ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#23 บทที่ 3 จักรวาลที่กำลังขยายตัว : ทฤษฎีบิกแบง vs. ทฤษฎีสภาวะคงที่

แบบจำลองของฟรีดมันน์ทั้งหมดทั้งหมดมีคุณสมบัติที่ว่าในอดีต (ระหว่างสิบถึงสองหมื่นล้านปีก่อน) ระยะห่างระหว่างกาแล็กซีใกล้เคียงต้องเป็นศูนย์ ในเวลานั้นที่เราเรียกว่า “บิกแบง”ความหนาแน่นของจักรวาลและความโค้งของเวลา-อวกาศจะไม่มีที่สิ้นสุด เนื่องจากคณิตศาสตร์ไม่สามารถจัดการกับจำนวนอนันต์ได้จริงๆ จึงหมายความว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (ซึ่งเป็นพื้นฐานของการแก้ปัญหาของฟรีดมันน์) จึงทำนายว่ามีจุดหนึ่งในจักรวาลที่กฎของวิทยาศาสตร์พังทลายลง นักคณิตศาสตร์เรียกจุดนี้ว่า “singularity”

ในความเป็นจริงทฤษฎีทางวิทยาศาสตร์ทั้งหมดของเราถูกกำหนดขึ้นจากสมมติฐานที่ว่าเวลา-อวกาศนั้นราบเรียบและเกือบจะแบน ดังนั้นพวกมันจึงแยกย่อยออกจากความเป็น singularity ของบิกแบงซึ่งความโค้งของเวลา-อวกาศนั้นไม่มีที่สิ้นสุด ซึ่งหมายความว่าแม้ว่าจะมีเหตุการณ์เกิดขึ้นก่อนบิกแบง แต่ก็ไม่สามารถใช้เหตุการณ์เหล่านี้เพื่อกำหนดสิ่งที่จะเกิดขึ้นหลังจากนั้นได้ เนื่องจากการคาดการณ์จะพังทลายลงที่บิกแบง

ในทำนองเดียวกัน ถ้าเป็นเช่นนั้นเรารู้เพียงสิ่งที่เกิดขึ้นนับตั้งแต่เกิดบิกแบง เราไม่สามารถระบุได้ว่าเกิดอะไรขึ้นล่วงหน้า เท่าที่เรากังวลเหตุการณ์ก่อนเกิดบิกแบงอาจไม่มีผลตามมา ดังนั้นจึงไม่ควรเป็นส่วนหนึ่งของแบบจำลองทางวิทยาศาสตร์ของจักรวาล เราจึงควรตัดพวกมันออกจากแบบจำลองและบอกว่า “เวลานั้นมีจุดเริ่มต้นที่บิกแบง”

universetoday.com

นับตั้งแต่นักวิทยาศาสตร์ค้นพบการมีอยู่ของหลุมดำในจักรวาลของเราเป็นครั้งแรก เราทุกคนต่างก็สงสัยว่าจะมีอะไรอยู่นอกเหนือจากความว่างเปล่าอันน่ากลัวนั้นได้? นอกจากนี้นับตั้งแต่มีการเสนอทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเป็นครั้งแรก นักวิทยาศาสตร์สงสัยว่ามีอะไรเกิดขึ้นก่อนการกำเนิดของจักรวาล – ก่อนเกิดบิกแบง? ที่น่าสนใจก็คือคำถามสองข้อนี้ได้รับการแก้ไขแล้ว ด้วยการดำรงอยู่ในทางทฤษฎีของสิ่งที่เรียกว่า “Singularity”  ซึ่งถูกทำนายครั้งแรกอันเป็นผลมาจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์

ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป บอกเราว่าจักรวาลที่ขยายตัวเริ่มต้นจากจุดที่เล็กมากที่เรียกว่า “Singularity” ซึ่งเป็นจุดที่สสารและพลังงานทั้งหมดถูกอัดแน่นด้วยแรงกดดันที่รุนแรงจนมีขนาดเล็กมากแบบไม่มีที่สิ้นสุด มีความหนาแน่นมากและความโน้มถ่วงแบบไม่มีที่สิ้นสุด และมีความร้อนสูงมากแบบไม่มีที่สิ้นสุดเช่นกัน (infinitely small, infinitely dense, infinitely gravity, infinitely hot) กฎทางฟิสิกส์ต่างๆ ไม่สามารถใช้อธิบายปรากฎการณ์ในช่วงนี้ได้ และนักวิทยาศาสตร์เชื่อว่ามี singularity อยู่ในใจกลางของบรรดาหลุมดำในจักรวาล

