รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2019 ฉบับอ่านง่าย

            ประกาศผลกันไปสดๆ ร้อนๆ สำหรับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี ค.ศ.2019 ซึ่งการมอบรางวัลในครั้งนี้ถูกแบ่งออกเป็น 2 ส่วน โดยรางวัลครึ่งหนึ่งตกเป็นของ James Peebles วัย 84 ปี จาก Princeton University และอีกครึ่งหนึ่ง Michel Mayor วัย 77 ปี จาก University of Geneva กับลูกศิษย์ชื่อ Didier Queloz วัย 53 ปี จาก University of Geneva และ University of Cambridge เป็นผู้ได้รับ ส่วนผลงานที่ทำให้นักฟิสิกส์ทั้งสามท่านได้รับรางวัลอันทรงเกียรตินี้คืออะไร ผู้เขียนได้นำมาเล่าสู่กันฟังอย่างสั้นๆ ในบทความนี้แล้วครับ


          เรามาเริ่มกันที่ผลงานของคุณปู่วัย 84 ปีกันก่อน วีรกรรมของท่านต้องย้อนกลับไปในช่วงกลางทศวรรษ 1960 ขณะนั้น James Peebles ในวัยหนุ่มได้ศึกษาพัฒนาการของเอกภพทั้งทางทฤษฎีและการสังเกตด้วยวิธีทางดาราศาสตร์แล้วรวบรวมผลการศึกษาออกมาเป็นหนังสือเล่มแรกของเขาชื่อ Physical Cosmology (ตีพิมพ์ในปี ค.ศ.1971) โดยหนังสือดังกล่าวได้กลายเป็นคัมภีร์เล่มสำคัญที่ช่วยวางรากฐานองค์ความรู้และสร้างแรงบันดาลใจให้กับนักเอกภพวิทยา (Cosmologist) ในรุ่นต่อๆ มา


          หากย้อนกลับไปก่อนปี ค.ศ.1920 นักดาราศาสตร์ในยุคนั้นต่างคาดการณ์ว่าเอกภพของเรามีขนาดคงที่ แต่หลังจากนั้นก็มีการค้นพบว่าเอกภพกำลังขยายตัวออกไปทุกทิศทางตรงตามผลลัพธ์ที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (General Relativity) ของไอน์สไตน์ได้ทำนายไว้ ดังนั้นหากเราทำการคำนวณย้อนกลับไปเมื่อเกือบ 14,000 ล้านปีก่อนก็จะพบว่าเอกภพของเราเคยมีขนาดเล็กจิ๋ว หนาแน่น ทึบแสง และร้อนเป็นอย่างยิ่ง ซึ่งปัจจุบันเราเรียกจุดกำเนิดของเอกภพว่า บิ๊กแบง (Bigbang)


          หลังจากเกิดบิ๊กแบง เอกภพของเราก็ขยายตัวอย่างรวดเร็วจนมีอุณหภูมิลดต่ำลง ซึ่ง James Peebles ได้คำนวณความร้อนที่หลงเหลืออยู่จากบิ๊กแบงในรูปของรังสีไมโครเวฟที่มีอุณหภูมิใกล้เคียงกับศูนย์องศาสัมบูรณ์ (ประมาณ -273 องศาเซลเซียส) ต่อมารังสีดังกล่าวก็ถูกค้นพบเป็นครั้งแรกในปี ค.ศ.1964 โดยนักดาราศาสตร์วิทยุสองท่านคือ Arno Penzias กับ Robert Wilson นักดาราศาสตร์เรียกมันว่า รังสีไมโครเวฟพื้นหลังเอกภพ (Cosmic Microwave Background หรือ CMB) ซึ่งนำไปสู่การคำนวณอัตราส่วนของธาตุเบายุคแรกของเอกภพอย่างไฮโดรเจนและฮีเลียม ซึ่งปัจจุบันนักเอกภพวิทยาทราบอย่างคร่าวๆ แล้วว่าสสารในเอกภพประกอบด้วยสสารทั่วไป (Ordinary Matter) 5 เปอร์เซ็นต์กับสสารมืด (Dark Matter) 26 เปอร์เซ็นต์ ส่วนอีก 69 เปอร์เซ็นต์อยู่ในรูปของพลังงานมืด (Dark Energy) ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ยังไม่ทราบว่าสสารมืดกับพลังงานมืดคืออะไรจึงต้องไขปริศนาหาคำตอบกันต่อไป

