เมื่อมนุษย์อยากไวกว่าแสง เข้าใจการเดินทางข้ามอวกาศผ่าน Dune
เรามักเห็นการเดินทางข้ามดวงดาวในหนังหรือนิยายไซไฟ ภาพของยานลำใหญ่ในห้วงอวกาศที่สามารถพาเราไปยังดาวที่อยู่ห่างไกลหลายปีแสงได้ในไม่กี่อึดใจ ซึ่งนั่นคือภาพที่มนุษย์จินตนาการขึ้น แล้วในความเป็นจริงล่ะ เราเดินทางเร็วขนาดนั้นได้หรือยัง?
ช่วงปลายเดือนกุมภาพันธ์นี้มีภาพยนตร์ฟอร์มยักษ์เรื่องหนึ่ง ซึ่งได้รับความสนใจจากสื่อต่างๆ ทั้งในไทยและต่างประเทศกำลังจะเข้าฉาย นั่นก็คือ Dune: Part Two (2024) หนังภาคต่อในจักรวาล Dune ที่เล่าเรื่องราวการผจญภัยของ พอล อะเทรดีส บนดาวที่ชื่อว่า อาร์ราคิส เพื่อทวงคืนอำนาจในการปกครองดวงดาวทะเลทรายแห่งนี้กลับคืนมาให้ได้ ผ่านอุปสรรคที่เต็มไปด้วยความเข้มข้น
Dune หรือ ดูน คือภาพยนตร์แนววิทยาศาสตร์ระดับมหากาพย์ อ้างอิงมาจากนิยายแนวไซไฟ-การเมืองชื่อเดียวกันของ แฟรงก์ เฮอร์เบิร์ต ดูนบอกเล่าเรื่องราวของอนาคตอันไกลโพ้น ที่มนุษย์ได้ออกเดินทางไปตั้งถิ่นฐานบนดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะ ซึ่งดวงดาวแต่ละดวงจะถูกปกครองโดยเหล่าขุนนางที่ขึ้นตรงต่อองค์จักรพรรดิบนบัลลังก์สิงโตทอง
เรื่องราวของดูนเริ่มขึ้นเมื่อจักรพรรดิผู้ทรงอิจฉาในคะแนนเสียงและความนิยมของตระกูลอะเทรดีส จักรพรรดิจึงได้ส่งตระกูลอะเทรดีสไปปกครอง อาร์ราคิส แทนที่ตระกูลฮาร์คอนเนน ผู้ปกครองคนเก่าซึ่งได้รับความมั่งคั่งจากการค้า สไปซ์ (spice) ขุมทรัพย์ที่สามารถค้นพบได้เฉพาะในดาวดวงนี้เท่านั้น ทั้งสองตระกูลเกิดความขัดแย้งเสียจนผู้รอดชีวิตฝั่งตระกูลอะเทรดีสเหลือเพียง พอล อะเทรดีส ทายาทแห่งตระกูล และเลดี้เจสสิกา แม่ของเขา ที่ได้หลบหนีมาอาศัยกับพวกชนพื้นเมืองเฟรเมน เพื่อสะสมอำนาจและทวงคืนสิทธิในการปกครองดาวอาร์ราคิสจากศัตรู
เกริ่นไปนิดหน่อยถึงสไปซ์ ซึ่งเป็นทรัพยากรที่มีค่ามากเสียยิ่งกว่าทองหรือเพชรนิลจินดาชิ้นใด ด้วยความที่มันมีสรรพคุณมากมาย ทั้งการกระตุ้นสมองจนเกิดพลังจิต ทำให้อายุยืนยาว และยังเป็นแหล่งพลังงานสำคัญในการเดินทางข้ามดวงดาวอีกด้วย บทความนี้จึงอยากพาทุกคนมารู้จักกับวิธีเดินทางข้ามดวงดาวในจักรวาลที่กว้างใหญ่แห่งนี้ ว่าความเป็นจริงที่ไร้ซึ่งสไปซ์ หลักการเดินทางไปในห้วงอวกาศจะเป็นอย่างไร
ข้ามผ่านดวงดารา
