ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#24 บทที่ 3 จักรวาลที่กำลังขยายตัว : Big Bang และ Singularity

ในปี 1963 นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซีย Evgenii Lifshitz และ Isaac Khalatnikov พยายามที่จะล้มทฤษฎีบิกแบงซึ่งมีจุดเริ่มต้นของเวลา พวกเขาเสนอว่าบิกแบงอาจเป็นลักษณะเฉพาะของแบบจำลองของฟรีดมันน์ (Friedmann) เพียงอย่างเดียว ซึ่งเป็นเพียงการประมาณการของจักรวาลที่แท้จริงเท่านั้น บางทีในบรรดาแบบจำลองทั้งหมดที่คล้ายกับจักรวาลจริง มีเพียงแบบจำลองของ Friedmann เท่านั้นที่มี singularity ตามแบบจำลองของ Friedmann กาแล็กซี่ทั้งหมดเคยอยู่ที่เดียวกัน และต่อมาได้เคลื่อนที่ออกจากกันโดยตรง

นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียแย้งว่า กาแล็กซี่ในจักรวาลไม่เพียงเคลื่อนที่ออกจากกันโดยตรง แต่ยังมีความเร็วด้านข้างเล็กน้อย ดังนั้นในความเป็นจริงพวกมันไม่เคยอยู่ในสถานที่เดียวกันมาก่อน (พวกเขาโต้แย้งว่าจักรวาลไม่ได้เริ่มต้นมาจากจุด singularity – ผู้เขียน) เพียงอยู่ใกล้ๆ กันในตอนเริ่มต้นเท่านั้น บางทีจักรวาลที่กำลังขยายตัวในปัจจุบันไม่ได้มาจาก singularity แต่มาจากช่วงการหดตัวก่อนหน้านี้ในขณะที่จักรวาลถล่ม อนุภาคในนั้นอาจไม่ได้ชนกันทั้งหมด แต่ได้เคลื่อนที่ผ่านมาแล้วก็ห่างจากกัน ทำให้เกิดการขยายตัวของจักรวาลในปัจจุบัน (สรุป: นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียไม่เห็นด้วยกับทฤษฎีบิกแบงที่ว่าจักรวาลเริ่มมาจากการระเบิดบิกแบงของจุด singularity – ผู้เขียน)

แล้วเราจะบอกได้อย่างไรว่าจักรวาลที่แท้จริงควรเริ่มต้นด้วยการระเบิดบิกแบงหรือไม่? สิ่งที่ Lifshitz และ Khalatnikov ทำคือศึกษาแบบจำลองของจักรวาลที่คล้ายกับแบบจำลองของ Friedmann แต่คำนึงถึงความผิดปกติและความเร็วแบบ random ของกาแล็กซี่ในจักรวาลจริง พวกเขาแสดงให้เห็นว่าแบบจำลองดังกล่าวสามารถเริ่มต้นด้วยบิกแบง แม้ว่ากาแล็กซี่จะไม่เคลื่อนที่ออกจากกันโดยตรง แต่พวกเขาอ้างว่าสิ่งนี้ยังคงเป็นไปได้เฉพาะในแบบจำลองพิเศษบางแบบที่กาแล็กซี่ทั้งหมดเคลื่อนที่ด้วยวิธีการที่เหมาะสม พวกเขาแย้งว่าเนื่องจากดูเหมือนว่าจะมีแบบจำลองที่เหมือนของ Friedmann มากขึ้นเรื่อยๆโดยไม่มี singularity มากกว่าที่มีอยู่ เราจึงควรสรุปได้ว่าในความเป็นจริงไม่มีบิกแบง อย่างไรก็ตามในเวลาต่อมา พวกเขาก็ตระหนักว่ามีแบบจำลองที่คล้ายฟรีดมันน์ที่มี singularity และกาแล็กซี่ไม่จำเป็นต้องเคลื่อนที่ด้วยวิธีพิเศษใดๆ พวกเขาจึงถอนข้อโต้แย้งในปี 1970 (สรุป: นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียพยายามหาทางเลือกอื่นให้กับทฤษฎีบิกแบง แต่ก็ล้มเหลว ในที่สุดก็ยอมรับว่าทฤษฎีบิกแบงนั้นถูกต้อง – ผู้เขียน)

