จักรวาลไม่มีขอบเขตแต่มีขอบฟ้า

จักรวาลมีขอบเขตไหม? จักรวาลมีที่สิ้นสุดไหม? เป็นคำถามที่คนที่สนใจเรื่องจักรวาลมักถาม คำตอบมีมานานแล้วว่าจักรวาลไม่มีที่สิ้นสุด ไม่มีขอบ เป็นคำตอบที่ไม่ได้มาจากการพิสูจน์เพราะไม่มีใครพิสูจน์ได้แต่เพราะว่าเป็นคำตอบที่สอดคล้องกับกฏทาง sci ที่มีอยู่มากสุดและ make sense ที่สุด จักรวาลวิทยาสมัยใหม่ก็มีคำตอบเช่นเดียวกันแต่เพิ่มเติมตรงที่เราไม่มีวันเห็นจักรวาลได้ทั้งหมดไม่ว่าจะมีเทคโนโลยี่ที่ลึกล้ำเพียงใดเพราะเราถูกกั้นด้วย “เส้นขอบฟ้า” ของจักรวาล

ถ้าคุณตั้งคำถามว่าจักรวาลไปสิ้นสุดที่ไหน จักรวาลมีขอบไหม? คุณต้องตอบตัวเองให้ได้ก่อนว่าที่ที่จักรวาลไปสิ้นสุดของคุณมีลักษณะอย่างไร ขอบจักรวาลของคุณมีหน้าตาอย่างไร? โลกของเราเป็นตัวอย่างที่บอกเราว่าไม่มีขอบ ก่อนที่จะรู้ว่าโลกกลมคนสมัยก่อนนึกถึงภาพขอบโลกที่เลยไปก็จะตกขอบ

แต่พอรู้ว่าโลกกลมก็เข้าใจได้ไม่ยากแต่คำถามเรื่องขอบจักรวาลยากกว่าขอบโลก ถ้าตกขอบโลกก็จะไปอยู่ในจักรวาลแต่ถ้าตกขอบจักรวาลจะไปอยู่ในอะไร? เป็นคำถามที่คนที่คิดว่าจักรวาลมีขอบต้องตอบเอง ขอบจักรวาลของคุณหมายถึง “ที่ที่มีแต่ความว่างเปล่าแต่ปราศจากดวงดาว” หรือ “ที่ที่ไม่มีแม้แต่ความว่างเปล่า”

ขอบจักรวาลมีปัญหา

ถ้าคุณหมายถึงแบบแรกกาแล็กซี่ทั้งจักรวาลกระจุกอยู่ในบริเวณหนึ่งรอบนอกมีแต่ความว่างเปล่าแล้วขอบของกระจุกนี้ก็คือขอบจักรวาล แบบนี้จะเป็นปัญหาเพราะมวลสารที่กระจุกกันจะดึงดูดซึ่งกันและกันและจะยุบตัวลงในที่สุดไม่มีจักรวาลอย่างที่เราเป็นอยู่ ความเชื่อที่มีมาตั้งแต่สมัยนิวตันว่าจักรวาลไร้ขอบเขตและเต็มไปด้วยดวงดาวนับไม่ถ้วนก็เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหานี้

ถ้าขอบของจักรวาลเป็นแบบหลังก็ยิ่งเป็นปัญหาหนักยิ่งไปอีก ปัญหาการยุบตัวยังเหมือนเดิมแต่ที่หนักกว่าก็คือคำว่าไม่มีแม้แต่ความว่างเปล่าหมายถึงอะไร? ดังนั้นสมมติฐานที่ว่าจักรวาลเต็มไปด้วยดวงดาวและไม่มีขอบเขตมีปัญหาน้อยที่สุดแม้จะไม่ “make sense” ในความไร้ขอบเขตของสเปซและจำนวนดวงดาวก็ตาม

