Newsletter subscribe

A Brief History of Time, Universe

ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#20 บทที่ 3 จักรวาลที่กำลังขยายตัว : ปรากฏการณ์ดอปเพลอร์และค่าคงที่ของจักรวาล

Posted: 25/01/2021 at 07:38   /   by   /   comments (0)

ในช่วงทศวรรษที่ 1920 เมื่อนักดาราศาสตร์เริ่มมองดูสเปกตรัมของดาวฤกษ์ในกาแล็กซี่อื่น พวกเขาพบบางสิ่งที่แปลกประหลาดที่สุด: มีชุดสีที่ขาดหายไปในลักษณะเดียวกันกับดาวฤกษ์ในกาแล็กซี่ของเรา แต่พวกมันทั้งหมดถูกเลื่อนไปทางปลายสีแดงของสเปกตรัมแสง 

เพื่อให้เข้าใจถึงผลกระทบนี้ก่อนอื่นเราต้องเข้าใจ Doppler Effects ก่อน อย่างที่เราเคยเห็น แสงที่มองเห็นได้ (visible light) ประกอบด้วยคลื่นในสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ความยาวคลื่น (หรือระยะห่างจากยอดคลื่นหนึ่งไปยังยอดคลื่นถัดไป) ของแสงมีขนาดเล็กมากตั้งแต่ 4 ถึง 70 ล้านส่วนของ 1 เมตร ความยาวคลื่นแสงที่แตกต่างกันคือสิ่งที่ตามนุษย์มองว่าเป็นสีที่ต่างกัน โดยที่ความยาวคลื่นที่ยาวที่สุดจะปรากฏที่ปลายสีแดงของสเปกตรัมแสง และความยาวคลื่นสั้นที่สุดจะปรากฏที่ปลายสีน้ำเงิน

ทีนี้ลองนึกภาพแหล่งกำเนิดแสงที่ระยะห่างคงที่จากเรา เช่น ดาวฤกษ์เปล่งคลื่นแสงที่ความยาวคลื่นคงที่ เห็นได้ชัดว่าความยาวคลื่นของคลื่นที่เราได้รับจะเหมือนกับความยาวคลื่นที่ปล่อยออกมา (สนามโน้มถ่วงของกาแล็กซี่ไม่ใหญ่พอที่จะมีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญ) สมมติว่าตอนนี้แหล่งกำเนิดแสงเริ่มเคลื่อนเข้าหาเรา เมื่อแหล่งกำเนิดปล่อยยอดคลื่นถัดไป มันจะอยู่ใกล้เรามากขึ้น ดังนั้นระยะห่างระหว่างยอดคลื่นจะน้อยกว่าเมื่อดาวอยู่กับที่ นั่นหมายความว่าความยาวคลื่นของคลื่นที่เราได้รับนั้นสั้นกว่าเมื่อดาวอยู่กับที่

ในทำนองเดียวกัน ถ้าแหล่งกำเนิดกำลังเคลื่อนที่ออกไปจากเรา ความยาวคลื่นของคลื่นที่เราได้รับจะยาวขึ้น ในกรณีของแสงหมายความว่าดาวกำลังเคลื่อนที่ออกไปจากเรา จะมีการเคลื่อนสเปกตรัมแสงไปที่ปลายสีแดงของสเปกตรัม (red-shifted เลื่อนไปทางแดง) และดาวที่เคลื่อนที่เข้าหาเราจะมีการเปลี่ยนสเปกตรัมเป็นสีน้ำเงิน (blue-shifted เลื่อนไปทางน้ำเงิน) ความสัมพันธ์ระหว่างความยาวคลื่นและความเร็วเรียกว่า “Doppler effect” นี้เป็นประสบการณ์ในชีวิตประจำวัน ฟังรถที่แล่นบนถนน: ขณะที่รถเข้าใกล้ เครื่องยนต์จะส่งเสียงในระดับเสียงที่สูงขึ้น (ซึ่งสอดคล้องกับความยาวคลื่นที่สั้นกว่าและความถี่ของคลื่นเสียงที่สูงกว่า) และเมื่อขับผ่านไปจากไปจะมีเสียงที่ระดับเสียงต่ำ  พฤติกรรมของแสงหรือคลื่นวิทยุมีความคล้ายคลึงกัน อันที่จริงตำรวจใช้ประโยชน์จาก Doppler Effects เพื่อวัดความเร็วของรถยนต์ โดยการวัดความยาวคลื่นของคลื่นวิทยุที่สะท้อนออกมา

