Newsletter subscribe

A Brief History of Time, Universe

ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#59 บทที่ 10 รูหนอนและการเดินทางข้ามเวลา

Posted: 21/12/2022 at 09:58   /   by   /   comments (0)


ในบทที่แล้วกล่าวถึงว่า เหตุใดเรามองเห็นเวลาเดินไปข้างหน้า: เหตุใดความไม่เป็นระเบียบจึงเพิ่มขึ้น และเหตุใดเราจึงจำอดีตแต่จำอนาคตไม่ได้ เวลาถูกปฏิบัติราวกับว่ามันเป็นทางรถไฟสายตรงที่สามารถวิ่งไปข้างหน้าเท่านั้น

แต่จะเป็นอย่างไร หากเส้นทางรถไฟมีการวนเป็นลูปและแตกกิ่งก้านสาขา เพื่อให้รถไฟสามารถวิ่งไปข้างหน้าแต่สามารถวนกลับมายังสถานีที่ผ่านไปแล้ว กล่าวอีกนัยหนึ่งอาจเป็นไปได้ที่ใครบางคนจะเดินทางข้ามเวลาไปสู่อนาคตหรือในอดีต?

HG Wells ใน The Time Machine ได้สำรวจความเป็นไปได้เหล่านี้เช่นเดียวกับนักเขียนนิยายวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ นับไม่ถ้วน แต่แนวคิดนิยายวิทยาศาสตร์หลายอย่าง เช่น เรือดำน้ำและการเดินทางไปยังดวงจันทร์ กลายเป็นความจริงทางวิทยาศาสตร์ไปแล้ว ดังนั้นการเดินทางข้ามเวลาสามารถกลายเป็นความจริงได้?

 

 

Lindsey Stirling – Love’s Just A Feeling (ft. Rooty)

 

 

ข้อบ่งชี้แรกที่บอกว่ากฎของฟิสิกส์อาจอนุญาตให้ผู้คนเดินทางข้ามเวลาได้จริงๆ เกิดขึ้นในปี 1949 เมื่อเคิร์ต โกเดล (Kurt Gödel) เสนอแบบจำลองใหม่ของอวกาศ-เวลา (space-time) ภายใต้ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป เกอเดลเป็นนักคณิตศาสตร์ที่มีชื่อเสียงในเรื่องการพิสูจน์ว่า เป็นไปไม่ได้ที่จะพิสูจน์ข้อความจริงทั้งหมด แม้ว่าคุณจะจำกัดตัวเองให้พยายามพิสูจน์ข้อความจริงทั้งหมดในเรื่องที่ดูเหมือนถูกตัดและแห้งไปเหมือนเลขคณิตก็ตาม

เช่นเดียวกับหลักการความไม่แน่นอน (uncertainty principle) ทฤษฎีบทความไม่สมบูรณ์ของเกอเดล (Gödel’s incompleteness theorem) อาจเป็นข้อจำกัดพื้นฐานเกี่ยวกับความสามารถของเราในการทำความเข้าใจและทำนายจักรวาล แต่อย่างน้อยจนถึงตอนนี้ ก็ดูเหมือนจะไม่เป็นอุปสรรคในการค้นหาทฤษฎีที่เป็นเอกภาพสมบูรณ์ (complete unified theory)

เกอเดลรู้เรื่องทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป จากการที่เขาและไอน์สไตน์ใช้เวลาหลายปีที่สถาบันเพื่อการศึกษาขั้นสูงในพรินซ์ตัน อวกาศ-เวลาของเกอเดลมีคุณสมบัติที่น่าสงสัยตรงที่ทั้งจักรวาลกำลังหมุน บางคนอาจถามว่า: “หมุนโดยอะไร” คำตอบคือ สสารที่อยู่ห่างไกลจะหมุนตามทิศทางที่จุดสูงสุดหรือไจโรสโคป (gyroscopes) ชี้ไป

สิ่งนี้ให้ผลข้างเคียงที่จะเป็นไปได้ ที่ใครบางคนจะออกไปในยานจรวดและกลับสู่โลกก่อนที่เขาจะออกเดินทาง สิ่งนี้ทำให้ไอน์สไตน์ไม่พอใจอย่างมาก เขาเคยคิดว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปไม่อนุญาตให้เดินทางข้ามเวลา อย่างไรก็ตาม จากบันทึกของไอน์สไตน์เกี่ยวกับการต่อต้านการยุบตัวโดยแรงโน้มถ่วงและหลักการความไม่แน่นอน บางทีนี่อาจเป็นสัญญาณที่ดี

วิธีแก้ปัญหาที่เกอเดล (Gödel) พบนั้นไม่สอดคล้องกับจักรวาลที่เราอาศัยอยู่ เพราะจากการสังเกตเราพบว่าจักรวาลไม่ได้หมุน นอกจากนี้ยังมีค่าคงที่ของจักรวาลวิทยา (cosmological constant) ที่ไม่เป็นศูนย์ซึ่งไอน์สไตน์เสนอ เมื่อเขาคิดว่าจักรวาลนั้นคงที่ไม่มีการเปลี่ยนแปลง หลังจากที่ฮับเบิลค้นพบการขยายตัวของจักรวาล ก็ไม่จำเป็นต้องมีค่าคงที่ของจักรวาล และปัจจุบันเชื่อกันว่าค่าคงที่นี้เป็นศูนย์

