห่างจากโลกเราไปประมาณ 2000 ปีแสง (1 ปีแสง คือประมาณ 9.5 ล้านล้านกิโลเมตร หรือราว 63,000 AU) นับเป็นระบบพัลซาร์คู่ระบบแรกที่ถูกพบ พัลซาร์แต่ละดวงในระบบนี้ก็คือดาวนิวตรอนที่มีความหนาแน่นสูงมาก มีเส้นผ่าศูนย์กลางเพียง 20 กิโลเมตร แต่มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ และอยู่ห่างกันเพียงหนึ่งล้านกิโลเมตร เนื่องด้วยขนาดที่เล็ก มีความหนาแน่นสูง และมีคาบในการโคจรรอบกันที่สั้นเพียง 2.4 ชั่วโมง ทำให้ระบบพัลซาร์คู่นี้มีศักย์โน้มถ่วงที่สูงเป็นแสนเท่าของดวงอาทิตย์ของเรา นั่นคือสูงกว่าสิ่งอื่นใดในเอกภพ ยกเว้นแต่เพียงหลุมดำ

นี่จึงทำให้ระบบนี้มีกาล-อวกาศที่บิดโค้งเหนือสภาวะธรรมดาทั่วไปอย่างระบบสุริยะของเรามาก นักวิทยาศาสตร์จึงหวังว่ามันจะเป็น “แล็บวิจัย” ที่ดีเยี่ยมในการทดสอบสัมพัทธภาพทั่วไป เหตุผลที่สำคัญอีกประการที่จุดประกายความหวังก็คือว่าลำคลื่นวิทยุที่ถูกส่งออกมาอย่างสม่ำเสมอจากดวงดาวทั้งสองสามารถตรวจวัดได้ด้วยกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่ และใช้ในการวัดกาล-อวกาศที่โค้งรอบ ๆ ระบบนั้นได้ การวิจัยนี้จะสามารถไขข้อสงสัย อย่างเช่น สัมพัทธภาพทั่วไปใช้ได้เฉพาะกับสภาวะสนามโน้มถ่วงอ่อน ๆ อย่างที่ระบบสุริยะของเราหรือไม่ และมันจะมีการผิดเพี้ยนจากทฤษฎีในบริเวณที่สนามโน้มถ่วงแรงมาก ๆ มั้ย

ก่อนหน้านี้ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปได้ถูกทดสอบในสนามโน้มถ่วงที่มีความแรงของระบบดาวฤกษ์คู่มาแล้ว แต่นี่เป็นระบบแรกที่ดาวทั้งคู่เป็นพัลซาร์ ทำให้การวัดมีความน่าเชื่อถือมากขึ้น

“เรารู้ได้ไม่นานหลังจากค้นพบระบบพัลซาร์คู่นี้ว่ามันจะสามารถใช้ทดสอบสัมพัทธภาพทั่วไปได้อย่างน่าประทับใจ และเป็นเรื่องยิ่งใหญ่ที่จะได้เห็นผลที่มีความแม่นยำอย่างสูงออกมาจากมันเป็นครั้งแรก” กล่าวโดย นักฟิสิกส์ คลิฟฟอร์ด วิล (Clifford Will) แห่งมหาวิทยาลัยวอชิงตัน ในเมืองเซนต์หลุยส์ มลรัฐมิสซูรี

ทีมงานได้ใช้การสังเกตด้วยกล้องโทรทรรศน์จากหลายแห่ง เพื่อวัด 5 ค่าตัวแปรพารามิเตอร์ที่บรรยายผลทางสัมพัทธภาพที่บ่งบอกค่าแก้ไขความถูกต้องจากการเคลื่อนที่ของระบบดวงดาวแบบ Kepler พารามิเตอร์ตัวหนึ่งนั้นก็คืออัตราที่พัลซาร์ลดความเร็วลงและค่อย ๆ โคจรเข้าใกล้กัน เนื่องด้วยการสูญเสียพลังงานจากการปลดปล่อยคลื่นโน้มถ่วง อีกพารามิเตอร์หนึ่งเป็นอัตราที่ซึ่งการปล่อยลำคลื่นวิทยุเป็นจังหวะ หรือเรียกว่าพัลส์ จากพัลซาร์หนึ่งในนั้นค่อย ๆ ช้าลงโดยผลของการดึงดูดจากพัลซาร์อีกดวง และโดยผลของกาล-อวกาศที่โค้งรอบ ๆ มัน