นักฟิสิกส์จักรวาลส่วนใหญ่ไม่นิยามขอบจักรวาลและตั้งสมมติฐานว่าจักรวาลไม่มีขอบเขตและเต็มไปด้วยกลุ่มของกาแล็กซี่กระจายอย่างสม่ำเสมอซึ่งเป็นสมมติฐานดั้งเดิมมาตั้งแต่สมัยนิวตัน(ซึ่งมองว่าจักรวาลเต็มไปด้วยดวงดาว) ซึ่งต่อมาเรียกว่าหลักจักรวาล (cosmological principle) ซึ่งหมายความว่าจักรวาลเต็มไปด้วยกลุ่มกาแล็กซี่ที่เหมือนกันไปหมดไม่ว่าจะสังเกตจากที่ไหนและในทิศทางใด

ในสมัยก่อนการเติมเต็มจักรวาลให้เต็มไปด้วยดวงดาวก็เพื่ออธิบายว่าทำไมดาวทุกดวงในจักรวาลจึงไม่ยุบตัวเข้าหากันเนื่องจากแรงโน้มถ่วงและยังใช้เป็นเหตุผลแย้งความเชื่อว่าขอบจักรวาลคือความว่างเปล่า หากมีดาวจำนวนมากล้อมรอบด้านนอกของจักรวาล(ซึ่งสมัยก่อนดาวทั้งหมดที่เห็นบนท้องฟ้าก็คือจักรวาล)ก็จะเกิดแรงดึงดูดในทิศตรงกันข้ามต้านการยุบตัวของจักรวาล แต่เมื่อรวมทั้งก้อนก็จะกลับมายุบตัวอีกและจะต้องคอยเติมดาวรอบนอกไปอีกชั้นหนึ่งอย่างนี้เรื่อยไปไม่สิ้นสุด จักรวาลที่เสมือนีการเติมดวงดาวไปเรื่อยโดยไร้ขอบเขตไร้เวลาสิ้นสุดจะช่วยทำให้ไม่เกิดการยุบตัวของดาวที่ส่วนใดส่วนหนึ่งของจักรวาล

หากไม่ต้องการให้มวลสารในจักรวาลยุบตัวต้องเติมมวลสารรอบนอกไปเรื่อยๆอย่างไม่สิ้นสุด

คำอธิบายอย่างนี้ดูผิวเผินเหมือนกับช่วยแก้ปัญหาแต่ก็แลกด้วยกับการที่ต้องมีจักรวาลที่ไร้ขอบเขตและถูกเติมเต็มไปด้วยดวงดาวตลอดเวลา ใครที่เป็นคนเติมเต็มจักรวาลนี้จะต้องทำด้วยความระมัดระวังอย่างสูง หากเติมน้อยไปแรงต้านการยุบตัวก็จะน้อยไปก็จะยุบอยู่ดี หากมากไปก็จะกลายเป็นการดึงให้ดาวกระจายออกหรือคล้ายกับจักรวาลขยายตัว การที่ดาวจำนวนที่นับไม่ถ้วนจะสมดุลอยู่ได้ต้องอาศัยความแม่นยำในการเติมเต็มดวงดาวอย่างสูง

การเติมเต็มจักรวาลด้วยดวงดาวนับไม่ถ้วนดูผิวเผินช่วยแก้ปัญหาการยุบรวมกันของดวงดาวแต่เมื่อวิเคราะห์ให้ลึกซึ้งจะเกิดปัญหาเพราะจักรวาลที่มีสสารกระจายไปอย่างสม่ำเสมอเป็นไปไม่ได้ในทางคณิตศาสตร์! ปัญหานี้ค้างมานานจนถึงปี 1917 ไอน์สไตน์นำปัญหานี้มาพิจารณาอีกครั้งโดยใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของเขาที่เพิ่งคิดขึ้นมาสดๆร้อนๆ

