จรัสพรรณ เปรมปรีบุตร

เรื่องราวทางฟิสิกส์ ปรัชญาและจักรวาลวิทยาในมุมมองแบบชาวบ้าน ไม่ใช่นักวิชาการ แต่อาจวิจารณ์ความรู้ทางจักรวาลวิทยาสมัยใหม่บ้างเล็กๆ

เส้นขอบฟ้าของจักรวาลที่ยืดได้หดได้

หลังปี 1929 นักฟิสิกส์เชื่อว่าการที่กาแล็กซี่ดีดห่างกันออกไปตามที่นักดาราศาสตร์อเมริกันเอ็ดวิน ฮับเบิ้ล (Edwin Hubble) ค้นพบจริงๆแล้วก็คือการขยายตัวของสเปซระหว่างกาแล็กซี่ไม่ใช่การเคลื่อนของกาแล็กซี่ไปในสเปซตามปกติ การขยายตัวหรือหดตัวของสเปซไม่ใช่เรื่องใหม่เป็นสิ่งที่มีอยู่ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปที่เสนอโดยไอน์สไตน์มาตั้งแต่ปี 1915 ไอน์สไตน์เอาทฤษฎีของเขามาสร้างแบบจำลองแรกของจักรวาลในปี 1917 แต่ก็ถูกตีตกไปหลังการค้นพบของฮับเบิ้ลเพราะแบบจำลองของเขาตั้งอยู่บนสมมติฐานว่าสเปซไม่ยืดไม่หด การขยายตัวของสเปซซึ่งเชื่อกันว่าเป็น “แบบหน่วง” เท่ากับบอกว่าสเปซหดตัวเมื่อย้อนเวลากลับไปในอดีต ซึ่งทฤษฎีของเขาทำนายว่าสเปซจะหดตัวจนกระทั่ง “ไม่มีสเปซ” ซึ่งไม่รู้ว่าจะตีความว่าคืออะไร? นักปรัชญาในอดีตบางคนกล่าวว่าจะมี Something เกิดจาก Nothing ไม่ได้ หรือจักรวาลจะเป็นข้อยกเว้น ? และปี 1998, Big Surprise ก็บังเกิดขึ้นเมื่อพบว่าจริงๆแล้วจักรวาลกำลังขยายตัว “แบบเร่ง” ซึ่งเท่ากับว่าในอนาคตอีกหลายหมื่นล้านปีกาแล็กซี่ทุกแห่งในจักรวาลจะถูกโดดเดี่ยว มองไปบนท้องก็จะเห็นแต่ดาวในกาแล็กซี่เดียวกัน อาจไม่เหลือหลักฐานใดมาบอกอารยธรรมในอนาคตว่า “จักรวาลกำลังขยายตัว !” เริ่มแรกไอน์สไตน์ไม่ได้คิดทฤษฎีใหม่ขึ้นมาเพื่ออธิบายจักรวาลหรือการเคลื่อนที่ของกาแล็กซี่ เขาต้องการแก้ไขข้อบกพร่องของกฏแรงดึงดูดระหว่างมวลของนิวตันที่อนุญาตให้แรงจากดาวดวงหนึ่งส่งไปยังอีกดาวดวงหนึ่งในทันทีทันใดโดยไม่ต้องใช้เวลาซึ่งเป็นสิ่งที่ยอมรับไม่ได้เพราะเขาเชื่อว่าความเร็วแสงเป็นความเร็วสูงสุด แรงดึงดูดระหว่างดวงดาวจะต้องใช้เวลาในการเดินทางที่ไม่เกินกว่าความเร็วแสง ตามกฏของนิวตันถ้ามีดาวหางชนโลกแล้วทำให้โลกมีมวลมากขึ้นดวงจันทร์จะรับรู้ถึงแรงดึงดูดที่มากขึ้นในทันทีทันใด สำหรับไอน์สไตน์ดวงจันทร์จะรับรู้ได้เร็วที่สุดประมาณ 3 วินาทีซึ่งเท่ากับความเร็วที่แสงใช้เดินทางระหว่างโลกและดวงจันทร์ คำตอบง่ายๆตามอารมณ์ก็คือหากสเปซภายในกาแล็กซี่ขยายตัวก็จะถูกฉีกออก ดาวทุกดวงจะถูกดีดห่างออกจากกันและก็จะไม่มีกาแล็กซี่อย่างที่เห็น เป็นคำตอบแบบกำปั้นทุบดิน (แต่ก็มีเหตุผลอยู่ คำอธิบายแนวนี้เขาเรียกว่า Anthropic Principle โดยรวมๆหมายถึงสิ่งต่างๆเป็นอยู่อย่างนั้นก็เพื่อให้มีสิ่งมีชีวิตกำเนิดมาเพื่อรับรู้ความเป็นไปของสิ่งเหล่านั้นอีกที) คำตอบจริงก็คือในสเกลระดับใหญ่มวลสารมีอำนาจในการ “ต้าน” การขยายตัวของสเปซ มวลสารที่รวมตัวกันอย่างหน่าแน่นจะร่วมกันสร้างอาณาบริเวณที่มีอำนาจมากพอที่จะต้านการขยายตัวของสเปซในบริเวณนั้นได้ …

