เหตุผลทางฟิสิกส์ที่บอกว่ายังไงคุณก็แหกโค้งแน่ ๆ ในอวกาศ

ใน Star Wars ภาค The Empire Strikes Back หนึ่งในฉากที่เป็นที่จดจำที่สุดก็คือฉากที่ Han Solo ขับยานหลบหลีกอุกกาบาตต่าง ๆ ด้วยการบังคับเลี้ยวยานอย่างเป็นธรรมชาติ เช่นเดียวกับในหนังอวกาศหลายเรื่อง เราจะเห็นว่ายานอวกาศนั้นบังคับได้ง่ายเหมือนขับขับเครื่องบิน ภาพที่ปรากฏออกมาจึงเป็นภาพของคนนั่งบังคับยานให้หักเลี้ยวซ้ายขวาได้อย่างอิสระ

https://www.youtube.com/watch?v=KvJDItC6tE0

แต่อันที่จริง ฟิสิกส์ในโลกแห่งความเป็นจริงไม่ได้ทำให้การเดินทางท่องอวกาศเป็นเรื่องง่ายขนาดนั้น การเคลื่อนที่ของวัตถุในอวกาศนั้นแตกต่างจากสามัญสำนึกของเราที่เกิดบนโลกพอสมควร หรือพูดง่าย ๆ ก็คือ เราชอบคิดว่าการเคลื่อนที่ของยานอวกาศจะต้องเหมือนกับการขับเครื่องบิน

เราติดตาการเคลื่อนที่ของยานอวกาศมาจากอากาศยานบนโลก

ก่อนที่พี่น้องตระกูลไรต์จะสร้างเครื่องบินสำเร็จ มนุษย์คิดว่าการโบยบินบนท้องฟ้าเหมือนกับนกนั้นเป็นสิ่งที่แทบจะเป็นไปไม่ได้ แต่อันที่จริงเราเพียงแค่ลืมไปว่า ไม่ว่าจะเป็นนกที่บินอยู่บนฟ้า หรือปลาที่อยู่ในน้ำคือหลักการเดียวกัน เราไม่ได้อยู่ในสภาพแวดล้อมที่ว่างเปล่า แต่เรามีอากาศทีมีความหนาแน่นมากถึงหนึ่งแสนปาสคัล

เครื่องบินกำลังแหวกว่ายในอากาศ เมื่อมันเชิดหน้าขึ้นความดันใต้ปีกจะยกตัวมันให้เหินขึ้น ที่มา – US Navy

ถ้าเราแปลงร่างเราให้กลายเป็นหอยจมอยู่ในท้องน้ำ เวลาที่เรามองไปที่ปลาสามัญสำนึกของเราก็ตะบอกว่า “ปลานั้นบินได้“ แต่อันที่จริง ปลานั้นไม่ได้บิน มันแค่แหวกว่ายอยู่ในของเหลวเท่านั้น ทีนี้พอใช้หลักการเดียวกันเราที่เป็นสัตว์ที่อยู่บนพื้น ก็จะมองว่านกนั้นบินได้ แต่อันที่จริงนกมันก็เพียงแค่แหวกว่ายอยู่ในชั้นบรรยากาศหรือชั้นแก๊สเท่านั้น เมื่อคิดเช่นนี้แล้วเราก็จะค้นพบข้อจำกัด และสุดท้ายด้วยความรู้ด้านกลศาสตร์ของไหลหรือ Fluid Dynamic ก็ทำให้เราสามารถสร้างศาสตร์ที่เรียกว่า Aerodynamic และสร้างเป็นอากาศยานต่าง ๆ ได้ และลีลาท่าทางการบินของเครื่องบินต่าง ๆ ก็ล้วนแล้วแต่อยู่ในศาสตร์ Aerodynamic นี้

เมื่อเราขึ้นไปอยู่ในอวกาศ Fluid Dynamic นั้นใช่ไม่ได้อีกแล้ว เนื่องจากอวกาศนั้นคือความไม่มีอะไรที่แท้จริง การเคลื่อนที่ของวัตถุต่าง ๆ ในอวกาศนั้นเป็นไปตามกฏฟิสิกส์ที่ไม่ซับซ้อนและสามารถอธิบายให้เห็นภาพง่าย ๆ ด้วยกฏนิวตันเพียงแค่ 3 ข้อ

ปลาที่กำลังแหวกว่าย เมื่อมองจากพื้นน้ำแล้ว มันกำลังบินอยู่ใช่หรือไม่ ที่มา – Pexel

เมื่อพูดเช่นนี้แล้ว คนอาจจะมองว่าการจินตนาการการเคลื่อนที่ในอวกาศเป็นเรื่องยาก เมื่อยานหักเลี้ยวซ้ายมันก็ควรจะเลี้ยวซ้ายสิ แต่อันที่จริงก็อย่างที่บอก เราเพียงแค่จำภาพจากสิ่งที่เราเห็นบนโลกต่างหาก

