มนุษยชาติจะเดินทางข้ามดวงดาวได้จริงหรือ?

ผมดู Interstellar ไปสามรอบแล้วรอบเล่า กรอบทฤษฎีทั้งหมดของหนังเรื่องนี้สร้างอยู่บนทฤษฎีสัมพัทธภาพและทฤษฎีรูหนอน มันน่าทึ่งก็จริง แต่ผมยังรู้สึกว่าศักยภาพทางเทคโนโลยีที่หนังนำเสนอ (รวมถึงในสังคมโลกจริงด้วย) มันยังห่างไกลอยู่มาก ถ้าไม่มีรูหนอนที่มนุษย์ในอนาคตวางไว้ใกล้ดาวเสาร์ล่ะก็ มนุษยชาติแทบไม่มีโอกาสเลยที่จะบินออกไปนอกระบบสุริยะด้วยขีดความสามารถทางเทคโนโลยีแบบที่เรามีอยู่ตอนนี้

ยานวอยเอเจอร์ 1 (Voyager 1) น่าจะเป็นเครื่องจักรที่เร็วที่สุดที่มนุษยชาติเคยสร้างมา (ตอนนี้ทำความเร็วเกินความเร็วหลุดพ้นที่สามที่ 16.7 กม./วินาทีไปแล้ว แม้จะไม่รู้ความเร็วที่แน่ชัดก็ตาม) ปี 2013 NASA ประกาศว่ายานวอยเอเจอร์ 1 ซึ่งปล่อยขึ้นสู่อวกาศเมื่อปี 1977 ในที่สุดก็ออกจากเฮลิโอสเฟียร์ — บริเวณที่ได้รับอิทธิพลจากอนุภาคสุริยะ — และเข้าสู่อวกาศระหว่างดวงดาวได้สำเร็จ ตอนนั้นผมคิดแบบไร้เดียงสาว่าระบบสุริยะต้องเล็กพอที่จะข้ามได้ในเวลาแค่ 35 ปี แต่ในความเป็นจริง ระยะทางที่วอยเอเจอร์ 1 เดินทางได้ใน 35 ปีนั้น เมื่อเทียบกับขนาดของระบบสุริยะทั้งหมดแล้ว เทียบได้กับขีดเล็กสุดบนไมโครมิเตอร์เท่านั้น

ระบบสุริยะมันใหญ่แค่ไหนกันแน่?

วัตถุท้องฟ้าหรือสสารใดก็ตามที่โคจรรอบดวงอาทิตย์ ล้วนอยู่ในขอบเขตของระบบสุริยะทั้งสิ้น นอกจากดาวเคราะห์แปดดวงที่เรารู้จักกันดีแล้ว ยังมีดาวเคราะห์แคระอย่างน้อยห้าดวง ดวงจันทร์บริวารอย่างน้อย 173 ดวง และวัตถุขนาดเล็กกว่าอีกนับร้อยล้านชิ้น ถัดจากดาวเนปจูนออกไปคือแถบไคเปอร์ (Kuiper Belt) — บริเวณรูปจานที่ประกอบด้วยดาวเคราะห์น้อยจำนวนมาก ทอดยาวออกไปจากดวงอาทิตย์ราว 50 ถึง 500 หน่วยดาราศาสตร์ (หนึ่งหน่วยดาราศาสตร์คือระยะห่างระหว่างโลกกับดวงอาทิตย์) ถัดจากแถบไคเปอร์ออกไปก็คือเมฆรูปทรงกลมที่ห่อหุ้มระบบสุริยะไว้ เรียกว่าเมฆออร์ต (Oort Cloud) อยู่ห่างจากดวงอาทิตย์ราว 50,000 ถึง 100,000 หน่วยดาราศาสตร์ รัศมีสูงสุดประมาณหนึ่งปีแสง

ต้องผ่านเมฆออร์ตออกไปได้ก่อน มนุษยชาติถึงจะพูดได้เต็มปากว่าออกจากระบบสุริยะแล้ว แต่ยานวอยเอเจอร์ 1 ใช้เวลา 35 ปีเดินทางได้แค่กว่า 120 หน่วยดาราศาสตร์ — ปีละไม่ถึง 4 หน่วยดาราศาสตร์ แค่หารง่าย ๆ ก็เห็นภาพแล้วว่า แม้จะใช้ความเร็วปัจจุบันของวอยเอเจอร์ มนุษยชาติก็ต้องใช้เวลาอย่างน้อย 20,000 ปีถึงจะออกจากระบบสุริยะได้

เทคโนโลยีของมนุษย์ยังด้อยอยู่มาก

ตลอดหลายแสนปีนับตั้งแต่กำเนิดมนุษยชาติ ทุกครั้งที่เทคโนโลยีก้าวกระโดด ก็หมายถึงความเร็วในการเดินทางของเราที่เพิ่มขึ้น — โดยพัฒนาการที่ก้าวกระโดดที่สุดเกิดขึ้นในช่วง 200 ปีที่ผ่านมา น่าเสียดายที่การขับเคลื่อนด้วยเชื้อเพลิงดูเหมือนจะถึงเพดานของมันแล้ว จรวดในทุกวันนี้ก็ไม่ได้ต่างจากเมื่อ 50 ปีก่อน fundamentally เลย ตามความสมมูลระหว่างมวลกับพลังงาน E=mc² ถ้าอยากได้ความเร็วที่มากขึ้น ก็ต้องมีแรงขับย้อนกลับที่มากขึ้น ซึ่งหมายถึงต้องพาพลังงานไปมากขึ้นและทำความเร็วไอเสียให้สูงขึ้น สำหรับการเดินทางระยะสั้นด้วยความเร็วสูงภายในระบบสุริยะ มวลเชื้อเพลิงและเครื่องยนต์ที่ต้องใช้จะมากกว่าตัวยานอวกาศที่มีลูกเรือเสียอีก