             จบเรื่องใหญ่ๆ โตๆ อย่างเอกภพกันไปแล้ว ต่อมาเราจะดูเรื่องที่เล็กลงมาหน่อย นั่นคือการค้นหาดาวเคราะห์นอกระบบ (Exoplanet) เรื่องนี้ต้องย้อนกลับไปในปี ค.ศ.1995 เมื่อ Michel Mayor กับ Didier Queloz ได้ประกาศการค้นพบดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะดวงแรกที่โคจรรอบดาวฤกษ์ ดาวเคราะห์ดวงนี้มีชื่อว่า 51 Pegasi b เป็นดาวเคราะห์แก๊สขนาดใหญ่ที่มีมวลครึ่งหนึ่งของดาวพฤหัสบดี อยู่ห่างจากโลกประมาณ 50 ปีแสง และโคจรห่างจากดาวฤกษ์ของมันเพียง 8 ล้านกิโลเมตรภายในระยะเวลาเพียง 4 วันต่อรอบ ทำให้มันมีอุณหภูมิสูงกว่า 1,000 องศาเซลเซียส

            ผลงานสำคัญของอาจารย์และศิษย์คู่นี้ไม่ใช่แค่การค้นพบดาวเคราะห์นอกระบบ แต่วิธีการที่พวกเขาใช้ค้นหาดาวเคราะห์นอกระบบก็น่าสนใจไม่แพ้กัน เพราะดาวเคราะห์นั้นไม่มีแสงสว่างในตัวเองทำให้สังเกตเห็นได้ยาก แต่พวกเขาใช้วิธีที่เรียกว่า Radial Velocity Method ซึ่งอาศัยความยาวคลื่นของแสงที่เปลี่ยนแปลงไปจากปรากฏการณ์ดอปเลอร์ (Doppler Effect) ในการค้นหา กล่าวคือดาวฤกษ์ที่มีดาวเคราะห์โคจรอยู่โดยรอบจะมีการส่ายน้อยๆ รอบจุดศูนย์กลางแรงโน้มถ่วงของระบบ เมื่อดาวฤกษ์ส่ายเข้าหาโลก ความยาวคลื่นของแสงก็จะหดสั้นไปในทางแสงสีน้ำเงิน (Blueshift) แต่เมื่อดาวฤกษ์ส่ายออกห่างจากโลก ความยาวคลื่นของแสงก็จะยืดออกไปในทางแสงสีแดง (Redshift) แต่ปัญหามีอยู่ว่าการตรวจวัดการเปลี่ยนแปลงน้อยๆ นี้ทำได้ยากมากๆ ดังนั้น Didier Queloz และคณะจึงต้องพัฒนาอุปกรณ์เชิงแสงที่สามารถตรวจวัดการเปลี่ยนแปลงอันน้อยนิดนี้ได้ ซึ่งพวกเขาได้พัฒนา Spectrograph รุ่นใหม่ที่มีความไวและความแม่นยำสูงมากแล้วติดตั้งบนกล้องโทรทรรศน์จนค้นพบสิ่งที่พวกเขาคาดหวังในที่สุด

            กล่าวโดยสรุปก็คือ James Peebles เป็นนักเอกภพวิทยาที่มีบทบาทอย่างมากในการศึกษา พัฒนา และวางรากฐานศาสตร์ด้านเอกภพวิทยา ส่วน Michel Mayor กับ Didier Queloz ก็เป็นนักดาราศาสตร์ผู้กรุยทางค้นหาดาวเคราะห์นอกระบบซึ่งเป็นสถานที่ที่ชีวิตอาจกำเนิดและดำรงอยู่ได้ ซึ่งปัจจุบันนักดาราศาสตร์ได้ค้นพบดาวเคราะห์นอกระบบแล้วกว่า 4,000 ดวงและจะมีการค้นพบมากขึ้นเรื่อยๆ ในอนาคตอย่างแน่นอน ซึ่งไม่แน่ว่าอาจมีสักดวงที่จะกลายเป็นบ้านหลังใหม่ของมนุษยชาติในอนาคต


ผู้เขียนขอแสดงความนับถือต่อนักฟิสิกส์ผู้ยิ่งใหญ่ทั้งสามท่าน

 

อ้างอิงภาพและข้อมูล
 

• https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2019/popular-information/?utm_source=facebook&utm_medium=social&utm_campaign=facebook_page&fbclid=IwAR26W8RxrTIFKXREpGk4NMC9il5p1DfoBRPf-69ov9SOSJ2vyOR6MtaOXEs