ในช่วงหลายปีหลังจากการพิสูจน์การมีอยู่ของกาแล็กซี่อื่น ฮับเบิลใช้เวลาในการจัดทำรายการกาแล็กซี่ โดยการวัดระยะทางและสังเกตสเปกตรัมแสงของพวกมัน ในเวลานั้นผู้คนส่วนใหญ่เชื่อว่ากาแล็กซี่จะเคลื่อนที่ไปรอบๆ ค่อนข้างสะเปะสะปะ และคาดว่าจะพบสเปกตรัมที่เลื่อนไปทางสีน้ำเงินมาก (blue-shift) พอๆ กับสเปกตรัมที่เลื่อนไปทางแดง (red-shift) ดังนั้นจึงเป็นเรื่องที่น่าประหลาดใจมากที่พบว่ากาแล็กซี่ส่วนใหญ่เลื่อนไปทางสีแดง (red-shifted): ซึ่งหมายความว่าพวกมันกำลังเคลื่อนที่ออกห่างจากโลก! สิ่งที่น่าประหลาดใจกว่านั้นคือการค้นพบที่ฮับเบิลตีพิมพ์ในปี 1929 ขนาดของการเลื่อนไปทางสีแดงของกาแล็กซี่จะไม่ได้เป็นแบบสะเปะสะปะ แต่เป็นสัดส่วนโดยตรงกับระยะห่างของกาแล็กซี่จากเรา หรือกล่าวอีกนัยหนึ่ง กาแล็กซี่ยิ่งไกลออกไป ยิ่งเคลื่อนที่เร็วขึ้นเท่านั้น! และนั่นหมายความว่าจักรวาลไม่ได้อยู่กับที่อย่างที่ทุกคนเคยคิดไว้ก่อนหน้านี้ ในความเป็นจริงจักรวาลมีการขยายตัว ระยะห่างระหว่างกาแล็กซีต่างๆ มีการเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา

 

ปรากฏการณ์ดอปเพลอร์

มีหลักการทางฟิสิกส์หลายอย่างที่ถูกนำมาใช้อธิบายปรากฎการณ์ทางดาราศาสตร์ หนึ่งในนั้นคือ ปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ (Doppler Effect) ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ธรรมชาติที่เกี่ยวข้องกับ “การเปลี่ยนแปลงความยาวคลื่นหรือความถี่คลื่น” ของคลื่นเสียงและคลื่นแสง ที่มีความสัมพันธ์ระหว่างทิศทางการเคลื่อนที่ของแหล่งกำเนิดคลื่นกับผู้สังเกตุการณ์

เราเรียกปรากฏการณ์ที่วัตถุเคลื่อนที่เข้าหาผู้สังเกตการณ์แล้วความยาวคลื่นสั้นลงหรือความถี่สูงขึ้น ว่า “การเลื่อนไปทางน้ำเงิน” (Blueshift) และเรียกปรากฏการณ์ที่วัตถุเคลื่อนที่ออกจากผู้สังเกตการณ์แล้วความยาวคลื่นจะมากขึ้นหรือความถี่ต่ำลง ว่า “การเลื่อนไปทางแดง” (Redshift)

ตัวอย่างของ doppler effect ของคลื่นเสียง ได้แก่ เมื่อมีรถเปิดไซเรนวิ่งเข้าหาเรา เราจะได้ยินเสียงไซเรนสูงขึ้น (ความถี่คลื่นเสียงสูง) และเมื่อรถคันนั้นวิ่งผ่านเราไป เราจะได้ยินเสียงไซเรนต่ำลง (ความถี่คลื่นเสียงต่ำ)

อย่างไรก็ตาม ปรากฏการณ์ดอปเพลอร์จะมีผลเฉพาะเมื่อคลื่นเคลื่อนที่เข้าและออกจากผู้สังเกตการณ์ในแนวสายตาเท่านั้น หากคลื่นเคลื่อนที่ในแนวตั้งฉากกับแนวสายตาของผู้สังเกตการณ์ ก็จะไม่มีผลใดๆ ทั้งสิ้น

 

youtube.com

สำหรับ doppler effect ของแสงอธิบายโดยรูปข้างบน ในขณะคลื่นแสงเดินทางเข้าหาเรา เราจะมองเห็นแสงที่มีความยาวคลื่นสั้นลงหรือความถี่สูงขึ้น (blueshift) และเมื่อคลื่นแสงเคลื่อนที่ออกห่างจากตัวเรา เราจะมองเห็นแสงที่มีความยาวคลื่นเพิ่มขึ้นหรือความถี่ต่ำลง (redshift)

