Newsletter subscribe
A Brief History of Time

ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#43 บทที่ 6 หลุมดำ : คลื่นความโน้มถ่วงและทฤษฎีบทไม่มีขน

Posted: 01/08/2022 at 08:59   /   A Brief History of Time, Universe

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปทำนายว่าการเคลื่อนที่ของวัตถุมวลมากจะทำให้เกิดคลื่นความโน้มถ่วง (gravitational waves) ที่เดินทางด้วยความเร็วแสง กระเพื่อมเป็นระลอกคลื่นในอวกาศ-เวลา มันคล้ายกับคลื่นแสงซึ่งเป็นระลอกคลื่นของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า แต่คลื่นความโน้มถ่วงจะถูกตรวจจับได้ยากกว่ามาก มีการสร้างเครื่องตรวจจับจำนวนหนึ่งในสหรัฐอเมริกา ยุโรป และญี่ปุ่น ที่มีความยาวแขนเป็นระยะทางมากกว่า 10 ไมล์ ซึ่งถูกออกแบบมาให้สามารถตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของความยาวแขน ที่มีขนาดเล็กกว่าขนาดของนิวเคลียสของอะตอม (หนึ่งในหนึ่งพันล้านล้านล้าน)  เช่นเดียวกับแสง คลื่นความโน้มถ่วงจะนำพาพลังงานออกจากวัตถุที่ปล่อยออกมา วัตถุเหล่านี้จะค่อยๆ สูญเสียพลังงานเมื่อคลื่นความโน้มถ่วงดึงพลังงานออกจากตัว ในที่สุดพลังงานจะหมดลงและมันจะตกลงสู่สภาวะนิ่ง (มันเหมือนกับการทิ้งจุกก๊อกลงไปในน้ำ: ในตอนแรกมันจะกระดกขึ้นลงมาก แต่เมื่อระลอกคลื่นพัดพาพลังงานออกไป มันก็จะตกลงสู่สภาพนิ่ง) ยกตัวอย่างเช่น การเคลื่อนที่ของโลกที่โคจรรอบดวงอาทิตย์จะปลดปล่อยคลื่นความโน้มถ่วงออกมาซึ่งนำพาพลังงานออกมาด้วย ผลกระทบของการสูญเสียพลังงานทำให้วงโคจรของโลกเกิดการเปลี่ยนแปลง ค่อยๆ เข้าใกล้ดวงอาทิตย์มากขึ้นเรื่อยๆ จนในที่สุดโลกชนกับดวงอาทิตย์ และตกลงสู่สภาวะนิ่ง อัตราการสูญเสียพลังงานในกรณีของโลกและดวงอาทิตย์นั้นต่ำมาก—ปริมาณพลังงานที่ปล่อยออกมานั้นเพียงพอสำหรับการทำงานของเครื่องใช้ไฟฟ้าขนาดเล็ก ซึ่งหมายความว่าจะใช้เวลาประมาณหนึ่งพันล้านล้านล้านปีกว่าที่โลกจะวิ่งเข้าหาดวงอาทิตย์ ดังนั้นจึงไม่มีเหตุผลที่ต้องกังวลในขณะนี้! การเปลี่ยนแปลงในวงโคจรของโลกนั้นช้าเกินกว่าที่จะสังเกตได้ แม้ว่าไอน์สไตน์ทำนายการมีอยู่ของคลื่นความโน้มถ่วงในปี 1915 แต่ยังไม่มีการค้นพบหลักฐานของการมีอยู่ของคลื่นนี้ จนกระทั่งในปี 1974 J. H. Taylor และ R. A. Hulse นักดาราศาสตร์สองคนสามารถตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงด้วยวิธีทางอ้อมได้เป็นครั้งแรก เขาทั้งสองค้นพบระบบดาวคู่ PSR 1913+16 (PSR ย่อมาจาก “pulsar” […]

No Comments read more

ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#42 บทที่ 6 หลุมดำ : สมมติฐานการเซ็นเซอร์จักรวาล