ทีมงานได้ทำการวัดอัตราส่วนมวลระหว่างดาวทั้งสองได้เท่ากับ 1.07 ด้วย ค่านี้มีความสำคัญ เพราะว่ามันสามารถใช้ร่วมกับค่าพารามิเตอร์ตัวหนึ่ง (หนึ่งในห้า) ที่วัดได้ เพื่อหามวลของพัลซาร์แต่ละดวง ค่ามวลเหล่านี้ก็จะสามารถใส่เข้าไปในสมการของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปในการคำนวณค่าทางทฤษฎีสำหรับพารามิเตอร์ที่เหลืออีกสี่ตัว ซึ่งทำให้เราเปรียบเทียบค่าทางทฤษฎีเหล่านี้กับค่าที่ได้จากการวัด เพื่อดูว่าทฤษฎีมีความถูกต้องเพียงใด

ผลสรุปจากการทดสอบจีอาร์ (GR หรือ General Relativity หรือสัมพัทธภาพทั่วไป) อิสระต่อกันทั้งสี่เป็นที่ชัดเจน พัลซาร์ประพฤติตัวสอดคล้องกับที่ทำนายด้วยทฤษฎี ที่ความถูกต้องถึง 99.5% เป็นที่น่าประหลาดใจว่า ผลของการวัดชี้ว่าพัลซาร์หนึ่งในนั้นก่อตัวจากดวงดาวที่น่าจะมีมวลน้อยกว่าสองเท่าของดวงอาทิตย์ นี่มันน้อยกว่าปริมาณที่จำเป็นต่อการทำให้เกิดการระเบิดซูเปอร์โนวามาก ทำให้เกิดคำถามใหม่เกี่ยวกับว่าดวงดาวมีวิวัฒน์อย่างไร

การพิสูจน์ยังไม่สิ้นสุด

สัมพัทธภาพทั่วไปได้ถูกทดสอบในระบบสุริยะของเรามาแล้ว ซึ่งได้ผลที่มีความแม่นยำถึง 0.002% แต่นี่เป็นเพียงสนามโน้มถ่วงที่อ่อน นักทฤษฎีบางคนคิดว่า ในเงื่อนไขที่ขีดสุด สัมพัทธภาพทั่วไปจะใช้ไม่ได้

“เชื่อกันอยู่แล้วว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปจะใช้ไม่ได้ที่สเกลเล็กมาก ๆ ซึ่งกลศาสตร์ควอนตัมเข้ามามีผลมากกว่า แต่ตอนนี้พวกเรากำลังพยายามดูว่ามันจะใช้ไม่ได้ที่สเกลใหญ่มาก ๆ ด้วยหรือไม่” กล่าวโดย เครมเมอร์

ทฤษฎีที่เสนอเป็นทางเลือกเพื่อแทนที่สัมพัทธภาพทั่วไปที่นิยมกันมากที่สุด เกี่ยวข้องกับสิ่งที่เรียกว่าสนาม ‘tensor-scalar’ ถ้าสนามแบบนั้นมีอยู่จริง มันจะทำให้เกิดผลที่แปลกประหลาดสำหรับกฎทางฟิสิกส์ เช่น โมเมนตัมจะไม่อนุรักษ์อีกต่อไป และค่าคงที่โน้มถ่วงของนิวตันอาจเปลี่ยนแปลงไปตาม อวกาศ และ เวลา