Doppler effect ที่เกี่ยวกับแสงซึ่งเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า มีประโยชน์มากในทางดาราศาสตร์ เพราะปรากฏการณ์นี้ส่งผลให้เกิด redshift หรือ blueshift ซึ่งสามารถบ่งบอกการเคลื่อนตัวของ ดวงดาวหรือกาแล็กซี่ว่าเป็นกำลังเคลื่อนตัวไปในทิศทางใด รวมทั้งใช้วัดหาความเร็วที่ดวงดาวหรือกาแล็กซี่กำลังเคลื่อนตัวเข้ามาใกล้โลกหรือกำลังเคลื่อนตัวห่างออกไปจากโลก

 

ฮับเบิลค้นพบการขยายตัวของจักรวาล

หลังจากที่เอ็ดวิน ฮับเบิล (Edwin Hubble) ประกาศว่า “อันโดรเมดา (Andromeda)” เป็นกาแล็กซี่ และกาแล็กซี่ทางช้างเผือก (Milky Way Galaxy) ของเราเป็นเพียงหนึ่งในหลายๆ กาแล็กซี่ในจักรวาล  ต่อมาในปี 1930 ฮับเบิลได้สังเกตการเปลี่ยนสีของกาแล็กซี่ต่างๆ ด้วยการใช้กล้องโทรทรรศน์ที่ใหญ่ที่สุดในยุคนั้น ฮับเบิลสังเกตุเห็นการเลื่อนไปทางแดง (redshift) จากกาแล็กซี่ที่อยู่ห่างไกลโพ้น ยิ่งระยะทางไกลมากเท่าไร ก็ยิ่งเห็น redshift มากขึ้นเท่านั้น ซึ่ง Hubble ตีความ redshift ที่สังเกตุได้นี้ว่า เป็นผลมาจากปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ (Doppler Effect) ที่เกิดจากกาแล็กซี่เคลื่อนตัวออกห่างจากโลก นั่นหมายถึงจักรวาลกำลังขยายตัว ซึ่งบ่งบอกเป็นนัยว่าจักรวาลมีจุดกำเนิด

นอกจากนี้ฮับเบิลยังได้ทำการศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างระยะทางของกาแล็กซีกับการเลื่อนไปทางแดง (redshift) เขาพบว่ากาแล็กซี่ที่อยู่ห่างไกลจะเคลื่อนที่ออกไปด้วยความเร็วสูงกว่ากาแล็กซี่ที่อยู่ใกล้ เขาพิสูจน์แล้วว่ามี “ความสัมพันธ์โดยตรง” ระหว่างความเร็วของกาแล็กซี่ที่อยู่ห่างไกลและระยะทางจากโลก (ยิ่งอยู่ไกล ยิ่งเคลื่อนที่เร็ว) ปัจจุบันความสัมพันธ์นี้เรียกว่า “กฎของฮับเบิล (Hubble’s Law)” และถูกตีความหมายว่าจักรวาลกำลังขยายตัวในทุกทิศทาง

 

 

Dua Lipa – IDGAF

 

 

การค้นพบว่าจักรวาลกำลังขยายตัวเป็นหนึ่งในการปฏิวัติทางปัญญาครั้งใหญ่ในศตวรรษที่ยี่สิบ ด้วยการมองย้อนกลับไป เป็นเรื่องง่ายที่น่าแปลกใจว่าทำไมไม่มีใครเคยคิดมาก่อน นิวตันและคนอื่นๆ ควรตระหนักว่า ในไม่ช้าจักรวาลคงที่ (static universe) จะเริ่มหดตัวภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วง แต่สมมติว่าจักรวาลกำลังขยายตัว ถ้ามันขยายตัวค่อนข้างช้า แรงโน้มถ่วงจะทำให้มันหยุดขยายตัวในที่สุดและเริ่มหดตัว อย่างไรก็ตามหากมีการขยายตัวมากกว่าอัตราวิกฤต แรงโน้มถ่วงจะไม่มีวันแข็งแกร่งพอที่จะหยุดมันได้ และจักรวาลจะยังคงขยายตัวตลอดไป