ถนนเป็นหนึ่งในสิ่งประดิษฐ์ที่มีความสำคัญต่ออารยธรรมของมนุษย์ ไม่ว่าอดีตหรือปัจจุบันหน้าที่ของถนนก็ยังคงเดิม คือการเป็นเส้นทางคมนาคมของมนุษย์ การคมนาคมที่ดีได้เชื่อมคนที่ห่างไกลเข้ากับส่วนกลางของอาณาจักรอันกว้างใหญ่ รวมถึงเชื่อมเส้นทางการค้าจากเมืองหนึ่งสู่อีกเมือง ในยุคอวกาศที่มนุษย์ออกไปอาศัยยังดวงดาวที่ห่างไกลกันเกินหลายปีแสง ย่อมต้องมีการติดต่อสื่อสารและการค้าระหว่างดวงดาว เช่นเดียวกันกับจักรพรรดิในภาพยนตร์เรื่องดูน ที่ต้องใช้เส้นทางระหว่างดวงดาวนี้เพื่อให้การปกครองเป็นไปได้โดยง่าย ทั้งการส่งกำลังอาวุธ วัตถุปัจจัยทางการรบ และพระราชสาส์นที่จะส่งไปยังขุนนางใต้ปกครองต่างๆ
เมื่อการเดินทางในอวกาศเป็นสิ่งสำคัญ พวกเราจึงต้องใส่ใจกับความท้าทายในการเดินทางข้ามอวกาศ เพื่อให้อินกับเนื้อหาภาพยนตร์มากยิ่งขึ้น ซึ่งปัจจุบันมนุษย์เรามีวิธีในการเดินทางในอวกาศด้วยกัน 2 วิธีคือ
- การขับเคลื่อนด้วยจรวดเชื้อเพลิง คือ กระบวนการเผาไหม้เชื้อเพลิงไอพ่นเพื่อแรงขับดันอัตราเร็วสูง โดยข้อดีของการขับเคลื่อนด้วยไอพ่นคือสามารถควบคุมความเร็วได้ในระยะเวลาไม่นาน แต่ข้อเสียคือสิ้นเปลืองทรัพยากร หากเชื้อเพลิงหมดจะไม่สามารถเคลื่อนที่ได้ ดังนั้นจึงต้องอาศัยถังเชื้อเพลิงที่มีขนาดใหญ่ ซึ่งทำให้ตัวยานหนักยิ่งขึ้นและใช้พลังงานในการเคลื่อนที่ที่มากขึ้นไปอีก
- การบินโฉบดาวเคราะห์เพื่อใช้แรงโน้มถ่วงเหวี่ยงยานอวกาศ (Gravitational Slingshot) คือวิธีการใช้แรงโน้มถ่วงของดาวเคราะห์ในการเหวี่ยงเพื่อเพิ่มความเร่งของยาน ทั้งนี้เป็นเพราะยานอวกาศได้รับโมเมนตัมส่วนหนึ่งมาจากการโคจรของดาวเคราะห์ ในขณะเดียวกันดาวเคราะห์ก็ได้สูญเสียความเร็วส่วนหนึ่งไปจากการเร่งยานอวกาศ อย่างไรก็ตามเนื่องจากดาวเคราะห์มีมวลมากกว่ายานอวกาศหนึ่งล้านล้านล้านล้านเท่า ความเร็วของดาวเคราะห์จึงไม่ได้ลดลงไปในระดับที่สามารถวัดได้แต่อย่างใด โดยวิธีนี้จะช่วยประหยัดทรัพยากร แต่จำเป็นต้องใช้เวลาในการทำความเร็วที่ต้องการ ซึ่งวิธีนี้ได้รับความนิยมเมื่อต้องการสำรวจดาวเคราะห์ชั้นนอกของระบบสุริยะที่อยู่กันห่างไกลกันมากๆ เช่น ยาน Voyager 1 หรือยานสำรวจดาวพลูโต New Horizons
อย่างไรก็ตามวิธีการเดินทางทั้ง 2 วิธีนี้ก็ไม่สามารถแก้ไขปัญหาเรื่องระยะทางที่ห่างไกลกันมากๆ ได้ โดยยาน Voyager 1 ซึ่งเป็นวัตถุที่สร้างโดยมนุษย์ที่เดินทางไปได้ไกลที่สุด (ข้อมูลจากเดือนสิงหาคม 2023 บอกว่าห่างจากโลกไป 24 พันล้านกิโลเมตร) ยังต้องใช้เวลานับสิบปีในการเดินทางไปถึงตำแหน่งที่อยู่ตอนนี้ โดยระยะห่างที่ยานวอยเอเจอร์เดินทางไปยังไม่ถึง 1% ของปีแสงด้วยซ้ำ
นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบวิธีใหม่ที่จะช่วยให้เราสามารถเดินทางได้รวดเร็วขึ้น โดยใช้พลังงานแสงอาทิตย์ที่มีอย่างไม่จำกัด หรืออาจใช้เลเซอร์พลังงานสูงในการขับเคลื่อน โดยเรียกวิธีนี้ว่า ‘การขับเคลื่อนด้วยความดันแสง’ (Light Sail) ที่คล้ายกับการล่องเรือใบขนาดยักษ์ แล้วอาศัยแรงขับเคลื่อนของแสงแทนที่กระแสลม