การแสดงให้เห็นว่าสัมพัทธภาพทั่วไปใช้การได้ดีสำหรับระบบพัลซาร์คู่นั้น ไม่ได้หยุดยั้งผู้ที่สนับสนุนทฤษฎีทางเลือกได้ มันสามารถบอกได้เพียงว่าสัมพัทธภาพอาจจะใช้ไม่ได้ที่เงื่อนไขที่ขีดสุดมากกว่า หรือมันเพียงผิดเพี้ยนจากทฤษฎีเพียงเล็กน้อยมาก ๆ จนยังไม่เห็นผลแน่ชัด

เอกภพมีสถานที่ที่ขีดสุดมากกว่าในการทดสอบสัมพัทธภาพ กล่าวโดย เครมเมอร์ “พวกเราอยากสังเกตระบบที่มีสนามโน้มถ่วงแรงกว่า อย่างระบบที่พัลซาร์โคจรรอบหลุมดำ”

นักวิจัยท่านอื่น ๆ กำลังพยายามช่วยยืนยันความคิดของไอน์สไตน์ด้วย หวังกันว่าเครื่องตรวจวัดในภาคพื้นดินจะตรวจพบคลื่นโน้มถ่วงได้ในเร็ววัน ขณะที่เครื่องตรวจวัดในอวกาศจะถูกใช้ได้ในอีก 6 ถึง 7 ปีข้างหน้า การวัดเหล่านี้จะช่วยส่งเสริมการศึกษาวิจัยนี้ กล่าวโดยเครมเมอร์

ในตอนนี้ เครมเมอร์ต้องการที่จะปรับปรุงความแม่นยำของการวัดให้ดีขึ้นไปอีก “ในท้ายที่สุด เรารู้ว่าสัมพัทธภาพทั่วไปจะต้องใช้ไม่ได้ เหมือนอย่างที่มันไม่สามารถบรรยายธรรมชาติของสเกลเล็กมาก ๆ ได้” เขากล่าว การวัดที่แม่นยำมากขึ้นนั้นจะทำให้ลิมิตที่ใช้ได้ของทฤษฎีทางเลือกของแรงโน้มถ่วงแคบลง และอาจจะแสดงอันตรกิริยาระหว่างพัลซาร์ใหม่ ๆ ทำให้เห็นโครงสร้างภายในที่หนาแน่นของดาวนิวตรอนเหล่านี้

แหล่งข้อมูลและเอกสารอ้างอิง

ข่าวจาก Physicsweb
http://www.physicsweb.org/articles/news/10/9/10/1

ข่าวจาก Nature
http://www.nature.com/news/2006/060911/full/060911-9.html

ข้อมูลเพิ่มเติม

เว็บไซต์ของ ดร. เครมเมอร์
http://www.jb.man.ac.uk/~mkramer/

ข่าวการค้นพบระบบพัลซาร์คู่นี้เมื่อราวสามปีก่อนใน เว็บไซต์ Physicsweb
http://physicsweb.org/articles/news/8/1/4

เอกพงษ์

ร่วมแบ่งปันความรู้และความเห็นแล้ว 82 ครั้ง - ได้รับดาวแล้ว 155 ดวง - โหวตเพิ่มดาว

จำนวน 3 ความเห็น, หน้า่ | -1-

ความเห็นเพิ่มเติมที่ 1 17 ต.ค. 2549 (16:02)
ต้องขอขอบคุณคุณเอกพงษ์ V Teacher มากนะครับ ที่แปลบทความดี ๆ มาให้เหล่า V Member อย่างผมได้เปิดหูเปิดตา...แต่ถ้าบางประโยค คุณเอกพงษ์ช่วยขัดเกลา และเรียบเรียงประโยคใหม่ให้ใกล้เคียงคำพูดในภาษาไทยมากกว่านี้...
ผมว่าจะทำให้บทความนี้ยอดเยี่ยมยิ่งไปกว่านี้อีกครับ
อันที่จริง...ผมว่า...ความแปลกแปร่งของบทความนี้ จะโทษคุณเอกพงษ์ V Teacher เป็นสาเหตุเสียคนเดียวก็คงจะไม่ได้
เพราะต้นทางของบทความ คือผู้วิจัย 'นายไมเคิล เครมเมอร์' อะไรนี่ก็ประหลาด
ตกลงว่าแกต้องการจะวิจัยให้ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปมันออกมา 'ใช้ได้' หรือ 'ใช้ไม่ได้' กันแน่...
วิจัยอย่างนี้...อคติไปหน่อยรึเปล่าครับท่าน ?