อย่างไรก็ตาม อวกาศ-เวลาอื่นๆ ที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปอนุญาตให้เดินทางข้ามเวลาได้ และสอดคล้องกับสิ่งที่เราสังเกตได้ในจักรวาล หนึ่ง อยู่ภายในหลุมดำที่หมุน (rotating black hole) สอง คือ อวกาศ-เวลาที่มีเส้นเชือกจักรวาล (cosmic string space-time) สองเส้นเคลื่อนที่ผ่านกันด้วยความเร็วสูง ตามชื่อของมัน cosmic string เป็นวัตถุที่เหมือนกับเส้นเชือกตรงที่มีความยาวแต่มีหน้าตัดเล็กๆ จริงๆ แล้วพวกมันเป็นเหมือนหนังยางมากกว่า เพราะพวกมันอยู่ภายใต้ความตึงเครียดมหาศาล ประมาณหนึ่งล้านล้านล้านตัน cosmic string ที่ติดอยู่กับโลกสามารถเร่งความเร็วจาก 0 ถึง 60 ไมล์ต่อชั่วโมงใน 1/30 วินาที cosmic string อาจฟังดูเหมือนนิยายวิทยาศาสตร์ล้วนๆ แต่มีเหตุผลให้เชื่อได้ว่าพวกมันอาจก่อตัวขึ้นในจักรวาลยุคแรกอันเป็นผลมาจากการแตกสลายของสมมาตรอย่างที่กล่าวถึงในบทที่ 5 พวกมันสามารถขับเคลื่อนวัตถุขนาดใหญ่ด้วยความเร็วสูงในเวลาไม่กี่มิลลิวินาทีเมื่อพวกมันยืดตัวออก

วิธีแก้ปัญหาของเกอเดล (Gödel) และ cosmic string space-time ถูกบิดเบือนอย่างมากที่อนุญาตให้เดินทางสู่อดีตได้เสมอ พระเจ้าอาจสร้างจักรวาลที่บิดเบี้ยวเช่นนี้ แต่เราไม่มีเหตุผลที่จะเชื่อว่าพระองค์สร้าง การสังเกตรังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล (cosmic microwave background; CMB) และองค์ประกอบแสงที่มีอยู่มากมาย บ่งชี้ว่าจักรวาลในยุคแรกเริ่มไม่มีลักษณะโค้งที่จำเป็นต่อการเดินทางข้ามเวลา ข้อสรุปเดียวกันจะตามมาด้วยเหตุผลทางทฤษฎีหากข้อเสนอที่ไร้ขอบเขต (no boundary proposal) นั้นถูกต้อง ดังนั้นคำถามคือ ถ้าจักรวาลเริ่มต้นขึ้นโดยปราศจากความโค้งมากพอให้สามารถเดินทางข้ามเวลาได้ มีคำถามตามมาว่า เราจะสามารถบิดงอพื้นที่ของอวกาศ-เวลาได้มากพอที่จะทำให้เดินทางข้ามเวลาได้หรือไม่

 

 

Mahmut Orhan & Irina Rimes – Nu Vreau

 

 

ปัญหาที่เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดซึ่งสร้างความกังวลให้กับนักเขียนนิยายวิทยาศาสตร์ก็คือ การเดินทางระหว่างดวงดาวหรืออวกาศอย่างรวดเร็ว ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพไม่มีสิ่งใดสามารถเดินทางได้เร็วกว่าแสง ดังนั้น หากเราส่งยานอวกาศไปยังดาวเพื่อนบ้านที่ใกล้ที่สุดของเรา นั่นคือ Alpha Centauri ซึ่งอยู่ห่างออกไปประมาณ 4 ปีแสง จะต้องใช้เวลาอย่างน้อย 8 ปีก่อนที่เราจะคาดหวังให้นักเดินทางกลับมาและบอกเราว่าพวกเขาพบอะไร หากการสำรวจไปถึงใจกลางกาแล็กซี่ของเรา ต้องใช้เวลาอย่างน้อยหนึ่งแสนปีก่อนที่จะกลับมา ทฤษฎีสัมพัทธภาพอนุญาตให้มีสิ่งที่เรียกว่า twins paradox ดังที่กล่าวมาแล้วในบทที่ 2

เนื่องจากไม่มีมาตรฐานของเวลาที่แตกต่างกัน แต่ผู้สังเกตการณ์แต่ละคนมีเวลาของตนเองโดยวัดจากนาฬิกาที่พวกเขาพกติดตัว เป็นไปได้ที่การเดินทางจะดูเหมือนสั้นมากสำหรับนักเดินทางในอวกาศเมื่อเทียบกับผู้ที่ยังคงอยู่บนโลก แต่เขาคงไม่มีความสุขมากนักในการกลับมาจากการเดินทางในอวกาศ และพบว่าทุกคนที่คุณทิ้งไว้ข้างหลังเสียชีวิตและจากไปเมื่อหลายพันปีก่อน ดังนั้นเพื่อให้มนุษย์สนใจเรื่องราวของพวกเขา นักเขียนนิยายวิทยาศาสตร์ต้องคิดว่าวันหนึ่งเราจะค้นพบวิธีเดินทางเร็วกว่าแสง สิ่งที่ผู้เขียนเหล่านี้ส่วนใหญ่ดูเหมือนจะไม่เข้าใจก็คือ ถ้าคุณสามารถเดินทางได้เร็วกว่าแสง ทฤษฎีสัมพัทธภาพบอกเป็นนัยว่าคุณสามารถย้อนเวลากลับไปได้ ดังที่โคลงกล่าวต่อไปนี้:

มีหญิงสาวคนหนึ่งของไวท์

ที่เดินทางเร็วกว่าแสงมาก

เธอจากไปในวันหนึ่ง

ในทางสัมพัทธ์

และมาถึงเมื่อคืนก่อน

ประเด็นคือทฤษฎีสัมพัทธภาพกล่าวว่า ไม่มีการวัดเวลาที่ผู้สังเกตการณ์ทุกคนจะเห็นพ้องต้องกัน แต่ผู้สังเกตการณ์แต่ละคนมีเวลาของตนเอง หากเป็นไปได้ที่จรวดจะเดินทางต่ำกว่าความเร็วแสงจากเหตุการณ์ A (เช่น การแข่งขันวิ่ง 100 เมตรสุดท้ายของการแข่งขันกีฬาโอลิมปิกในปี 2012) ไปยังเหตุการณ์ B (เช่น การเปิดการประชุมครั้งที่ 100,004 ของสภาคองเกรสแห่งดาวอัลฟ่า เซนทอรี่ (Alpha Centauri))

ผู้สังเกตการณ์ทุกคนเห็นพ้องต้องกันว่า เหตุการณ์ A เกิดขึ้นก่อนเหตุการณ์ B ตามเวลาของพวกเขา อย่างไรก็ตาม สมมติว่ายานอวกาศจะต้องเดินทางเร็วกว่าแสงเพื่อส่งข่าวการแข่งขันไปยังรัฐสภา จากนั้นผู้สังเกตการณ์ที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วต่างกัน อาจไม่เห็นด้วยว่าเหตุการณ์ A เกิดขึ้นก่อน B

หรือในทางกลับกัน ตามเวลาของผู้สังเกตการณ์ที่อยู่นิ่งบนพื้นดิน อาจเป็นไปได้ว่ารัฐสภาเปิดขึ้นหลังการแข่งขัน ดังนั้นผู้สังเกตการณ์คนนี้จึงคิดว่ายานอวกาศสามารถเดินทางจาก A ไป B ได้ทันเวลา หากมองข้ามขีดจำกัดความเร็วของความเร็วแสง

อย่างไรก็ตาม สำหรับผู้สังเกตการณ์ที่ดาว Alpha Centauri เคลื่อนที่ออกจากพื้นโลกด้วยความเร็วเกือบเท่าแสง ดูเหมือนว่าเหตุการณ์ B ซึ่งเป็นการเปิดสภาจะเกิดขึ้นก่อนเหตุการณ์ A ซึ่งเป็นการแข่งขันวิ่ง 100 เมตร ทฤษฎีสัมพัทธภาพกล่าวว่ากฎของฟิสิกส์ปรากฏเหมือนกันสำหรับผู้สังเกตที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วต่างกัน 

สิ่งนี้ได้รับการทดสอบอย่างดีจากการทดลอง ดังนั้น ผู้สังเกตการณ์ที่กำลังเคลื่อนที่จะบอกว่าหากการเดินทางเร็วกว่าแสงเป็นไปได้ ก็ควรจะเป็นไปได้ที่จะเดินทางจากเหตุการณ์ B ซึ่งเป็นการเปิดการประชุมรัฐสภา ไปยังเหตุการณ์ A ซึ่งเป็นการแข่งขันวิ่ง 100 เมตร หากใครไปเร็วกว่านี้เล็กน้อย ก็สามารถกลับมาก่อนการแข่งขันและวางเดิมพันโดยรู้แน่ว่าจะชนะ

มีปัญหาในการทำลายสิ่งกีดขวางของความเร็วแสง ทฤษฎีสัมพัทธภาพกล่าวว่าพลังงานของจรวดที่จำเป็นในการเร่งความเร็วของยานอวกาศจะเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ เมื่อเข้าใกล้ความเร็วแสงมากขึ้น เรามีหลักฐานการทดลองสำหรับสิ่งนี้ ไม่ใช่กับยานอวกาศ แต่กับอนุภาคมูลฐานในเครื่องเร่งอนุภาค เช่นที่ Fermilab หรือ CERN (ศูนย์วิจัยนิวเคลียร์แห่งยุโรป) เราสามารถเร่งอนุภาคได้ถึง 99.99 เปอร์เซ็นต์ของความเร็วแสง แต่ไม่ว่าเราจะป้อนพลังงานเข้าไปมากเพียงใด ก็ไม่สามารถทำให้อนุภาคเคลื่อนที่เกินความเร็วแสงได้ เช่นเดียวกับยานอวกาศ: ไม่ว่าพวกมันจะมีพลังงานของจรวดมากแค่ไหน พวกมันก็ไม่สามารถเร่งความเร็วได้เกินกว่าความเร็วแสง

นั่นอาจดูเหมือนว่าการเดินทางในอวกาศอย่างรวดเร็วและการย้อนเวลากลับไปเป็นสิ่งเป็นไปไม่ได้ อย่างไรก็ตาม มีทางออกที่เป็นไปได้ อาจเป็นไปได้ว่าอวกาศ-เวลาอาจบิดงอเพื่อให้มีทางลัดระหว่าง A และ B วิธีหนึ่งในการทำเช่นนี้คือการสร้างรูหนอน (wormholes) ระหว่าง A และ B ตามชื่อของมัน รูหนอนคือช่องว่างบางๆ ของอวกาศ-เวลาซึ่งสามารถเชื่อมต่อภูมิภาคสองแห่งที่อยู่ห่างไกลจากกัน

ใครๆ ก็จินตนาการว่า สามารถสร้างหรือพบรูหนอน (wormholes) ที่จะนำทางจากบริเวณใกล้เคียงของระบบสุริยะไปยังดาว Alpha Centauri ระยะทางผ่านรูหนอนอาจเพียงไม่กี่ล้านไมล์ แม้ว่าโลกและ Alpha Centauri จะห่างกัน 20 ล้านไมล์ในอวกาศธรรมดาก็ตาม สิ่งนี้จะช่วยให้ข่าวการแข่งขันวิ่ง 100 เมตรไปถึงการเปิดการประชุมรัฐสภาได้ แต่จากนั้นผู้สังเกตการณ์ที่จะเดินทางไปยังโลก ก็ควรจะสามารถหารูหนอนอีกอัน ที่จะช่วยให้เขาเดินทางจากการเปิดรัฐสภาบน Alpha Centauri กลับไปยังพื้นโลกก่อนเริ่มการแข่งขัน ดังนั้นรูหนอนก็เหมือนกับรูปแบบอื่นๆ ที่เป็นไปได้ของการเดินทางเร็วกว่าแสง ซึ่งจะช่วยให้คนๆ หนึ่งสามารถเดินทางสู่อดีตได้