แสงประกอบด้วยอนุภาคโฟตอนที่ไม่มีมวล แต่มีโมเมนตัม เมื่อโฟตอนกระทบกับพื้นผิววัตถุ โมเมนตัมที่เกิดขึ้นจะทำหน้าที่เป็นแรงขนาดจิ๋วผลักวัตถุนั้นออกไปเล็กน้อย โดยสิ่งที่ยืนยันว่าการขับเคลื่อนด้วยความดันแสงเป็นไปได้จริงได้รับการยืนยันโดยสมาคมดาวเคราะห์ (The Planetary Society) ที่ได้ส่งยาน LightSail 1 และ LightSail 2 ซึ่งติดตั้งแผ่นไมลาร์ขนาดใหญ่ที่สะท้อนแสงได้ดีเมื่อปี 2015 และ 2019 โดยวัสดุที่จะใช้ในการทำใบเรือในอนาคตคือกราฟีนที่มีน้ำหนักเบา สะท้อนแสงได้ดี ทั้งยังแข็งแรงมาก แต่ด้วยวิทยาการในปัจจุบันเราสามารถสร้างแผ่นกราฟีนที่มีขนาดกว้างเพียง 3 มิลลิเมตรเท่านั้น ซึ่งไม่เพียงพอต่อการใช้งานที่จำเป็นต้องสร้างแผ่นกราฟีนที่มีขนาดหลายกิโลเมตรเพื่อทำให้ตัวยานสามารถเดินทางได้เร็วมากขึ้น
เดินทางด้วยความเร็วแสง
แสงคือสิ่งที่เดินทางได้เร็วที่สุดในเอกภพเท่าที่เรารู้จัก ความเร็วของแสงมีค่าเท่ากับ 3 × 10⁸ เมตร/วินาที ความเร็วของแสงทำให้ระยะทางจากโลกไปดวงอาทิตย์ใช้เวลาเพียงไม่กี่นาทีเท่านั้น ซึ่งคุณสมบัติหนึ่งของความเร็วแสงคือความเร็วแสงมีค่าคงที่เสมอ โดยไม่ขึ้นอยู่กับแหล่งกำเนิดของแสง หรือก็คือแสงที่วิ่งออกมาจากไฟฉายที่อยู่นิ่ง กับแสงที่วิ่งออกจากไฟฉายที่กำลังเคลื่อนที่อยู่ จะวิ่งไปถึงกระจกในเวลาที่เท่ากันเสมอ โดยความเร็วอันคงที่ของแสงนี้ได้หักล้างความเข้าใจเรื่องกาล-อวกาศสัมบูรณ์ของนิวตัน ที่เชื่อว่าความเร็วของวัตถุขึ้นอยู่กับผู้สังเกต เช่น สมมติว่าเรายืนอยู่นิ่งบนรถไฟที่กำลังเคลื่อนที่อยู่ โดยมีผู้สังเกตอีกคนยืนอยู่บนสถานีรถไฟ ผู้สังเกตคนนั้นจะเห็นว่าเราเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่ากับรถไฟ ขณะเดียวกันเราจะเข้าใจว่าเรายืนอยู่นิ่งๆ บนรถไฟ
ข้อขัดแย้งของความเร็วแสงนี้ทำให้ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ เสนอทฤษฎีสัมพัทธภาพ โดยกำหนดให้เวลาไม่ใช่ปริมาณที่สัมบูรณ์ และความเร็วแสงหรือ c คือค่าพื้นฐานที่เชื่อมกาล-อวกาศเข้าด้วยกัน แปลได้ว่าไม่มีวัตถุใดเดินทางได้เร็วกว่าแสง โดยไอน์สไตน์ได้ตั้งสมมติฐาน 2 ข้อ คือ
- หลักสัมพัทธภาพอย่างพิเศษ – กฎทางฟิสิกส์ย่อมเหมือนกันในทุกกรอบอ้างอิงเฉื่อย
- ความไม่แปรเปลี่ยนของ c - อัตราเร็วของแสงในสุญญากาศเป็นค่าคงที่สากล (c) ซึ่งไม่ขึ้นอยู่กับการเคลื่อนที่ของแหล่งกำเนิดแสงนั้น