มองไปรอบตัวเราเห็นแต่อดีต

เพราะว่าแสงมีความเร็วจำกัดที่ประมาณ 300,000 กิโลเมตรต่อวินาทีแม้จะเร็วที่สุดและเร็วมากเมื่อเทียบกับการเดินทางบนโลกแต่เมื่อแสงเดินทางไปในสเปซอันไร้ขอบเขตกลับเป็นความเร็วอันกระจิดริด แสงและความเร็วแสงจะเป็นตัวจำกัดความรับรู้ของเราที่มีต่อโลกรอบตัวเราเห็นสิ่งต่างๆได้เพราะว่าแสงจากสิ่งนั้นเดินทางมาหาเรา เพราะว่าแสงต้องใช้เวลาในการเดินทางภาพที่เราเห็นจึงไม่ใช่ปัจจุบันแต่เป็นอดีตซึ่งเป็นอดีตแค่ไหนขึ้นอยู่กับว่าสิ่งนั้นหากจากเรามากแค่ไหน หากมากก็เป็นอดีตมากหากน้อยเป็นอดีตน้อยตามเวลาที่แสงต้องใช้ในการเดินทาง ดังนั้นสิ่งที่เราเห็นรอบตัวล้วนแล้วแต่เป็นอดีตทั้งสิ้น

เราจะยังไม่เห็นแสงจนกว่าแสงจะมาถึงเรา

คุณคงเคยดูหนัง Matrix (1999) ฉากที่พระเอก Neo หลบลูกปืนได้เพราะสามารถเห็นกระสุนที่วิ่งเข้ามาล่วงหน้า แต่ถ้าสิ่งที่ยิงมาเป็นแสงเช่นลำเลเซอร์ Neo จะหลบทันไหม?

วัตถุทุกชนิดสามารถดูดกลืนและปลดปล่อยแสงออกมาได้ทุกทิศทาง สิ่งที่มาถึง Neo ก่อนไม่ใช่ลูกปืนแต่เป็นแสงที่ปล่อยมาจากลูกปืนที่วิ่งล่วงหน้ามาก่อนเพราะแสงเดินทางเร็วกว่า แสงมีภาพของลูกปืนติดมาด้วย(ซึ่งก็คือ pixel สีของลูกปืน)เมื่อมาถึง Neo สมองกับแว่นตาไฮเทคร่วมกันสร้างภาพของลูกปืนที่ยังมาไม่ถึงเขาจึงหลบทัน แต่ถ้าสิ่งที่ยิงมาเป็นแสงจะไม่มีอะไรล่วงหน้ามาก่อน เขาจะเห็นแสงก็ต่อเมื่อแสงมาถึงลูกตาเขาแล้วเท่านั้น(หรือโดนแสงไหม้ร่างกาย)

Neo หลบทันเพราะแสงจากลูกปืนมาถึงก่อน แต่ถ้าถูกยิงด้วยแสงจะไม่มีทางหลบได้

อันนี้เป็นเกร็ดเล็กน้อยที่เกี่ยวกับแสง เราเห็นดาวบนท้องฟ้าเพราะว่าแสงนั้นมาถึงเราแล้ว แสงที่ยังมาไม่ถึงเราไม่มีทางจะรับรู้ได้ไม่ว่าจะมีเทคโนโลยี่ล้ำเลิศเพียงใด หากดาวดับแสงไปเราก็ยังคงเห็นดาวดวงนั้นสว่างอยู่จนกว่าแสงลำสุดท้ายจะเดินทางมาถึง ที่สำคัญคือฉากในหนังเรื่องนี้ซ่อนความลับเกี่ยวกับเส้นขอบฟ้าของจักรวาลที่จะกล่าวถึงเอาไว้

ยิ่งมองลึกเข้าไปมากยิ่งเห็นอดีตของจักรวาล

เมื่อเราเห็นอะไรไกลออกไปเรากำลังมองลึกไปในอดีตยิ่งไกลมากก็ยิ่งเป็นอดีตมากดังนั้น “ความลึก” กับ “เวลาในอดีต” จึงเป็นของคู่กัน เมื่อเราเห็นสิ่งที่ห่างไปสามสิบเมตรเรากำลังเห็นอดีตของมันย้อนไปจากเวลาปัจจุบันเท่ากับ “เวลาที่แสงใช้ในการเดินทางระยะสามสิบเมตร” ดังนั้นนอกจากใช้ระยะทางเราสามารถใช้เวลาเป็นตัวบอกว่าสิ่งนั้นห่างจากเราแค่ไหน การบอกว่าห่างจากเราสามสิบเมตรเทียบเท่ากับการบอกว่าห่างจากเราเท่ากับ “เวลาที่แสงใช้เดินทางในระยะสามสิบเมตรหรือ 0.03/300000 วินาที หรือ 1 ใน 10 ล้านวินาที” หรือพูดว่าห่างไปเป็นระยะทาง “1 ใน 10 ล้านวินาทีแสง” และมีความหมายว่าเป็นภาพของสิ่งนั้นในอดีตเมื่อ 1 ใน 10 ล้านวินาทีก่อนหน้า

