จุดศูนย์กลางของเอกภพอยู่ตรงไหน

Share

คนจำนวนมากเข้าใจผิดเกี่ยวกับภาพของเอกภพที่เราอาศัยอยู่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเรื่องของ Bigbang

หลายคนเข้าใจว่า Bigbang คือการระเบิดของอะไรสักอย่างกระจายออกสู่ที่ว่างหรือกระจายออกมาสู่บางสิ่ง ซึ่งมันผิด! พอเข้าใจผิดก็ทำให้เกิดคำถามผิดๆตามมาอีกมากมาย 

        คำถามคืออะไรทำให้เกิดความเข้าใจผิดนี้

 

 

1

        คำตอบคือ กราฟฟิกต่างๆที่ถูกใช้เพื่ออธิบายมักทำให้เกิดความสับสน(รูป 1) อีกอย่างหนึ่งคือชื่อ Bigbang นั้นก็สื่อความหมายการกำเนิดของเอกภพได้ไม่ดีเท่าไหร่ด้วย

        ช่วงกลางศตวรรษที่ 20 (ราวๆห้าสิบปีก่อน) มีการต่อสู้ระหว่างสองแนวคิดหลักๆที่อธิบายว่าเอกภพเกิดขึ้นมาอย่างไรและเปลี่ยนแปลงไปอย่างไร 

        1.เอกภพแบบคงที่ (Steady State model) ที่เชื่อว่าเอกภพไม่มีจุดเริ่มต้นหรือจุดจบ

        2.ทฤษฎีบิ๊กแบง (Big Bang model) ที่เชื่อว่าเอกภพมีจุดเริ่มต้น

        เฟรด ฮอยล์ (รูป 2)หนึ่งในผู้นำของแนวคิดเอกภพแบบคงที่เอ่ยคำว่าบิ๊กแบงขึ้นมาในรายการวิทยุ ซึ่งคำนี้กลายเป็นคำกล่าวที่ติดหูและทุกคนใช้เรียกต่อๆกันมาตลอด

 

2 เฟรด ฮอยล์

        ทุกวันนี้นักวิทยาศาสตร์เชื่อถือทฤษฎีบิ๊กแบงที่เชื่อว่าเอกภพกำลังขยายตัวมากกว่า คำถามคือทำไมนักวิทยาศาสตร์เชื่อล่ะ?

        ในปี 1929 เอ็ดวิน ฮับเบิล(รูป 3) (Edwin Hubble) ได้พิสูจน์ให้โลกเห็นว่ากาแล็กซียิ่งอยู่ไกลจากเราออกไปวิ่งหนีออกจากกาแล็กซีทางช้างเผือกของเราด้วยอัตราเร็วสูง ทำให้นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าเอกภพกำลังขยายตัวอยู่ทำให้กาแล็กซีที่กระจายตัวอยู่บนเอกภพขยายตัววิ่งหนีออกจากกันไปด้วย

 

 

3เอ็ดวิน ฮับเบิล

        คนทั่วไปฟังแล้วมักคิดว่าในเมื่อเราอยู่บนโลก และเราเห็นกาแล็กซีไกลๆวิ่งหนีจากเราออกไปก็แปลว่า โลกเราเป็นจุดศูนย์กลางของการขยายตัว หมายความว่าโลกเราน่าจะอยู่เฉยๆไม่ได้วิ่งไปไหน แต่จริงๆแล้วต่อให้เราไปอยู่ในกาแล็กซีอื่นเราก็เห็นแบบเดิมอยู่ดี สิ่งนี้คือความสับสนพื้นฐานเกี่ยวกับทฤษฎีบิ๊กแบง

        จริงๆแล้วบิ๊กแบงไม่ใช่การระเบิดออกมาสู่ที่ว่าง มันไม่ใช่การระเบิดอะไรทั้งสิ้น มันคือการขยายตัวของ space ออกไปอย่างรวดเร็วโดยไม่มีจุดใดเป็นจุดศูนย์กลางหรือจุดพิเศษ การขยายตัวที่ว่านี้เกิดขึ้นทุกหนทุกแห่งในเอกภพ

 

 4รังสีไมโครเวฟพื้นหลัง

        หลักฐานอื่นที่สนับสนุนว่าบิ๊กแบงเกิดขึ้นจริงคืออะไรนอกจากการเห็นกาแล็กซีวิ่งหนีออกจากกัน?

