Newsletter subscribe

Origin and Evolution of The Universe, Universe

กำเนิดและวิวัฒนาการของจักรวาล#39 จักรวาลมีขนาดใหญ่แค่ไหน?

Posted: 07/10/2021 at 11:22   /   by   /   comments (0)

Historic Views

โลกเป็นศูนย์กลางของจักรวาล (ก่อนคริสตกาล)

The Flammarion engraving (1888)

ภาพแกะสลัก Flammarion (1888) แสดงให้เห็นผู้แสวงบุญในยุคกลางที่แอบมองผ่านทรงกลมท้องฟ้าเพื่อดูสวรรค์

ชาวกรีกโบราณคิดว่าท้องฟ้าเป็นเพียงทรงกลมหรือโดมที่ล้อมรอบโลกและมีดวงดาวติดอยู่ ดวงดาวเคลื่อนจากตะวันออกไปตะวันตกผ่านด้านในของโดมหรือทรงกลม ทรงกลมนี้ถูกแบ่งออกเป็น 2 ส่วน บริเวณเหนือดวงจันทร์เป็นอาณาจักรสวรรค์ และบริเวณใต้ดวงจันทร์เป็นโลก

Geocentric model of the universe, illustration - Stock Image - C038/3783 -  Science Photo Library

เมื่อมองดูท้องฟ้ายามค่ำคืน ชาวกรีกโบราณพบวัตถุท้องฟ้าสองประเภทหลัก ดาวพเนจรและดาวประจำที่

อริสโตเติล (Aristotle) และ ปโตเลมี (Ptolemy) นักดาราศาสตร์ชาวกรีก เชื่อว่าโลกเป็นศูนย์กลางของจักรวาล ดวงอาทิตย์ ดวงจันทร์ ดาวเคราะห์ และดาวฤกษ์ ต่างเคลื่อนที่เป็นวงกลมรอบโลก ดาวเคราะห์ห้าดวงที่รู้จักในเวลานั้น คือ ดาวพุธ ดาวศุกร์ ดาวอังคาร ดาวพฤหัสบดี และดาวเสาร์  ดาวเคราะห์เหล่านี้ถูกเรียกว่าดาวพเนจร คำว่า “ดาวเคราะห์ (planets)” มาจากคำในภาษากรีก “planetos” หมายถึงผู้พเนจร เนื่องจากผู้คนเห็นดาวเคราะห์เหล่านี้มีการเคลื่อนที่ข้ามฟากฟ้า

ส่วนดาวฤกษ์ทั้งหลายถูกตรึงอยู่กับทรงกลมชั้นนอกสุดของจักรวาล ผู้คนจะเห็นดาวฤกษ์เหล่านี้อยู่ตรงตำแหน่งเดิมบนท้องฟ้าเสมอ จึงเรียกดาวฤกษ์เหล่านี้ว่า “ดาวประจำที่ (Fixed stars)”

 

โลกของเราเป็นเพียงดาวเคราะห์ดวงหนึ่ง (1514) 

The Copernican Model: A Sun-Centered Solar System

เมื่อห้าร้อยกว่าปีที่แล้ว โคเปอร์นิคัส (Copernicus) นักบวชชาวโปแลนด์ ได้พัฒนาแบบจำลองจักรวาลโดยมีดวงอาทิตย์เป็นศูนย์กลางของจักรวาล โลกเป็นเพียงดาวเคราะห์ดวงหนึ่ง ทั้งโลกและดาวเคราะห์ห้าดวงที่รู้จักกันในขณะนั้นได้แก่ ดาวพุธ ดาวศุกร์ ดาวอังคาร ดาวพฤหัสบดี และดาวเสาร์ เคลื่อนที่เป็นวงโคจรวงกลมรอบดวงอาทิตย์ แต่ผู้คนในสมัยนั้นไม่สามารถรับมือกับการที่โลกเป็นเพียงหนึ่งเป็นหกดาวเคราะห์ได้ คริสตจักรประนามแนวคิดนี้ว่าเป็นบาป