สมมติฐานของไอน์สไตน์นี้ได้รับการพิสูจน์ด้วยการแปลงแบบลอเรนซ์ ซึ่งได้นำไปสู่การทำนายลักษณะกายภาพที่ต่างไปจากกลศาสตร์นิวตันเมื่อความเร็วสัมพัทธ์มีค่าเทียบเคียงอัตราเร็วแสง ซึ่งเราจะนำมาพูดถึงด้วยกันทั้งหมด 2 ข้อ คือ
1. การยืดออกของเวลา
สมมติว่ามีจรวดลำหนึ่งเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสัมพัทธ์กับความเร็วแสง ภายในนั้นนักบินจะโยนลูกตุ้มในแนวดิ่ง นักบินอวกาศจะมองเห็นลูกตุ้มนี้เคลื่อนที่เป็นเส้นตรงในเวลา X วินาที ในขณะที่ผู้สังเกตจากด้านนอกจะมองเห็นลูกตุ้มเคลื่อนที่เป็นเส้นทแยงมุม ตามสัจพจน์ของไอน์สไตน์ความเร็วแสงมีค่าคงที่ ดังนั้นผู้สังเกตอีกคนจะวัดเวลาได้ยาวกว่าเวลาที่นักบินอวกาศวัดได้ ทำให้สรุปได้ว่าเวลากำลังถูกยืดออก
2. การหดสั้นเชิงลอเรนซ์ (การหดสั้นของระยะทาง)
ในการทดลองเดียวกันกับข้อ 1 ผู้สังเกตทั้งสองจะวัดระยะทางได้ไม่เท่ากัน โดยผู้สังเกตจากด้านนอกจรวดจะวัดระยะทางได้ยาวกว่านักบินอวกาศเสมอ จึงสรุปได้ว่าระยะทางถูกยืดออกจากความเป็นจริง
จากทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ทำให้เราทราบว่า เมื่อเราเดินทางด้วยความเร็วสัมพัทธ์กับความเร็วแสงแล้ว เวลาของคนบนยานและด้านนอกยานจะยาวนานไม่เท่ากัน ยกตัวอย่างเช่น อัลฟาเซนทอรี ดาวฤกษ์ที่ใกล้ระบบสุริยะของเรามากที่สุด อยู่ห่างออกไป 4.3 ปีแสง สมมติว่าจรวดเดินทางด้วยความเร็ว 0.95c (95% ของความเร็วแสง) ผู้โดยสารบนยานจะเข้าใจว่าเขาใช้เวลาเดินทาง 1.4 ปี ในขณะที่คนบนโลกจะเข้าใจว่าเขาเดินทางไปแล้ว 4.5 ปี เมื่อระยะเวลาที่ผู้คนบนยานและคนบนโลกแตกต่างกัน แต่ความเร็วแสงมีค่าคงที่ จะทำให้คนทั้งสองกลุ่มวัดระยะทางของดาวอัลฟาเซนทอรีได้ไม่เท่ากัน นั่นคือคนบนยานจะวัดระยะทางได้ 1.3 ปีแสง ในขณะที่คนบนโลกจะวัดได้ 4.3 ปีแสงเท่าเดิม
นอกจากนี้ในความเข้าใจของคนบนยานจะมองเห็นสภาพแวดล้อมระหว่างเดินทางเปลี่ยนไป เนื่องจากผลของ Doppler Effect ทำให้คนที่อยู่บริเวณหัวยานและท้ายยานเห็นสีของวัตถุเดียวกันต่างกัน ดังนั้น คนที่อยู่บริเวณหัวของยานจะมองเห็นวัตถุกำลังพุ่งเข้าหายานทำให้ความยาวคลื่นของแสงหดสั้นลงเรื่อยๆ จนเห็นวัตถุเป็นสีน้ำเงิน ในขณะที่คนท้ายยานจะมองเห็นวัตถุเดียวกันกำลังวิ่งออกห่างจากยานทำให้ความยาวคลื่นแสงถูกยืดออกจนมองเห็นเป็นสีแดง เราเรียกปรากฎการณ์นี้ว่า Redshift โดยปรากฎการณ์นี้จะแสดงในภาพยนตร์ที่อาศัยเทคโนโลยีในการเร่งความเร็วของวัตถุให้เข้าใกล้ความเร็วแสง ทำให้เราเห็นวัตถุเป็นเส้นสายสีน้ำเงิน
ทำไมเราถึงเร็วเท่าแสงไม่ได้?