เส้นขอบฟ้าของจักรวาลที่ยืดได้หดได้ Read More »

จักรวาลโมเดลแรกของไอน์สไตน์ในปี 1917

แปลและเรียบเรียงจาก Cosmological Considerations in the General of Relativity โดย อัลเบิร์ท ไอน์สไตน์, 1917 เป็นที่รู้กันดีว่าสมการปัวซอง เมื่อนำมาใช้กับสมการการเคลื่อนที่ของวัตถุ(ที่ถูกมองเป็นจุด)ไม่ได้สอดคล้องกับทฤษฎีของนิวตันโดยสมบูรณ์ในแง่การส่งผลในทันทีทันใด(action at a distance) เงื่อนไขที่ยังต้องนำมาพิจารณาก็คือที่ระยะไกลออกไปเป็นอนันต์ค่าของพลังงานศักย์ มีแนวโน้มที่จะลู่เข้าค่าคงที่ค่าหนึ่ง ในสัมพัทธภาพทั่วไปก็มีลักษณะเช่นเดียวกันนี้ ถ้าเรามองว่าจักรวาลไม่มีขอบเขตเราต้องใส่เงื่อนไขค่าคงที่ดังกล่าวเข้าไปในสมการอนุพันธ์(ของสัมพัทธภาพทั่วไป) เมื่อผมพิจารณาการเคลื่อนที่ของดวงดาวผมกำหนดเงื่อนไขข้างต้นภายใต้สมมติฐานต่อไปนี้ : เราสามารถเลือกโคออร์ดิเนตที่ทำให้ค่าศักย์โน้มถ่วงมีค่าคงที่ที่ระยะอนันต์ได้เสมอ แต่เมื่อพิจารณาจักรวาลทั้งหมดไม่ปรากฏว่าเราสามารถทำเช่นนี้ได้ ในบทความนี้ผมจะสะท้อนให้เห็นถึงสิ่งที่ผมทำกับปัญหาพื้นฐานที่สำคัญเช่นนี้ 1. ทฤษฎีของนิวตัน เป็นที่รู้กันดีแล้วว่าตามทฤษฎีนิวตันหากที่ระยะอนันต์พลังงานศักย์ลู่เข้าหาค่าคงที่ค่าหนึ่งก็หมายความว่าความหนาแน่นของสสารจะต้องเป็นศูนย์ที่ระยะอนันต์ด้วย สมมติว่ามีสถานที่หนึ่งในจักรวาลที่สนามความโน้มถ่วงมีสมมาตรรอบจุดนั้นแบบทรงกลม จากสมการปัวซองหากพลังงานศักย์ลู่เข้าหาค่าคงที่ที่ระยะอนันต์ค่าความหนาแน่นจากจุดศูนย์กลางจะต้องลดลงด้วยอัตรา 1/r2 จนกระทั่งลดลงเป็นศูนย์ที่ระยะดังกล่าว ในความหมายนี้จักรวาลของนิวตันจึงมีขอบเขตแม้ว่ามวลรวมทั้งหมดจะนับไม่ถ้วน เราอาจจะเลี่ยงความยุ่งยากที่แปลกประหลาดนี้โดยสมมติว่าศักย์โน้มถ่วงที่อนันต์มีค่าสูงมาก นั่นอาจจะเป็นไปได้ถ้าค่าของศักย์โน้มถ่วงไม่ได้เป็นเงื่อนไขที่จำเป็นในดวงดาวซะเอง

