เราวัดระยะห่างระหว่างโลกกับดวงจันทร์ได้อย่างไร

          
         
          ในเดือนกรกฎาคม ค.ศ. 2019 นับเป็นเวลา 50 ปีพอดีที่ยานอวกาศอะพอลโลลงจอดบนดวงจันทร์ได้สำเร็จ


          นีล อาร์มสตรอง เป็นมนุษย์คนแรกที่ได้เหยียบดวงจันทร์ในวันที่ 20 กรกฎาคม ค.ศ. 1969 ผ่านมากว่า 50 ปี โทรทัศน์ช่องต่างๆมีการเฉลิมฉลอง ย้อนประวัติศาสตร์มาพูดถึงเหตุการณ์นี้ ช่องสารคดีต่างประเทศนำเสนอสารคดีการสำรวจดวงจันทร์ มีงานสัมมนาจัดขึ้นหลายแห่งเพื่อพูดถึงเรื่องนี้ นับเป็นเรื่องที่น่ายินดียิ่ง แต่ลองมาคิดดูแล้วตั้งแต่จบโครงการอะพอลโลก็ไม่มีมนุษย์คนใดได้ไปเหยียบดวงจันทร์เพิ่มอีกเลย ทั้งที่การสำรวจอวกาศมีความสำคัญ ไม่เพียงแต่ได้สำรวจอวกาศ เรายังมีเทคโนโลยีใหม่ๆอีกมากมายที่เราคิดค้นได้จากโครงการสำรวจอวกาศนับเป็นผลพลอยได้ที่สำคัญ เช่น การทำเลสิก การทำน้ำให้บริสุทธิ์ การแก้ไขสัญญาณจีพีเอสให้ถูกต้อง และเซลล์แสงอาทิตย์ เป็นต้น ต่างก็ได้รับการพัฒนาส่วนหนึ่งเป็นเหตุผลมาจากโครงการสำรวจอวกาศนั่นเอง (สนใจข้อมูลเพิ่มเติมสามารถดูได้ที่ https://en.wikipedia.org/wiki/NASA_spinoff_technologies)


          เมื่อยานอวกาศอะพอลโล 11 กลับมาโลกแล้ว นอกจากได้ปักธงชาติสหรัฐอเมริกาไว้ ยังทิ้งอุปกรณ์ชนิดหนึ่งที่เรียกว่า Apollo landing mirror ไว้ที่ผิวของดวงจันทร์ด้วย โดยมันเป็นการทดลองเพื่อวัดระยะทางระหว่างพื้นผิวของโลกและดวงจันทร์โดยการใช้เลเซอร์ เมื่อแสงเลเซอร์ถูกส่งจากโลกไปยังดวงจันทร์และสะท้อนกลับมา ระยะเวลาการเดินทางนี้จะถูกวัดด้วยความแม่นยำสูงมาก และจะทำให้เราสามารถคำนวณระยะทางได้ โดยใช้สมการ           แต่การคำนวณจริงๆจะซับซ้อนกว่านี้เพราะต้องคิดถึงการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ระหว่างโลกและดวงจันทร์ การหมุนของโลก ไลเบรชันของดวงจันทร์ (ไลเบรชัน หรือ libration คือรูปแบบการโคจรของดวงจันทร์ซึ่งทำให้สามารถเห็นพื้นผิวได้เกินกว่าร้อยละ 50 ของพื้นผิวทั้งหมดในช่วงระยะเวลาหนึ่ง) ความเร็วของแสงในขณะที่เคลื่อนที่ผ่านชั้นบรรยากาศ เป็นต้น ซึ่งโดยปรกติแล้วระยะเวลาที่วัดได้คือ 2.5 วินาที


            การวัดเริ่มจากใช้เลเซอร์กำลังสูงเล็งไปที่ดวงจันทร์ โดยส่งสัญญาณเป็นพัลส์สั้นๆต่อเนื่องไปยัง Retroreflector ที่ตั้งอยู่บนดวงจันทร์ โดยแสงที่เข้ามาจะสะท้อนกลับไปในทิศทางที่ตรงกันข้ามกับตอนเข้ามา และมีการกระเจิงน้อยที่สุด นักวิทยาศาสตร์จะส่งสัญญาณประมาณ 20 พัลส์ใน 1 วินาที เป็นระยะเวลาประมาณ 3-10 นาที ตอนส่งแสงเลเซอร์จากโลกไปจะมีขนาดความกว้างที่สั้นมาก แต่เนื่องจากการหักเหในชั้นบรรยากาศทำให้มันมีขนาดใหญ่ขึ้นมากจนเมื่อไปถึงดวงจันทร์มันจะมีขนาดกว้างถึง 6.5 กิโลเมตร ความเข้มข้นของแสงมีน้อยมากและเมื่อมันสะท้อนกลับมายังโลกแม้มีแค่เพียง 1 โฟตอน (photon หมายถึงอนุภาคไม่มีมวลซึ่งประกอบด้วยควอนตัมของแสงหรือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า หรือโฟตอน เป็นพลังงานหน่วยหนึ่งซึ่งมีค่าเท่ากับ hf โดย h เป็นค่าคงตัวของพลังค์ และ f เป็น ความถี่ของแสงหรือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ถูกปล่อยออกมาหรือถูกดูดกลืน) ในการยิงไปแต่ละครั้งก็เพียงพอแล้วที่จะนำไปขยายสัญญาณ และบันทึกเวลาการเดินทางอย่างแม่นยำเพื่อหาระยะทางระหว่างโลกกับดวงจันทร์