einstine

ร่วมแบ่งปันความรู้และความเห็นแล้ว 29 ครั้ง - ได้รับดาวแล้ว 152 ดวง - โหวตเพิ่มดาว

ความเห็นเพิ่มเติมที่ 2 19 ต.ค. 2549 (20:20)
ขอบคุณสำหรับการติดตามอ่านครับ และแนะนำนะครับ เนื้อหามันยาวจนอาจเกิดความสับสน เครมเมอร์ไม่เคยบอกว่าเป็นที่สรุปแล้วว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป 'ใช้ได้' ในขีดจำกัดที่ว่านั้นแล้ว แต่ผู้บรรยายข่าวต่างหากที่พยายามโน้มน้าวให้เห็นเช่นนั้น มันเป็นลักษณะของข่าวที่ต้องการส่งสารให้ชัดเจนว่าได้สื่ออะไร แต่ในสังคมวิทยาศาสตร์นั้นตรงกันข้าม นักวิทยาศาสตร์จะไม่พอใจ หรือสรุปอะไรง่าย ๆ เข้าข้างตัวเอง ข่าววิทยาศาสตร์ที่ดีจึงควรมีการถ่วงดุลไม่ให้เชื่อมั่นในสิ่งที่ค้นพบเสมอ และตอนท้ายนั้นเป็นสิ่งที่เครมเมอร์เชื่อ ในมุมมองของนักฟิสิกส์ ซึ่งมองเห็นความสวยงามในทฤษฎีจนน่าศรัทธา ด้วยเหตุนี้เครมเมอร์จึงยังเป็นนักวิจัยที่ดี ที่จะพยายามต่อไปในการวิจัย นี่เป็นตัวอย่างของนักวิจัยที่ดีนะครับ ไม่เข้าข้างตัวเอง สื่อสารในสิ่งมาจากจิตสำนึกแห่งวิชาชีพ พอจะเข้าใจนะครับ ความขัดแย้งควรมีอยู่ในข่าววิทยาศาสตร์ เพื่อการถ่วงดุล

เอกพงษ์

ความเห็นเพิ่มเติมที่ 3 22 ต.ค. 2549 (07:57)
เออ พูดถึงเรื่องนี้ขึ้นมา ผมเลยอยากรู้ว่าตกลงหลุมดำมีซิงกูลาริทีรึเปล่าครับ เพราะจากข้อสรุปของฮอว์คิงที่ว่าเอกภพไม่มีขอบเขตมันทำให้คิดไปด้วยว่าอาจไม่มีจุดเริ่มต้น ดังนั้นก็ไม่น่าจะมีซิงกูลาริที ตกลงมันยังไงกันเนีย ? (ผมมองว่าการเกิดเอกภพเป็นส่วนกลับของการเกิดหลุมดำ)

ฮกหลง

ร่วมแบ่งปันความรู้และความเห็นแล้ว 5 ครั้ง - ได้รับดาวแล้ว 151 ดวง - โหวตเพิ่มดาว

ความเห็นเพิ่มเติม วิชาการ.คอม

ชื่อ / email:
ข้อความ

รูปภาพ หรือ ไฟล์

กรุณาล๊อกอินก่อน เพื่อโพสต์รูปภาพ และ ใช้ LaTex ค่ะ สมัครสมาชิกฟรีตลอดชีพที่นี่

ตัวช่วย 1: CafeCode วิธีการใช้
ตัวช่วย 2: VSmilies

วิธีการใช้
ตัวช่วย 3: พจนานุกรมไทย ออนไลน์ ฉบับราชบัณฑิต
ตัวช่วย 4 : dictionary ไทย<=>อังกฤษ ออนไลน์ จาก NECTEC
ตัวช่วย 5 : ดาวน์โหลด โปรแกรมช่วยพิมพ์ Latex เพื่อแสดงสมการบนวิชาการ.คอม