บิ๊กแบง - วิธีการทำงานของจักรวาล บทที่ 1

บิ๊กแบง – วิธีการทำงานของจักรวาล บทที่ 1

ยูเอฟโอ (UFO) รูปแบบของ ผู้มาเยือน
ยูเอฟโอ (UFO) รูปแบบของ ผู้มาเยือน
ธันวาคม 18, 2018
Ultima Thule (อัลติมา ทูลี) วัตถุที่ไกลที่สุดที่เคยถูกสำรวจ
Ultima Thule (อัลติมา ทูลี) วัตถุอวกาศไกลสุดที่เคยไปเยือนถึง
กุมภาพันธ์ 3, 2019

จักรวาลของเราประกอบไปด้วยสสารและพลังงาน อันเกิดจากการก่อตัวของบิ๊กแบงในอดีตเมื่อราว 13,800 ล้านปีที่แล้ว ตราบมาจนถึงปัจจุบันภายในจักรวาลแห่งนี้ก็ประกอบไปด้วย กาแล็คซี่ (galaxies) น้อยใหญ่ต่างๆรวมกันกว่า 2 ล้านล้าน แห่ง โดยในแต่ละแห่งก็จะประกอบไปด้วยดาวฤกษ์เป็นจำนวนไม่น้อยกว่าแสนล้านดวง (อ้างอิงจากจำนวนดาวฤกษ์โดยประมาณที่อยู่ภายในกาแล็คซี่ทางช้างเผือกของเรา) นี้ก็เท่ากับว่าความยิ่งใหญ่ของจักรวาลเรา มันกว้างใหญ่เสียซะจนสุดเหลือคณานับได้ แต่ทว่าเชื่อหรือไม่ หากย้อนกลับไปราว 14,000 ล้านปีก่อนจักรวาลของเรายังคงเป็นแค่จุดเล็กๆยิ่งกว่าอะตอม ที่มีความหนาแน่นและความร้อนสูงจนไม่อาจประเมินค่าได้ ก่อนที่มันจะขยายออกแบบทันทีทันใด จนก็ให้เกิดทุกสรรพสิ่งในจักรวาล ทั้งอวกาศ, สสาร, พลังงาน และ เวลา!

บิ๊กแบง

โลกของเรา ภูเขา ป่าไม้ น้ำทุกๆหยดที่รวมตัวกันจนเป็นมหาสมุทรอันกว้างใหญ่, อาคารบ้านเรือนในเมืองใหญ่ๆ หรือแม้แต่สิ่งประดิษฐ์อำนวยความสะดวกต่างๆของมนุษย์ ทุกสรรพสิ่งบนโลกใบนี้ล้วนเกิดขึ้นมาจากผลพวง ของการความผันผวนในบิ๊กแบง เช่นเดียวกันกับ ดวงอาทิตย์ ดาวเคราะห์ทุกดวง ดาวฤกษ์ทุกดวง และดาราจักรอีกจำนวนกว่าล้านๆแห่งที่กระจายตัวกันออกไปทั่วจักรวาล! ถ้าสิ่งที่เล่ามาดูจะไกลตัวเกินไป ก็ลองย้อนพิจารณามาดูน้ำเปล่าที่เราดื่มกัน หากจะว่าไปแล้วน้ำนั้นก็คือของโบราณ เพราะองค์ประกอบของสสารอย่างอะตอมของไฮโดรเจนในน้ำเอง ก็ถือกำเนิดขึ้นมานาน นับตั้งแต่ในช่วงยุคเริ่มแรกของจักรวาล หรือราวหมื่นล้านปีที่แล้ว! และหลังจากนั้นทุกๆสสารอันก่อร่างสร้างทุกสรรพสิ่งอย่างที่เราได้ประจักษ์กันในปัจจุบัน ก็ได้ถือกำเนิดขึ้น หรือในอีกแง่หนึ่งก็คือ บิ๊กแบง (Big bang) คือเหตุการณ์ที่กำหนดความเป็นอยู่จักรวาล ทั้งปัจจุบันและอนาคตของเรา ทำให่้ไม่ว่าจะผ่านมาสักกี่ยุคกี่สมัยก็ตาม ความลับแห่งการก่อกำเนิด มันก็ยังคงมีมนต์ขลังและไม่เคยเลยที่จะลดละให้แก่ความอยากรู้ของมนุษย์ เพื่อไขความลับของบิ๊กแบง (Big bang) เราต้องมองให้ไกลออกไปจากระบบสุริยะแล้วมองลึกเข้าไปยังใจกลางของจักรวาล ซึ่งการทำเช่นนี้จะช่วยให้เราสามารถเข้าใกล้ช่วงเวลาเริ่มแรกของห้วงเวลาได้ นั่นก็หมายความว่ายิ่งเรามองออกไปไกลเท่าไหร่เรายิ่งเห็นอดีตได้มากขึ้น หรือเข้าใกล้จุดเริ่มต้นของอวกาศและเวลา โดยสิ่งที่เราจะได้เห็นก๋็คือ กาแล็คซี่รุ่นแรก และ ดาวฤกษ์รุ่นแรกๆ ที่เพิ่งจะได้เปล่งแสงประกายออกมาจากความมืดมิด