ต่อมามีการระเบิดของ Singularity อย่างรุนแรง การระเบิดครั้งใหญ่นี้มีชื่อว่า “บิกแบง (Big Bang)” ทำให้สสารและพลังงานที่เคยถูกบีบอัดรวมตัวอยู่กันอย่างหนาแน่นใน Singularity มีการกระจายตัวออกไปทุกทิศทุกทาง การเกิดจักรวาลจึงนับเวลาตั้งแต่การระเบิด Big Bang เมื่อ 13.8 พันล้านปีก่อน

Usher – No Limit ft. Young Thug

หลายคนไม่ชอบความคิดที่ว่าเวลามีจุดเริ่มต้น อาจเป็นเพราะการแทรกแซงของพระเจ้าได้รับผลกระทบ (ในทางกลับกันคริสตจักรคาทอลิกยึดแบบจำลองบิกแบง และในปี 1951 ได้ประกาศอย่างเป็นทางการให้เป็นไปตามพระคัมภีร์) ดังนั้นจึงมีความพยายามหลายประการที่จะหลีกเลี่ยงข้อสรุปที่ว่ามีบิกแบง

ในปี 1948 ผู้ลี้ภัยสองคนจากออสเตรียที่ถูกยึดครองโดยนาซี คือ เฮอร์มันน์ บอนดี (Hermann Bondi; 1919-2005) และโทมัส โกลด์ (Thomas Gold; 1920-2004) ร่วมกับเฟรด ฮอยล์ (Fred Hoyle; 1915-2001) ชาวอังกฤษซึ่งเคยทำงานร่วมกับพวกเขาในการพัฒนาเรดาร์ในช่วงสงคราม ได้นำเสนอทฤษฎีสภาวะคงที่ “Steady State Theory” แนวคิดก็คือในจักรวาลที่กำลังขยายตัว ความหนาแน่นของสสารมีค่าคงที่ไม่เปลี่ยนแปลง นั่นคือในขณะที่จักรวาลกำลังขยายตัว ดวงดาวและกาแล็กซี่เก่าเคลื่อนตัวออกจากกัน ความหนาแน่นของสสาร ณ บริเวณนั้นจะลดลง ขณะเดียวกันมีการสร้างสสารใหม่เกิดขึ้นเพื่อเติมเต็มในพื้นที่ว่าง ในอัตราที่ทำให้ความหนาแน่นของสสารในบริเวณนั้นเหมือนเดิม

ทฤษฎีสภาวะคงที่จำเป็นต้องมีการปรับเปลี่ยนทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป เพื่อให้สามารถสร้างสสารได้อย่างต่อเนื่อง แต่อัตราที่เกี่ยวข้องนั้นต่ำมาก (ประมาณหนึ่งอนุภาคต่อลูกบาศก์กิโลเมตรต่อปี) ซึ่งไม่ขัดแย้งกับการทดลอง ทฤษฎีนี้เป็นทฤษฎีทางวิทยาศาสตร์ที่ดี ตามความหมายที่อธิบายไว้ในบทที่ 1: มันง่ายและทำให้เกิดการคาดเดาที่ชัดเจนซึ่งสามารถทดสอบได้โดยการสังเกต หนึ่งในการคาดการณ์เหล่านี้คือจำนวนของกาแล็กซี่หรือวัตถุที่คล้ายกันในปริมาตรใดๆ ควรเท่ากันทุกที่และทุกเวลาที่เรามองไปในจักรวาล