แนวคิดเรื่องรูหนอนระหว่างพื้นที่ต่างๆ ของอวกาศ-เวลาไม่ใช่สิ่งประดิษฐ์ของนักเขียนนิยายวิทยาศาสตร์ แต่มีที่มาที่น่าเชื่อถือมาก

ในปี 1935 ไอน์สไตน์และนาธาน โรเซน (Nathan Rosen) เขียนบทความที่แสดงให้เห็นว่า ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปอนุญาตให้มีสิ่งที่พวกเขาเรียกว่า “สะพาน (bridge)” แต่ปัจจุบันรู้จักกันในชื่อ “รูหนอน (wormholes)” สะพานไอน์สไตน์-โรเซน (Einstein-Rosen bridges) นั้นไม่เสถียรและอยู่ได้ไม่นานเพียงพอที่ยานอวกาศจะผ่านไปได้: ยานอวกาศจะวิ่งเข้าสู่ภาวะเอกฐาน (singularity) เมื่อรูหนอนบีบออก

อย่างไรก็ตาม มีคนเสนอว่า อาจเป็นไปได้ที่อารยธรรมที่ก้าวหน้าอาจทำให้สะพานมั่นคงได้และเปิดรูหนอนไว้ สสารธรรมดามีความหนาแน่นของพลังงานเป็นบวก ทำให้อวกาศ-เวลามีความโค้งเป็นบวกเหมือนกับพื้นผิวของทรงกลม ดังนั้นเพื่อให้เดินทางข้ามเวลาได้ เราต้องการพื้นที่ของอวกาศ-เวลาที่มีความโค้งเป็นลบเหมือนอานม้า ซึ่งหมายถึงการสร้างรูหนอน ต้องมีความหนาแน่นของพลังงานเชิงลบ เพื่อที่จะบิดงออวกาศ-เวลาในแบบที่จะทำให้สามารถเดินทางสู่อดีตได้

พลังงานก็เหมือนกับเงิน ถ้าคุณมียอดเงินคงเหลือเป็นบวก คุณสามารถแจกจ่ายมันได้หลายวิธี แต่ตามกฎดั้งเดิมที่เชื่อกันในตอนต้นของศตวรรษ คุณไม่ได้รับอนุญาตให้ถอนเงินออก ดังนั้นกฎดั้งเดิมเหล่านี้จะตัดความเป็นไปได้ของการเดินทางข้ามเวลาออกไป อย่างไรก็ตาม ดังที่ได้อธิบายไว้ในบทที่แล้ว กฎดั้งเดิมถูกแทนที่ด้วยกฎควอนตัมซึ่งอิงตามหลักการความไม่แน่นอน กฎควอนตัมนั้นเสรีกว่าและอนุญาตให้คุณถอนเงินเกินบัญชีหนึ่งหรือสองบัญชีหากยอดรวมเป็นบวก กล่าวอีกนัยหนึ่ง ทฤษฎีควอนตัมยอมให้ความหนาแน่นของพลังงานเป็นลบในบางแห่ง โดยมีเงื่อนไขว่าความหนาแน่นของพลังงานที่เป็นบวกในสถานที่อื่นๆ จะถูกชดเชย เพื่อให้พลังงานทั้งหมดยังคงเป็นบวก

ตัวอย่างของวิธีที่ทฤษฎีควอนตัมยอมให้มีความหนาแน่นของพลังงานเป็นลบนั้น เกิดจากสิ่งที่เรียกว่า เอฟเฟกต์คาซิเมียร์ (Casimir effect) ดังที่เราเห็นในบทที่ 7 แม้แต่สิ่งที่เราคิดว่าเป็นพื้นที่ “ว่างเปล่า” ก็เต็มไปด้วยคู่ของอนุภาคและปฏิอนุภาคเสมือน (virtual particle/antiparticle pairs)ที่ปรากฏร่วมกัน เคลื่อนออกจากกัน และกลับมารวมกันและทำลายล้างซึ่งกันและกัน ทีนี้ สมมติว่ามีแผ่นโลหะขนานกันสองแผ่นอยู่ห่างกันไม่ไกลนัก แผ่นโลหะจะทำหน้าที่เหมือนกระจกสำหรับโฟตอนเสมือนหรืออนุภาคเสมือนของแสง ในความเป็นจริงพวกมันจะสร้างช่องระหว่างพวกมัน คล้ายกับไปป์ออร์แกนที่จะสะท้อนเฉพาะในบางโน้ตเท่านั้น ซึ่งหมายความว่าโฟตอนเสมือนสามารถเกิดขึ้นได้ในช่องว่างระหว่างแผ่นโลหะ ก็ต่อเมื่อความยาวคลื่นของโฟตอน (ระยะห่างระหว่างยอดคลื่นลูกหนึ่งกับอีกลูกหนึ่ง) พอดีกับจำนวนครั้งทั้งหมดในช่องว่างระหว่างแผ่นโลหะ