           การทดลองนี้เรียกว่า Lunar Laser Ranging แสงที่สะท้อนกลับมานี้อ่อนมาจนไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาของมนุษย์ แม้ในเงื่อนไขที่ดี สภาพอากาศเป็นใจ โฟตอนจำนวน 10 ยกกำลัง 17 โฟตอนที่เล็งไปยัง Apollo landing mirror มีเพียง 1 โฟตอนเท่านั้นที่นักวิทยาศาสตร์ได้รับกลับคืนมา แต่นั่นก็เพียงพอแล้ว การทดลองนี้นอกจากจะทำให้รู้ระยะทางของโลกและดวงจันทร์อย่างแน่ชัดแล้ว (ตัวเลขมีการเปลี่ยนแปลงเสมอ แต่โดยเฉลี่ยนศูนย์กลางของโลกห่างจากศูนย์กลางของดวงจันทร์ประมาณ 385 000 กิโลเมตร) ยังทำให้เรารู้ว่าดวงจันทร์กำลังเคลื่อนที่ห่างจากโลกในอัตรา 3.8 เซนติเมตรต่อปี และแก่นใจกลางดวงจันทร์น่าจะเป็นของเหลวโดยมีขนาดเป็น ร้อยละ 20 ของรัศมีของดวงจันทร์ และค่าคงที่โน้มถ่วงสากลนั้นเสถียร (ค่าคงที่ G เปลี่ยนไปน้อยกว่า 1 ใน 10 ยกกำลัง 11 นับตั้งแต่มีการทดลองฉายเลเซอร์)


 

          
           นอกจากโครงการอะพอลโลได้ทิ้งรอยเท้า ธงชาติสหรัฐอเมริกา และ Apollo landing mirror ไว้เพื่อให้นักวิทยาศาสตร์สามารถวัดระยะทางของโลกกับดวงจันทร์ได้อย่างแม่นยำ มันยังทิ้งความฝัน ความหวังไว้ในจิตใจของผู้คนว่ามนุษย์เป็นเผ่าพันธุ์ที่มีความสามารถ และมีความกระหายใคร่รู้ในการสำรวจ เข้าใจทางธรรมชาติอย่างไม่รู้จบ โดยมีวิทยาศาสตร์เป็นเครื่องมืออันทรงพลัง และแบบที่จอห์น เอฟ. เคนเนดีประธานาธิบดีผู้ช่วยผลักดันโครงการสำรวจดวงจันทร์ได้กล่าวไว้ว่า “เราเลือกที่จะไปดวงจันทร์ ไม่ใช่เพราะมันง่าย แต่เพราะมันยาก เพราะเป้าหมายนี้มันจะวัดพลังงานและทักษะที่ดีที่สุดของเรา” ท่านประธานาธิบดีกล่าวสุนทรพจน์นี้ในปี ค.ศ. 1962 น่าเสียดายที่ท่านถูกลอบสังหารในปี ค.ศ. 1963 ไม่มีโอกาสได้เห็นความสำเร็จของการที่มนุษย์ได้ไปเหยียบพื้นดวงจันทร์ใน ปี ค.ศ. 1969 แม้ผู้คนอาจจะตายไป ประเทศชาติอาจจะรุ่งเรื่องและล่มสลาย แต่ไอเดียแนวคิดจะคงอยู่ต่อไป

อ้างอิง

• Crease, R. P. (2019, July 09). How high the Moon. Retrieved July 31, 2019, from https://physicsworld.com/a/how-high-the-moon/
• What Neil & Buzz Left on the Moon. (2017, May 9). Retrieved July 31, 2019, from https://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2004/21jul_llr
• https://www.youtube.com/watch?v=th5A6ZQ28pE