กาลิเลโอ (Galileo) นักดาราศาสตร์ชาวอิตาลีสนับสนุนแบบจำลอง “Heliocentric model” ของโคเปอร์นิคัส ที่มีดวงอาทิตย์เป็นศูนย์กลางของจักรวาล โดยมีโลกและดาวเคราะห์โคจรรอบดวงอาทิตย์ ในปี 1616 คริสตจักรคาทอลิกได้บังคับกาลิเลโอเลิกสนับสนุนแนวคิดนี้อีกต่อไป เพราะขัดแย้งกับการตีความตามพระคัมภีร์ไบเบิ้ล แต่กาลิเลโอเพิกเฉย เขาจึงถูกลงโทษด้วยการถูกกักบริเวณในบ้าน กาลิเลโอใช้ชีวิต 9 ปีสุดท้ายภายใต้การกักบริเวณ และเสียชีวิตเมื่ออายุ 77 ปีจากการป่วย

ก่อนกาลิเลโอ คริสตจักรได้ลงโทษ จิออร์ดาโน บรูโน (Giordano Bruno) นักปรัชญาชาวอิตาลี ด้วยการเผาทั้งเป็นในปี 1600 จากความเชื่อของเขาที่ว่าโลกโคจรรอบดวงอาทิตย์ และโลกเป็นสิ่งมีชีวิตที่มีจิตวิญญาณ 

 

ดวงดาวอยู่ไกลกว่าที่คิด (1838) 

จักรวาลใหญ่แค่ไหน? เป็นเรื่องธรรมดาที่มนุษย์จะสงสัยว่าโลกของเราอยู่ห่างจากดวงจันทร์ ดวงอาทิตย์ และดวงดาวอื่นๆ มากเพียงใด คนโบราณเห็นว่าดวงดาวอยู่บนโดมท้องฟ้าที่อยู่ไม่ไกลจากโลก อย่างไรก็ตาม เมื่อเวลาผ่านไป นักดาราศาสตร์เริ่มตระหนักว่าขนาดของจักรวาลนั้นใหญ่กว่าที่ใครๆ คาดไว้มาก วันนี้เรารู้ว่ามันใหญ่มากจนยังไม่รู้ขีดจำกัด

ดวงจันทร์และดวงอาทิตย์อยู่ไกลแค่ไหน? นักดาราศาสตร์พยายามตอบคำถามนี้มากว่าสองพันปี สามร้อยปีก่อนคริสตกาล นักดาราศาสตร์และนักคณิตศาสตร์ชาวกรีก อริสทาร์คัสแห่งซามอส (Aristarchus of Samos) ได้คำนวณขนาดของดวงอาทิตย์ ดวงจันทร์ และโลก รวมถึงระยะทางระหว่าง โลก–ดวงจันทร์ และ โลก–ดวงอาทิตย์ โดยใช้ปรากฎการณ์จันทรุปราคา เขาได้ข้อสรุปว่ารัศมีของดวงจันทร์เป็น 0.5 เท่าของรัศมีโลก (ของจริง 0.27 เท่า) และคำนวณระยะทางระหว่าง โลก–ดวงจันทร์ ได้ประมาณ 115 เท่าของรัศมีโลก (ของจริง 60 เท่า) และดวงอาทิตย์อยู่ห่างจากโลกประมาณ 20 เท่าของระยะทางจากโลกถึงดวงจันทร์ แม้ว่าตอนนี้เราจะรู้แล้วว่าดวงอาทิตย์อยู่ห่างจากโลกประมาณ 400 เท่าของระยะทางจากโลกถึงดวงจันทร์ แต่การประมาณการของ Aristarchus ยังคงเป็นการปฏิวัติเพราะมันบอกว่าดวงอาทิตย์อยู่ไกลกว่าที่เคยเชื่อกันมาก

140 ปีก่อนคริสตกาล นักดาราศาสตร์ชาวกรีก คลอดิอุส ปโตเลมี (Claudius Ptolemy) ได้คิดค้นวิธีการแรกที่น่าเชื่อถืออย่างแท้จริงสำหรับการคำนวณระยะทางไปยังวัตถุท้องฟ้า ปโตเลมีแสดงให้เห็นว่าขั้นตอนทางเรขาคณิตอย่างง่ายที่เรียกว่า “พารัลแลกซ์ (parallax)” สามารถนำมาใช้ในการคำนวณระยะห่างระหว่างโลกกับวัตถุท้องฟ้าอื่นๆ ได้อย่างไร

 