การวัดความลึกในอดีตด้วยเวลาอันกระจิดริดอาจดูเป็นเรื่องตลกหากใช้กับอดีตที่ห่างจากเราไปในระดับเมตรหรือกิโลเมตรบนพื้นโลก แต่เมื่อเรามองไปบนท้องฟ้าดาวที่ใกล้เราที่สุดคือดวงจันทร์ซึ่งแสงใช้เวลาเดินทางมาถึงเราประมาณ 3 วินาที(ระยะทาง 3 วินาทีแสง)หรือดวงอาทิตย์ซึ่งใช้เวลาประมาณ 8 นาที(ระยะทาง 8 นาทีแสง) ตัวเลขเวลาเล็กน้อยเหล่านี้จะดูมีความสำคัญขึ้นมาหากใช้กับกาแล็กซี่ที่อยู่ข้างนอกเช่นแสงจากแอนโดรมีดาต้องใช้เวลาถึง 2.5 ล้านปีจึงจะเดินทางมาถึงเรา!

ดวงดาวและกาแล็กซี่ต่างๆที่เราเห็นบนท้องฟ้ายิ่งห่างจากเรามากแสงก็ต้องใช้เวลามากที่จะเดินทางมาถึงเราซึ่งเท่ากับว่าเรายิ่งเห็นอดีตของจักรวาลเมื่อเรามองลึกเข้าไป โดยหลักการถ้าเราสามารถมองลึกเข้าไปได้ไม่จำกัดก็เท่ากับจักรวาลเคยมีมาเป็นนิรันดร์และทำให้เราสามารถเห็นอดีตของจักรวาลได้ไม่จำกัดด้วย

เมื่อมองไปบนท้องฟ้าเราเห็นแต่อดีต

ทำไมดวงดาวจึงสว่างอยู่บนฉากหลังที่มืดมิด

มีข้อสังเกตอันหนึ่งที่มีมานานคือทำไมเราจึงมองไม่เห็นดาวทุกดวงบนท้องฟ้า? ในเมื่อจักรวาลประกอบไปด้วยดวงดาวจำนวนมากมายมหาศาลก็ไม่ควรมีที่ว่างตรงไหนที่ปราศจากแสงจากดวงดาว ท้องฟ้ายามค่ำคืนควรจะถูกเติมเต็มไปด้วยแสงจากดวงดาวทั้งจักรวาลจนกระทั่งไม่มีที่ว่าง บางคนบอกว่ากลางคืนควรจะสว่างไสวไม่ต่างจากกลางวันด้วยซ้ำ!

ทำไมจึงมีแสงดาวอยู่บนฉากหลังที่มืดมิด ถ้าเวลาในอดีตย้อนกลับไปได้ไม่สิ้นสุดแสงจากดาวทุกดวงในจักรวาลก็ย่อมมีเวลาไม่จำกัดที่จะเดินทางมาถึงเรา มีคำอธิบายที่สมเหตุสมผลเช่นอาจมีฝุ่นในจักรวาลมาบังหรือดาวส่องสว่างมีอายุขัยหรือดับแสงลงไปก่อนเดินทางมาถึงเรา แต่ถ้าตัดเหตุผลเหล่านี้ออกไปจะอธิบายสาเหตุที่มีฉากหลังที่มืดมิดเป็นอื่นได้ไหม?