การเคลื่อนที่ในอวกาศนั้นเป็นเรื่องง่ายแสนง่าย เมื่อเราออกแรง (หรือถูกกระทำ) จากทิศทางหนึ่ง เราก็จะเคลื่อนที่ไปในอีกทิศทางหนึ่ง แต่ มันไม่ได้ง่ายแค่นั้นเพราะสิ่งที่เรียกว่า “แรงโน้มถ่วง”

จริง ๆ แล้วแรงโน้มถ่วงก็ไม่ได้อธิบายยากขนาดนั้น แต่สิ่งที่ทำให้มันยากก็คือ มันมีทิศทางเข้าหาศูนย์กลางที่เป็นจุด Center of Gravity เสมอ

ดังนั้นลองนึกภาพถ้าเราตัดตัวแปรทุกอย่างออกไปเหลือแต่วัตถุสองชิ้นในเอกภพ วัตถุสองชิ้นนั้นจะค่อย ๆ เคลื่อนที่เข้าหากันและชนกันในที่สุด แต่ ถ้าเกิดนักบินอวกาศเอาลูกแก้วสองลูกมาโยนไว้นอกยาน ลูกแก้วสองลูกนั้นจะไม่มาชนกัน ก็เพราะว่าตัวแปรที่เราต้องนำมาคิดมีมากกว่านั้น

ดาวเทียมสื่อสารอาจจะเหมือนลอยอยู่นิ่ง ๆ ของมัน แต่แท่จริงแล้วมันกำลังโคจรรอบโลกด้วยอัตราเร็ว 3.07 กิโลเมตรต่อวินาที เมื่อเทียบจากโลก ในขณะที่โลกก็กำลังเคลื่อนที่รอบดวงอาทิตย์ด้วยอัตราเร็ว 30 กิโลเมตรต่อวินาที ในขณะที่ดวงอาทิตย์ก็กำลังเคลื่อนที่รอบศูนย์กลางของกาแล็กซี่ด้วยอัตราเร็ว 220 กิโลเมตรต่อวินาที แรงโน้มถ่วงนี้สร้างระบบที่วุ่นวายให้กับเอกภพ แต่สุดท้ายแล้ว เราก็สามารถแตก Vector ออกมาเป็นแรงในแนวแกน X, Y และ Z ธรรมดา ๆ ได้ และนี่ก็คือหลักการง่าย ๆ ที่เราใช้ในการเดินทางในอวกาศ

แล้วยานอวกาศ (ควรจะ) เคลื่อนที่ยังไงกันแน่

ลองคิดเล่น ๆ ว่าถ้าเรากำลังเป็นนักบินอวกาศบนยานที่กำลังจะควบคุมยานให้เข้าไปเชื่อมต่อกับสถานีอวกาศนานาชาติ แต่บังเอิญว่าเราเลยสถานี แล้วต้องการจะย้อนกลับมาเราควรจะทำยังไง แน่นอนว่าเราก็ต้องทำการจุดจรวดเพื่อทำการเบรกไปยังทิศทางที่เรากำลังเคลื่อนที่ หลังจากนั้นวงโคจรของเราจะลดต่ำลง แบบนี้จะเรียกว่าความเร็วของเราเพิ่มขึ้นหรือลดลง (วะ)

วิธีตอบคือ เราต้องถามว่าเพิ่มขึ้นหรือลดลงนั้นเทียบกับอะไร และไปทางไหน ถ้าเทียบกับสถานีอวกาศ แน่นอนว่าพอเราเบรกเราก็จะเคลื่อนที่ช้าลง แต่สำหรับกับโลกเราจะเคลื่อนที่ไวขึ้น เพราะลงมาอยู่ในวงโคจรที่ต่ำกว่า และในการลงมาอยู่ในวงโคจรที่ต่ำกว่าก็จะทำให้เราเคลื่อนที่ไวขึ้น

เมื่อการเร่งความเร็วทำให้คุณช้าลง และการเบรกทำให้คุณเร็วขึ้น ความน่าสันบสนของฟิสิกส์วงโคจร ที่มา – Cwru.edu

แต่ก็ไม่แน่แค่นั้น เนื่องจากการเบรกของเราเป็นการลดอัตราเร็วการโคจร นั่นทำให้วงโคจรของเราจะลดต่ำลง และเราก็จะได้กลับไปหาสถานีอวกาศนานาชาติ เพราะเราจะลงลงมาอยู่ในวงโคจรที่ต่ำกว่า และสถานีอวกาศนานาชาติ ก็จะเคลื่อนที่เลยหัวเราไป ดังนั้นถ้าจะถามอัตราเร็ว เราจะต้องระบุให้ชัดเจนว่า ณ เวลาไหน ไปทางทิศทางไหน และเมื่อเทียบกับอะไร ดังนั้นข้อสำคัญของการเคลื่อนที่และนำทางในอวกาศก็คือการหาจุดอ้างอิงนั่นเอง