Celestial Pilgrimage: 61 Cygni

ภายใต้แบบจำลองของโคเปอร์นิคัส ดาวประจำที่ (Fixed stars) ติดอยู่กับเปลือกนอกของทรงกลมท้องฟ้า มีคำถามว่า “พวกมันอยู่ไกลแค่ไหน?” เป็นเวลาหลายศตวรรษที่นักดาราศาสตร์พยายามหาคำตอบ สิ่งต่างๆ เริ่มปรากฏชัดเจนในช่วงปลายทศวรรษ 1830

ความก้าวหน้าในการออกแบบกล้องโทรทรรศน์ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถตรวจจับ “พารัลแลกซ์ของดวงดาว (stellar parallax)” ในปี 1838 ฟรีดริช เบสเซล (Friedrich Bessel) นักคณิตศาสตร์และนักดาราศาสตร์ชาวเยอรมัน ได้ทำการวัดระยะทางของดาวฤกษ์อื่น (ดาว 61 Cygni) ที่ไม่ใช่ดวงอาทิตย์เป็นครั้งแรกโดยใช้วิธีพารัลแลกซ์

เพื่อให้เห็นพารัลแลกซ์ชัดเจนที่สุด จุดสังเกตการณ์บนพื้นโลกต้องไกลกันมากที่สุด นั่นคือต้องอาศัยเวลาที่โลกย้ายตำแหน่งในวงโคจรรอบดวงอาทิตย์ จากด้านหนึ่งไปอีกด้านหนึ่งในเวลาแตกต่างกัน 6 เดือน เบสเซลต้องบันทึกตำแหน่งดาว 61 Cygni เมื่อมองในเดือนมกราคม และบันทึกอีกครั้งเมื่อมองดาวดวงเดิมในเดือนกรกฎาคม จะพบว่าเมื่อโลกโคจรรอบดวงอาทิตย์ มันเคลื่อนจากที่เดิมเมื่อ 6 เดือนก่อนเล็กน้อย ตำแหน่งดาวที่เปลี่ยนไปจะบอกมุมพารัลแลกซ์ (parallax angle) ให้เราทราบ เนื่องจากขนาดวงโคจรของโลกเป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้ว มุมพารัลแลกซ์ที่สังเกตได้ ทำให้เบสเซลสามารถคำนวณหาระยะทางของดาว 61 Cygni โดยใช้ตรีโกณมิติ

เบสเซลประกาศว่า ระยะทางจากโลกถึงดาว 61 Cygni ที่อยู่ใกล้เคียงได้เท่ากับ 10.4 ปีแสง (การวัดปัจจุบันได้ 11.4 ปีแสง) ตัวเลขของเบสเซลมีข้อผิดพลาด 9.6% การค้นพบนี้แสดงให้เห็นว่าดวงดาวอยู่ไกลกว่าที่คิด แม้แต่ดวงดาวที่อยู่ใกล้ที่สุดก็ยังอยู่ห่างออกไปหลายล้านล้านไมล์ สิ่งนี้ทำให้แนวคิดเรื่องทรงกลมท้องฟ้าถูกหักล้างไป มีการเปลี่ยนแปลงขนาดของจักรวาลไปโดยสิ้นเชิง และยังให้หลักฐานที่น่าเชื่อถือที่สุดว่าโลกโคจรรอบดวงอาทิตย์จริงๆ

หมายเหตุ: “พารัลแลกซ์ของดวงดาว (stellar parallax)” คือ ตำแหน่งปรากฎ (apparent position) ของดวงดาวที่เปลี่ยนแปลงไป เมื่อเทียบกับฉากหลังที่เป็นกลุ่มดาวฤกษ์ที่อยู่ไกลออกไป อันเนื่องมาจากผู้สังเกตการณ์มองวัตถุนั้นจากสถานที่ที่แตกต่างกัน หรือ มุมมองที่แตกต่างกัน

สามารถอ่านวิธีการวัดพารัลแลกซ์ของดวงดาวในบทความข้างล่างนี้

ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#3 บทที่ 1 ภาพของจักรวาลของเรา : Ptolemaic System

ทุกวันนี้ มีหลายวิธีที่นักดาราศาสตร์ใช้ในการวัดระยะทางของดวงดาว สำหรับวัตถุภายในกาแล็กซี่ทางช้างเผือก วิธีการส่วนใหญ่ใช้วิธีพารัลแลกซ์ สำหรับวัตถุที่อยู่นอกกาแล็กซี่ของเรา นักดาราศาสตร์ใช้การเปรียบเทียบกำลังส่องสว่างของดาวแปรแสงเซเฟอิด (Cepheid variable stars)