Posted: 01/07/2022 at 11:41   /   A Brief History of Time, Universe

งานที่โรเจอร์ เพนโรส (Roger Penrose) และผมร่วมกันศึกษาในระหว่างปี 1965 ถึง 1970 ได้แสดงให้เห็นว่า ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (Theory of general relativity) จะต้องมีความหนาแน่นและความโค้งของอวกาศ-เวลาเป็นอนันต์ที่ภาวะเอกฐาน (singularity) ในใจกลางหลุมดำ สถาวะนี้คล้ายคลึงกับจุดเริ่มต้นของเวลาที่บิกแบง แต่เป็นจุดสิ้นสุดของเวลาสำหรับดวงดาวและนักบินอวกาศที่ยุบตัวลงที่ภาวะเอกฐาน ที่นี้กฎแห่งวิทยาศาสตร์และความสามารถของเราในการทำนายอนาคตได้พังทลายลง อย่างไรก็ตาม ผู้สังเกตการณ์ที่ยังคงอยู่นอกหลุมดำจะไม่ได้รับผลกระทบ เนื่องจากแสงหรือสัญญาณอื่นใดไม่สามารถหลบหนีจากภาวะเอกฐานมาถึงเขาได้ ข้อเท็จจริงที่น่าทึ่งนี้ทำให้ โรเจอร์ เพนโรส เสนอ “สมมติฐานการเซ็นเซอร์จักรวาล (Cosmic censorship hypothesis)” ซึ่งอาจตีความได้ว่า “พระเจ้าเกลียดชังภาวะเอกฐานเปลือย (naked singularity)” กล่าวอีกนัยหนึ่ง ภาวะเอกฐานที่เกิดจากการยุบตัวของมวลโดยแรงโน้มถ่วงในใจกลางหลุมดำ ถูกซ่อนจากมุมมองที่อยู่ภายนอกขอบฟ้าเหตุการณ์ (event horizon) นี่คือสิ่งที่เรียกว่า “สมมติฐานการเซ็นเซอร์จักรวาลที่อ่อนแอ (Weak cosmic censorship hypothesis)”: มันปกป้องผู้สังเกตการณ์ที่อยู่นอกหลุมดำจากผลที่เกิดจากการพังทลายของการคาดการณ์ที่เกิดขึ้นที่ภาวะเอกฐาน แต่มันไม่ปกป้องนักบินอวกาศที่โชคร้ายที่ตกเข้าไปในหลุมดำ มีวิธีแก้สมการในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปบางข้อ ซึ่งเป็นไปได้ที่นักบินอวกาศของเราจะมองเห็นภาวะเอกฐานเปลือย (naked singularity): เขาอาจจะสามารถหลีกเลี่ยงการตกไปชนกับภาวะเอกฐาน (singularity) โดยตกเข้าไปใน […]

No Comments read more

ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#41 บทที่ 6 หลุมดำ : ผลงานของออพเพนไฮเมอร์

