ภาพ: นักบินอวกาศ Bruce McCandless II ขณะที่ใช้ Manned Maneuvering Unit ภายนอกกระสวยอวกาศชาเลนเจอร์ ในปี 1984. (ภาพโดย: NASA)
เราเดินทางไปอวกาศได้อย่างไร? ก่อนที่จะตอบคำถามนี้
เรามาลองตอบคำถามที่ง่ายกว่านี้กันเสียก่อนดีกว่า
เราเคลื่อนที่ได้อย่างไร?
ลองจินตนาการดูว่าเรากำลังอยู่ในแพที่ลอยอยู่กลางทะเลสาปน้ำนิ่ง ปราศจากคลื่นลม และไม้พายของเราก็เพิ่งจะตกน้ำไป เราจะสามารถทำให้เรือเคลื่อนที่โดยที่เราไม่เปียกได้หรือไม่?
ในสถานการณ์เช่นนี้ เราจะพบว่าแทบจะเป็นไปไม่ได้ที่จะทำให้เรือเคลื่อนที่โดยไม่สัมผัสกับน้ำ ทั้งหมดนี้เป็นผลพวงมาจากข้อเท็จจริงหนึ่งของจักรวาล ที่เราเรียกกันว่า “กฏของนิวตันข้อที่สาม”
กฏของนิวตันข้อที่สามนั้น สามารถอธิบายได้หลายแบบ แต่ถ้าจะพูดให้ง่ายๆ ก็คือ เราสามารถเคลื่อนที่ไปข้างหน้า โดยการผลักมวลไปข้างหลัง เช่นเดียวกับที่ภาพยนต์เรื่อง “Interstellar (2014)” สรุปเอาไว้อย่างเก๋ๆ ว่า “วิธีเดียวที่มนุษย์เคยค้นพบในการเดินทางไปที่ใดก็ตาม ก็คือการทิ้งอะไรบางอย่างไว้เบื้องหลัง”
ในความเป็นจริงแล้ว ทุกครั้งที่เราต้องการจะเคลื่อนย้ายวัตถุใดๆ ก็ตาม เราจะต้องทำการ “ผลักอะไรไปข้างหลัง” เสมอ เรือเคลื่อนที่ไปข้างหน้าได้โดยการผลักน้ำไปด้านหลังไม่ว่าจะโดยการพายเรือ ใบพัดเรือ หรือเจ็ทสกี ต่อให้เราใช้เรือใบ เราก็ยังพึ่งใบเรือในการ “ผลัก” ลมให้พัดไปด้านหน้าช้าลงอยู่ดี และแม้กระทั่งในการเดินปกติของมนุษย์ เราก็สามารถเดินไปข้างหน้าได้โดยการผลักพื้นดินไปด้านหลัง รถยนต์เคลื่อนที่ได้โดยการใช้ล้อผลักพื้นถนนไปทิศตรงกันข้าม เครื่องบินเจ็ทบินได้โดยการผลักอากาศไปเบื้องหลัง เราจะพบว่าไม่ว่ายานพาหนะเราจะใช้สัตว์ลาก หรือเทคโนโลยีอันซับซ้อนเพียงใด วิธีที่เราสามารถไปข้างหน้าได้ ก็คือการผลักมวลสารรอบๆ เราไปด้านหลังเสมอ
แต่ในอวกาศนั้นจะแตกต่างออกไป เนื่องจากในอวกาศนั้นไม่มีพื้นดิน น้ำ หรืออากาศให้ผลักไปรอบๆ ได้ กรณีนี้ เปรียบได้กับกรณีที่เราลอยแพอยู่กลางน้ำโดยที่ไม่มีไม้พาย ไม่สามารถสัมผัสน้ำหรืออากาศได้ ในกรณีเช่นนี้เราจะสามารถทำให้แพเคลื่อนที่ได้อย่างไร
วิธีหนึ่งที่เราสามารถทำให้แพเคลื่อนที่ได้ โดยไม่สัมผัสน้ำหรืออากาศรอบๆ ก็คือหากเรานำมวลที่จะผลัก แบกบรรทุกไปบนแพด้วย เพราะกฏของนิวตันข้อที่สามนั้นมีผลในทางกลับกันเช่นกัน: นั่นก็คือเราไม่สามารถผลักมวลอะไรออกไปได้ โดยที่เราไม่เคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้าม
หากเราลอยอยู่บนแพ แล้วเราขว้างลูกบอลสักลูกหนึ่ง เราจะพบว่าตัวเราจะเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้าม เราทุกคนจะคุ้นเคยกับกฏข้อนี้ดี ทุกครั้งที่เราใช้สายฉีดชำระในห้องส้วมหรือใช้ฝักบัวอาบน้ำที่น้ำไหลแรงพอ เราจะพบว่าสายที่ฉีดน้ำออกไปนั้น จะผลักตัวสายให้ไปตรงข้ามเสมอ หรือทุกครั้งที่เรายิงปืน ปืนจะมี “แรงถีบ” ไปในทิศทางตรงกันข้ามเสมอ แท้จริงแล้วเราไม่สามารถสร้างสายยางหรือปืน ที่สามารถยิงมวลไปข้างหน้าโดยที่ไม่ผลักไปด้านหลังด้วยซ้ำ
กฏของนิวตันบอกว่า ยิ่งเราส่ง “มวล” ที่มีจำนวนมาก ออกไปด้านหลังด้วยความเร็วเพียงใด ก็ยิ่งที่จะมีแรงส่งเราพุ่งไปข้างหน้ามากขึ้นเท่านั้น ในขณะที่แรงลมเป่าจากลมหายใจเอื่อยๆ ของเราไม่ได้ส่งร่างกายของเราไปได้แรงเท่าไหร่ แต่เราสามารถทำให้เกิดแรงมากขึ้นได้โดยการส่งมวลออกไปด้วยความเร็วที่สูงขึ้น (เช่น ด้วยใบพัดความเร็วสูง) หรือด้วยมวลที่มากขึ้น (เช่น ถีบพื้นโลกไปด้านหลัง)
ทั้งหมดนี้เกิดขึ้น ไม่ว่าเราจะใช้กลไกหรือเทคโนโลยีใดส่งมวลไปด้านหลัง ไม่ว่าเราจะใช้ขาถีบ ยิงด้วยหนังยาง ใบพัด เครื่องยนต์เจ็ท อากาศอัด เร่งด้วยแสงเลเซอร์ หรือจุดด้วยระเบิดนิวเคลียร์ ฯลฯ สุดท้ายแล้วเพียงสองสิ่งที่จะกำหนดว่าเราจะพุ่งไปข้างหน้าได้เร็วแค่ไหน ก็คือว่าเรากำลังส่งมวลมากแค่ไหนไปด้วยความเร็วเพียงใด
แต่สิ่งที่ทำให้การเดินทางของยานอวกาศท้าทายกว่าการเดินทางบนโลกเป็นอย่างมาก ก็คือ เราจะต้องแบกมวลที่เราจะทิ้งไปขึ้นไปด้วย และตราบใดที่เรายังไม่สามารถค้นพบวิธีฉีกกฏของนิวตันข้อที่สามนี้ได้ หากเราไม่มีมวลที่จะทิ้งเอาไว้เบื้องหลังเราก็จะไม่สามารถเคลื่อนที่ไปที่ใดได้
ดังนั้น การเคลื่อนที่ของยานอวกาศจึงถูกจำกัดด้วยมวลที่บรรทุกขึ้นไปนั่นเอง
เรียบเรียง : ดร. มติพล. ตั้งมติธรรม - ผู้เชี่ยวชาญดาราศาสตร์ สดร.