ดังนั้นการเดินทางข้ามดวงดาวด้วยการขับเคลื่อนด้วยเชื้อเพลิงจึงเป็นไปไม่ได้เลย — เว้นแต่ว่าเราจะมีเวลาหมื่นปีหรือมีแหล่งพลังงานเหลือเฟือแบบใช้ไม่หมดให้เผาทิ้ง

ถ้าพึ่งพาแค่เทคโนโลยีที่เรามีอยู่ในทุกวันนี้ มนุษยชาติก็จะเล่นอยู่ในโคลนตรงขอบในสุดของระบบสุริยะไปตลอดกาล

เป้าหมายของเราคือดวงดาวและท้องทะเล! มนุษยชาติต้องการวิธีการขับเคลื่อนแบบใหม่: การขับเคลื่อนที่ไม่ต้องใช้เชื้อเพลิง

ตอนนี้มีแนวคิดการขับเคลื่อนแบบไม่ใช้เชื้อเพลิงอยู่ราวสิบกว่าอย่าง — ใบเรือสุริยะ การขับเคลื่อนด้วยแม่เหล็กไฟฟ้า เครื่องยนต์ฟิวชันนิวเคลียร์ วาร์ปเอนจิน และอื่น ๆ อีกมากมาย

ใบเรือสุริยะทำงานคล้ายเรือใบ: มีแผ่นฟิล์มบางขนาดมหึมากางออกในอวกาศโดยมียานอวกาศลากอยู่ข้างหลัง โฟตอนจากแสงอาทิตย์กระทบแผ่นฟิล์ม เกิดแรงขับย้อนกลับ ตราบใดที่ยานไม่ลดความเร็ว มันก็จะเร่งความเร็วต่อไปเรื่อย ๆ จนถึงความเร็วที่เหลือเชื่อ แต่ปัญหากวนใจที่สุดของใบเรือสุริยะก็คือการลดความเร็ว ถ้าเดินทางจากดาวดวงหนึ่งไปยังดาวอีกดวงที่มีความสว่างใกล้เคียงกัน ก็สามารถลดความเร็วกลางทางด้วยแสงจากดาวเป้าหมายได้ แต่ถ้าจุดหมายเป็นวัตถุที่ไม่เปล่งแสง ก็ต้องใช้การลดความเร็วด้วยเชื้อเพลิงหรือการเบรกด้วยแรงโน้มถ่วง — ซึ่งทั้งสองอย่างก็ยุ่งยากในทางปฏิบัติ

การขับเคลื่อนด้วยแม่เหล็กไฟฟ้าใช้สนามแม่เหล็กไฟฟ้าควบคุมทิศทางการพ่นอนุภาค เพื่อบังคับทิศทางยานอวกาศไปตามเส้นทางที่กำหนดไว้ล่วงหน้า ประหยัดพลังงานและกระทัดรัด ปัจจุบันมีดาวเทียมบางดวงใช้เทคโนโลยีนี้ในการรักษาวงโคจรอยู่แล้ว

เครื่องยนต์ฟิวชันนิวเคลียร์ก็เป็นการขับเคลื่อนแบบไม่ใช้เชื้อเพลิงอีกรูปแบบหนึ่ง มีการประเมินกันว่าการเร่งมวล 11,000 ตัน (ประมาณน้ำหนักเรือรบขนาดเล็กหนึ่งลำ) ให้ได้ความเร็วครึ่งหนึ่งของความเร็วแสง ต้องใช้ฮีเลียม-3 ทั้งหมดบนดวงจันทร์เพื่อรักษาปฏิกิริยาฟิวชันแบบควบคุม แน่นอนว่ามันเป็นไปไม่ได้ — แถมเรายังไม่ได้เชี่ยวชาญการควบคุมฟิวชันนิวเคลียร์เต็มที่ด้วยซ้ำ แต่ถ้าใช้สำหรับการเดินทางระยะสั้นด้วยความเร็ว 1% ถึง 10% ของความเร็วแสงล่ะก็ สบายมาก

ใครที่เคยอ่าน สามก๊กสามร่าง หรือดู Star Trek คงต้องสนใจวาร์ปเอนจินกันแน่นอน วาร์ปเอนจินสามารถเร่งยานอวกาศให้ถึงสภาวะความเร็วแสงได้แทบจะในทันทีโดยไม่เปลี่ยนเวลาเชิงสัมพัทธ์ — เป็นแนวคิดการขับเคลื่อนระดับล้ำยุคจริง ๆ แต่มันก็เป็นแค่แนวคิดเท่านั้น: จนถึงตอนนี้ยังไม่มีการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ใดที่พิสูจน์ความสมเหตุสมผลของมันได้

เห็นได้ชัดว่ายานอวกาศรุ่นต่อไปอาจใช้เทคโนโลยีการขับเคลื่อนด้วยแม่เหล็กไฟฟ้าหรือฟิวชันนิวเคลียร์ ความท้าทายที่ต้องฝ่าฟันมีนับไม่ถ้วน — และนอกเหนือจากฟิสิกส์แล้ว วัสดุศาสตร์ ชีววิทยา และอีกสารพัดสาขาวิชายังต้องอาศัยความร่วมมือของมนุษยชาติทั้งมวล