ทำไมแสงทั่วทั้งจักรวาลไม่เติมเต็มท้องฟ้า

ข้อสันนิษฐานที่แปลกประหลาดอันหนึ่งคือเป็นเพราะเรามองลึกไปได้ระดับหนึ่งเท่านั้นจึงทำให้แสงจากดาวที่อยู่ในความลึกที่เราเห็นได้นี้ไม่เพียงพอที่จะเติมเต็มพื้นที่บนท้องฟ้า

จักรวาลที่มีการเริ่มต้น

จินตนาการว่าจักรวาลประกอบไปด้วยหลอดไฟที่ยังไม่เปิดกระจายไปทั่วสเปซไร้ขอบเขตแล้วสมมุติว่าหลอดไฟทุกดวงถูกควบคุมการเปิดปิดด้วยสวิตช์เพียงตัวเดียว เราเป็นผู้สังเกตที่เฝ้ามองแสงจากหลอดไฟทุกทิศทาง ทันทีที่สวิทช์ถูกกดเราจะสมมติว่าหลอดไฟทุกดวงสว่างพร้อมกัน(จะด้วยเทคนิคอะไรก็ตาม) คำถามคือว่าเราจะเห็นหลอดไฟทุกดวงสว่างพรึบพร้อมกันทั่วทั้งจักรวาลหรือไม่

คำตอบคือ “ไม่” เพราะว่าแสงต้องใช้เวลาในการเดินทางเราจะเห็นแสงจากหลอดไฟจากวงในที่ใกล้เราที่สุดก่อนจากนั้นจึงจะเห็นแสงจากวงนอกไล่ออกไปเรื่อยๆ คล้ายกับว่าจักรวาลของเราคือทรงกลมที่เต็มไปด้วยหลอดไฟที่สว่างแต่ภายในโดยมีเราอยู่ที่จุดศูนย์กลาง หลอดไฟรอบนอกสว่างหมดทุกดวงแต่เราไม่เห็นเพราะว่าแสงยังมาไม่ถึง สำหรับเราราวกับว่าหลอดไฟถูกเปิดสวิทช์เรียงจากแนววงกลมด้านในไปด้านนอก

สีเหลืองรอบนอกสื่อถึงหลอดไฟสว่างทั่วทั้งจักรวาลแล้วแต่เรายังไม่เห็น

หลอดไฟเปรียบได้กับดวงดาวหรือกาแล็กซี่ การเปิดสวิตช์เทียบได้กับการเริ่มต้นของจักรวาลที่ทุกส่วนของจักรวาลที่ไร้ขอบเขตเกิดขึ้นพร้อมกันแต่เรา(ไม่ว่าจะอยู่ตรงไหน)จะไม่สามารถเห็นแสงจากกาแล็กซี่ทั้งหมดในทันทีทันใดเพราะว่าแสงต้องใช้เวลาในการเดินทางมาหาเรา เราจะเห็นดาวหรือกาแล็กซี่ที่อยู่ใกล้ก่อนแล้วค่อยๆเห็นส่วนที่ไกลออกไปไล่ลึกไปเรื่อยๆ แสงที่วิ่งมาถึงเราจะทำให้สมองเราสร้างภาพของกาแล็กซี่ที่ระยะที่แสงนั้นปลดปล่อยออกมา แสงที่ส่งออกมาอย่างต่อเนื่องทำให้เราเห็นภาพของกาแล็กซี่ไกลลึกออกไปเรื่อยด้วยความเร็วเท่ากับที่แสงวิ่งเข้าหาเราเสมือนกับว่าเป็นขอบเขตทรงกลมที่ขยายออกด้วยความเร็วแสง

เส้นขอบฟ้าของจักรวาล

เราอยู่ตรงจุดศูนย์กลางของทรงกลมที่มีรัศมีเท่ากับความลึกของจักรวาลเท่าที่สังเกตได้ในขณะเวลาหนึ่งๆเราไม่เห็นจักรวาลทั้งหมด การที่จักรวาลมีอายุหรือมีการเริ่มต้นได้จำกัดขอบเขตความรับรู้ของเราและของทุกชีวิตในจักรวาลไม่ว่าจะสังเกตจากที่ใด ขอบเขตนี้เสมือนกับเป็นเส้นขอบฟ้าที่กั้นเราระหว่างอดีตของจักรวาลที่เรารับรู้ได้กับที่รับรู้ไม่ได้