 

กาแล็กซี่ของเราเป็นหนึ่งในหลายๆ กาแล็กซี่ (1923)

เนบิวลา

Helix Nebula Photos - Free & Royalty-Free Stock Photos from Dreamstime

เมื่อร้อยปีที่แล้ว เกิดการโต้เถียงกันอย่างเผ็ดร้อนเกี่ยวกับธรรมชาติที่คลุมเครือของก้อนหมอกเมฆขนาดใหญ่บนท้องฟ้ายามค่ำคืนที่รู้จักกันในชื่อ “เนบิวลา (Nebula)” 

เนบิวลาเป็นกลุ่มของก๊าซและฝุ่นผงขนาดมหึมาที่รวมตัวกันอยู่ในอวกาศ เมื่อเราใช้กล้องโทรทรรศน์ส่องดู จะเห็นเป็นก้อนหมอกเมฆขนาดใหญ่ที่เปร่งแสงสีสวยงามที่ปะปนอยู่ในกลุ่มดวงดาว  องค์ประกอบหลักของเนบิวลาคือก๊าซไฮโดรเจน เนบิวลาส่วนใหญ่มีขนาดกว้างใหญ่ บางชนิดมีเส้นผ่านศูนย์กลางหลายร้อยปีแสง เนบิวล่าเป็นบริเวณที่ก่อกำเนิดดวงดาว

 

ทฤษฎีเกาะจักรวาล

มีแนวคิดที่ว่าดวงอาทิตย์ของเราเป็นเพียงดาวจำนวนนับไม่ถ้วนในกาแล็กซี่ทางช้างเผือก และอาจมีกาแล็กซี่อื่นๆ ที่อยู่นอกกาแล็กซี่ทางช้างเผือก สามารถสืบย้อนไปถึงต้นศตวรรษที่สิบแปด

ในปี 1755 นักปรัชญาชาวเยอรมัน อิมมานัล คานท์ (Immanual Kant) เสนอ “ทฤษฎีเกาะจักรวาล (Island universe theory) ที่มีแนวคิดว่าดวงอาทิตย์ของเราเป็นเพียงดาวจำนวนนับไม่ถ้วนในระบบดาวขนาดใหญ่ที่เรียกว่า “กาแล็กซี่ทางช้างเผือก” ซึ่งกาแล็กซี่เป็นวัตถุหมุนรอบตัวของดาวจำนวนมหาศาลที่ยึดเข้าด้วยกันโดยแรงโน้มถ่วง คล้ายกับระบบสุริยะแต่มีขนาดใหญ่กว่ามาก และอาจมีระบบดาวอื่นๆ อีกหลายระบบที่อยู่นอกกาแล็กซี่ทางช้างเผือก 

นอกจากนี้ เขายังเสนอว่าเนบิวลาที่มองเห็นได้ในท้องฟ้ายามค่ำคืน โดยเฉพาะ “เนบิวลาแอนโดรเมดา (Andromeda nebula)” เป็น “เกาะจักรวาล (island universe)” ซึ่งเป็นระบบดาวขนาดใหญ่เทียบได้กับกาแล็กซี่ทางช้างเผือก และอยู่ภายนอกกาแล็กซี่ของเรา

ในปี 1783 เซอร์วิลเลียม เฮอร์เชล (Sir William Herschel) และน้องสาว แคโรไลน์ เฮอร์เชล (Caroline Herschel) นักดาราศาสตร์ชาวอังกฤษ เป็นสองคนแรกที่จัดทำรายการวัตถุท้องฟ้ายามค่ำคืนอย่างเป็นระบบ พวกเขาจัดรายการวัตถุท้องฟ้าประมาณ 2,500 รายการ รวมถึง “เนบิวลาเกลียว (spiral nebulae)” ที่ดูเหมือนจะมีโครงสร้างคล้ายกับกาแล็กซี่ทางช้างเผือก

ในปี 1845 ลอร์ด รอสส์ (Lord Rosse) นักดาราศาสตร์ชาวอังกฤษ เห็นด้วยกับทฤษฎีเกาะจักรวาลของอิมมานัล คานท์ จากการสังเกตการณ์เนบิวลาโดยใช้กล้องโทรทรรศน์ขนาด 72 นิ้วที่ใหญ่ที่สุดในยุคนั้นที่เขาสร้างขึ้นเอง

