เรามีทฤษฎีควอนตัมที่ได้อธิบายปรากฏการณ์ธรรมชาติของสิ่งเล็ก ๆ ในระดับอะตอมได้เป็นอย่างดี และอีกทฤษฎีหนึ่งคือทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ที่ได้อธิบายเรื่องแรงโน้มถ่วงในเอกภพ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในบริเวณที่มีความโน้มถ่วงสูงมาก ๆ
ในปี 1915 อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ นักวิทยาศาสตร์ชื่อดังได้เสนอทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป เขาได้ใช้เวลามากกว่า 10 ปีในการคิดและศึกษาเกี่ยวกับธรรมชาติของแรงโน้มถ่วง ซึ่งทฤษฎีนี้ก็ได้เปลี่ยนมุมมองของมนุษย์ที่มีต่อแรงโน้มถ่วงและเอกภพไปตลอดกาล เขาได้บอกว่า มวลของวัตถุทำให้กาลอวกาศในอวกาศเกิดการโค้งงอ ยิ่งวัตถุมีมวลมากยิ่งทำให้กาลอวกาศบริเวณนั้นโค้งงอมากยิ่งขึ้นไปด้วย ซึ่งแสงที่เดินทางผ่านบริเวณนี้ก็จะเกิดความโค้งงอเช่นเดียวกัน
ปัญหาของวงโคจรของดาวพุธ
ขอย้อนไปในสมัยคุณไอแซก นิวตันที่ค้นพบความโน้มถ่วงและได้สร้างสมการที่ใช้อธิบายปรากฏการณ์ที่เกิดจากแรงโน้มถ่วงได้อย่างกว้างขวางและแม่นยำ นั้นก็คือ F=Gm1m2/r^2 ซึ่งมันอธิบายได้ว่ามวลจะดึงดูดกันและกันด้วยแรงที่ลดลงตามระยะทางยกกำลังสอง อธิบายการเคลื่อนที่ของวัตถุต่าง ๆ ที่โคจรรอบดวงอาทิตย์ได้เป็นอย่างดี
นักฟิสิกส์ในสมัยต่อมาสามารถใช้กฎความโน้มถ่วงของนิวตันในการส่งดาวเทียมไปโคจรรอบโลกสำเร็จมาแล้วก็มี หรือก่อนหน้านั้นกลศาสตร์นิวตันก็ถูกใช้ในการค้นพบดาวต่าง ๆ และคำนวณการมีอยู่ของดาวเนปจูนได้สำเร็จ โลกจึงเชื่อมั่นในกลศาสตร์นิวตันมากพอสมควร
แต่แม้ว่ากฎความโน้มถ่วงของนิวตันจะให้ความสำเร็จมากมายแค่ไหน มันก็ยังไม่สามารถครอบคลุมทั้งจักรวาลได้ เพราะมันไม่สามารถอธิบายการโคจรของดาวพุธได้ว่าทำไมดาวพุธโคจรรอบดวงอาทิตย์เป็นรูปวงรี และเมื่อเราได้เติมผลที่เกิดจากแรงโน้มถ่วงของดาวเคราะห์อื่น ๆ ในระบบสุริยะเข้าไปก็จะพบว่าวงรีดังกล่าวมีการส่ายเกิดขึ้น ซึ่งจากการคำนวณโดยใช้กล้องโทรทรรศน์สมัยใหม่นี้ก็พบว่า ตำแหน่งที่ดาวพุธอยู่ใกล้กับดวงอาทิตย์มากที่สุดจะเคลื่อนไป 574.10 อาร์กเซคทุก 100 ปี
ซึ่งตอนแรกนักฟิสิกส์ก็เชื่อว่ามันต้องมีดาวเคราะห์อีกดวงหนึ่งทำให้เกิดการส่ายแบบนี้ขึ้นแน่ ๆ ซึ่งในยุคนั้นมีการตั้งชื่อดาวเคราะห์ที่ยังไม่มีใครเคยเห็นนี้ว่า ดาววัลแคน (Vulcan) ซึ่งเป็นชื่อของเทพเจ้าแห่งไฟ แต่สุดท้ายก็ยังไม่มีใครหาดาวเคราะห์ดวงนี้พบเลย (เพราะมันไม่ใช่แบบนั้น แต่ยังมีโลกแห่งสัมพัทธภาพที่รอให้เราไปค้นพบ)
แล้วความขัดข้องใจในก็มาสลายหายไปในยุคของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ในปี 1915 ทฤษฎีที่เกี่ยวข้องกับธรรมชาติของแรงโน้มถ่วงก็ได้เกิดขึ้นมา มันอธิบายเกี่ยวกับการสังเกตวัตถุบางอย่างในบริเวณที่มีความโน้มถ่วงหรือความเร่ง ซึ่งส่งผลให้คนที่สังเกตเห็นรูปแบบของเหตุการณ์เพี้ยนไปจากเดิม เรียกง่าย ๆ ก็คือคิดค้นทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปขึ้นมาได้ และมันกำลังเปลี่ยนแปลงมุมมองที่มนุษย์มีต่อแรงโน้มถ่วงและเอกภพไปตลอดกาล ซึ่งหลักการสำคัญของทฤษฎีนี้คือสมการสนามของไอน์สไตน์