นักฟิสิกส์จักรวาลเรียกทรงกลมที่เป็นขอบเขตนี้ว่า particle horizon แปลตามตัวว่า “เส้นขอบฟ้าอนุภาค” แต่ศัพท์เทคนิคนี้ฟังดูแปลกๆผมขอเรียกว่า “เส้นขอบฟ้าในปัจจุบัน” เพราะมีความหมายว่าเป็นขอบเขตที่โอบอดีตทั้งหมดของจักรวาล(อดีตของดวงดาวและกาแล็กซี่)เท่าที่เราเห็นได้ในปัจจุบัน* และจะเห็นได้มากขึ้นในอนาคตเมื่อเส้นขอบฟ้าขยายตัวเข้าไปโอบดวงดาวและกาแล็กซี่เพิ่มเข้ามาด้วยความเร็วแสง

*(แม้ว่า horizon ในภาษาไทยจะใช้คำว่า “เส้นขอบฟ้า” แต่ขอให้เข้าใจว่าเป็นคำที่ยืมมาใช้ในเชิงเปรียบเทียบ จริงๆเป็นขอบเขตรูปทรงกลมสามมิติที่ไม่มีเส้นขอบเขตใดๆให้เห็นเหมือนกับเส้นขอบฟ้าที่ตัดระหว่างผิวโลกกับท้องฟ้า แนวเส้นประตามรูปก็ไม่มีอะไรให้สังเกตได้จริง)

*(รูปดาวที่เห็นใน cartoon อาจจะหมายถึงดาวส่องสว่างเดี่ยวๆ(star)หรือกาแล็กซี่(galaxy)หรือกลุ่มของกาแล็กซี่(cluster of galaxy)หรือกลุ่มของกลุ่มกาแล็กซี่(super cluster)หรืออะไรก็ตามที่ปล่อยแสงออกมาได้ ผมจะเรียกรวมๆว่าดาวหรือกาแล็กซี่เพราะรายละเอียดยังไม่ใช่เรื่องสำคัญ สำคัญเพียงว่ามันอยู่กันเป็นก้อนๆกระจายออกไปจักรวาล)

Particle Horizon หรือ Cosmological Horizon

จักรวาลจะสิ้นสุดในอนาคตได้หรือไม่?

ในทางกลับกันถ้าสมมติว่าจักรวาลมีการเริ่มตันในอดีต คุณอาจตั้งคำถามว่าจักรวาลจะสิ้นสุดในอนาคตได้หรือไม่ ถ้าคุณสมมติอย่างแรกได้ก็ไม่มีอะไรมาห้ามไม่ให้สมมติอย่างหลังแม้จะฟังดูแปลกๆ ถ้าการเริ่มต้นของจักรวาลคือ “การเริ่มต้นของเวลา” การสิ้นสุดของจักรวาลก็คือ “การสิ้นสุดของเวลา”

หากเป็นเช่นนั้นจริงขณะที่จักรวาลสิ้นสุดอดีตที่อยู่ใน horizon ณ ขณะเวลานั้นก็จะเป็นฉากสุดท้ายที่ผู้สังเกตที่จะไร้อนาคตจะเห็นอดีตของจักรวาล เวลาต่อจากนั้นเป็นสิ่งที่ไม่มีความหมายเช่นเดียวกับที่เวลาก่อนเริ่มต้นจักรวาลไม่มีความหมาย นักจักรวาลนิยาม horizon แบบใหม่ขึ้นมาเพื่อใช้ในกรณีนี้ หากจินตนาการเอาเส้นขอบฟ้าที่เวลาสิ้นสุดมาครอบผู้สังเกตเอาไว้ที่เวลาเริ่มต้น เส้นขอบฟ้าปัจจุบันจะขยายตัวเข้าหาทรงกลมนี้ตามอายุจักรวาลและจะไปบรรจบกันที่เวลาสิ้นสุด

