จักรวาลขยายตัวในอะไร (3)


เมื่อนักจักรวาลบอกเราว่าจักรวาลกำลังขยายตัว คำถามแรกที่คุณอาจจะถามคือแล้วจักรวาลขยายตัวในอะไร?

การทำความเข้าใจเกี่ยวกับจักรวาลต้องอาศัยความรู้ทางด้านฟิสิกส์หลายแขนง ถ้าคุณกลัวฟิสิกส์ นี่เป็นโอกาสที่จะหายกลัว คุณไม่ต้องกังวลว่าคุณต้องกลับไปทบทวนฟิสิกส์มัธยม เพราะต่อไปนี้จะเป็นเรื่องสนุก ไม่ต้องกลับไปรื้อฟื้นความรู้อะไร หรือต่อให้ไม่เคยเรียนฟิสิกส์มาก่อนก็อย่ากังวล ขอเพียงคุณคิดตามก็พอ ตามที่ไอน์สไตน์ว่า “จินตนาการสำคัญกว่าความรู้”

กาแล็กซี่ไม่ได้อยู่โดดเดี่ยว

ในตอนที่ 2 ผมได้อธิบายไว้แล้วว่าการขยายตัวของจักรวาลหมายถึงการที่กาแล็กซี่ที่อยู่ห่างกันมากพอจะดีดตัวห่างกันไปเรื่อยๆ คุณอาจจะสงสัยว่าทำไมต้องมีคำว่า “ห่างกันมากพอ” ทำไมทุกๆกาแล็กซี่ถึงไม่ดีดตัวห่างกันทุกๆกาแลกซี่ อันนี้ขอติดไว้ก่อนและจะอธิบายอีกครั้ง

ผมขอยกตัวอย่างกาแล็กซี่ที่อยู่ใกล้กาแล็กซี่ทางช้างเผือก (Milky way) ของเรามากที่สุดซึ่งเรียกว่า แอนโดรมีดา (Andromeda) ซึ่งห่างออกไปประมาณ 2.5 ล้านปีแสง (ระยะทางที่แสงใช้เวลาเดินทาง 2.5 ล้านปี) กาแล็กซี่ทั้งสองจัดว่าอยู่ใกล้กันและไม่ดีดห่างออกจากกัน แต่กำลังวิ่งเข้าหากันและจะชนกันในอีกประมาณ 4,000 ล้านปีข้างหน้า

กาแล็กซี่จะรวมกันอยู่เป็นกลุ่มหรือคลัสเตอร์ (cluster) ซึ่งอาจจะโคจรรอบกันหรือกำลังวิ่งเข้าหากัน หลายๆคลัสเตอร์จะรวมกันอยู่เป็นกระจุกขนาดใหญ่ยิ่งขึ้นไปอีกเรียกว่าเป็นซุปเปอร์คลัสเตอร์(supercluster)   

นักจักรวาลจัดให้กาแล็กซี่ทางช้างเผือกของเรากับแอนโดรมีดาอยู่ในคลัสเตอร์เดียวกัน ซึ่งจะเรียกง่ายๆว่า local group (หรือคลัสเตอร์ที่เราเป็นสมาชิกอยู่) และยังมีกาแล็กซี่อื่นๆในกรุ๊ป(คลัสเตอร์)นี้ด้วย รวมแล้วประมาณ 50 กาแล็กซี่ กาแล็คซี่ทางช้างเผือกของเรามีกาแล็คซี่อื่นๆโคจรอยู่รอบๆเช่นเดียวกับกาแล็คซี่แอนโดรมีดา

การขยายตัวของจักรวาลคืออะไรกันแน่

ผมเล่ามาหลายครั้งแล้วว่าจักรวาลกำลังขยายตัว และมีความหมายว่าแต่ละกาแล็กซี่ที่อยู่ห่างกันมากพอจะดีดตัวออกจากกัน หมายความว่า ถ้าเรามองจากกาแล็กซี่ทางช้างเผือกของเรา เราจะเห็นกาแล็กซี่อื่นๆ(ที่อยู่ห่างออกไปมากพอ)ถอยห่างจากเราไปเรื่อยๆ และมนุษย์ต่างดาวที่อยู่ในกาแล็กซี่ที่ถอยห่างจากกาแล็กซี่ของเราก็จะเห็นภาพเดียวกัน คือกาแล็กซี่ทางช้างเผือกของเราก็กำลังดีดตัวถอยห่างจากกาแล็กซี่ของเขา ผู้สังเกตที่อยู่ ณ กาแล็กซี่ใดๆในจักรวาล(ที่ห่างกันมากพอ)ก็จะเห็นภาพเดียวกัน ซึ่งจะเข้ากันได้กับหลักที่ผมเล่าให้ฟังตอนต้นว่า เมื่อเรามองในภาพกว้างที่ใดๆในจักรวาลก็ไม่แตกต่างกัน ให้เรามองกาแล็กซี่เป็นเพียงแค่จุดๆหนึ่งโดยที่ทุกจุดในจักรวาลกำลังถอยห่างออกจากกัน