แต่สิ่งที่สำคัญที่สุดคือ เราไม่ได้มองว่าแรงนั้นเกิดจากมวลของวัตถุโดยตรง มวลมากเกิดแรงมาก แต่สิ่งที่ทำให้วัตถุดึงดูดกันก็เพราะว่ามวลนั้นไปส่งผลต่อปริภูมิเวลา หรือ Space-time ซึ่งเหมือนกับแผ่นผ้าใบแห่งเอกภพ ยิ่งมวลมากมันก็จะทำให้เกิดการบิดโค้ง วัตถุที่มีมวลมากจึงดึงดูดวัตถุอื่น ๆ ได้ด้วยแรงที่เยอะกว่าที่มีมวลน้อย (นั่นทำให้เราสามารถอธิบายแรงโน้มถ่วงได้แตกต่างจากแรงอื่นมาก ๆ แม้ว่ากลศาสตร์นิวตันจะยอมให้เราใช้สมการแรงโน้มถ่วงเป็น inverse square law เหมือนกับแรงไฟฟ้า ที่เราเรียนกันพวกกฎของคูลอมบ์เป็นต้น)
แต่นั้นก็ทำให้ปัญหาการส่ายของวงโคจรของดาวพุธได้รับการคลี่คลายลง และยังรวมไปถึงปัญหาการโคจรเป็นวงรีที่มีการส่ายของดาวเคราะห์ดวงอื่น ๆ ในระบบสุริยะอีกด้วย ส่วนค่าของการส่ายสามารถวัดได้โดยใช้กล้องโทรทรรศน์และอุปกรณ์สมัยใหม่ได้เช่นกัน
ถึงเวลาพิสูจน์
เวลาล่วงเลยผ่านไปตั้งแต่ไอน์สไตน์ได้เผยแพร่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป นักวิทยาศาสตร์หลายท่านก็รอเวลาที่เหมาะสมที่จะพิสูจน์ทฤษฎีนี้ จนกระทั่งในวันที่ 29 พฤษภาคม 1919 นักดาราศาสตร์ได้สังเกตการณ์ปรากฎการณ์สุริยุปราคานี้ที่แรกเป็นเกาะ Principe นอกชายฝั่งแอฟริกาของโปรตุเกส และอีกที่คือเมือง Sobral ในบราซิล
ในวันที่ 8 มีนาคม 1919 กลุ่มนักวิทยาศาสตร์ได้แบ่งการเดินทางเพื่อพิสูจน์ออกเป็นสองกลุ่ม โดยที่กลุ่มแรกเป็นนักดาราศาสตร์ชาวอังกฤษให้ไปที่เกาะ Principe และอีกที่หนึ่งเป็นของ Andrew Crommelin และมีคุณ Arthur Stanley Eddington นักวิทยาศาสตร์ที่มีชื่อเสียงและเลขานุการของ Royal Astronomical Society คอยประสานงานทั้งสองทีม ส่วนตัวของ Eddington เองได้ตั้งแคมป์ในสวนมะพร้าวแห่งหนึ่งในเกาะ Principe ในวันที่เกิดคราส (29 พฤษภาคม)
ซึ่งก็โชคไม่ดีที่ในตอนเช้าฝนได้ตกลงมา พร้อมกับลมพายุ แต่ก็ยังถือว่าทำบุญมาดีเพราะว่าในตอนที่คราสเกือบจะเต็มดวงพอดี เมฆฝนก็ได้แยกตัวออกจากัน เผยให้เห็นสุริยุปราคาที่ตั้งใจไว้ เหล่านักดาราศาสตร์ได้ถ่ายรูปทั้งหมดไปได้ 16 ใบด้วยกัน ซึ่งมีเพียงแค่ 2 ภาพเท่านั้นที่ใช้งานได้ แต่นักวิจัยในทีมของ Andrew Crommelin ใน Sobral โชคดีกว่า พวกเขาประสบความสำเร็จในการถ่ายภาพได้ 8 ภาพ
กลับไปที่ Eddington เขาได้ทำการประเมินและวิเคราะห์ภาพถ่ายที่เขาได้มา และประกาศผลการประเมินเบื้องต้นในการประชุมที่ Bournemouth เมื่อต้นเดือนกันยายน 1919 และในวันที่ 6 พฤศจิกายน 1919 ในการประชุมครั้งสุดท้ายของ Royal Society และ Royal Astronomical Society เขาได้ให้ผลการประเมินว่า ความเบี่ยงเบนที่บริเวณรอบดวงอาทิตย์มีค่า 1.98 +/- 0.18 พิลิปดาสำหรับกล้องโทรทรรศน์หนึ่งตัว และอีก 1.60 +/- 0.31 พิลิปดาสำหรับอีกตัว
เนื่องจากยังมีความสงสัยเกี่ยวกับความถูกต้องของค่าเหล่านี้ ภาพของ Eddington จึงถูกวัดซ้ำด้วยเครื่องมือที่ทันสมัยในปี 1979 ที่หอดูดาว Royal Greenwich ผลลัพธ์ที่ได้ออกมาคือ 1.90 +/- 0.11 พิลิปดา ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปผ่านการทดสอบครั้งแรกในครั้งนี้นี่เอง
และเมื่อผลการพิสูจน์ได้รับการยืนยันแล้ว ในวันที่ 7 พฤศจิกายน 1919 London Times ได้ลงตีพิมพ์ว่า “Revolution in Science: New Theory of the Universe. Newtonian Ideas Overthrown.” และในหนังสือพิมพ์ New York Times ก็เขียนลงในหน้าแรกของวันที่ 10 พฤศจิกายนว่า “Lights All Askew in the Heavens.”