แหกโค้งแน่ ๆ ถ้าอยู่ในอวกาศ

ดังนั้่นกลับมาที่ฉากหลบอุกกาบาตของ Han Solo ของเรา แน่นอนว่าเมื่อเรารู้แล้วว่าท่าทางการบินแบบนั้นเป็นภาพจำที่เราจำมาจากการเห็นอากาศยานบินบนโลก แล้วถ้าเราเป็น Han Solo เราจะหลบอุกกาบาตยังไง ถ้าทำแค่การเชิดหน้าขึ้นเพื่อหลบแน่นอนว่าแหกโค้งชนตายแน่ ๆ

อีกอย่างนึงก็คือ ในการเคลื่อนที่ในอวกาศจริง ๆ เราจะไม่เปิดเครื่องยนต์ตลอด เนื่องจากในอวกาศนั้นไม่มีแรงเสียดทาน เมื่อเราเร่งความเร็ว (เพิ่มแรง) จนได้ ณ จุดที่ต้องการ เราจะอยู่กับแรงนั้นไปตลอด ที่เหลือก็แค่ให้แรงโน้มถ่วงพัดพาเราไป

Cruise Stage ของยาน Curiosity ที่เดินทางไปยังดาวอังคาร ที่ไม่ต้องมีเครื่องยนต์หลัก เราแต่จุดจรวดให้มันเดินทางไปในทิศทางที่เรากำหนดเท่านั้น ที่มา – NASA/JPL

คำตอบเลยก็คือ เราก็ใช้การเคลื่นที่ในแนวแกน X, Y และ Z ในการหลบ นั่นคือเหตุผลที่ยานอวกาศจะมีระบบ RCS หรือ Reaction Control Systemระบบ RCS คือท่อไอพ่นขนาดเล็กที่จะทำการสร้าง Reaction เพื่อให้ยานอวกาศพลิกตัว (rotation) หรือเคลื่อนที่ (translation) ไปในทิศทางที่เราต้องการ

หากกระสวยอวกาศต้องการหมุน มันต้องใช้ RCS หรือ Reaction Control System ที่มา – Smithsonian Institution

ดังนั้นแค่การหันทิศทางของยาน มันไม่สามารถเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่ที่แท้จริงของยานได้ สิ่งที่เราต้องทำก็คือให้ออกไปแรงไปในทิศทางตรงกันข้ามเพื่อปรับ Vector แรง ณ ตอนนั้นให้ไปในทางที่เราต้องการเพื่อหลบหลีกอุกกาบาตนั่นเอง

ดังนั้นวิธีการมองการเคลื่อนที่ในอวกาศที่ทำให้เข้าใจง่ายที่สุดคือการมองภาพกว้างและมองภาพแคบ ภาพกว้างก็คือเรากำลังโคจรรอบอะไร ในทิศทางไหน ด้วยอัตราเร็ว (สัมพันธ์กับวัตถุที่เรากำลังโคจรอยู่) เท่าไหร่ และมองภาพแคบว่า ณ ตอนนั้นเรากำลังเคลื่อนที่ไปทางไหนสัมพันธ์กับวัตถุอะไร (ที่กำลังโคจรรอบวัตถุที่เรากำลังโคจรอยู่เช่นกัน)

สิ่งที่อธิบายมานี้อาจจะเข้าใจยาก แต่อยากให้ดูคลิปนี้ประกอบซึ่งเป็นคลิปที่มาจากเกม Kerbal Space Program ที่จะทำให้เราเข้าใจฟิสิกส์วงโคจรง่ายขึ้น

จริง ๆ แล้วก็ดังเช่นที่บอกการเดินทางในอวกาศนั้นสามารอธิบายด้วยกฏของนิวตัน 3 ข้อแบบง่าย ๆ แต่ในเมื่อเราเป็นสัตว์ที่เกิดบนโลก ใช้ชีวิตบนโลก การเคลื่อนที่อันแสนง่ายนี้ อาจจะไม่คุ้นตาและกลายเป็นขัดต่อสามัญสำนึกของเรา แต่อย่างไรก็ตามถ้าเราเปลี่ยนวิธีคิด ปลาแหวกว่ายอยู่ในน้ำ นกแหวกว่ายอยู่ในสายอากาศ งั้นยานอวกาศก็แหวกว่ายอยู่ในแรงโน้มถ่วงเช่นเดียวกัน