        คำตอบคือ สิ่งที่เรียกว่า รังสีไมโครเวฟพื้นหลัง (cosmic microwave background) ซึ่งเรียกย่อๆว่า ซีเอ็มบี (CMB) นักวิทยาศาสตร์ค้นพบว่าเอกภพของเรามีคลื่นไมโครเวฟกระจายตัวอยู่ทั่วไปหมด(รูป 4)โดยคลื่นดังกล่าวมีอุณหภูมิ 2.725 เคลวินเท่านั้น ซึ่งนี่คือความร้อนจางๆที่หลงเหลืออยู่จากบิ๊กแบงทำให้เรามองเห็นรังสีไมโครเวฟจากทุกทิศทุกทางด้วยอุณภูมิเท่ากันด้วยความสม่ำเสมอสูงมากๆ จะแตกต่างกันบ้างก็เพียงหนึ่งในหมื่นเท่านั้น นั่นแปลว่าในอดีตที่ผ่านมา space ทั้งหมดเชื่อมต่อกันมาก่อน

        แล้วก่อนหน้าบิ๊กแบงล่ะมีอะไร?

        ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปบ่งชี้ว่าจุดเริ่มต้นของเวลาคือตอนเกิดบิ๊กแบง ซึ่งถ้าเชื่อตามนี้ทุกอย่างก็จบครับ ได้คำตอบเรียบร้อยว่าคำว่าก่อนหน้าบิ๊กแบงนั้นไม่มีความหมายอะไรในเมื่อเวลาเริ่มต้นจากบิ๊กแบง เอาเข้าจริงตอนเกิดบิ๊กแบงก็ไม่มีใครสามารถบอกได้แล้วว่าตอนนั้นเอกภพมีสภาพอย่างไรเพราะเอกภพมีสภาพร้อนและแน่นมากๆ สภาพเอกภพในตอนนั้นมีขนาดเล็กสุดๆซึ่งต้องการทฤษฎีในลักษณะควอนตัมมาอธิบาย แถมมวลสารมากมายขนาดนั้นทำให้เราต้องการทฤษฎีในลักษณะทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปมาอธิบาย แต่ในปัจจุบันเรายังไม่มีทฤษฎีที่มีสมบัติของทฤษฎีที่ยิ่งใหญ่ทั้งสองนี้รวมกันอยู่

        อย่างไรก็ตามนักฟิสิกส์พบว่าหลังจากบิ๊กแบงเกิดขึ้นได้เพียงพริบตา ราวๆ 10−36 วินาที เอกภพเกิดการขยายตัวแบบรุนแรงเป็นพิเศษเรียกว่า อินเฟลชัน (inflation) ซึ่งการขยายตัวอย่างรุนแรงนี้เกิดขึ้นเพียงชั่วระยะเวลาสั้นๆก็หยุดลง หลังจากเกิดบิ๊กแบงไปได้ราวๆ 10−33  วินาที จากนั้นเอกภพก็ขยายตัวต่อมาด้วยอัตราที่ต่ำกว่าตอนเกิดอินเฟลชัน (รูป 5)

 

5 ช่วงสีเทาคือช่วงที่เกิด อินเฟลชัน

        อินเฟลชันเป็นแนวคิดที่เกิดมาเพื่อตอบปัญหาต่างๆที่เกิดขึ้นเช่น ปัญหาที่ว่าทำไมเอกภพจึงดูสม่ำเสมอเหมือนกันไปหมดในภาพรวม สังเกตจากรังสีไมโครเวฟพื้นหลังก็พบว่ามันมีความสม่ำเสมอกันอย่างมากจนน่าตกใจทั้งๆที่เอกภพเราใหญ่โตมโหฬารขนาดนี้ รวมทั้งสามารถแก้ปัญหาได้ว่าทำไมทุกวันนี้เราไม่เคยเห็นแม่เหล็กขั้วเดี่ยวๆเลย รายละเอียดของเรื่องอินเฟลชันนั้นขอข้ามไปก่อนนะครับเพราะค่อนข้างเยอะและยืดยาวมาก