เนื่องจากโฟตอนเสมือนระหว่างแผ่นโลหะสามารถมีความยาวคลื่นเรโซแนนซ์ได้เท่านั้น จึงจะมีโฟตอนในพื้นที่ระหว่างแผ่นโลหะน้อยกว่าในพื้นที่นอกแผ่นโลหะเล็กน้อยซึ่งโฟตอนเสมือนสามารถมีความยาวคลื่นเท่าใดก็ได้ ดังนั้นจะมีโฟตอนเสมือนชนพื้นผิวด้านในของแผ่นโลหะน้อยกว่าพื้นผิวด้านนอกเล็กน้อย ดังนั้นใครๆ ก็คาดหวังว่าจะมีแรงบนแผ่นโลหะดันเข้าหากัน แรงนี้ถูกตรวจพบว่ามีจริงและมีค่าตามที่ทำนายไว้ ดังนั้นเราจึงมีหลักฐานการทดลองว่าอนุภาคเสมือนมีอยู่จริงและมีผลกระทบจริง

ความจริงที่ว่ามีโฟตอนเสมือนระหว่างแผ่นโลหะน้อยกว่า หมายความว่าความหนาแน่นของพลังงานจะน้อยกว่าที่อื่น แต่ความหนาแน่นของพลังงานทั้งหมดในพื้นที่ “ว่างเปล่า” ที่ห่างไกลจากแผ่นโลหะจะต้องเป็นศูนย์ เพราะไม่เช่นนั้นความหนาแน่นของพลังงานจะทำให้อวกาศบิดเบี้ยวและจะไม่เกือบราบเรียบ ดังนั้น ถ้าความหนาแน่นของพลังงานระหว่างแผ่นโลหะน้อยกว่าความหนาแน่นของพลังงานที่อยู่ห่างไกลออกไป มันก็จะต้องเป็นลบ

ดังนั้น เราจึงมีหลักฐานการทดลองที่แสดงให้เห็นว่าอวกาศ-เวลาสามารถบิดงอได้ (จากการโค้งงอของแสงระหว่างสุริยุปราคา) และมันสามารถโค้งในลักษณะที่จำเป็นเพื่อให้เดินทางข้ามเวลาได้ (จากปรากฏการณ์ Casimir) ด้วยเหตุนี้ เราอาจหวังว่าเมื่อเรามีความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ในที่สุดเราก็จะสามารถสร้างไทม์แมชชีนได้ แต่ถ้าเป็นเช่นนั้น ทำไมไม่มีใครกลับมาจากอนาคตและบอกเราว่าจะทำอย่างไร? อาจมีเหตุผลที่ดีว่าทำไมจึงไม่ฉลาดนักที่จะให้ความลับของการเดินทางข้ามเวลาในสถานะดั้งเดิมของการพัฒนาในปัจจุบันของเรา แต่ถ้าธรรมชาติของมนุษย์ไม่เปลี่ยนแปลงอย่างรุนแรง ก็ยากที่จะเชื่อได้ว่าผู้มาเยือนบางคนจากอนาคตจะไม่ทำเรื่องไร้สาระ แน่นอน บางคนอาจอ้างว่าการพบเห็นยูเอฟโอเป็นหลักฐานว่าเรากำลังถูกมาเยือนโดยมนุษย์ต่างดาวหรือโดยผู้คนจากอนาคต

อย่างไรก็ตาม ผมคิดว่าการมาเยือนของมนุษย์ต่างดาวหรือผู้คนจากอนาคตจะชัดเจนมากขึ้นและอาจจะไม่เป็นที่พอใจมากขึ้น ถ้าพวกเขากำลังจะเปิดเผยตัวทั้งหมด ทำไมจึงเปิดเผยเฉพาะกับคนที่ไม่ถือว่าเป็นพยานที่น่าเชื่อถือเท่านั้น? หากพวกเขาพยายามเตือนเราถึงอันตรายร้ายแรง 

 

 

Joel Corry & Becky Hill – HISTORY

 

 

หากการเดินทางข้ามเวลานั้นเป็นไปได้ เราอาจถามว่าทำไมเราถึงไม่เจอใครจากอนาคตเลย อาจเป็นไปได้ว่าอดีตไม่มีความโค้งของอวกาศ-เวลาที่จำเป็นสำหรับการเดินทางข้ามเวลา ในทางกลับกัน มีความโค้งที่จำเป็นในอนาคต นี่หมายความว่าการเดินทางข้ามเวลาจะถูกจำกัดไว้เฉพาะในอนาคต คงไม่มีโอกาสที่กัปตันเคิร์กและยานเอ็นเตอร์ไพรส์จะปรากฏตัวในเวลานี้

นี่อาจอธิบายได้ว่า ทำไมเราถึงยังไม่เห็นนักท่องเที่ยวข้ามเวลาจากอนาคต แต่คงหลีกเลี่ยงปัญหาที่จะเกิดขึ้นไม่ได้หากย้อนกลับไปแก้ไขประวัติศาสตร์ได้ ตัวอย่างเช่น สมมติว่าคุณกลับไปฆ่าคุณทวดของคุณในขณะที่เขายังเป็นเด็ก มีหลายเวอร์ชั่นของความขัดแย้ง (paradox) นี้ แต่โดยพื้นฐานแล้ว: คนเราจะได้รับความขัดแย้งหากมีอิสระที่จะเปลี่ยนแปลงอดีตได้

ดูเหมือนจะมีทางออกที่เป็นไปได้สองทางสำหรับความขัดแย้งมากมาย (paradoxes) ที่เกิดจากการเดินทางข้ามเวลา ผมจะเรียกแนวทางประวัติศาสตร์ที่สอดคล้องกัน กล่าวไว้ว่าแม้ว่าอวกาศ-เวลาจะบิดเบี้ยวจนสามารถเดินทางสู่อดีตได้ สิ่งที่เกิดขึ้นในอวกาศ-เวลาจะต้องเป็นทางออกที่สอดคล้องกันของกฎฟิสิกส์ ตามทรรศนะนี้ คุณไม่สามารถย้อนเวลากลับไปได้ เว้นแต่ประวัติศาสตร์จะแสดงให้เห็นว่าคุณได้มาถึงอดีตแล้ว และในขณะนั้น คุณไม่ได้ฆ่าทวดของคุณ หรือกระทำการอื่นใดที่ขัดแย้งกับสภาพปัจจุบันของคุณในปัจจุบัน