จอกศักดิ์สิทธิ์ของนักฟิสิกส์ดาราศาสตร์

สิ่งหนึ่งที่แทบจะเรียกได้ว่าเป็นจอกศักดิ์สิทธิ์ของนักฟิสิกส์เลยก็ว่าได้นั่นก็คือ ความอยากรู้ที่ว่า ทำไมจักรวาลจึงจะต้องเกิดขึ้นมา, ทำไมมันจึงอยู่ที่นั่น, ทำไมมันจึงขยายตัว และก่อนบิ๊กแบงมันมีอะไรอยู่บริเวณนั้น ด้วยแรงบัลดาลใจจากปริศนาของจักรวาลนี้เอง จึงกลายมาเป็นที่มาของการสร้างเครื่องชนอนุภาคขนาดยักษ์ที่ชื่อว่า เครื่องชนอนุภาคแฮดรอน (The Large Hadron Collider หรือ CERN) ขึ้นมา เพื่อจำลองสภาพต่างๆขณะที่จักรวาลได้ถือกำเนิดขึ้น (และล่าสุดเมื่อวันที่ 15 มกราคม ปี ค.ศ. 2019 CERN ก็ได้ประกาศ Concept Design แรกของ FCC หรือ Future Circular Collider เครื่องเร่งอนุภาคตัวใหม่ที่จะมาทำหน้าที่แทน LHC โดยเครื่องเร่งอนุภาคใหม่จะใหญ่โตและทรงพลังกว่าเดิมถึง10 เท่าเลยทีเดียว) ไม่พอเรายังมีกล้องโทรทรรศน์อวกาศต่างๆ ที่ถูกพัฒนาขึ้นมาเพื่อสอดส่องไปยังปลายขอบของจักรวาลอีก และเมื่อเทคโนโลยีทั้งสองรวมถึงทฤษฎีฟิสิกส์หลักๆอย่างทฤษฎีสัมพัทธภาพและทฤษฎีควอนตัมได้ถูกนำมาบรรยายเข้าไว้ด้วยกัน ก็ทำให้เราได้เรียนรู้จักจักรวาลของเรามากยิ่งขึ้นกว่าเดิมในตลอด 100 ปีที่ผ่านมาแบบก้าวกระโดด จนถึงขั้นที่นักฟิสิกส์ดังผู้ที่ล่วงลับไปเมื่อปีต้นปี ค.ศ. 2018 อย่าง สตีเฟน ฮอว์กิง (Stephen Hawking) ยังถึงขั้นออกมากล่าวว่า “เรากำลังเข้าใกล้คำตอบสำหรับคำถามยุคเก่าๆ ว่า ทำไมเราจึงอยู่ตรงนี้ เรามาจากที่ไหน จักรวาลจริงๆมีจุดเริ่มต้นหรือจุดจบไหม และถ้ามี พวกมันจะมีหน้าตาอย่างไร ถ้าเราพบคำตอบนั้นแล้ว มันคงจะเป็นชัยชนะขั้นสูงสุดของเหตุผลของมนุษย์ และเราน่าจะรู้ได้ถึงความคิดของพระเจ้า!”