สิ่งนี้เหมือนกับสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อเรายิงจรวดขึ้นไปจากพื้นผิวโลก หากมีความเร็วค่อนข้างต่ำ แรงโน้มถ่วงจะหยุดจรวดในที่สุด และมันจะเริ่มถอยกลับและจะตกลงสู่พื้น ในทางกลับกันถ้าจรวดมีความเร็ววิกฤตมากกว่าที่กำหนด (ประมาณเจ็ดไมล์ต่อวินาที) แรงโน้มถ่วงจะไม่แข็งแรงพอที่จะดึงมันกลับมาได้ ดังนั้นมันจะเคลื่อนที่ผ่านอวกาศห่างจากโลกตลอดไป พฤติกรรมของจักรวาลนี้สามารถทำนายได้จากทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของนิวตันเมื่อใดก็ได้ ในช่วงทศวรรษที่สิบเก้าที่สิบแปดหรือแม้แต่ปลายศตวรรษที่สิบเจ็ด

ความเชื่อในจักรวาลคงที่แข็งแกร่งมากจนยังคงมีอยู่จนถึงต้นศตวรรษที่ยี่สิบ แม้แต่ไอน์สไตน์เมื่อเขาประกาศทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปในปี 1915 เขาเองก็เชื่อว่าจักรวาลจะต้องคงที่ (static universe) เขาจึงปรับเปลี่ยนทฤษฎีของเขาเพื่อให้เป็นไปได้โดยนำค่าที่เรียกว่า “ค่าคงที่จักรวาล” มาใช้ในสมการของเขา ไอน์สไตน์เปิดตัวพลัง “ต้านแรงโน้มถ่วง” แบบใหม่ซึ่งแตกต่างจากพลังอื่นๆ ที่ไม่ได้มาจากแหล่งใดแหล่งหนึ่ง แต่ถูกสร้างขึ้นในโครงสร้างของอวกาศ-เวลา (space-time) เขาอ้างว่าอวกาศ-เวลามีแนวโน้มที่จะขยายตัวในตัวเอง และสิ่งนี้สามารถสร้างสมดุลให้กับแรงดึงดูดของสสารทั้งหมดในจักรวาลได้อย่างแน่นอน

 

ไอน์สไตน์เป็นคนแรกที่นำเสนอแนวคิดเกี่ยวกับ “พลังงานจักรวาลที่ต่อต้านแรงโน้มถ่วง” เขาตระหนักว่าอวกาศ – เวลาไม่ได้ว่างเปล่าแต่มีพลังงานอยู่ ตอนที่ไอน์สไตน์พยายามสร้างทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (Theory of General Relativity; 1915) เขาพบว่าทฤษฎีของเขาดูเหมือนจะคาดการณ์การยุบตัวของจักรวาล โดยความโน้มถ่วงจะดึงดวงดาวและสสารอื่นๆเข้าด้วยกัน เป็นสาเหตุทำให้จักรวาลเกิดถล่มตัวลงอย่างช้าๆ ในตัวของมันเอง ไอน์สไตน์เรียกการค้นพบนี้ว่า “เป็นสิ่งน่ารำคาญ” เขาคิดว่าจักรวาลจะต้องหยุดนิ่ง เขาจึงเพิ่ม “ค่าคงที่ของจักรวาล หรือ Fudge factor” ลงไปในสมการของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของเขา เพื่อทำให้จักรวาลรักษาสภาพคงที่ไว้ (ไม่ขยายตัวหรือหดตัว) จะได้ไม่ไปขัดแย้งกับ Steady State Theory ที่เขาเชื่ออยู่ในขณะนั้น จากข้อมูลของไอน์สไตน์ ค่าคงที่ของจักรวาลจะเป็นแรงผลักดันที่ต่อต้านความโน้มถ่วง ทำให้จักรวาลไม่ยุบตัวลง ไอน์สไตน์ทิ้งความคิดนี้ในเวลาต่อมา เมื่อ เอ็ดวิน ฮับเบิล ค้นพบในปี 1929 ว่าจักรวาลไม่ได้หยุดนิ่ง แต่ในความเป็นจริงกำลังขยายตัว ไอน์สไตน์รีบแก้ไขสมการของเขาโดยลบค่าคงที่ของจักรวาลออกไป จักรวาลที่ขยายตัวไม่จำเป็นต้องมีค่าคงที่ของจักรวาล ในเวลาต่อมาไอน์สไตน์เรียกค่าคงที่ของจักรวาลนี้ว่า “ความผิดพลาดที่ยิ่งใหญ่ที่สุด” ในชีวิตของเขา

 

 

Jason Derulo – What If