ยิ่งไปกว่านั้น เมื่อคุณย้อนกลับไปในอดีต คุณจะไม่สามารถเปลี่ยนแปลงประวัติที่บันทึกไว้ได้ นั่นหมายความว่าคุณไม่มีอิสระที่จะทำสิ่งที่คุณต้องการ แน่นอน อาจกล่าวได้ว่าเจตจำนงเสรีเป็นเพียงภาพลวงตา หากมีทฤษฎีที่เป็นเอกภาพอย่างสมบูรณ์ซึ่งควบคุมทุกสิ่งจริงๆ ก็น่าจะเป็นตัวกำหนดการกระทำของคุณด้วย แต่มันทำในลักษณะที่ไม่สามารถคำนวณสิ่งมีชีวิตที่ซับซ้อนเท่ามนุษย์ได้ เหตุผลที่เรากล่าวว่า มนุษย์มีเจตจำนงเสรีก็เพราะว่าเราไม่สามารถคาดเดาได้ว่าเขาจะทำอะไร อย่างไรก็ตาม ถ้ามนุษย์ออกไปด้วยยานจรวดและกลับมาก่อนที่เขาหรือเธอจะออกเดินทาง เราก็จะสามารถทำนายว่าเขาหรือเธอจะทำอะไร เพราะจะเป็นส่วนหนึ่งของประวัติศาสตร์ที่บันทึกไว้ ดังนั้น ในสถานการณ์นั้น นักท่องเวลาจะไม่มีเจตจำนงเสรี


วิธีอื่นที่เป็นไปได้ในการแก้ไขความขัดแย้งของการเดินทางข้ามเวลา อาจเรียกว่า สมมติฐานประวัติศาสตร์ทางเลือก (alternative histories hypothesis) แนวคิดนี้คือ เมื่อนักเดินทางข้ามเวลาย้อนกลับไปในอดีต พวกเขาเข้าสู่ประวัติศาสตร์ทางเลือกซึ่งแตกต่างจากประวัติศาสตร์ที่บันทึกไว้ ดังนั้นพวกเขาจึงสามารถดำเนินการได้อย่างอิสระ โดยไม่มีข้อจำกัดของความสอดคล้องกับประวัติก่อนหน้าของพวกเขา สตีเวน สปีลเบิร์ก (Steven Spielberg) สนุกกับแนวคิดนี้ใน ภาพยนตร์ Back to the Future : Marty McFly สามารถย้อนกลับไปในอดีตและเปลี่ยนการเกี้ยวพาราสีของพ่อแม่ให้เป็นประวัติศาสตร์ที่น่าพอใจมากขึ้น

สมมติฐานประวัติศาสตร์ทางเลือก (alternative histories hypothesis) ฟังดูเหมือนแนวทางของ ริชาร์ด ไฟน์แมน (Richard Feynman) ในการแสดงทฤษฎีควอนตัมเป็นผลรวมเหนือประวัติศาสตร์ (sum over histories) ซึ่งอธิบายไว้ในบทที่ 4 และ 8 สิ่งนี้กล่าวว่าจักรวาลไม่ได้มีเพียงประวัติศาสตร์เดียว แต่มันมีทุกประวัติศาสตร์ที่เป็นไปได้ แต่ละคนมีความน่าจะเป็นของตัวเอง อย่างไรก็ตาม ดูเหมือนจะมีความแตกต่างที่สำคัญระหว่างข้อเสนอของไฟน์แมนกับประวัติศาสตร์ทางเลือก ในผลรวมของไฟน์แมน แต่ละประวัติศาสตร์ประกอบด้วยอวกาศ-เวลาที่สมบูรณ์และทุกสิ่งในนั้น อวกาศ-เวลาอาจบิดเบี้ยวจนสามารถเดินทางด้วยจรวดไปสู่อดีตได้ แต่จรวดจะยังคงอยู่ในอวกาศ-เวลาเดิม และดังนั้นจึงเป็นประวัติศาสตร์เดียวกันซึ่งจะต้องสอดคล้องกัน ดังนั้นข้อเสนอผลรวมเหนือประวัติศาสตร์ของไฟน์แมน จึงดูเหมือนว่าจะสนับสนุนสมมติฐานประวัติศาสตร์ที่สอดคล้องกันมากกว่าประวัติศาสตร์ทางเลือก

ผลรวมเหนือประวัติศาสตร์ของไฟน์แมน (Feynman’s sum over histories) ช่วยให้สามารถเดินทางสู่อดีตในระดับจุลภาคได้ ในบทที่ 9 เราเห็นว่ากฎของวิทยาศาสตร์ไม่เปลี่ยนแปลงจากการรวมกันของสมมาตร C, P และ T ซึ่งหมายความว่าปฏิอนุภาคที่หมุนในทิศทางทวนเข็มนาฬิกาและเคลื่อนที่จาก A ไป B สามารถมองได้ว่าเป็นอนุภาคธรรมดาที่หมุนตามเข็มนาฬิกา และเคลื่อนที่ย้อนเวลาจาก B ไป A ในทำนองเดียวกัน อนุภาคธรรมดาที่เคลื่อนที่ไปข้างหน้าตามเวลาเท่ากับปฏิอนุภาคที่เคลื่อนที่ย้อนเวลา ดังที่ได้กล่าวไปแล้วในบทนี้และบทที่ 7 พื้นที่ “ว่างเปล่า” เต็มไปด้วยคู่ของอนุภาคและปฏิอนุภาคเสมือน (virtual particle/antiparticle pair) ที่ปรากฏร่วมกัน เคลื่อนออกจากกัน แล้วกลับมารวมกันและทำลายล้างซึ่งกันและกัน