เส้นขอบฟ้าใหม่นี้เรียกว่า Event Horizon หมายถึง “ขอบเขตที่จะสังเกตได้ในอนาคต” ตอนจักรวาลเริ่มต้นขอบเขตนี้ก็คือ particle horizon ที่สูงสุดในอนาคต(เมื่อเวลาสิ้นสุด) เมื่อแสงตรงขอบของ horizon ใหม่นี้วิ่งเข้าหาเราก็จะเสมือนกับว่าขอบเขตนี้หดตามไปด้วยเพราะนอกขอบเขตนี้แสงไม่มีเวลาในอนาคตเหลือให้เดินทางมา เราจึงเหลือแสงที่จะมาถึงในอนาคตลดลงเรื่อยๆในขณะที่แสงที่สังเกตได้แล้วมากขึ้นเรื่อยๆ (particle horizon ขยายตัว) สังเกตว่า horizon แบบนี้กลับกันกับแบบแรกทุกอย่าง

Event Horizon หรือ Cosmological Event Horizon

ดังนั้นสิ่งที่ event horizon โอบอยู่ก็คือแสงจากกาแล็กซี่ที่จะมาถึงเราในอนาคตอย่างแน่นอน ซึ่งแสงนั้นอาจมาจากกาแล็กซี่ที่อยู่ที่ขอบ(1)แล้วกลายเป็นแสงจากกาแล็กซี่ที่อยู่นอกขอบที่กำลังเดินทางมาหาเรา(2)(3) รัศมี event horizon ก็คือระยะที่ไกลจากเราที่สุดที่แสงในแต่ละขณะเวลาจะมาถึงเราในอนาคต แสงจากกาแล็กซี่ที่อยู่นอกขอบตอนเริ่มต้นรวมทั้งแสงจากกาแล็กซี่ที่อยู่ตรงขอบตอนเริ่มต้นที่ปล่อยในเวลาถัดมาจะไม่มีวันมาถึงเราได้ไม่ว่าจะผ่านไปนานเท่าใด

สังเกตให้ดีว่า เวลาเรามองไปรอบๆเราคือศูนย์กลางของ particle horizon หรือเส้นขอบฟ้าที่โอบอดีตที่เราสังเกตได้แล้ว(แสงเดินทางมาถึงเราแล้ว)ในแต่ละขณะอายุของจักรวาล แต่ event horizon ต้องจินตนาการเอาเองว่าเรามีเส้นขอบฟ้าแบบนี้ครอบอยู่อีกอันหนึ่งซึ่งบอกระยะลึกสูงสุดของแสงจากกาแล็กซี่ที่จะสังเกตได้ในอนาคต(กำลังเดินทางมาหาเรา)ในแต่ละขณะอายุของจักรวาล

โดยสรุปนักจักรวาลใช้ horizon เป็นเครื่องมือในการบอกว่าเรามองเห็นอดีตได้ลึกแค่ไหนซึ่งพื้นฐานมีอยู่สองแบบคือ particle horizon ใช้บอก “ส่วนของจักรวาลที่รับรู้ได้แล้วในปัจจุบัน” และ event horizon ใช้บอก “ส่วนของจักรวาลที่จะรับรู้ได้ในอนาคต” (ขอย้ำว่าส่วนของจักรวาลที่เรารับรู้ได้คืออดีตทั้งสองกรณี กรณีหลังเมื่อถึงเวลานั้นในอนาคตสิ่งที่เราเห็นก็ยังคงเป็นอดีตของจักรวาล) เราไม่สามารถรับรู้จักรวาลได้ทั้งหมด horizon จะจำกัดความสามารถในการรับรู้ของผู้สังเกตทุกคนทุกหนแห่งในจักรวาล(ไม่ว่าจะมีเทคโนโลยี่ที่ลึกล้ำเพียงใด) และ horizon เกิดขึ้นเพราะแสงมีความเร็วจำกัดและจักรวาลมีอายุหรือมีการเริ่มต้น

เราไม่ใช่ศูนย์กลางของจักรวาล

ผู้สังเกตแต่ละที่และจักรวาลอันไร้ขอบเขตจะเห็นภาพเดียวกัน ไม่มีใครเป็นศูนย์กลางของจักรวาลทุกที่ทุกตำแหน่งจะถูกครอบไว้ด้วยเส้นขอบฟ้าขนาดเดียวกันที่ขยายตัวหรือหดตัวพร้อมกันไม่ว่าจะเป็นเส้นขอบฟ้าแบบใดโดยมีเงื่อนไขว่าถ้าหลักจักรวาล(cosmological principle)เป็นจริง อ่านหลักนี้จาก จักรวาลขยายตัวในอะไร?