Posted: 22/01/2022 at 10:35   /   A Brief History of Time, Universe

จันทรเสกขาร์ได้แสดงให้เห็นว่าหลักการกีดกันไม่สามารถหยุดการยุบตัวของดาวฤกษ์ที่มีมวลมากเกินกว่าขีดจำกัดของจันทรเสกขาร์ได้ (Chandrasekhar limit) แต่ปัญหาของการทำความเข้าใจว่าจะเกิดอะไรขึ้นกับดาวดวงนั้นตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ผลงานในปี 1939 ของหนุ่มชาวอเมริกัน โรเบิร์ต ออพเพนไฮเมอร์ (Robert Oppenheimer) ได้นำแนวคิดนี้ไปไกลกว่านี้ แม้ว่าทฤษฎีของเขาจะไม่สามารถพิสูจน์ด้วยกล้องโทรทรรศน์ในสมัยของเขาได้ จากนั้นสงครามโลกครั้งที่สองก็เกิดขึ้นและออพเพนไฮเมอร์เองก็มีส่วนเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดในโครงการระเบิดปรมาณู หลังสงคราม ปัญหาการยุบตัวของแรงโน้มถ่วงถูกลืมไป เนื่องจากนักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่ศึกษาสิ่งที่เกิดขึ้นในระดับอะตอมและนิวเคลียสของอะตอม อย่างไรก็ตาม ในทศวรรษที่ 1960 ความสนใจในปัญหาใหญ่ของดาราศาสตร์และจักรวาลวิทยาก็ฟื้นขึ้นมาอีกครั้ง จากการเพิ่มขึ้นอย่างมากของการสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์ที่เกิดจากการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีสมัยใหม่ งานของออพเพนไฮเมอร์ถูกค้นพบและถูกเผยแพร่ออกไปโดยผู้คนจำนวนมาก   ภาพที่เรามีตอนนี้จากผลงานของออพเพนไฮเมอร์มีดังนี้ สนามความโน้มถ่วงของดาวฤกษ์เปลี่ยนเส้นทางของรังสีแสงในอวกาศ-เวลา กรวยแสง (light cones) ซึ่งระบุเส้นทางที่ตามมาในอวกาศและเวลา โดยแสงวาบที่เปล่งออกมาจากปลายของพวกมัน จะโค้งงอเข้าด้านในเล็กน้อยใกล้กับพื้นผิวของดาวฤกษ์ สิ่งนี้สามารถเห็นได้จากการโก่งตัวของแสงจากดวงดาวที่อยู่ห่างไกลซึ่งสังเกตได้ในช่วงสุริยุปราคา เมื่อดาวหดตัว สนามโน้มถ่วงที่พื้นผิวของมันจะแรงขึ้นและกรวยแสงจะโค้งเข้าด้านในมากขึ้น ซึ่งทำให้แสงจากดาวหลบหนีได้ยากขึ้น และแสงจะหรี่ลงและแดงขึ้นสำหรับผู้สังเกตจากระยะไกล ในที่สุด เมื่อดาวหดตัวถึงรัศมีวิกฤต สนามโน้มถ่วงที่พื้นผิวจะรุนแรงมากจนโคนแสงโค้งเข้าด้านในมากจนแสงไม่สามารถหลบหนีได้อีกต่อไป (รูปที่ 6.1)  ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพ ไม่มีสิ่งใดเดินทางได้เร็วกว่าแสง ดังนั้นหากแสงไม่สามารถหลบหนีได้ ทุกอย่างถูกดึงกลับโดยสนามโน้มถ่วง จึงมีชุดของเหตุการณ์ ขอบเขตของอวกาศ-เวลา ซึ่งเป็นไปไม่ได้ที่จะหลบหนีไปถึงผู้สังเกตการณ์ที่อยู่ห่างไกลได้ บริเวณนี้เป็นสิ่งที่เราเรียกว่าหลุมดำ ขอบเขตของมันถูกเรียกว่าขอบฟ้าเหตุการณ์ (event horizon) และมันเกิดขึ้นพร้อมกับเส้นทางของรังสีแสงที่ไม่สามารถหนีจากหลุมดำได้   เพื่อที่จะเข้าใจสิ่งที่คุณจะได้เห็น […]

No Comments read more

ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#40 บทที่ 6 หลุมดำ : ขีดจำกัดจันทรเสกขาร์

Posted: 11/12/2021 at 08:19   /   A Brief History of Time, Universe

เพื่อทำความเข้าใจว่าหลุมดำก่อตัวได้อย่างไร เราต้องเข้าใจวงจรชีวิตของดาวเสียก่อน ดาวฤกษ์ก่อตัวขึ้นเมื่อก๊าซจำนวนมาก (ส่วนใหญ่เป็นไฮโดรเจน) เริ่มยุบตัวภายใต้แรงโน้มถ่วงของตัวมันเอง ขณะที่หดตัว อะตอมของก๊าซจะชนกันบ่อยขึ้นเรื่อยๆ และเร็วขึ้นเรื่อยๆ ก๊าซจะร้อนขึ้น ในที่สุดก๊าซจะร้อนมาก จนเมื่ออะตอมของไฮโดรเจนชนกัน พวกมันจะไม่กระเด้งออกจากกันอีกต่อไป แต่จะหลอมรวมตัวกันเป็นฮีเลียมแทน ความร้อนที่ปล่อยออกมาในปฏิกิริยานี้ ซึ่งเหมือนกับการระเบิดของระเบิดไฮโดรเจน เป็นสิ่งที่ทำให้ดาวส่องแสง นอกจากนี้ ความร้อนที่เพิ่มขึ้นนี้ยังไปเพิ่มแรงดันของก๊าซ ซึ่งจะไปต้านทานแรงโน้มถ่วง เมื่อแรงโน้มถ่วงสมดุลกับความดันก๊าซทั้งหมด การยุบตัวของดาวจึงยุติลง คล้ายกับบอลลูน—มีความสมดุลระหว่างความดันของอากาศภายในซึ่งพยายามทำให้บอลลูนขยายตัว กับความตึงเครียดในยางซึ่งพยายามทำให้บอลลูนมีขนาดเล็กลง ดวงดาวจะคงสภาพเช่นนี้ไปอีกนาน โดยความร้อนจากปฏิกิริยานิวเคลียร์จะสมดุลกับแรงโน้มถ่วง อย่างไรก็ตาม ในที่สุดดาวฤกษ์ก็จะหมดพลังงานไฮโดรเจนและเชื้อเพลิงนิวเคลียร์อื่นๆ ยิ่งดาวใช้เชื้อเพลิงมากเท่าไหร่ ก็ยิ่งหมดเร็วขึ้นเท่านั้น เนื่องจากยิ่งดาวมีมวลมากเท่าใด ดาวฤกษ์ยิ่งต้องร้อนมากเท่านั้น เพื่อสร้างสมดุลกับแรงโน้มถ่วงของดาว และยิ่งร้อนมากเท่าไหร่ เชื้อเพลิงก็ยิ่งหมดเร็วขึ้นเท่านั้น ดวงอาทิตย์ของเราน่าจะมีเชื้อเพลิงเพียงพอสำหรับอีกห้าพันล้านปีหรือมากกว่านั้น แต่ดาวมวลสูงสามารถใช้เชื้อเพลิงหมดได้ในเวลาเพียงหนึ่งร้อยล้านปี ซึ่งน้อยกว่าอายุของจักรวาลมาก เมื่อดาวฤกษ์หมดเชื้อเพลิง มันจะเริ่มเย็นลงและหดตัวลง  สามารถอ่านการกำเนิดและวงจรชีวิตของดาวฤกษ์ได้ในบทความข้างล่างนี้ กำเนิดและวิวัฒนาการของจักรวาล#28 การกำเนิดและวงจรชีวิตของดาวฤกษ์     Diane Warren, G-Eazy and Santana – She’s Fire     ในปี […]

