แนวคิดในการเดินทางด้วยความเร็ว(ใกล้)แสง

เมื่อหนึ่งร้อยปีก่อนทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปถูกพิสูจน์เป็นครั้งแรกผ่านปรากฏการณ์สุริยุปราคา โดยเกี่ยวข้องกับตำแหน่งของดาวฉากหลังที่เปลี่ยนไป เมื่อแสงเดินทางใกล้กับวัตถุมวลมากที่มีความโน้มถ่วงสูงอย่างดวงอาทิตย์

ทฤษฎีของไอน์สไตน์ทำให้เราเข้าใจพฤติกรรมของอนุภาคแสงหรือโฟตอน (Photon) มากยิ่งขึ้น และรู้ด้วยว่าแสงมีค่าประมาณ 299,792,458 เมตรต่อวินาทีในสูญญากาศ

เนื่องจากโฟตอนไม่มีมวล จึงเดินทางได้อย่างรวดเร็วมาก นำไปสู่คำถามว่าถ้าอนุภาคมีมวลบ้างล่ะ จะเดินทางเร็วเท่าแสงได้หรือไม่ จนกระทั่งนักดาราศาสตร์ตรวจพบว่าอนุภาคมีมวลบางชนิดที่อยู่ใกล้หลุมดำ อาจถูกเร่งให้มีความเร็วใกล้แสงถึง 99.9% ได้เลยทีเดียว

ดังนั้นหากเราเข้าใจได้ว่าอนุภาคมีมวลถูกเร่งให้มีความเร็วเข้าใกล้แสงได้อย่างไร ในอนาคตอาจทำให้ความฝันในการเดินทางข้ามกาแล็กซีหรือช่องว่างระหว่างดวงดาวเป็นไปได้จริงมากยิ่งขึ้น ถึงแม้หนทางจะยาวไกล แต่มนุษย์ไม่เคยหยุดพยายามครับ

แนวคิดในการค้นหาความเป็นไปได้สำหรับการเดินทางด้วยความเร็วแสงมีดังนี้ครับ

1. ใช้สนามแม่เหล็กไฟฟ้า

หนึ่งในกระบวนการที่มักใช้เร่งความเร็วอนุภาคก็คือการนำอนุภาคมีประจุวิ่งผ่านสนามแม่เหล็ก และสนามไฟฟ้า (หลังจากนี้ขอเรียกรวบกันว่า “สนามแม่เหล็กไฟฟ้า”) เนื่องจากอนุภาคที่มีประจุเหล่านี้เมื่อวิ่งผ่านสนามแม่เหล็กไฟฟ้า จะมีความเร็วเพิ่มขึ้นได้ เหมือนกับแรงโน้มถ่วงของดาวมวลมาก ดึงวัตถุมวลน้อยให้ตกสู่ใกล้กลางของดาวนั้น ๆ

อย่างการทดลองจากเครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่ (Large Hadron Collider : LHC) ที่รู้จักกันดี ก็สามารถผลักดันอนุภาคให้มีความเร็วในระดับ 99.9999896% ของความเร็วแสงได้ เมื่ออนุภาคชนกันก็จะปลดปล่อยพลังงานมหาศาล นำไปสู่การค้นหาอนุภาคขนาดเล็ก (อนุภาคมูลฐาน) เพื่อทำความเข้าใจเอกภพในช่วงต้นหลังการระเบิดบิกแบง

แต่เนื่องจากยานอวกาศมีมวลมหาศาลกว่าอนุภาคเหล่านี้มาก การที่จะเร่งให้ยานอวกาศมีความเร็วออกตัวสูง คงยากหรือต้องใช้พลังงาน รวมทั้งทรัพยากรในการสร้างขดลวดสนามแม่เหล็กที่สูงมาก แนวคิดนี้คงยากหน่อย แต่ถ้าหากเราสร้างยานอวกาศที่มีขนาดเล็ก เพื่อส่งออกไปเก็บข้อมูลก่อนล่วงหน้าก็มีความเป็นไปได้

2. การระเบิดของสนามแม่เหล็ก

สนามแม่เหล็กพบได้ทุกที่ทั่วเอกภพ ไม่ว่าจะเป็นโลกของเรา หรือดวงอาทิตย์ก็ตาม อนุภาคที่มีประจุเมื่อวิ่งจากอวกาศอันไกลโพ้นหลงเข้ามาในสนามแม่เหล็กเหล่านี้ก็จะมีความเร็วเปลี่ยนไป