        ทุกวันนี้นักฟิสิกส์พยายามมองหาว่าหลักฐานสนับสนุนการเกิดอินเฟลชันมากขึ้นๆ เช่น หากเอกภพเกิดการขยายตัวอย่างรุนแรงขนาดนั้นแม้ในช่วงสั้นๆ เราน่าจะตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วง (Gravitational wave) ที่เกิดขึ้นในช่วงนั้นบ้าง นักฟิสิกส์หลายคนเชื่อว่าคลื่นความโน้มถ่วงอาจส่งผลต่อรังสีไมโครเวฟพื้นหลังโดยทำให้มันเกิดการโพลาไรส์เล็กน้อย (โพลาไรส์อธิบายง่ายๆได้ว่ามันคือการสั่นของคลื่นในทิศทางบางทิศ ไม่ใช่สั่นแบบมั่วซั่วไปหมดทุกทิศทาง) เรียกแบบเฉพาะว่า B-mode polarization  พูดง่ายๆว่ามันน่าจะมีรูปแบบบางอย่างเกิดขึ้นซึ่งถ้าเราตรวจสอบมันได้มันจะน่าทึ่งมากๆเพราะมะนเหมือนเรามองหาหลักฐานของปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในอดีตอันไกลโพ้น

        คำถามต่อมาคือแล้วเราอยู่ที่จุดศูนย์กลางการขยายตัวของเอกภพหรือไม่

        นับตั้งแต่สมัยของโคเปอร์นิคัสเชื่อว่าโลกไม่ใช่ศูนย์กลางที่ทุกสิ่งในเอกภพต้องมาโคจรรอบ เราต้องหมั่นเตือนตัวเองว่าเวลาเรานึกว่าเราเป็นศูนย์กลางของอะไรสักอย่าง บางทีมันอาจไม่ใช่ความจริงแต่เกิดจากขีดจำกัดของการรับรู้และมุมมองของเรา เพื่อให้เข้าใจภาพการขยายตัวของเอกภพ เราอาจต้องลองลดมิติของเอกภพเราลงให้เหลือเพียงสองมิติ โดยมองว่า space ทั้งเอกภพเป็นเหมือนผิวลูกโป่งที่กำลังถูกเป่าจนพองออก(รูป 6)

 

6

        ดังนั้นทุกๆจุดบนแผ่นยางจึงยืดตัวออกไปพร้อมๆกันและเท่าๆกันหมด อย่าลืมนะครับว่าเอกภพเราคือผิวลูกโป่ง ดังนั้นด้านนอกลูกโป่ง หรือ ภายในลูกโป่งจึงไม่มีความหมายอะไรเพราะเอกภพเรากระจายอยู่บนผิวลูกโป่ง

        แล้วเอกภพมีขอบหรือไม่?

        ทฤษฎีทุกวันนี้ของเราบ่งว่าเอกภพไม่มีขอบ เอกภพเราอาจจะมีขนาดใหญ่โตไร้ที่สิ้นสุดหรือมีขนาดจำกัดค่าหนึ่งก็ได้แต่มันต้องไม่มีขอบ เอกภพอาจมีขนาดจำกัดแต่ไม่มีขอบได้นะครับ เปรียบได้กับผิวลูกโป่งเมื่อสักครู่ หากเราเป็นมดที่อยู่บนผิวลูกโป่ง พอเราวิ่งไปเรื่อยๆ(แต่เร็วกว่าอัตราการขยายตัวของลูกโป่ง) สักพักเราจะสามารถกลับมายังจุดเริ่มต้นได้ทั้งนี้เพราะผิวลูกโป่งมีขนาดจำกัดอยู่ค่าหนึ่งนั่นเอง (ลองนึกถึงเกมงูในมือถือรุ่นเก่าก็ได้ครับ พอวิ่งไปชนด้านหนึ่งมันจะโผล่ออกมาอีกด้านหนึ่ง กรณีนี้เอกภพของงูก็จะไม่มีขอบให้วิ่งชนแต่มีขนาดจำกัด มันเลยวิ่งกลับมาที่เดิมได้)แต่ถ้าเอกภพเรามีขนาดใหญ่เป็นอนันต์ ไม่ว่าเราจะวิ่งบนผิวลูกโป่งด้วยความเร็วแค่ไหนหรือนานแค่ไหนเราก็จะไม่กลับมายังจุดเริ่มต้น