No Comments read more

ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#39 บทที่ 6 หลุมดำ : ดาวมืด

Posted: 19/11/2021 at 11:14   /   A Brief History of Time, Universe

คำว่าหลุมดำมีต้นกำเนิดมาไม่นาน มันถูกประกาศในปี 1969 โดยนักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกัน จอห์น วีลเลอร์ (John Wheeler) เพื่อเป็นคำอธิบายภาพเกี่ยวกับแนวคิดที่ย้อนกลับไปอย่างน้อยสองร้อยปี จนถึงช่วงเวลาที่มีทฤษฎีเกี่ยวกับแสงสองทฤษฎี ทฤษฎีหนึ่งของนิวตัน – แสงประกอบด้วยอนุภาค; อีกทฤษฎีหนึ่ง – แสงสร้างมาจากคลื่น ตอนนี้เรารู้แล้วว่าจริง ๆ แล้วทั้งสองทฤษฎีนั้นถูกต้อง ทวิภาคของคลื่น–อนุภาค (wave/particle duality) ของกลศาสตร์ควอนตัม ถือได้ว่าแสงเป็นทั้งคลื่นและอนุภาค  ภายใต้ทฤษฎีที่ว่าแสงเป็นคลื่น ยังไม่ชัดเจนว่าแสงจะตอบสนองต่อความโน้มถ่วงอย่างไร แต่ถ้าแสงประกอบด้วยอนุภาค พวกมันจะได้รับผลกระทบจากแรงโน้มถ่วงในลักษณะเดียวกับลูกกระสุนปืนใหญ่ จรวด และดาวเคราะห์ ตอนแรกผู้คนคิดว่าอนุภาคของแสงเดินทางด้วยความเร็วอย่างไม่มีที่สิ้นสุด ดังนั้นแรงโน้มถ่วงจะไม่สามารถทำให้พวกมันช้าลงได้ แต่การค้นพบโดย โรเมอร์ (Roemer) ที่ว่าแสงเดินทางด้วยความเร็วจำกัดหมายความว่าความโน้มถ่วงอาจมีผลกระทบที่สำคัญ   จากข้อสันนิษฐานนี้ จอห์น มิเชลล์ (John Michell) แห่งเคมบริดจ์ ดอน เขียนบทความในปี 1783 ซึ่งตีพิมพ์โดยราชสมาคมแห่งลอนดอน เขาชี้ให้เห็นว่าดาวฤกษ์ที่มีมวลและความหนาแน่นเพียงพอจะมีสนามโน้มถ่วงที่แรงมากจนแสงไม่สามารถหลบหนีได้ แสงใดๆ ที่เปล่งออกมาจากพื้นผิวของดาวฤกษ์จะถูกดึงกลับโดยแรงดึงดูดของดาวฤกษ์ก่อนที่มันจะไปได้ไกล มิเชลล์แนะนำว่าอาจมีดาวแบบนี้เป็นจำนวนมาก แม้ว่าเราจะมองไม่เห็นพวกมัน เพราะแสงจากพวกมันไม่มาถึงเรา แต่เราอาจรับรู้ถึงแรงดึงดูดของพวกมัน วัตถุดังกล่าวเป็นสิ่งที่เราเรียกว่า […]