ความเร็วเป็นสถิติและเป้าหมายที่มนุษย์พยายามพัฒนาเทคโนโลยีเพื่อทะลุขอบเขตและก้าวข้ามไปให้ได้ ตลอดมานี้จึงทำให้เรามีเทคโนโลยีด้านความเร็วต่างๆ เช่น รถยนต์ หรือเครื่องบิน ที่พยายามแข่งกันทำความเร็วทะลุกรอบ และลดข้อจำกัดของเครื่องยนต์ให้เหลือน้อยที่สุด ทำให้ปัจจุบันมนุษย์สามารถพิชิตความเร็วเสียงได้เป็นที่เรียบร้อยแล้ว แต่มนุษย์เรากลับไม่เคยพิชิตได้แม้แต่เพียงเศษเสี้ยวเดียวของความเร็วแสงนั่นเป็นเพราะสาเหตุ 2 ประการ
1. พลังงานและมวลของวัตถุเป็นค่าสมมูลซึ่งสามารถแปลงกลับไปมาได้ ทำให้เมื่อวัตถุมีความเร็วที่เข้าใกล้แสง พลังงานภายในบางส่วนจะแปลงกลับไปเป็นมวล ซึ่งทำให้วัตถุต้องใช้พลังงานที่มากขึ้นเพื่อรักษาสภาพความเร็ว
2. พลังงานจลน์ของวัตถุที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วใกล้แสงจะเท่ากับ mc² × ((1/√(1-(v²/c²)))-1) เมื่อวัตถุมีความเร็วใกล้แสงจะทำให้ตัวส่วน หรือ 1-(v²/c²) เข้าใกล้ 0 ซึ่งจะทำให้พลังงานมีค่ามากขึ้นจนเกือบเท่าอนันต์
เหตุผลทั้ง 2 ข้อนี้อาจฟังดูซับซ้อน แต่ความหมายของมันก็คือว่า การเคลื่อนที่ของวัตถุด้วยความเร็วแสงจำเป็นต้องใช้พลังงานที่มากจนเกือบเท่าอนันต์เพื่อขับเคลื่อนมวลที่เป็นอนันต์ ซึ่งในทางปฏิบัติเราไม่สามารถทำได้ เราจึงสามารถยืนยันได้ว่าไม่มีวัตถุใดเดินทางได้เร็วกว่าแสง แสงจึงกลายเป็นขอบเขตและข้อจำกัดของความเร็วสูงสุดที่เราสามารถทำได้
การเดินทางระหว่างดวงดาวในปัจจุบันนั้นยังคงอยู่ในขีดจำกัดหรือกำแพงที่เราเรียกกันว่าความเร็วแสง ถึงอย่างนั้นมนุษย์ก็ยังคงไม่หยุดยั้งในการค้นหาวิธีกำจัดข้อกำหนดด้านความเร็ว เพื่อทำให้การเดินทางในระยะทางหลายปีแสงเป็นเรื่องง่ายๆ ที่ใช้เวลาเพียงไม่นาน โดยในหนังเรื่อง Dune นั้นคือภาพสะท้อนของความใฝ่ฝันของมนุษย์ในการเดินทางในอวกาศในอนาคตที่แสนไกล
ข้อมูลอ้างอิง
บทความโดย พีรวุฒิ บุญสัตย์