ในช่วงปลายทศวรรษ 1950 และต้นทศวรรษ 1960 การสำรวจแหล่งกำเนิดคลื่นวิทยุจากนอกโลกได้ดำเนินการที่เคมบริดจ์ โดยกลุ่มนักดาราศาสตร์ที่นำโดย มาร์ติน ไรล์ (Martin Ryle; 1918-1984) (ซึ่งเคยทำงานร่วมกับ Bondi, Gold และ Hoyle ในการพัฒนาเรดาร์ในช่วงสงคราม) กลุ่มนักดาราศาสตร์เคมบริดจ์แสดงให้เห็นว่าแหล่งกำเนิดคลื่นวิทยุเหล่านี้ส่วนใหญ่อยู่นอกกาแล็กซี่ของเรา (จริงๆ แล้วหลายแหล่งสามารถระบุได้จากกาแล็กซี่อื่นๆ) และยังมีแหล่งคลื่นวิทยุสัญญาณอ่อนแอ “มากกว่า” แหล่งสัญญาณแข็งแกร่ง พวกเขาตีความว่า แหล่งกำเนิดคลื่นวิทยุสัญญาณอ่อนแอว่าเป็นแหล่งที่อยู่ห่างไกลกว่า และแหล่งที่มีสัญญาณแข็งแกร่งกว่านั้นอยู่ใกล้กว่า จากนั้นดูเหมือนว่าแหล่งกำเนิดคลื่นวิทยุต่อหน่วยปริมาตรของพื้นที่สำหรับแหล่งกำเนิดคลื่นวิทยุที่อยู่ใกล้ “น้อยกว่า” แหล่งกำเนิดคลื่นวิทยุที่อยู่ห่างไกล นี่อาจหมายความว่าเราอยู่ในศูนย์กลางของภูมิภาคที่ยิ่งใหญ่ในจักรวาล ซึ่งแหล่งกำเนิดคลื่นวิทยุมีน้อยกว่าที่อื่น 

อีกวิธีหนึ่งอาจหมายความว่าแหล่งกำเนิดคลื่นวิทยุในอดีตมีจำนวนมากขึ้น ในเวลาที่คลื่นวิทยุเดินทางมาหาเรามากกว่าที่เป็นอยู่ในขณะนี้ คำอธิบายอย่างใดอย่างหนึ่งขัดแย้งกับการคาดการณ์ของทฤษฎีสภาวะคงที่ ยิ่งไปกว่านั้นการค้นพบการแผ่รังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาลโดย Penzias และ Wilson ในปี 1965 ยังชี้ให้เห็นว่าในอดีตจักรวาลจะต้องมีความหนาแน่นมากกว่าปัจจุบัน (ซึ่งเป็นการยืนยันทฤษฎีบิกแบง-ผู้เขียน) ทฤษฎีสภาวะคงที่จึงถูกล้มล้างไป

มันเป็นสิ่งลึกลับว่าจักรวาลเกิดขึ้นได้อย่างไรและเมื่อไรที่จักรวาลจะถึงกาลสิ้นสุด ในช่วงเวลาก่อนการค้นพบรังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล (Cosmic Microwave Background) หรือ CMB มีการตั้งสมมุติฐานที่เรียกว่าแบบจำลองทางดาราศาสตร์เพื่อพยายามค้นหาคำตอบการกำเนิดจักรวาล มีอยู่ 2 แบบจำลอง คือ แบบจำลองบิกแบง (Big Bang Model) และ แบบจำลองสภาวะคงที่ (Steady State Model)

prezi.com

แบบจำลองสภาวะคงที่ (Steady State Model) ที่เสนอโดยนักดาราศาสตร์ เฮอร์มันน์ บอนดี (Hermann Bondi; 1919-2005) และโทมัส โกลด์ (Thomas Gold; 1920-2004) ร่วมกับเฟรด ฮอยล์ (Fred Hoyle; 1915-2001)

ตามแบบจำลองสภาวะคงที่ จักรวาลไม่มีจุดกำเนิดและไม่มีจุดสุดท้าย และคงอยู่ในสภาพนี้ตลอดไป แต่ไม่ใช่ว่าสภาวะต่างๆในจักรวาลจะหยุดนิ่ง จักรวาลมีการเปลี่ยนแปลงไปตามกาลเวลา แต่สภาวะของจักรวาลจะมีค่าคงที่ ในจักรวาลที่กำลังขยายตัว ความหนาแน่นของสสารมีค่าคงที่ไม่เปลี่ยนแปลง นั่นคือในขณะที่จักรวาลกำลังขยายตัว ดวงดาวและกาแลคซีเก่าเคลื่อนตัวออกจากกัน ความหนาแน่นของสสาร ณ บริเวณนั้นจะลดลง ขณะเดียวกันมีการสร้างสสารใหม่เกิดขึ้นเพื่อเติมเต็มในพื้นที่ว่าง ในอัตราที่ทำให้ความหนาแน่นของสสารในบริเวณนั้นเหมือนเดิม แต่ปัจจุบันแนวความคิดนี้ไม่เป็นที่ยอมรับ เนื่องจากหลักฐานเชิงสังเกตุการณ์ต่างๆไปสอดคล้องกับแบบจำลองบิกแบงมากกว่า