No Comments read more

ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#38 บทที่ 5 อนุภาคมูลฐานและแรงแห่งธรรมชาติ : สมมาตร CPT

Posted: 10/11/2021 at 11:15   /   A Brief History of Time, Universe

แม้ว่าการสังเกตการสลายตัวของโปรตอนที่เกิดขึ้นเองทำได้ยาก แต่ก็อาจเป็นไปได้ว่าการมีอยู่ของมนุษย์เราเป็นผลมาจากกระบวนการย้อนกลับของการผลิตโปรตอน หรือพูดง่ายๆ ก็คือ ของควาร์ก จักรวาลเริ่มต้นด้วยการมีจำนวนควาร์กและแอนติคาวร์กเท่ากัน สสารบนโลกประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนเป็นส่วนใหญ่ซึ่งประกอบขึ้นจากควาร์ก ไม่มีแอนติโปรตอนหรือแอนตินิวตรอนที่สร้างขึ้นจากแอนติควาร์ก ยกเว้นบางตัวที่นักฟิสิกส์สร้างขึ้นมาในเครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่ เรามีหลักฐานจากรังสีคอสมิกว่าไม่มีแอนติโปรตอนหรือแอนตินิวตรอนในกาแล็กซี่ของเรา ยกเว้นคู่ของอนุภาค/ปฏิอนุภาคจำนวนเล็กน้อยที่ถูกสร้างขึ้นในการชนกันที่พลังงานสูงในเครื่องเร่งอนุภาค หากจักรวาลของเรามีปฏิสสารจำนวนมาก เราจะพบการแผ่รังสีในปริมาณมากที่มีผลมาจากการชนกันของสสารกับปฏิสสาร ทำลายล้างซึ่งกันและกันและปล่อยพลังงานออกมา   เราไม่มีหลักฐานโดยตรงว่าสสารในกาแล็กซี่อื่นประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนหรือแอนติโปรตอนและแอนตินิวตรอนหรือไม่ แต่จะต้องเป็นอย่างใดอย่างหนึ่งเท่านั้น ไม่สามารถมีองค์ประกอบผสมในกาแล็กซี่เดียวกันได้ การศึกษาทำได้โดยสังเกตการแผ่รังสีจำนวนมากจากการทำลายล้างของสสารกับปฏิสสาร ดังนั้นเราจึงเชื่อว่ากาแล็กซี่ทั้งหมดประกอบด้วยควาร์กมากกว่าแอนติควาร์ก ดูเหมือนไม่น่าเป็นไปได้ที่กาแล็กซี่บางแห่งจะมีทั้งมีสสารและปฏิสสารอยู่ด้วยกัน   ทำไมจึงควรมีควาร์กมากกว่าแอนติควาร์กเป็นจำนวนมาก? ทำไมควาร์กและแอนติควาร์กมีจำนวนไม่เท่ากัน? นับว่าโชคดีสำหรับเราที่ตัวเลขไม่เท่ากัน เพราะหากพวกมันเท่ากัน ควาร์กและแอนติควาร์กเกือบทั้งหมดจะทำลายล้างกันและกันในจักรวาลยุคแรกและปล่อยให้จักรวาลเต็มไปด้วยรังสี แทบจะไม่มีสสารอะไรเลย จากนั้นจะไม่มีกาแล็กซี ดาวฤกษ์ หรือดาวเคราะห์ใดๆ ที่ชีวิตมนุษย์สามารถพัฒนาได้ โชคดีที่ทฤษฎีเอกภาพที่ยิ่งใหญ่ (Grand unified theories; GUTs) อาจให้คำอธิบายว่าเหตุใดจักรวาลจึงควรมีควาร์กมากกว่าแอนติควาร์ก แม้ว่าจักรวาลจะเริ่มด้วยจำนวนที่เท่ากันของควาร์กและแอนติควาร์ก ดังที่เราได้เห็นแล้ว GUTs ยอมให้ควาร์กเปลี่ยนเป็นแอนติอิเล็กตรอน (positron) ที่พลังงานสูง GUTs ยังอนุญาตให้มีกระบวนการย้อนกลับ แอนติควาร์กเปลี่ยนเป็นอิเล็กตรอน และอิเล็กตรอนและแอนติอิเล็กตรอนเปลี่ยนเป็นแอนติควาร์กและควาร์ก มีช่วงเวลาหนึ่งในจักรวาลยุคแรกๆ ที่มันร้อนมากจนมีพลังงานสูงเพียงพอสำหรับการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ แต่ทำไมสิ่งนี้ถึงนำไปสู่ควาร์กมากกว่าแอนติควาร์ก? เหตุผลก็คือกฎของฟิสิกส์ใช้ไม่ได้กับอนุภาคและปฏิอนุภาคในลักษณะเดียวกัน ส่งผลให้เกิดความไม่สมดุลที่เราเห็นในปัจจุบัน ผู้เขียน : […]