งานของ Lifshitz และ Khalatnikov มีคุณค่าเพราะมันแสดงให้เห็นว่าจักรวาลอาจมีจุด singularity และเป็นบิกแบงได้หากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปถูกต้อง อย่างไรก็ตามมันไม่ได้ช่วยตอบคำถามที่สำคัญที่ว่า จักรวาลของเราควรจะมีบิกแบงซึ่งเป็นจุดเริ่มต้นของเวลาหรือไม่? คำตอบนี้มาจากแนวทางที่แตกต่างกันอย่างสิ้นเชิงซึ่งนำเสนอโดยนักคณิตศาสตร์และนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ โรเจอร์ เพนโรส (Roger Penrose) ในปี 1965 โดยการใช้ทฤษฎีกรวยแสงและทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปร่วมกับความจริงที่ว่าความโน้มถ่วงเป็นแรงดึงดูด เขาแสดงให้เห็นว่าการยุบตัวภายใต้แรงโน้มถ่วงของดวงดาวถูกขังอยู่ในบริเวณที่ในที่สุดพื้นผิวจะหดตัวจนเหลือขนาดศูนย์ (นั้นคือ singularity – ผู้เขียน) และเนื่องจากพื้นที่หดตัวจนเป็นศูนย์ ดังนั้นปริมาตรของมันก็เช่นกัน สสารทั้งหมดในดาวจะถูกบีบอัดให้อยู่ในพื้นที่ที่มีปริมาตรเป็นศูนย์ ดังนั้นความหนาแน่นของสสารและความโค้งของอวกาศ-เวลาจึงไม่มีที่สิ้นสุด กล่าวอีกนัยหนึ่งก็คือ มี singularity อยู่ในบริเวณที่เรียกว่าหลุมดำ

หมายเหตุ: Roger Penrose เป็นนักคณิตศาสตร์และนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษที่ทำงานร่วมกับสตีเฟนฮอว์คิงในหลายๆ เรื่องที่เกี่ยวข้องกับทฤษฎีสัมพันธภาพทั่วไป

The Theory of Everything – Official Trailer (Universal Pictures)

ตั้งแต่แรกเห็น งานของ Penrose ใช้กับดวงดาวเท่านั้น มันไม่ได้พูดเกี่ยวกับคำถามที่ว่า ในอดีตจักรวาลมี ฺa Big Bang singularity หรือไม่ อย่างไรก็ตามในเวลาที่ Penrose สร้างทฤษฎีบทของเขา ผมเป็นนักศึกษาวิจัยที่กำลังมองหาเรื่องสำหรับการทำวิทยานิพนธ์เพื่อที่จะสำเร็จปริญญาเอก  เมื่อสองปีก่อนผมได้รับการวินิจฉัยว่าป่วยเป็นโรค ALS หรือที่รู้จักกันทั่วไปในชื่อโรค Lou Gehrig ซึ่งเป็นโรคกล้ามเนื้ออ่อนแรง และหมอบอกผมว่าผมจะมีชีวิตอยู่ได้อีกเพียงหนึ่งหรือสองปี ในสถานการณ์เหล่านี้ดูเหมือนจะไม่เป็นอุปสรรคมากนักในการทำงานสำหรับปริญญาเอกของผม – ผมไม่ได้คาดหวังว่าจะอยู่รอดได้นานขนาดนั้น สองปีผ่านไปและผมก็ไม่ได้แย่ลงมากนัก ในความเป็นจริงสิ่งต่างๆ ค่อนข้างไปได้ดีสำหรับผม และผมได้หมั้นกับเจนไวลด์ผู้หญิงที่แสนดีคนหนึ่ง แต่เพื่อที่จะแต่งงาน ผมต้องการงาน และเพื่อที่จะได้งาน ผมต้องการปริญญาเอก