พหุภพ (Multiverse of Universes)

แหล่งกำเนิดของบิ๊กแบง (Big bang) คือที่สุดของความลึกลับตลอดกาล ถึงแม้ปัจจุบันเราจะมีข้อมูลของจักรวาลอยู่มากมายเมื่อเทียบกับอดีต แต่ผลก็ปรากฏว่ายิ่งเราเรียนรู้จักรวาลมากขึ้นเท่าไหร่ ความลึกลับกลับยิ่งล้ำลึก โดยคำว่าจักรวาล ในอีกคำที่เรามักคุ้นหูกันดีก็คือ เอกภพ โดยทั่วไปแล้วเรามักคิดว่านี้คือผลรวมของพลังงานและสสารเพียงแห่งเดียว แต่หลังจากการศึกษาเรื่องการขยายตัวแบบยกกำลังใน ทฤษฎีอินเฟลชันของ อลัน กูธ (Alan Guth) ซึ่งเป็นบิดาในเรื่องของการศึกษาจักรวาลขยายตัวดังกล่าว เราก็พบว่า มันมีความเป็นไปได้สูงที่จักรวาลนี้ อาจไม่ใช่จักรวาลเพียงแห่งเดียว แต่ผลปรากฎคือ จักรวาลอาจมีอยู่เป็นจำนวนอนันต์! ในชื่อเรียกของพหุภพ นั่นก็หมายความว่าบิ๊กแบงเองก็สามารถเกิดขึ้นได้อยู่ตลอดเวลาทุกๆวินาที แต่ถึงอย่างไรก็ตามยังไงเราก็สามารถมั่นใจได้ว่ามีจักรวาลของเราเกิดขึ้นมาแล้วอย่างแน่นอน และดูเหมือนเราจะยังไม่ค่อยรู้อะไรมากเกี่ยวกับมันเสียด้วย ถึงแม้มนุษย์ดูเหมือนว่าจะเริ่มเข้าใจมากแล้วก๋็ตาม ซึ่งนั่นก็คิดเป็นเพียง 4% ของจักรวาลอันกว้างใหญ่แห่งนี้เท่านั้น (อีก 96% คือสสารมืด และพลังงานมืด และอื่นๆ)