ดังนั้น เราอาจถือว่าคู่อนุภาคนั้นเป็นอนุภาคเดี่ยวที่เคลื่อนที่ในอวกาศ-เวลาเป็นวงปิด เมื่อทั้งคู่เคลื่อนไปข้างหน้าตามเวลา (จากเหตุการณ์ที่ปรากฏจนถึงสิ่งที่มันทำลายล้าง) จะเรียกว่าอนุภาค แต่เมื่ออนุภาคเดินทางย้อนเวลา (จากเหตุการณ์ที่ทั้งคู่ทำลายล้างไปจนถึงสิ่งที่ปรากฏ) ว่ากันว่าเป็นปฏิอนุภาคที่เดินทางย้อนเวลา

คำอธิบายว่าหลุมดำสามารถปล่อยอนุภาคและรังสีได้อย่างไร (ให้ไว้ในบทที่ 7) คือสมาชิกตัวหนึ่งของคู่อนุภาค/ปฏิอนุภาคเสมือน (virtual particle/antiparticle pair) ตกลงไปในหลุมดำ ทำให้สมาชิกอีกคนหนึ่งไม่มีคู่ด้วยเพื่อทำลายล้าง อนุภาคที่ถูกละทิ้งอาจตกลงไปในหลุมเช่นกัน แต่อาจหลุดออกจากบริเวณหลุมดำได้เช่นกัน หากเป็นเช่นนั้น สำหรับผู้สังเกตการณ์ที่อยู่ห่างออกไป ดูเหมือนว่าจะเป็นอนุภาคที่ปล่อยออกมาจากหลุมดำ

อย่างไรก็ตาม เราอาจมีภาพกลไกการปล่อยก๊าซจากหลุมดำที่แตกต่างออกไปแต่เทียบเท่ากันได้ เราสามารถถือว่าสมาชิกของคู่เสมือนที่ตกลงไปในหลุมดำ (เช่น ปฏิอนุภาค) เป็นอนุภาคที่เดินทางย้อนเวลาออกจากหลุม เมื่อถึงจุดที่คู่เสมือนของอนุภาค/ปฏิอนุภาคปรากฏขึ้นพร้อมกัน มันจะกระจัดกระจายไปตามสนามโน้มถ่วง กลายเป็นอนุภาคที่เคลื่อนที่ไปข้างหน้าตามเวลาและหนีออกจากหลุมดำ หากเป็นสมาชิกของอนุภาคของคู่เสมือนที่ตกลงไปในหลุม เราอาจมองว่ามันเป็นปฏิอนุภาคที่ย้อนเวลากลับไปและออกมาจากหลุมดำ ดังนั้นการแผ่รังสีจากหลุมดำจึงแสดงให้เห็นว่าทฤษฎีควอนตัมช่วยให้สามารถย้อนเวลากลับไปได้ในระดับจุลภาค และการเดินทางข้ามเวลาดังกล่าวสามารถสร้างผลกระทบที่สังเกตได้

ดังนั้นจึงสามารถถามได้ว่า: ทฤษฎีควอนตัมอนุญาตให้มีการเดินทางข้ามเวลาในระดับมหภาคหรือไม่ ในตอนแรกดูเหมือนว่าควร ผลรวมเหนือประวัติศาสตร์ของไฟน์แมน (Feynman’s sum over histories) ควรจะอยู่เหนือประวัติศาสตร์ทั้งหมด ดังนั้นจึงควรรวมถึงประวัติศาสตร์ที่อวกาศ-เวลาบิดเบี้ยวจนสามารถเดินทางสู่อดีตได้ แล้วทำไมเราไม่ยุ่งกับประวัติศาสตร์ล่ะ? ตัวอย่างเช่น สมมุติว่ามีคนกลับไปแล้วให้ความลับเรื่องระเบิดปรมาณูแก่พวกนาซี?

เราจะหลีกเลี่ยงปัญหาเหล่านี้ หากสิ่งที่ผมเรียกว่า การคาดคะเนการป้องกันตามลำดับเหตุการณ์ (chronology protection conjecture) เกิดขึ้น สิ่งนี้บอกว่ากฎของฟิสิกส์สมรู้ร่วมคิดเพื่อป้องกันไม่ให้วัตถุขนาดมหึมานำข้อมูลไปสู่อดีต เช่นเดียวกับการคาดคะเนเซ็นเซอร์ของจักรวาล( cosmic censorship conjecture) ยังไม่ได้รับการพิสูจน์ แต่มีเหตุผลที่จะเชื่อได้ว่าเป็นความจริง

เหตุผลที่เชื่อได้ว่าการป้องกันตามลำดับเวลา (chronology protection) ทำงานอยู่ คือเมื่ออวกาศ-เวลาบิดเบี้ยวมากพอที่จะทำให้การเดินทางสู่อดีตเป็นไปได้ อนุภาคเสมือนที่เคลื่อนที่ในวงปิดในอวกาศ-เวลา สามารถกลายเป็นอนุภาคจริงที่เดินทางไปข้างหน้าตามเวลาที่ความเร็วแสงหรือต่ำกว่า  เนื่องจากอนุภาคเหล่านี้สามารถวนเป็นวงกลมกี่ครั้งก็ได้ พวกมันจึงผ่านแต่ละจุดในเส้นทางของมันหลายครั้ง ดังนั้นพลังงานของพวกมันจึงถูกนับซ้ำแล้วซ้ำอีก และความหนาแน่นของพลังงานก็จะมากขึ้นเรื่อยๆ สิ่งนี้อาจทำให้อวกาศ-เวลามีความโค้งในเชิงบวกซึ่งไม่อนุญาตให้เดินทางสู่อดีต ยังไม่เป็นที่แน่ชัดว่าอนุภาคเหล่านี้จะทำให้เกิดความโค้งเป็นบวกหรือเป็นลบหรือไม่ หรือว่าความโค้งที่เกิดจากอนุภาคเสมือนบางประเภทอาจยกเลิกความโค้งที่เกิดจากชนิดอื่น ดังนั้นความเป็นไปได้ของการเดินทางข้ามเวลายังคงเปิดอยู่ แต่ผมจะไม่เดิมพันกับมัน