No Comments read more

ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#37 บทที่ 5 อนุภาคมูลฐานและแรงแห่งธรรมชาติ : ทฤษฎีเอกภาพที่ยิ่งใหญ่

Posted: 03/11/2021 at 10:35   /   A Brief History of Time, Universe

รูปที่ 5.2 แสดงภาพถ่ายของการชนกันระหว่างโปรตอนพลังงานสูงกับแอนติโปรตอน ความสำเร็จของการรวมตัวของแรงแม่เหล็กไฟฟ้าและแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน ทำให้เกิดความพยายามที่จะรวมแรงทั้งสองนี้เข้ากับแรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม จนกลายเป็นสิ่งที่เรียกว่า ทฤษฎีเอกภาพที่ยิ่งใหญ่ (หรือ GUTs) ชื่อนี้ค่อนข้างเกินจริง: ทฤษฎีนี้ไม่ได้ยิ่งใหญ่ขนาดนั้น และไม่ได้รวมเป็นหนึ่งเดียวอย่างสมบูรณ์ เนื่องจากไม่ได้รวมแรงโน้มถ่วงเข้าไปด้วย และไม่ใช่ทฤษฎีที่สมบูรณ์จริงๆ เพราะมีค่าพารามิเตอร์จำนวนหนึ่งซึ่งไม่สามารถทำนายจากทฤษฎีนี้ได้ แต่ต้องเลือกให้เหมาะสมกับการทดลอง อย่างไรก็ตาม สิ่งเหล่านี้อาจเป็นขั้นตอนหนึ่งสู่ทฤษฎีที่สมบูรณ์และเป็นหนึ่งเดียวอย่างสมบูรณ์ แนวคิดพื้นฐานของ GUTs มีดังนี้: ดังที่ได้กล่าวไว้ข้างต้น แรงนิวเคลียร์อย่างเข้มจะอ่อนลงเมื่อมีพลังงานสูง ในทางกลับกัน แรงแม่เหล็กไฟฟ้าและแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อนจะแข็งแกร่งขึ้นด้วยพลังงานสูง ที่พลังงานที่สูงมากซึ่งเรียกว่าพลังงานการรวมตัวครั้งใหญ่ แรงทั้งสามนี้จะมีความแข็งแกร่งเท่ากัน และอาจเป็นเพียงแง่มุมที่แตกต่างกันของแรงเดียวกัน GUTs ยังทำนายว่าด้วยพลังงานนี้ อนุภาคสปิน-½ ที่แตกต่างกัน เช่น ควาร์กและอิเล็กตรอน ทั้งหมดจะเหมือนกัน และทำให้เกิดการรวมตัวกัน   ค่าของพลังงานการรวมตัวครั้งใหญ่นั้นไม่เป็นที่ทราบกันดีนัก แต่อาจต้องมีอย่างน้อยหนึ่งพันล้านล้าน GeV เครื่องเร่งอนุภาครุ่นปัจจุบันสามารถชนอนุภาคด้วยพลังงานประมาณหนึ่งร้อย GeV และมีการวางแผนเครื่องจักรที่จะเพิ่มพลังงานเป็นสองสามพัน GeV แต่เครื่องจักรที่มีพลังมากพอที่จะเร่งอนุภาคให้กลายเป็นพลังงานการรวมตัวครั้งใหญ่จะต้องมีขนาดใหญ่เท่ากับระบบสุริยะ—และไม่น่าจะได้รับการสนับสนุนในภาวะเศรษฐกิจปัจจุบัน ดังนั้นจึงเป็นไปไม่ได้ที่จะทดสอบทฤษฎีเอกภาพที่ยิ่งใหญ่ (GUTs) โดยตรงในห้องปฏิบัติการ อย่างไรก็ตาม เช่นเดียวกับในกรณีของทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าและทฤษฎีเอกภาพอย่างอ่อน ที่พลังงานต่ำอาจสามารถทดสอบทฤษฎีนี้ได้   ทฤษฎีเอกภาพที่ยิ่งใหญ่ (GUTs) นักฟิสิกส์กำลังไล่ตามแนวคิดที่ว่าแรงพื้นฐานทั้งสี่อาจมีความเกี่ยวข้องกันและเกิดขึ้นจากแรงเดียวในจักรวาล […]