ภาพของจักรวาล

ตั้งแต่ปลายยุคคริสต์ศักราชที่ 1920 เป็นต้นมาก็เป็นช่วงที่มนุษย์ได้เกิดความรู้ความเขาใจถึงจักรวาลของเราแบบก้าวกระโดด ซึ่งก่อนหน้านั้นเราเชื่อเพียงแค่ว่าจักรวาลขประกอบไปด้วยดาวฤกษ์ต่างๆที่อยู่แต่ภายในกาแล็กซี่ทางช้างเผือกเท่านั้น และพวกมันก็ดูเหมือนจะไม่มีจุดเริ่มต้นหรือจุดจบใดๆเลยด้วยซ้ำ แต่จุดผลิกผันของความรู้ความเข้าใจต่อจักรวาลใหม่ของเราก็เริ่มต้นขึ้นเมื่อปี ค.ศ. 1929 ณ หอสังเกตการณ์ เมาท์ วิลสัน (Mount Wilson Observatory) เหนือลอสแอนเจลิส เอ็ดวิน ฮับเบิล นักดาราศาสตร์ค้นพบว่า ยังมีกาแล็กซี่น้อยใหญ่อื่นๆอีกมากมายที่ไม่ใช่มีเพียงแต่ทางช้างเผือกของเรา และที่น่าตกใจไปยิ่งกว่านั้นก็คือเขาค้นพบว่า กาแล็กซี่ในแต่ละแห่งกำลังเครื่องที่หนีจากกันเป็นเท่าตัวตามระยะทางที่เคลื่อนห่าง! และนี้ก็คือหลักฐานแรกของการยืนยันว่าได้เคยเกิดบิ๊กแบง (Big Bang) ขึ้นจริงๆ โดยผลจากการตรวจวัดค่าที่ได้จากปรากฏการณ์เรดชีพ (Redshift increases) ก็พบว่าทุกๆครั้งที่กาแล็กซี่เคลื่อนหนีจากกัน 2 เท่า อัตราเร่งการหนีห่างก็จะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า ครั้งที่พวกมันเคลื่อนที่หนีห่างกันไปอีกเป็นระยะทาง 3 เท่า อัตราเร่งก็จะเพิ่มขึ้นไปอีกเป็น 3 เท่าด้วยเช่นกัน นี้ก็หมายความว่าทุกสิ่งในจักรวาลกำลังเคลื่อนหนีห่างไปจากเราแบบเหลือเชื่อ! ซึ่งขัดกับแนวคิดในก่อนหน้านี้ว่า จักรวาลนั้นสถิตและนิรันดร์ ซึ่งแม้แต่ไอน์สไตน์ ณ ตอนนั้นเอง เขาก็ยังปวดหัว และแทบไม่อยากเชื่อกับผลของการดำเนินไป ของจักรวาลที่ไม่สถิตเสถียรเช่นนี้! และในเวลาต่อมาก็เป็นที่รู้จักกันในชื่อกฎของฮับเบิล หรือในอีกชื่อหนึ่งคือกฎ ฮับเบิล-เลอแม็ทร์ (Hubble–Lemaître law) (ที่ถูกเสนอให้แก้ไขชื่อกฎจักรวาลใหม่โดย กลุ่มสหภาพนักดาราศาสตร์สากล เมื่อวันที่ 29 ตุลาคม 2018 เพื่อเป็นเกียรติให้กับฌอร์ฌ เลอแม็ทร์ ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์และดาราศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยคาทอลิกเลอเฟิน ที่ค้นพบว่าจักรวาลขยายตัวจริงๆ เมื่อปี ค.ศ. 1927 ก่อนฮับเบิลถึง 2 ปี ซึ่งขณะนั้นบทความวิชาการของเลอแม็ทร์อยู่คงรู้จักกันแต่ในวงแคบเฉพาะภาษาฝรั่งเสษเท่านั้น ก่อนจะถูกแปลและเผยแพร่เป็นภาษาอังกฤษในปี ค.ศ. 1931 หรือ 2 ปีให้หลังของการค้นพบจักรวาลขยายตัวโดย ฮับเบิล)

การเริ่มต้นจากจุดเดียว

ตามทฤษฎีแล้วการที่กาแล็กซี่เคลื่อนที่หนีห่างไปจากกัน นั่นก็เป็นหลักฐานชิ้นสำคัญที่บ่งบอกได้ว่าจักรวาลกำลังขยายออก และด้วยการคำนวณย้อนกลับจากภาพการแผ่รังสีพื้นหลังของจักรวาล (Cosmic microwave background) และรวมเข้าด้วยกันกับค่าการขยายตัวย้อนกลับล่าสุด ก็สามารถทำให้นักวิทยาศาสตร์ไขความลับของอายุจักรวาลได้ และพบว่าแท้จริงแล้วจุดเริ่มต้นทุกสรรพสิ่งในจักรวาลนี้ก็คือการปลดปล่อยพลังงาน จากจุดเดียว ที่มันมีทั้งความหนาแน่นและความร้อนเป็นค่าอนันต์ เมื่อราว 13,800 ล้านปีก่อน (บางแหล่งข้อมูลอาจให้อายุไว้ที่ 13,700 ล้านปี แต่ผมไปดูจากข้อมูลล่าสุดมัน อยู่ระหว่าง 13,813 ถึง 13,799 ล้านปี ผมเลยเลือกที่จะหยิบตัวเลข 13,800 แทนนับจากนี้ไป)