ในปี 1965 ผมได้อ่านทฤษฎีบทของ Penrose ที่ว่า ในที่สุดร่างกายใดๆ ที่อยู่ภายใต้การพังทลายโดยแรงโน้มถ่วงจะต้องกลายเป็น singularity (ดาวฤกษ์สามารถยุบตัวเองกลายเป็นหลุมดำที่มี singularity ได้ – ผู้เขียน) ในไม่ช้าผมก็รู้ว่าหากใครคนหนึ่งกลับทิศทางของเวลาในทฤษฎีบทของ Penrose เพื่อให้การล่มสลายเปลี่ยนเป็นการขยายตัว เงื่อนไขของทฤษฎีบทของเขาจะยังคงมีอยู่ หากจักรวาลมีลักษณะคล้ายกับแบบจำลองฟรีดมันน์ ทฤษฎีบทของ Penrose แสดงให้เห็นว่าดาวที่ยุบตัวลงต้องจบลงด้วย singularity แสดงให้เห็นว่าจักรวาลที่ขยายตัวที่มีลักษณะคล้ายแบบจำลองของฟรีดมันน์ต้องเริ่มต้นด้วย singularity ด้วยเหตุผลทางเทคนิค ทฤษฎีบทของ Penrose ต้องการจักรวาลที่ไม่มีที่สิ้นสุดในอวกาศ ในความเป็นจริงแล้วผมสามารถใช้มันเพื่อพิสูจน์ว่าควรมี singularity ก็ต่อเมื่อจักรวาลขยายตัวเร็วพอที่จะหลีกเลี่ยงการยุบตัวอีกครั้ง (เนื่องจากมีเพียงแบบจำลองของฟรีดมันน์เท่านั้นที่ไม่มีที่สิ้นสุดในอวกาศ)

ในช่วงสองสามปีต่อมา ผมได้พัฒนาเทคนิคทางคณิตศาสตร์ใหม่ๆ เพื่อลบล้างสิ่งนี้และเงื่อนไขทางเทคนิคอื่นๆ ออกจากทฤษฎีบทที่พิสูจน์แล้วว่าต้องมี singularity เกิดขึ้น สิ่งที่ได้คือบทความที่เกิดจากการทำงานร่วมกันของผมกับ Penrose ในปี 1970 ซึ่งในที่สุดก็พิสูจน์แล้วว่าต้องมี Big Bang singularity ภายใต้เงื่อนไขว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์นั้นถูกต้องและจักรวาลมีสสารมากเท่าที่เราสังเกตได้

มีการต่อต้านงานของเราจำนวนมากส่วนหนึ่งมาจากชาวรัสเซีย เนื่องจากความเชื่อแบบมาร์กซ์ของพวกเขาในการกำหนดปัจจัยทางวิทยาศาสตร์ และส่วนหนึ่งมาจากคนที่รู้สึกว่าความคิดเรื่อง singularity  ทั้งหมดนั้นน่ารังเกียจ และทำให้ความงามของทฤษฎีของไอน์สไตน์เสียไป อย่างไรก็ตามไม่มีใครสามารถโต้แย้งกับทฤษฎีบททางคณิตศาสตร์ได้ ดังนั้นในที่สุดผลงานของเราจึงเป็นที่ยอมรับโดยทั่วไปและในปัจจุบันเกือบทุกคนถเห็นด้วยว่าจักรวาลเริ่มต้นด้วย Big Bang singularity บางทีอาจเป็นเรื่องน่าขันที่ผมเปลี่ยนใจในตอนนี้ ผมกำลังพยายามโน้มน้าวให้นักฟิสิกส์คนอื่นเชื่อว่าในความเป็นจริงไม่มี singularity ที่จุดเริ่มต้นของจักรวาลอย่างที่เราจะเห็นในภายหลัง มันสามารถหายไปได้เมื่อคำนึงถึงผลกระทบทางควอนตัม