นักดาราศาสตร์ที่ประกาศการค้นพบนี้คนแรกคือ เอดวิน ฮับเบิ้ล ในปี 1929 ซึ่งฮับเบิ้ลไม่ได้มองว่าเป็นการขยายตัวของจักรวาล เขาแค่เสนอว่ากาแล็กซี่เคลื่อนที่ถอยห่างออกจากกัน การขยายตัวของจักรวาลเป็นคำอธิบายที่เกิดขึ้นภายหลัง หลังจากที่นักฟิสิกส์และนักจักรวาลได้พิจารณาปรากฏการณ์นี้อย่างถี่ถ้วนแล้ว แต่กระนั้นก็ดีฮับเบิ้ลก็ได้รับเครดิตว่าเป็นผู้ค้นพบการขยายตัวของจักรวาล

แล้วมันต่างกันตรงไหน? สมมติว่าคุณมียางยืดยาวๆที่หนาพอควรอยู่หนึ่งเส้น แล้วคุณเอากล่องสองใบวางไว้ที่ปลายสองข้าง จินตนาการว่าทุกๆจุดของแผ่นยางยืดออกยกเว้นตรงที่มีกล่องวางอยู่ ภาพที่คุณจะเห็นก็คือกล่องทั้งสองใบดีดจะตัวห่างออกจากกัน โดยที่กล่องแต่ละใบยังวางนิ่งอยู่บนแผ่นยาง(เพราะว่ายางใต้กล่องไม่ยืดออก) กล่องเปรียบเสมือนกับกาแล็กซี่ ยางเปรียบเสมือนกับอวกาศที่ว่างเปล่าที่อยู่ระหว่างกาแล็กซี่ การที่กาแล็กซี่สองกาแล็กซี่ดีดห่างออกจากกันก็เพราะอวกาศหรือที่ว่างระหว่างกาแล็กซี่ขยายตัว แต่กาแล็กซี่ทั้งสองอยู่นิ่งๆในที่ว่างของตัวเอง(ซึ่งไม่ได้ขยายตัวตามไปด้วย)

ดังนั้นการที่แต่ละกาแล็กซี่ดีดตัวห่างออกจากกันหรือที่นักจักรวาลเรียกว่าเป็นการขยายตัวของจักรวาลไม่ได้หมายความว่ากาแล็กซี่ต่างๆเคลื่อนที่ห่างออกจากกันไปในที่ว่างที่มีอยู่แล้ว แต่การขยายตัวของจักรวาลคือการเพิ่มที่ว่างระหว่างกาแล็กซี่อยู่ตลอดเวลา ทำให้จักรวาลมีปริมาตรเพิ่มมากขึ้นเรื่อยๆ(หรืออาจจะมองว่าบวมขึ้นเรื่อยๆ) ไม่ได้หมายความว่าจักรวาลมีขอบแล้วขอบนอกของจักรวาลกำลังขยายตัว

คณอาจจะกำลังนึกในใจว่ายังไงจักรวาลก็น่าจะมีขอบ อันนั้นเป็นสามัญสำนึกของเรา ซึ่งนักจักรวาลทั้งแต่ก่อนและปัจจุบันไม่ได้มองอย่างนั้น เหตุผลง่ายๆก็คือถ้ามองอย่างนั้นมันจะไม่สามารถหาคำตอบได้ว่าแล้วขอบคืออะไรและยังมีปัญหาว่าจักรวาลอาจจะยุบตัวด้วย วิธีมองจักรวาลที่ใช้กันมานานก็คือถือหลักว่า “ไม่ว่าเราจะอยู่ที่ใดในจักรวาล มันก็ไม่แตกต่าง หรือไม่มีที่ใดในจักรวาลพิเศษกว่าที่ใด”

ไม่ว่าเราจะอยู่ตรงไหนของจักรวาลเราจะมองไม่เห็นความแตกต่าง

อย่างที่ผมเคยบอกมาก่อนแล้วว่า จักรวาลวิทยา(แบบวิทยาศาสตร์)เป็นการทำความเข้าใจจักรวาลโดยภาพรวมทั้งจักรวาล ไม่ได้ไปสนใจองค์ประกอบเช่นดวงดาวหรือกาแล็คซี่แต่ละแห่ง แต่จะสนใจว่าจักรวาลทั้งจักรวาลมีการเปลี่ยนแปลงอย่างไร หรือมีวิวัฒนาการอย่างไร

