ในทางฟิสิกส์แล้ว การเคลื่อนที่ในแนวระนาบ ไม่จำเป็นต้องใช้พลังงาน และถ้าเอาให้ถึงที่สุด การเคลื่อนที่ในแนวระนาบบนพื้นโลกนี้ สามารถทำได้ด้วยความเร็วสูงสุดที่ 5 กิโลเมตรต่อวินาทีโดยไม่ต้องใช้พลังงานอื่นใดมาช่วยในทางทฤษฎี เราสามารถเดินทางข้ามจากไทยไปโผล่ที่เปรูได้ภายในเวลาแค่ 42 นาที วันนี้ เราจะมาคุยกันเรื่องของ รถไฟแรงโน้มถ่วง และความเป็นไปได้ในภาคปฏิบัติของมันกัน
 

---

 
คอนเซปท์รถไฟแรงโน้มถ่วงนี้ มีที่มาจากการแกะทฤษฎีบทของนิวตั้น ที่ชื่อว่า Newton’s Shell Theorem ซึ่งระบุไว้ว่า ถ้าโลกมีความหนาแน่นเป็นเนื้อเดียวแล้ว แรงโน้มถ่วง จะแปรผันกับระยะห่างจากใจกลางโลก ทฤษฎีบทนี้ เมื่อพิสูจน์ออกมา เราจะสามารถลดความซับซ้อนของการเคลื่อนไหวตามสมการแรงโน้มถ่วงภายใต้ผิวโลกจนเหลือแค่รูปสมการสปริง 
 
F = kx
 

ถ้าเราเจาะปล่องทะลุโลก แล้วหย่อนรถไฟทั้งขบวนลงไป รถไฟจะเร่งความเร็วจนถึงใจกลางโลกแล้วค่อยชะลอลงหยุดพอดีที่ปากปล่องอีกข้างแล้วก็ตกกลับมาสู่ที่เดิม คาบการเดินทางของรถไฟนี้จะอยู่ที่ 5,061 วินาที เราเดินทางข้ามโลกไปกลับเป็นระยะทาง 25,484 กิโลเมตรด้วยความเร็วเฉลี่ยที่มัค 25 โดยไม่ต้องใช้พลังงานใดๆ
 
แต่ยังก่อน เรารู้ละว่าเราคงเจาะทะลุโลกลงไปจริงๆไม่ได้เพราะแกนโลกมันร้อน เราอาจทำได้แค่การทำรางลงเฉียงทะลุแค่ไม่เกินชั้นหิน ลิโทสเฟียร์ ซึ่ง ตามทฤษฎีบทของนิวตั้น ค่า k ของการเคลื่อนไหวในแนวเฉียงนี้ ก็จะยังได้ผลคงเดิม และไม่ว่าเราจะทำรางเฉียงแค่ไหน เฉียงใกล้ หรือเฉียงไกล จะ 1,000 กิโลเมตร หรือ 2,000 กิโลเมตร คาบการเดินทางของรถไฟนี้ ก็จะยังอยู่ที่ 5,061 วินาที เหมือนกันทั้งหมด เพราะ ความลึกที่น้อยลง และความชันที่มากขึ้น การเปลี่ยนแปลงของความเร็วตามความเร่งลงทางลาดของรถไฟนี้จะพอดีกับคาบการแกว่งแบบซิมเปิ้ลฮาร์โมนิกส์ของสปริงและทำให้คาบการเด้งคงที่เสมอ คนที่สนใจไปอ่านต่อในรูปเอาเอง ผมมั่นใจว่าคนส่วนใหญ่ก็คงไม่กดไปดูในรูปหรอก 

 
แต่ทีนี้ ความเร็วของรางแรงโน้มถ่วง มันจะจำกัดตามคาบที่คงที่ 5,061 วินาที ไม่ว่าระยะทางจะห่างแค่ไหนจริงๆหรือ
 
มันยังมีวิธีเพิ่มความเร็วในการเดินทางที่ดีกว่านั้น แม้ว่าที่ความสูงเท่ากัน วัตถุจะตกลงมาถึงพื้นที่ความเร็วสุดท้ายเท่ากัน แต่สโลปที่ต่างกัน มันทำให้ความเร่งที่ตกลงมาไม่เท่ากัน แทนที่เราจะเจาะอุโมงค์รถไฟเป็นแนวทแยงไปตรงๆ เราเจาะอุโมงค์ลงมาตรงๆเข้าหาแกนโลกก่อน แล้วค่อยปรับเป็นแนวระดับวิ่งไปจนถึงที่หมายแล้วขุดขึ้น ตรงนี้ เราจะเกิดการได้เปรียบของการเปลี่ยนแปลงของความเร็ว ที่ระยะทางบนพื้นดิน 1,000 กิโลเมตรเท่าๆกัน ถ้าเราเจาะท่อทแยงไปหาจุดหมาย ความเร็วของรถไฟแรงโน้มถ่วงนี้จะทำได้เพียงเฉลี่ย 1,421 กิโลเมตรต่อชั่วโมง แต่ถ้าเราเจาะลงไปก่อน 20 กิโลเมตรแล้วโค้งเข้าหาแนวระดับไป 997 กิโลเมตร ก่อนขุดโค้งขึ้นมาถึงจุดหมาย รถไฟแรงโน้มถ่วงของเราจะทำความเร็วเฉลี่ยได้ถึง 2,151 กิโลเมตรต่อชั่วโมง เพราะ การตกลงไปตรงๆ รถไฟจะเร่งความเร็วถึงความเร็วสูงสุดที่ 2,232 กิโลเมตรต่อชั่วโมงภายในเวลาเพียง 1 นาที ในขณะที่การเคลื่อนที่ไปตรงๆตามแนวทแยงนั้น มันใช้เวลาถึง 21 นาทีก่อนจะไปถึงความเร็วสูงสุดนี้
 
แน่นอนว่า รถไฟแรงโน้มถ่วงนี้ยังจะเจอปัญหาเรื่องแรงเสียดทาน แรงเสียดทานอากาศสามารถลดได้ด้วยการทำระบบท่อสุญญากาศแบบ Hyperloop แรงเสียดทานที่พื้นลดได้ด้วยการใช้ระบบ Maglev แล้วเราก็อาจต้องมีการบูสชดเชยความเร็วที่สูญเสียไปอีกนิดๆหน่อยๆ ในภาคปฏิบัติ เราอาจทำรางลึกได้แค่ราว 1 -2 กิโลเมตรในบางที่ ระยะระหว่างสถานีอาจแค่ 200-300 กิโลเมตร แต่ การทำระบบรางเชื่อมต่อระหว่างเมืองในลักษณะนี้ เราจะสามารถขนส่งสินค้าและคนด้วยความเร็วสูง และแทบไม่ต้องใช้พลังงาน ในอนาคตที่โลกของเรากลายเป็นนครโลหะ ระบบรางแรงโน้มถ่วงนี้จะเป็นคำตอบของวิกฤติพลังงานของอารยธรรมมนุษย์เราได้เป็นอย่างดี