จักรวาลไม่มีขอบเขตแต่มีขอบฟ้า

จักรวาลมีขอบเขตไหม? จักรวาลมีที่สิ้นสุดไหม? คำตอบมีมานานแล้วว่าจักรวาลไม่มีที่สิ้นสุด ไม่มีขอบ ไม่ได้มาจากการพิสูจน์เพราะไม่มีใครพิสูจน์ได้แต่เพราะว่าเป็นคำตอบที่ make sense ที่สุด จักรวาลวิทยาสมัยใหม่ก็มีคำตอบเช่นเดียวกันแต่เพิ่มเติมว่าเราไม่มีวันเห็นจักรวาลได้ทั้งหมดไม่ว่าจะมีเทคโนโลยี่ที่ลึกล้ำเพียงใดเพราะเราถูกกั้นด้วย “เส้นขอบฟ้า” ของจักรวาล

ประวัติย่อของแสง (a) แสงเป็นอนุภาค

เราอยู่กับแสงมาตลอดชีวิต มนุษย์ในอดีตตั้งคำถามเกี่ยวกับแสงมาตลอดว่านอกจากมีความสว่างแล้วแสงมีธรรมชาติอย่างไร เครื่องมือในการศึกษาจักรวาลวิทยาสมัยใหม่ก็คือทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ที่เริ่มเป็นที่รู้จักในปี 1905 หัวใจของทฤษฎีนี้ก็คือเรื่องเกี่ยวกับแสง แสงไม่ใช่ให้แค่ความสว่างแต่แสงเป็นกุญแจดอกสำคัญในการไขความลับจักรวาล

อะไรทำเกิดอินเฟลชั่น

อะไรทำให้เกิดอินเฟลชั่น

ปัญหาของทฤษฎีอินเฟลชั่นก็คือมันต้องมีการกำหนดเงื่อนไขที่เจาะจงถึงจะใช้งานได้ซึ่งเป็นกระบวนการที่ไม่เป็นธรรมชาติ

cosmic inflation

ตามทฤษฎีอินเฟลชั่น เริ่มแรกจักรวาลขยายตัวอย่างไร

เริ่มแรกจักรวาลมีขนาดเล็กกว่านิวเคลียสของอะตอม เมื่อจักรวาลมีอายุ “หนึ่งในพันล้านของหนึ่งในพันล้านของหนึ่งในพันล้านของหนึ่งในพันล้านของหนึ่งวินาที” จักรวาลเพิ่มปริมาตรเป็น 8 เท่าทุกๆ “หนึ่งในพันล้านของหนึ่งในพันล้านของหนึ่งในพันล้านของหนึ่งในพันล้านของหนึ่งวินาที”

ไข่จักรวาล big bang

จาก “ไข่จักรวาล” สู่ “Big Bang”

ปัจจุบันนักจักรวาลส่วนใหญ่เชื่อว่าจักรวาลกำเนิดมาจุดจากขนาดเล็กที่ไร้ขอบเขตที่เรียกว่าบิ๊กแบง ซึ่งพัฒนามาจากแนวคิดไข่จักรวาล (cosmic egg) ซึ่งเสนอโดยนักฟิสิกส์และบาทหลวงชาวเบลเยี่ยม

จักรวาลขยายตัวในอะไร

เมื่อนักจักรวาลบอกเราว่าจักรวาลกำลังขยายตัว คำถามแรกที่คุณอาจจะถามคือแล้วจักรวาลขยายตัวในอะไร? การขยายตัวของจักรวาลไม่ได้หมายความว่าจักรวาลมีขอบแล้วขอบขยายออกไปแต่หมายความว่าทุกๆจุดในสเปซกำลังยืดออก

ยุคจักรวาลวิทยาสมัยใหม่

ส่วนใหญ่จะถือกันว่าปี 1917 เป็นปีแห่งการเริ่มต้นจักรวาลวิทยาสมัยใหม่ ซึ่งเป็นปีที่ไอน์สไตน์เริ่มใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของเขามาใช้แก้ปัญหาทางคณิตศาสตร์อันหนึ่งที่เกี่ยวกับจักรวาลซึ่งกลศาสตร์แบบนิวตันไม่สามารถให้คำตอบได้