 

7

        อย่างไรก็ตามเอกภพเราอาจไม่ได้มีรูปทรงเป็นผิวแบบลูกโป่งก็ได้ นักฟิสิกส์หลายคนเชื่อว่าเอกภพเรามีรูปร่างแบนๆแบบแผ่นกระดาษ , บางคนเชื่อว่าเราเป็นมดที่ไต่อยู่บนผิวแบบโดนัท!(รูป 7) และทุกวันนี้นักฟิสิกส์ยังไม่รู้ว่าเอกภพมีขนาดจำกัดหรือไม่

        อันที่จริงแล้วเอกภพที่มนุษย์เราสามารถสังเกตได้มีขอบเขตจำกัดอยู่ สาเหตุมาจากแสงเดินทางด้วยความเร็วจำกัดทำให้เราไม่สามารถมองเห็นแสงหรือข้อมูลใดๆจากกาแล็กซีที่อยู่ไกลเกินกว่าระยะทางค่าหนึ่งได้ 

        สมมติว่าเรามองไปยังกาแล็กซีที่อยู่ห่างจากเราออกไป 1 ปีแสงก็แปลว่าภาพกาแล็กซีที่เราเห็นในปัจจุบันจริงๆแล้วเป็นเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นเมื่อ 1 ปีมาแล้วเพราะแสงใช้เวลาในการเดินทาง ดังนั้นยิ่งเรามองกาแล็กซีที่อยู่ไกล เราก็ยิ่งเห็นเหตุการณ์ย้อนอดีตมากเท่านั้น แต่ถ้าเรามองออกไปไกลมากๆไกลสุดๆจนแสงจากกาแล็กซียังเดินทางมาไม่ถึงเรา! เราย่อมไม่สามารถสังเกตการณ์หรือล่วงรู้ข้อมูลของเอกภพของขอบเขตนี้ได้ เราเรียกขอบเขตเอกภพที่เราสามารถสังเกตได้นี้ว่า observable universe ซึ่งห่างจากเราออกไปทุกทิศทุกทางสี่หมื่นหกพันล้านปีแสงโดยประมาณ

        ถึงแม้รัศมีการสังเกตเอกภพของเราจะไปไกลถึงระยะสี่หมื่นหกพันล้านปี แต่น่าแปลกที่เอกภพเราเกิดมาได้เพียงหนึ่งหมื่นสามพันล้านปีเท่านั้น (พูดแบบละเอียดๆคือ13.77 พันล้านปี) ทั้งนี้เพราะเอกภพมีการขยายตัวทำให้ space ยืดออกซึ่งจะอธิบายโอยละเอียดในครั้งต่อไปครับ

 

เรียบเรียงโดย

นายอาจวรงค์   จันทมาศ

สำนักบริการวิชาการและสื่อสารทางดาราศาสตร์

สถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ(องค์การมหาชน)

 

ภาพมาจาก

http://www.metaphysics-for-life.com/images/bigbangMFL.jpg

http://static.bbc.co.uk/universe/img/ic/640/scientists/fred_hoyle/fred_hoyle_large.jpg

http://deskarati.com/wp-content/uploads/2012/03/EdwinHubble.jpg

http://cosmology.berkeley.edu/Education/CosmologyEssays/images/WMAP_skymap.jpg

http://www.astro.umass.edu/~myun/teaching/a100_old/images/inflation.jpg

http://frigg.physastro.mnsu.edu/~eskridge/astr101/kauf28_1.JPG

http://images.iop.org/objects/phw/world/22/2/42/PWnot1_02-09.jpg