แบบจำลองบิกแบง (Big Bang Model) จากหลักฐานที่เป็นผลการสังเกตุการณ์ต่างๆมากมายสนับสนุนแบบจำลองบิกแบงว่า สามารถอธิบายการเกิดจักรวาลได้ดีที่สุด จักรวาลเกิดขึ้นเมื่อ 13.8 พันล้านปีก่อน จากการระเบิดครั้งใหญ่ที่เรียกว่า “บิกแบง” จักรวาลในยุคต้นมีอุณหภูมิและความหนาแน่นสูงมาก จักรวาลมีการขยายตัวอย่างรวดเร็ว ความหนาแน่นของสสารลดลง และเย็นตัวลง หลายล้านปีต่อมามันควบแน่นกลายเป็นกาแล็กซี่ จักรวาลยังคงมีการขยายตัวอย่างต่อเนื่อง และกาแล็กซี่ยังคงเคลื่อนที่ห่างออกไปเรื่อยๆ

trinitycollegechapel.com

ดาราศาสตร์วิทยุ (Radio astronomy) เป็นสาขาย่อยของดาราศาสตร์ที่ศึกษาวัตถุท้องฟ้าที่ความถี่วิทยุ มาร์ติน ไรล์ (Martin Ryle; 1918-1984) เป็นหนึ่งในผู้บุกเบิกดาราศาสตร์วิทยุที่สำคัญที่สุด ก่อนที่จะเริ่มสงครามโลกครั้งที่สอง Ryle ได้เข้าร่วมกับทีมนักวิทยาศาสตร์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีชื่อเสียงในการทำวิจัยด้านเรดาร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับการพัฒนาระบบเรดาร์ในอากาศ เมื่อสงครามโลกสิ้นสุดลง Ryle เข้าร่วมห้องปฏิบัติการ Cavendish ในเคมบริดจ์ ซึ่งเขาเริ่มตรวจสอบการปล่อยคลื่นวิทยุของวัตถุในอวกาศ 

Ryle ตั้งสมมติฐานที่ง่ายที่สุดกล่าวคือแหล่งกำเนิดสัญญาณวิทยุที่อ่อนแอกว่า “อยู่ห่างไกลกว่า” แหล่งกำเนิดของสัญญาณวิทยุที่แรงกว่า ภายในปี 1955 Ryle และเพื่อนร่วมงานของเขาได้ค้นพบแหล่งกำเนิดคลื่นวิทยุเกือบ 2,000 แห่ง เขาพบว่ามีแหล่งกำเนิดสัญญาณวิทยุที่อ่อนแอ “มีมากกว่า” แหล่งกำเนิดของสัญญาณวิทยุที่แข็งแกร่งอย่างมาก กล่าวอีกนัยหนึ่ง ดูเหมือนว่าความหนาแน่นของแหล่งกำเนิดในระยะทางหลายพันล้านปีแสง (และเป็นตัวแทนของจักรวาลเมื่อหลายพันล้านปีก่อน) นั้น “สูงกว่า” ความหนาแน่นปัจจุบันในบริเวณใกล้เคียงมาก เห็นได้ชัดว่าเป็นไปตามแบบจำลองบิกแบง (Big Bang Model)

จากการที่ Martin Ryle แสดงหลักฐานที่ชัดเจนเป็นครั้งแรกว่ามีกาแล็กซี่ที่อยู่ห่างไกลซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดสัญญาณคลื่นวิทยุในอดีต “มีจำนวนมากกว่า” กาแล็กซี่ที่อยู่ไกล้ซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดสัญญาณคลื่นวิทยุในปัจจุบัน นี้หมายความว่าจักรวาลไม่ได้อยู่ในสภาวะคงที่ตามแบบจำลองสภาวะคงที่ (Steady State Model) ที่ความหนาแน่นเฉลี่ยของกาแล็กซี่ควรจะเท่ากันทุกที่และทุกเวลา ในปี 1965 การค้นพบรังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาลโดย Penzias และ Wilson ถือเป็นการตอกตะปูปิดฝาโลงของ Steady State Model

สำหรับ Martin Ryle ได้รับรางวัลโนเบลในปี 1966 สำหรับ “การวิจัยบุกเบิกด้านฟิสิกส์ดาราศาสตร์วิทยุ (Radio astrophysics)”

Calvin Harris – My Way

• Facebook
• Twitter
• Line