ปกติเส้นสนามแม่เหล็กจะไม่วิ่งผ่านตัดกัน แต่ในบางครั้งอาจมีความผันผวนขึ้น ตัวอย่างเช่นเส้นสนามแม่เหล็กบนดวงอาทิตย์ เมื่อมีความผันผวนมาก ๆ ในบางครั้งเกิดการตัดกันในระยะเวลาสั้น (Crossed Lines) ก็จะเกิดการสะสมความตึงเครียดในสนามแม่เหล็กจนระเบิดออกอย่างรุนแรงเพื่อปรับสมดุลใหม่ (Magnetic Reconnection)

การเปลี่ยนแปลงสนามแม่เหล็กอย่างฉับพลัน จะทำให้เกิดสนามไฟฟ้าเหนี่ยวนำขึ้น พร้อมกันกับอนุภาคมีประจุวิ่งผ่านมาพอดี จึงทำให้อนุภาคเหล่านั้นมีความเร็วสูงมาก หากเป็นปรากฏการณ์บนพื้นผิวดวงอาทิตย์ ก็จะนำไปสู่การเกิด “ลมสุริยะ (Solar Wind)” ที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงมากยังโลก

ยานสำรวจอวกาศ Magnetospheric Multiscale

ยานดังกล่าวถูกสร้างขึ้นและใช้งานจริง ถูกส่งออกไปในวันที่ 13 มีนาคม 2015 แต่ไม่ใช่ยานสำหรับการเดินทางด้วยความเร็วแสง แต่เป็นยานสำรวจอวกาศสำหรับเก็บข้อมูล เพื่อทำความเข้าใจ

• การปรับสมดุลใหม่ของสนามแม่เหล็ก (Magnetic Reconnection)
• การตรวจหาอนุภาคมีประจุที่วิ่งผ่านเข้ามาในสนามแม่เหล็ก (Energetic Particle Acceleration)
• และความผันผวนของสนามแม่เหล็ก (Turbulence)

3. ปฏิกิริยาระหว่างคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ากับอนุภาค

อนุภาคถูกเร่งให้เร็วขึ้นได้เมื่อสัมผัสหรืออยู่ในบริเวณที่มีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Waves) แนวคิดนี้จะสนใจในแง่ Wave กับ Particle จะไม่เหมือนกับสนามแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Fields) ในแนวคิดที่ 1 นะครับ

เมื่อเราปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าวิ่งเข้าหากัน โดยมีอนุภาคอยู่ตรงกลาง อนุภาคจะวิ่งไปมาระหว่างคลื่นฯ สองคลื่นดังกล่าว และมีการสะสมพลังงานมากขึ้นเรื่อย ๆ เหมือนเราปาลูกบอลใส่ระหว่างผนังสองฝั่ง ลูกบอลก็จะชิ่งไปมา

เมื่ออนุภาคได้รับพลังงานจนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าไม่สามารถกักไว้ได้ จะระเบิดออกมาและวิ่งด้วยความเร็วสูงมาก เราสามารถพบปรากฏการณ์ดังกล่าวในธรรมชาติได้จากการระเบิดของดาวฤกษ์ครั้งใหญ่ (Supernova Explosion) อนุภาคแก๊สซึ่งมีความร้อนและความหนาแน่นสูงจะระเบิดออกและวิ่งหนีจากแก่นของดวงดาว เรียกปรากฏการณ์นี้ว่า “Blast Wave” สร้างความเร็วสูงถึง 99.6% ของความเร็วแสง

ใครอ่านมาถึงตรงนี้คงยังสงสัยว่า ไหนล่ะ? วิธีการเดินทางด้วยความเร็วแสง ฟังดูห่างไกลจัง แอดมินคอนเฟิร์นทันทีเลยครับว่า “ใช่” เพราะมนุษย์เรา ตอนนี้ทำได้แค่ศึกษาปรากฏการณ์ของอนุภาคที่มีมวลแล้ววิ่งด้วยความเร็วใกล้แสง ส่วนการสร้างยานอวกาศที่มีมวลมาก ๆ ให้บินเร็วเท่าแสงตอนนี้คงยากครับ แต่อย่าลืมนะครับว่าสิ่งประดิษฐ์ทั้งหลายที่เราใช้กันอยู่ทุกวันนี้ล้วนมาจาก “การศึกษาปรากฏการณ์ในธรรมชาติ” ของมนุษย์ มาเอาใจช่วยนักวิทยาศาสตร์กันต่อไปครับ

Sources:

[1] : Three ways to travel at (nearly) the speed of light., phys.org. 2019
[2] : Magnetospheric Multiscale Mission., wiki. 2019