ภาพจากอดีต

นับตั่งแต่ โอเล่ คริสเตียนเซน โรเมอร์ (Ole Christensen Rømer) นักวิทยาศาสตร์ดังชาวเดนมาร์กในยุคคราวเดียวกับเซอร์ไอแซก นิวตัน (Isaac Newton) ค้นพบว่าแสงเองก็ต้องใช้เวลาในการเดินทางในอวกาศด้วยเช่นกัน และในปี ค.ศ. 1676 เขาก็สามารถทำการคำนวณค่าความเร็วแสงเป็นคนแรกของโลกได้สำเร็จ จากการสังเกตการเคลื่อนที่ของดวงจันทร์บริวารของดาวพฤหัสบดีที่ชื่อ ไอโอ (ถึงแม้ค่าที่ได้จะคลาดเคลื่อนน้อยกว่าความเป็นจริง อยู่ราวร้อยละ 26 ก็ตาม แต่นั้นก็เพียงพอแล้วที่เขาจะได้รับการยกย่องให้เป็นบุคคลแรกอันทรงเกียรตินี้) และจากจุดเริ่มต้นของการค้นพบดังกล่าวก็ได้เปลี่ยนความเชื่อในเรื่องเวลาที่เดินอย่างเท่าเทียมกันจากภาพอวกาศไปอย่างสิ้นเชิง และพบว่าภาพดวงดาวต่างๆบนท้องฟ้าที่เราเห็นนั้นก็คือภาพจากอดีต ที่แสงจากดาวนั้นเพิ่งจะเดินทางมาถึงเรา จนในเวลาต่อมาหน่ายวัดระยะทางในอวกาศก็ได้ถูกตั้งให้ใช้เป็นหน่วยของปีแสง เนื่องจากระยะทางในอวกาศของแต่ละที่มันไกลเกินกว่าหน่ายเมตร หรือ กิโลเมตรจะสามารถพรรณนาถึงตัวเลขอันมหาศาลของมันได้ โดย 1 ปีแสงก็คือ ระยะเวลาที่แสงใช้เวลาในการเดินทางในสูญญากาศ 1 ปี หรือประมาณ 9.46 ล้านล้านกิโลเมตร (9,460,730,472,580.8 กิโลเมตร) ยกตัวอย่างเช่นดาวเวก้า (Vega) ซึ่งอยู่ห่างไกลจากโลกราว 25 ปีแสง นั่นก็มีความหมายในอีกมุมหนึ่งว่า ภาพของดาวเวก้าที่เราเห็นบนฟ้านั้นก็คือภาพของอดีตเมื่อราว 25 ปีก่อน!

และด้วยเหตุผลเดียวกันนี้ในเรื่องของภาพจากอดีต นี้จึงทำให้ท้องฟ้าของโลกจึงเสมือนเป็นกับเครื่องท่องการเวลา หรือ “ไทม์แมชชีน” (Time machine) ที่จะสามารถพาเราไปมองย้อนกลับยังอดีตได้อย่างอิสระ เช่น ยิ่งเรามองลึงลงไปในห้วงอวกาศได้ลึกเท่าไหร่ นั่นก็หมายความว่าเรากำลังมองดูจักรวาลของเราขณะที่มันมีอายุน้อยลงไปเท่านั้น และถ้าหากเรามองได้ลึกมากพอ เราก็จะได้เห็นดวงไฟยุคแรกของดาวฤกษ์ และ กาแล็กซี่ได้

สรุป

จักรวาลของเรายังมีอะไรน่าพิศวงอีกมามายที่ยังรอคอยให้มนุษย์ได้ค้นพบมัน และจากประวัติศาสตร์ของการศึกษาจักรวาลก็พบว่า ยิ่งเรารู้มากขึ้นเท่าไหร่ ปริศนาต่างๆก็จะผุดขึ้นมาอีกเป็นเท่าตัว เช่นสสารมืดคืออะไร พลังงานมืดคืออะไร เป็นต้น ดังนั้นการศึกษาจักรวาลในตอนจบหากเราไปถึงคำตอบที่ว่า ทำไมจักรวาลจึงถือกำเนิดขึ้น จักรวาลกำเนิดมาได้อย่างไร ทำไมเราต้องมาอยู่ที่นี้ เราก็อาจจะต้องพบกับปริศนาต่างๆมากมายตามมาอีก เช่น มีอะไรเกิดขึ้นหรืออยู่ระหว่างนั้นก่อนจะเกิดบิ๊กแบง และยังมีจักรวาลอื่นๆที่เหมือนกันกับจักรวาลแห่งนี้อีกไหม!

บทความถัดไป อะไรมาก่อนบิ๊กแบง – วิธีการทำงานของจักรวาล บทที่ 2

Sci Ways
Sci Ways
นักเดินทางข้ามกาลเวลา
Facebook
กลับสู่บนสุด