No Comments read more

ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#36 บทที่ 5 อนุภาคมูลฐานและแรงแห่งธรรมชาติ : แรงพื้นฐานทั้งสี่ – Strong Nuclear Force

Posted: 25/10/2021 at 12:00   /   A Brief History of Time, Universe

แรงประเภทที่สี่คือแรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม ซึ่งยึดควาร์กไว้ด้วยกันในโปรตอนและนิวตรอน และยึดโปรตอนและนิวตรอนไว้ด้วยกันในนิวเคลียสของอะตอม เชื่อกันว่าแรงนี้ถูกพาโดยอนุภาคที่มีสปิน -1 ที่เรียกว่า กลูออน (gluon) ซึ่งมีปฏิสัมพันธ์กับตัวมันเองและกับควาร์กเท่านั้น แรงนิวเคลียร์อย่างเข้มมีคุณสมบัติที่น่าสนใจที่เรียกว่า การกักขัง (confinement) : มันมักจะจับอนุภาคเข้าด้วยกันเป็นองค์ประกอบที่ไม่มีสี ควาร์กไม่สามารถอยู่ตัวเดียวโดยอิสระได้ เพราะมันจะมีสี (แดง เขียว หรือน้ำเงิน) ควาร์กสีแดงกับควาร์กสีเขียวและสีน้ำเงินถูกเชื่อมเข้าด้วยกันโดย “สตริง” ของกลูออน (แดง + เขียว + น้ำเงิน = ขาว) กลายเป็นโปรตอนหรือนิวตรอน ความเป็นไปได้อีกประการหนึ่งคือคู่ที่ประกอบด้วยควาร์กและแอนติควาร์ก (สีแดง + แอนติเรด หรือสีเขียว + แอนติกรีน หรือสีน้ำเงิน + แอนติบลู = สีขาว) การรวมกันของควาร์กและแอนติควาร์กจะสร้างอนุภาคที่ไม่เสถียรที่เรียกว่า มีซอน (mesons) เนื่องจากควาร์กและแอนติควาร์กสามารถทำลายล้างซึ่งกันและกัน ทำให้เกิดอิเล็กตรอนและอนุภาคอื่นๆ ในทำนองเดียวกัน การกักขังจะป้องกันไม่ให้มีกลูออนอยู่เพียงลำพัง เนื่องจากพวกมันมีสีเช่นกัน และอนุภาคจะต้องมีกลูออนที่มีสีรวมกันเป็น “สีขาว” จึงจะคงที่ คอลเล็กชันดังกล่าวก่อให้เกิดอนุภาคที่ไม่เสถียรที่เรียกว่า กลูบอล […]

No Comments read more

ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#35 บทที่ 5 อนุภาคมูลฐานและแรงแห่งธรรมชาติ : แรงพื้นฐานทั้งสี่ – Weak Nuclear Force