tnpscthervupettagam.com

สรุป – ในปี 1965 โรเจอร์ เพนโรส (Roger Penrose) แสดงให้เห็นว่าดาวฤกษ์สามารถยุบตัวเองกลายเป็นหลุมดำได้ ในขณะที่ Penrose พูดถึงดวงดาวเท่านั้น สตีเฟน ฮอว์คิง (Stephen Hawking) ในวัยหนุ่มก็มองเห็นความเกี่ยวข้องนี้กับทฤษฎีบิกแบง หลังจากได้รับการวินิจฉัยว่าเป็นโรค Lou Gehrig และรอดชีวิตมาได้นานกว่าที่คาดไว้ Hawkingได้นำเรื่องการวิจัยไปศึกษาต่อในระดับปริญญาเอกของเขา เขาเสนอว่าหากจักรวาลไม่มีที่สิ้นสุดและขยายตัวเร็วเกินไปที่จะเกิดการยุบตัวอีกครั้ง มันควรจะเริ่มต้นที่ singularity ผลงานวิจัยของ Penrose และ Hawking ในปี 1970 ต้องเผชิญกับการต่อต้าน อย่างไรก็ตาม Hawking เองก็เปลี่ยนใจเมื่อคำนึงถึงกลศาสตร์ควอนตัม

งานของ Penrose และ Hawking แสดงให้เห็นว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ Einstein เป็นเพียงทฤษฎีบางส่วน มันใช้ไม่ได้ในการอธิบาย singularity ซึ่งเป็นจุดเริ่มต้นของจักรวาล เมื่อจักรวาลถูกบีบให้มีความหนาแน่นอย่างไม่มีที่สิ้นสุด กลศาสตร์ควอนตัมจะเข้ามามีบทบาท

เราได้เห็นในบทนี้แล้วว่า มุมมองของมนุษย์เกี่ยวกับจักรวาลที่ก่อตัวขึ้นในช่วงหลายพันปี มีการเปลี่ยนแปลงอย่างไรในเวลาไม่ถึงครึ่งศตวรรษ การค้นพบของฮับเบิลที่ว่าจักรวาลกำลังขยายตัว ในเวลาต่อมามีหลักฐานเชิงทดลองและเชิงทฤษฎีปรากฏชัดเจนขึ้นเรื่อยๆ ว่าจักรวาลต้องมีจุดเริ่มต้น จนกระทั่งในปี 1970 ผลงานของ Penrose และตัวผมเองที่เกี่ยวกับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ก็ได้รับการพิสูจน์แล้ว ข้อพิสูจน์ดังกล่าวแสดงให้เห็นว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเป็นทฤษฎีที่ไม่สมบูรณ์ เนื่องจากมันไม่สามารถอธิบายได้ว่าจักรวาลเริ่มต้นอย่างไร เพราะทฤษฎีทางฟิสิกส์ทั้งหมดจะไม่สามารถใช้อธิบายปรากฎการณ์ที่จุดเริ่มต้นของจักรวาลหรือ singularity ได้ ที่จุดนี้กลศาสตร์ควอนตัมจะเข้ามามีบทบาท ด้วยเหตุนี้การโฟกัสของผมและ Penrose จึงเปลี่ยนจากการศึกษาปรากฏการณ์ขนาดใหญ่ไปสู่การศึกษาปรากฏการณ์ขนาดเล็กเป็นพิเศษ เราจะหันไปใช้ความพยายามในการรวมทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัมและทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเข้าด้วยกัน

จบบทที่ 3 

• Facebook
• Twitter
• Line