ไม่มีที่ใดเป็นศูนย์กลางของจักรวาล

โมเดลจักรวาลในความเป็นจริง

แบบจำลองง่ายๆที่ผ่านมาแม้จะไม่ตรงตามความเป็นจริงแต่ก็ช่วยให้เราเข้าใจว่าความลึกสุดที่เรามองเห็นได้ไม่ใช่ขอบของจักรวาล(เพราะไม่มี)แต่คือขอบของ particle horizon ที่ขยายตัวไปตามอายุของจักรวาล

ปัจจุบันนักฟิสิกส์จักรวาลเชื่อว่าจักรวาลของเรามีกำเนิดเมื่อประมาณ 13,700 ล้านปีที่แล้ว แต่เหตุจูงใจไม่ได้มาจากความพยายามที่จะหาคำตอบว่าทำไมท้องฟ้าจึงมีฉากหลังดำแต่เพราะมีข้อมูลที่สะสมมาหลายปีว่ากาแล็กซี่รอบๆเราดีดห่างออกไปซึ่งเชื่อว่าเกิดจากการขยายตัวของสเปซระหว่างกาแล็กซี่และเรียกว่าเป็นการขยายตัวของจักรวาล และฉากหลังของท้องฟ้าที่มืดมิดก็เกิดจากเหตุผลอย่างอื่นประกอบไม่ใช่เพราะว่าจักรวาลมีกำเนิดอย่างเดียว

จักรวาลที่กล่าวมาทั้งหมดเป็นแบบ static เป็นพื้นฐานสำหรับจักรวาลจริงที่สเปซมีการยืด(หรืออาจหด) ตอนต่อไปคุณจะพบว่าในจักรวาลจริงที่สเปซมีการยืดขยายก็มี horizon เกิดขึ้นได้เช่นกันแต่ว่าทิศทางและลักษณะการเคลื่อนไหวของ horizon จะแตกต่างกัน

ประวัติย่อของแสงยังมีต่อตอน 2 ว่าด้วย “แสงเป็นคลื่นในอีเธอร์” แต่ย่อแล้วย่ออีกก็คิดว่ายาวไป สองสามตอนต่อไปนี้คั่นด้วยเรื่องภาพรวมจักรวาลสมัยใหม่ไปก่อน และตอนต่อไปก็เป็นเรื่อง “กำเนิดจักรวาล” หรือ Big Bang ในแบบชาวบ้านอย่างคุณและผม อาจมีเรื่องทางเทคนิคนิดๆหน่อยๆ

ก่อนจบ

มาถึงตรงนี้คนรุ่นผมอาจถามว่าเราจะรู้เรื่องจักรวาลไปทำไมมันไกลตัวมากๆ คำตอบที่แสนจะธรรมดาของผมคือ “รู้ไว้ใช่ว่า” และรู้เพื่อ “สุนทรียภาพ” ความรู้เรื่องจักรวาลวิทยาสมัยใหม่เพิ่งเริ่มมาประมาณ 100 ปีนิดๆ(ถ้านับจากโมเดลแรกของไอน์สไตน์เมื่อปี 1917) การแบ่งแยกว่าเป็นความรู้จากตะวันตกหรือตะวันออกดูจะเก่าไปหน่อย หากคุณสนใจเรื่องจักรวาลจากหลายแหล่งการเพิ่มจักรวาลวิทยาในแนววิทยาศาสตร์เข้าไปอีกสักแหล่งอาจช่วยเติมเต็มจักรวาลให้มีสีสันมากขึ้น

จรัสพรรณ เปรมปรีบุตร