Posted: 20/10/2021 at 12:48   /   A Brief History of Time, Universe

แรงประเภทที่สามเรียกว่าแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน ซึ่งมีหน้าที่ในการสลายตัวของธาตุกัมมันตภาพรังสีและกระทำกับอนุภาคที่มีการหมุนหรือสปิน ½ ทั้งหมด แต่ไม่ส่งผลต่ออนุภาคที่มีสปิน 0, 1 หรือ 2 อย่างเช่น โฟตอนและกราวิตอน แรงนิวเคลียร์อย่างอ่อนยังไม่เป็นที่เข้าใจกันจนถึงปี 1967 เมื่อ อับดัส ซาลาม (Abdus Salam) ทำงานที่ Imperial College ณ กรุงลอนดอน และ สตีเวน ไวน์เบิร์ก (Steven Weinberg) ทำงานที่ Harvard university ต่างก็เสนอทฤษฎีที่รวมแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อนกับแรงแม่เหล็กไฟฟ้าเข้าด้วยกัน เช่นเดียวกับที่เจมส์ เคลิร์ก แมกซ์เวลล์ (James Clerk Maxwell) ได้รวมไฟฟ้าและแม่เหล็กเป็นอันหนึ่งอันเดียวกันเมื่อประมาณหนึ่งร้อยปีก่อน  พวกเขาระบุว่านอกจากโฟตอนแล้ว ยังมีอนุภาคที่มีสปิน-1 อีกสามอนุภาค ที่เรียกว่า โบซอน (Bosons) ซึ่งเป็นตัวกลางในการส่งผ่านแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน โบซอนทั้งสามได้แก่ W+ , W– และ Z แต่ละตัวมีมวลประมาณ 100 GeV […]

No Comments read more

ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#34 บทที่ 5 อนุภาคมูลฐานและแรงแห่งธรรมชาติ : แรงพื้นฐานทั้งสี่ – Electromagnetic Force

Posted: 20/09/2021 at 13:07   /   A Brief History of Time, Universe

หมวดหมู่ถัดไปคือแรงแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งทำปฏิกิริยากับอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า เช่น อิเล็กตรอนและควาร์ก แต่ไม่ทำปฏิกิริยากับอนุภาคที่ไม่มีประจุ เช่น กราวิตอน แรงแม่เหล็กไฟฟ้าแข็งแกร่งกว่าแรงโน้มถ่วงมาก: แรงแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่างอิเล็กตรอนสองตัว มีค่าใหญ่กว่าแรงโน้มถ่วง หนึ่งล้านล้านล้านล้านล้านล้านล้าน (1 กับศูนย์สี่สิบสองตัว) เท่า อย่างไรก็ตาม ประจุไฟฟ้ามี 2 แบบ คือ ประจุบวกและประจุลบ หากประจุสองประจุตรงกัน เช่น ประจุบวกกับประจุบวก หรือ ประจุลบกับประจุลบ ประจุทั้งสองจะผลักกัน ในขณะที่ประจุที่ตรงข้ามกันจะดึงดูดกัน วัตถุขนาดใหญ่ เช่น โลกหรือดวงอาทิตย์ มีประจุบวกและประจุลบเกือบเท่ากัน ดังนั้นแรงดึงดูดและแรงผลักระหว่างอนุภาคแต่ละตัวเกือบจะหักล้างกันหมด ทำให้มีแรงแม่เหล็กไฟฟ้าสุทธิน้อยมาก อย่างไรก็ตาม ในระดับอะตอมและโมเลกุล แรงแม่เหล็กไฟฟ้าครอบงำกิจกรรมทั้งหมด แรงดึงดูดทางแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่างอิเล็กตรอนที่มีประจุลบและโปรตอนที่มีประจุบวกในนิวเคลียส ทำให้อิเล็กตรอนโคจรรอบนิวเคลียสของอะตอม เช่นเดียวกับแรงดึงดูดของโลกทำให้โลกโคจรรอบดวงอาทิตย์ แรงดึงดูดทางแม่เหล็กไฟฟ้านั้นเกิดจากการแลกเปลี่ยนโฟตอนเสมือน (virtual photon) ซึ่งเป็นอนุภาคไร้มวลที่มีสปิน 1 อย่างไรก็ตาม เมื่ออิเล็กตรอนเปลี่ยนวงโคจรไปยังวงโคจรที่เข้าใกล้นิวเคลียส พลังงานและโฟตอนจริง (real photon) จะถูกปล่อยออกมา โฟตอนจริงเป็นแสงที่มองเห็นได้ซึ่งสามารถมองเห็นได้ด้วยตามนุษย์และสามารถบันทึกเป็นภาพถ่ายได้ ในทำนองเดียวกัน เมื่ออิเล็กตรอนเปลี่ยนวงโคจรไปยังวงโคจรที่อยู่ไกลจากนิวเคลียส อิเล็กตรอนจะดูดซับพลังงานของโฟตอน   […]

No Comments read more