 

 

Lauv – Kids Are Born Stars

 

 

การเดินทางข้ามเวลาเป็นไปได้ด้วย “รูหนอน”

ในปี 1935 ไอน์สไตน์ (Einstein) และนักฟิสิกส์ นาธาน โรเซ็น (Nathan Rosen) ทำงานร่วมกันในการใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (Theory of general relativity; 1915) อธิบายความคิดโดยละเอียดเกี่ยวกับการดำรงอยู่ของ “สะพานพิเศษ” ผ่านอวกาศ-เวลา (space-time) สะพานเหล่านี้เชื่อมจุดสองจุดที่อยู่ห่างไกลกันในจักรวาล เป็นทางลัดที่สามารถย่นเวลาและระยะทางในการเดินทาง เรียกว่า “สะพานไอน์สไตน์ – โรเซ็น (Einstein-Rosen bridges)” หรือ รูหนอน (wormholes)

ปัจจุบันรูหนอนเป็นเพียงโครงสร้างเชิงทฤษฎีที่ได้มาจากสมการคณิตศาสตร์ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ยังไม่มีหลักฐานหรือการทดลองใดที่พิสูจน์การมีอยู่ของพวกมัน

 

จากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (Theory of general relativity; 1915) ไอน์สไตน์กล่าวว่า อวกาศ-เวลา หรือ space-time ก็เหมือนเส้นใยผ้าที่ถักทอเป็นผืนผ้า (fabric) ในอวกาศที่ว่างเปล่า space-time fabric จะแบนราบเรียบ แต่ในบริเวณที่ปรากฎมวลสารขนาดใหญ่หรือพลังงานอันยิ่งใหญ่ จะทำให้ space-time fabric เกิดการบิดเบี้ยวหรือโค้งงอ

 

ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ไอน์สไตน์ใช้สมการคณิตศาสตร์ทำนายการมีอยู่ของรูหนอนในจักรวาล มันเป็นโครงสร้างสมมุติฐานในทางทฤษฎี ไอน์สไตน์คิดว่ามันเป็นไปได้ที่ space-time fabric บริเวณหลุมดำ 2 หลุมถูกพับด้วยพลังงานอันยิ่งใหญ่ สร้างทางลัดระหว่างสองสถานที่ที่ห่างไกลกันในจักรวาล ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า รูหนอน (wormholes) และสามารถมองเห็นเป็นอุโมงค์ที่มีช่องเปิดสองช่อง สสารสามารถเดินทางจากปากของหลุมดำหนึ่งผ่านคอไปออกทางปากของอีกหลุมดำ ทำให้นักเดินทางสามารถเคลื่อนที่ผ่านระยะทางไกลๆ ในอวกาศได้อย่างรวดเร็วและเดินทางข้ามเวลา

แต่ปัญหาอยู่ที่ความมั่นคงของรูหนอน แม้รูหนอนจะปรากฎขึ้น มันก็อาจจะยุบตัวหายไปก่อนที่ยานอวกาศจะเดินทางเข้าไปข้างใน เนื่องจากความโน้มถ่วง (gravity) ในคอขวดของรูหนอนจะสูงมาก วิธีเดียวที่พวกเขาสามารถผ่านได้ คือ ทำให้รูหนอนมีความเสถียร การทำให้รูหนอนเปิดตลอดเวลาในขณะที่นักเดินทางกำลังเดินทางผ่าน จำเป็นต้องมี “สสารแปลกใหม่ (exotic matter)” ซึ่งเป็นสสารสมมุติในทางทฤษฎี ที่มีมวลและพลังงานเป็นลบ (negative mass-energy) และปัจจุบันยังไม่มีหลักฐานที่จะพิสูจน์ว่ามันมีอยู่จริง

สสาร (matter) ปฎิสสาร (anti-matter) และแม้แต่สสารมืด (dark-matter) มีมวลและพลังงานเป็นบวก (positive mass-energy) หมายความว่า มันจะโค้งงอ space-time แต่สำหรับสสารแปลกใหม่ (exotic matter) เป็นสิ่งที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิง – ให้จินตนาการถึง space-time ที่ถัดทอเป็นผืนผ้าแทนด้วยแทรมโพลีน  ทุกอย่างที่มีมวลเป็นบวกเช่น ลูกบาสเกตบอลจะทำให้แทรมโพลีนโค้งงอลง ในขณะที่ exotic matter จะดึงแทรมโพลีนขึ้น มันเป็นสสารชนิดใหม่ที่ไม่ได้อยู่ในกฎความโน้มถ่วง มันมีมวลและพลังงานเชิงลบ (negative mass-energy)  เช่น การเร่งในทิศทางตรงกันข้ามกับแรงที่ใช้ ในขณะที่ความโน้มถ่วงทำให้ space-time fabric เป็นหลุมยุบลงไป แต่ในทางตรงข้าม exotic matter จะทำให้ space-time fabric เด้งกลับมาเปิดทันที ดังนั้นมันจึงรักษาความมั่นคงของรูหนอนไว้ได้!

 

จบบทที่ 10