จินตนาการว่าเราเฝ้ามองดวงดาวที่ส่องสว่างจากจุดใดจุดหนึ่งในจักรวาลที่ไม่ใช่บนโลกหรือดาวเคราะห์ดวงไหน และสมมติว่าตาของคุณใหญ่มากกว่ากาแล็กซี่หลายเท่าจนกระทั่งเห็นกาแล็คซี่ทั้งกาแล็คซี่เป็นจุด รวมทั้งกลุ่มของกาแล็คซี่ก็เห็นเป็นจุดด้วย ถ้าจักรวาลเต็มไปด้วยกาแล็กซี่มากมายนับไม่ถ้วน คุณควรจะเห็นจุดจำนวนมากมายนับไม่ถ้วนละลานตาไปหมด ต่อไปจินตนาการต่อว่าคุณมองไปรอบๆทุกทิศทาง คุณคิดว่าจะเห็นความแตกต่างในแต่ละทิศไหม แล้วถ้าสมมติว่าคุณย้ายจุดสังเกตไปไกลจากจุดแรกหลายร้อยล้านปีแสงแล้วมองไปรอบๆแบบเดิม คุณคิดว่าจะเห็นความแตกต่างจากการมองที่จุดแรกไหม

คำตอบคือไม่มีใครรู้ แต่นักจักรวาลมีความเชื่อว่าเราจะมองไม่เห็นความแตกต่าง โดยอาศัยหลัก(ความเชื่อ)ที่ว่า ไม่มีที่ใดในจักรวาลพิเศษกว่าที่อื่นๆ ดังนั้นถ้าเรามองจักรวาลในระดับที่ใหญ่มากๆ เราไม่ควรที่จะแยกความแตกต่างออกไม่ว่าเราจะมองจากจุดไหนหรือมุมไหน นักจักรวาลจึงตั้งเป็นหลักเรียกว่า หลักสากลจักรวาล-cosmological principle มีใจความสรุปว่า

ในบริเวณหนึ่งของจักรวาลที่ใหญ่พอ สมมติว่าเราไปสังเกตจากจุดใดจุดหนึ่งในบริเวณนั้นแล้วมองไปรอบๆ เราจะมองไม่เห็นความแตกต่างหรือเห็นภาพเดียวกันในแต่ละทิศ และถ้าเราย้ายไปสังเกตที่จุดอื่นแล้วมองไปรอบๆแบบเดิมอีกครั้ง เราก็จะไม่สามารถบอกได้ว่ามันต่างกับการมอง ณ จุดแรกอย่างไร

คุณเคยได้ยินคำว่า “คืบก็ทะเล ศอกก็ทะเล” ไหม มันคล้ายๆกับหลักนี้ เวลาเราล่องเรืออยู่กลางทะเลที่เวิ้งว้างแล้วมองไปรอบๆ เราจะแยกไม่ออกว่าแต่ละทิศต่างกันตรงไหน และเมื่อเรือแล่นไปเรื่อยๆ เราก็บอกไม่ได้ว่าทะเลตอนนี้กับตอนก่อนหน้านี้มันต่างกันตรงไหน

ภาษิตนี้คล้ายกับ “หลักสากลจักรวาล” คือ ถ้าตาเราใหญ่มากและกินบริเวณที่กว้างมากพอ เมื่อเราสังเกตจักรวาลจากที่ใดที่หนึ่งแล้วมองไปรอบๆเราก็จะเห็นจุดกาแล็กซี่ต่างๆมากมายละลานตาไปหมด มองไปทิศไหนก็บอกไม่ได้ว่ามันต่างกันอย่างไร และถ้าเราย้ายจุดสังเกตไปอีกหลายร้อยล้านปีแสงแล้วมองไปรอบๆแบบเดิม เราก็จะมองไม่เห็นความแตกต่างจากจุดแรก

คุณอาจจะแย้งว่า เอ แต่เวลาที่เรามองไปบนท้องฟ้าเราก็ยังเห็นความแตกต่างในแต่ละทิศนี่ เราถึงได้แยกออกว่ามีกลุ่มดาวนี้อยู่มุมโน้น กลุ่มดาวโน้นอยู่มุมนี้ อันนี้ไม่ได้ขัดแย้งกับหลักสากลจักรวาลครับ เพราะการมองจากโลกหรือจากดาวดวงไหนก็ตามไม่ใช่เป็นการมองในมุมกว้าง