และในวันที่ 14 ธันวาคมชาวเบอร์ลินที่มีชื่อว่า Illustrierte Zeitung ได้ตีพิมพ์ภาพถ่ายของ Einstein และบทความที่มีชื่อว่า “A new luminary for the history of the world: Albert Einstein, whose research means a total revolution in the way we see the world and whose findings are equal to those of a Copernicus, Kepler and Newton”
แต่ที่จริงแล้วก่อนหน้านี้ก็ได้มีการทำการพิสูจน์ทฤษฎีนี้โดยใช้วิธีการเดียวกันกับสุริยุปราคาในวันที่ 8 มิถุนายน 1918 โดย U.S. Naval Observatory แต่ก็ล้มเหลวเพราะว่าในระหว่างที่ทำการสังเกตการณ์อยู่นั้นก็มีเมฆเข้ามาปกคลุมบริเวณดวงอาทิตย์พอดิบพอดี จึงเป็นเหตุที่ทำให้ต้องยกเลิกไป
นี้คือการเริ่มต้นยุคสมัยของแรงโน้มถ่วง 100 ปีที่สุริยุปราคาสร้างผลลัพธ์ที่สอดคล้องกับทฤษฎีของไอน์สไตน์อย่างสิ้นเชิง ในขณะที่ภาพถ่ายจากกล้องโทรทรรศน์ฮับเบิลได้เผยให้เห็นการบิดเบือนของพื้นที่ที่เกิดจากสนามโน้มถ่วงอันทรงพลัง และเมื่อไม่นานมานี้เราสามารถถ่ายภาพของหลุมดำ วัตถุที่มีคามโน้มถ่วงสูงมาก มี space time ที่บิดโค้งบริเวณรอบ ๆ ตัวของมัน ภาพนี้ถูกถ่ายโดยใช้กล้องจำนวน 8 ตัวในโครงการ Event Horizon Telescope โดยใช้เทคนิค Interferometry คือการเก็บและวิเคราะห์ข้อมูลที่ได้จากกล้องโทรทรรศน์มาประมวลผลที่ได้ตามสมการที่เราได้คิดขึ้นไว้แล้วสร้างออกมาเป็นภาพ
ภาพหลุมดำที่ทุกท่านเห็นในตอนนี้ ส่วนหนึ่งก็เป็นผลมาจากการทดลองเพื่อพิสูจน์ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปโดยคุณ Eddington ที่ทำให้ทุกสิ่งทุกอย่างได้รับการคลี่คลายลงและทฤษฎีของคุณ Einstein ถูกยอมรับ นี้แค่ 100 ปีผ่านไป แล้วอีกร้อยปีข้างหน้าเราจะเข้าใจจักรวาลมากขึ้นแค่ไหน เราอาจจะรู้จัก dark matter และ dark energy เพิ่มมากขึ้นและรู้จักสิ่งต่าง ๆ ที่อยู่ในเอกภพแล้วเรายังไม่ค้นเจอมันอยู่ก็ได้ เหมือนกับที่เมื่อก่อนเราพยายามจะเอาทฤษฎีของนิวตันมาอธิบายเอกภพ ซึ่งอธิบายได้ไม่ครบสมบูรณ์ เพราะเรายังไม่รู้จักสัมพัทธภาพกับกลศาสตร์ควอนตัม
และในร้อยปีต่อไปจากนี้ เราอาจจะได้เจอกับทฤษฎีใหม่ ๆ แนวคิดที่จะทำให้ศาสตร์ต่าง ๆ เช่นสัมพันธภาพพิเศษ ควอนตัมกลายเป็นศาสตร์ที่เราคุ้นเคยในชีวิตประจำวันได้แบบนิวตัน การเคลื่อนที่ของรถอะไรก็ว่ากันไป
อ้างอิง
Einstein’s Theory of General Relativity
100 Years of General Relativity
A solar eclipse sheds light on physics
100 years on: the pictures that changed our view of the universe