การมองในมุมกว้างเป็นมุมมองในจินตนาการที่สมมติว่าตาของเราใหญ่มากจนกระทั่งเห็นว่ากาแล็กซี่หรือกลุ่มของกาแล็กซี่กลายเป็นเพียงแค่จุดๆหนึ่ง แต่การมองดวงดาวบนท้องฟ้ายามค่ำคืนจุดสว่างส่วนใหญ่ที่เรามองเห็นก็คือดวงดาวในกาแล็กซี่ทางช้างเผือกที่เราอาศัยอยู่ เรากำลังเห็นรายละเอียดในกาแล็คซี่ของเราเพราะตาเราเป็นเพียงจุดๆหนึ่งภายในกาแล็กซี่(ซึ่งเป็นการมองในมุมแคบ)ไม่ใช่กาแล็คซี่ทั้งกาแล็กซี่เป็นเพียงจุดๆหนึ่งในสายตาของเรา(ซึ่งเป็นการมองในมุมที่กว้างมากๆในจินตนาการ)

มีหลักสากลจักรวาลไปทำไม

แล้วนักจักรวาลตั้งหลักนี้ขึ้นมาทำไม? ก่อนอื่นผมขอบอกว่าไม่มีหลักฐานแน่นอนว่าใครเป็นคนคิดหลักนี้ขึ้นมา บางคนบอกว่าเป็นไอน์สไตน์(1917) บางคนบอกว่ามีมาก่อนไอน์สไตน์ แต่อันหลังนี้น่าจะใช่ เพราะในสมัยนิวตัน (1642-1727)  ก็เคยมีการใช้หลักทำนองนี้อธิบายว่าทำไมจักรวาลถึงไม่ยุบตัว หลักของนิวตันบอกว่าดวงดาวทุกดวงดึงดูดกัน ดังนั้นโดยรวมแล้วดาวหรือกลุ่มดาวที่ไม่ได้โคจรรอบกันก็น่าจะวิ่งเข้าหากันและยุบรวมกัน เช่นระบบสุริยะที่อยู่ใกล้เราก็น่าจะกำลังพุ่งเข้าหาเราเพราะแรงดึงดูดระหว่างระบบสุริยะ ซึ่งถ้าเป็นอย่างนี้ดวงดาวทั่วทั้งจักรวาลก็จะต้องยุบรวมกันในที่สุดและก็จะต้องไม่มีจักรวาลอย่างที่เป็นอยู่ แต่จักรวาลยังคงอยู่ไม่ยุบ

วิธีแก้ปัญหาการยุบตัวของจักรวาลในสมัยนั้นก็คือจักรวาลไม่มีขอบเขตกว้างใหญ่ไพศาลเป็นอนันต์ ทุกที่ในจักรวาลเต็มไปด้วยดวงดาว และเมื่อมองในภาพกว้าง ไม่มีที่ไหนแตกต่างจากที่ไหน ดังนั้นการยุบตัวจึงไม่เกิดขึ้น(เพราะถ้ายุบก็แสดงว่าบริเวณที่ยุบแตกต่างจากบริเวณอื่น)

ในปี 1917 ไอน์สไตน์ก็ใช้หลักนี้ร่วมกับสมการอันสุดหินที่เขาสร้างขึ้นมาในปี 1915 ที่มีชื่อว่า “ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป” ที่ว่าหินก็คือ สมการที่เขาสร้างขึ้นมาตอนแรกค่อนข้างจะเป็นนามธรรมคือ “เขียนสมการได้ แต่แก้ยาก” แต่พอใช้หลัก “สากลจักรวาล” นี้เข้าไปกลับทำให้สมการแก้ได้ง่าย และกลายเป็นการเขี่ยเตะลูกสำหรับการกำเนิดจักรวาลวิทยาสมัยใหม่

จักรวาลคือฝุ่นของกาแล็กซี่และกำลังเจือจางลง

เมื่อมองในมุมกว้างจนกระทั่งเราเห็นกาแล็กซี่เป็นเพียงจุดๆหนึ่งหรือแม่แต่กลุ่มของกาแล็กซี่ที่เรียกว่าคลัสเตอร์ก็จะกลายเป็นจุดๆหนึ่ง ในมุมมองนี้จักรวาลจึงประกอบไปด้วยฝุ่นของกาแล็กซี่กระจายเต็มไปทั่ว โดย “เม็ดฝุ่น” ก็คือกาแล็กซี่หรือกลุ่ม(คลัสเตอร์)ของกาแล็กซี่ เม็ดฝุ่นเหล่านี้กระจายอย่างสม่ำเสมอไปทั่วจักรวาล แยกไม่ออกว่าตรงไหนต่างจากตรงไหน และเม็ดฝุ่นเหล่านี้กำลังดีดตัวห่างออกจากกัน ซึ่งหมายความว่านับวันฝุ่นกาแล็กซี่(หรือคลัสเตอร์ของกาแล็กซี่)ก็จะยิ่งเจือจางลงเรื่อยๆ

เมื่อเอาหลักนี้ผสมกับสมการในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ ก็จะเป็นจุดเริ่มต้นสำคัญที่ใช้ในการไขความลับของจักรวาล

จรัสพรรณ เปรมปรีบุตร
1+