อย่างไรก็ตาม ในต้นศตวรรษที่ 20 นักดาราศาสตร์ส่วนใหญ่เชื่อว่าทั้งจักรวาลของเราประกอบด้วยกาแล็กซี่เดียวคือกาแล็กซี่ทางช้างเผือก (Milky Way Galaxy) ของเรา และคิดว่ามันมีความกว้างเพียงไม่กี่พันปีแสง (ปัจจุบันวัดได้ประมาณหนึ่งแสนปีแสง)

หมายเหตุ: ปีแสงคือ ระยะทางที่แสงเดินทางในสูญญากาศในหนึ่งปี เท่ากับระยะทางเกือบ 6 ล้านล้านไมล์ หรือ 9.5 ล้านล้านกิโลเมตร)

 

การอภิปรายครั้งใหญ่

Harlow Shapely and Heber Curtis. Credit: Mark Garlick / Science Photo Library / iStock / Getty Images / Bettmann Allegheny Observatory Records, University of Pittsburgh

ในเดือนเมษายน 1920 นักดาราศาสตร์ที่มีชื่อเสียงสองคน – ฮาร์โลว์ แชปลีย์ (Harlow Shapley) และ เฮเบอร์ เคอร์ติส (Heber D. Curtis) ได้จัดการอภิปรายสาธารณะที่พิพิธภัณฑ์ประวัติศาสตร์ธรรมชาติสมิทโซเนียน เกี่ยวกับขนาดของจักรวาลและธรรมชาติของสิ่งที่เรียกว่า “เนบิวลา”

แชปลีย์เชื่อว่ากาแล็กซี่ทางช้างเผือกเป็นจักรวาลทั้งหมด และมีขนาดใหญ่กว่าการประมาณการครั้งก่อนอย่างมาก เนบิวลาก้นหอยหรือเนบิวลาเกลียว (spiral nebula) ที่อยู่ห่างไกล มีขนาดค่อนข้างเล็ก เช่น Andromeda เป็นส่วนหนึ่งของกาแล็กซี่ทางช้างเผือก ในทางกลับกัน เคอร์ติสเชื่อว่า Andromeda และเนบิวลาอื่นๆ นั้นแท้จริงแล้วเป็นกาแล็กซี่ที่แยกจากกัน หรือ เกาะจักรวาล (island universe) ที่อยู่ภายนอกกาแล็กซี่ทางช้างเผือก ซึ่งหมายความว่าพวกมันมีขนาดใหญ่มากและอยู่ห่างไกลออกไป

 

กาแล็กซี่ทางช้างเผือกเป็นเพียงหนึ่งในหลายๆ เกาะจักรวาล

Edwin Powell Hubble: Biography | Space

ไม่มีผู้ชนะใน “การโต้วาทีครั้งใหญ่” สามปีต่อมาในปี 1923 นักดาราศาสตร์ชาวอเมริกันผู้ยิ่งใหญ่ เอ็ดวิน ฮับเบิล (Edwin Hubble) เป็นผู้มายุติการขัดแย้งนี้ เขาใช้ความสัมพันธ์ระหว่างช่วงเวลาและความส่องสว่างของดาวแปรแสงเซเฟอิด (Cepheid variable star) “Cepheid V1” ทำให้เขาสามารถประมาณระยะห่างจาก Andromeda ได้ จากระยะทางที่ได้ ฮับเบิลพบว่าดาว Cepheid V1 ที่อยู่ใน Andromeda อยู่ไกลกว่าเส้นผ่านศูนย์กลางโดยประมาณของกาแล็กซี่ทางช้างเผือก สิ่งนี้พิสูจน์ได้ว่า Andromeda ไม่ใช่เนบิวลาก้นหอยขนาดเล็กที่อยู่ภายในขอบเขตของกาแล็กซี่ทางช้างเผือกตามที่เชื่อกัน แต่มันเป็นกาแล็กซี่หนึ่งที่อยู่นอกกาแล็กซี่ทางช้างเผือก ซึ่งพิสูจน์ว่าเคอร์ติสถูกต้อง นี่เป็นการค้นพบครั้งสำคัญที่เปลี่ยนมุมมองของนักดาราศาสตร์เกี่ยวกับจักรวาลไปอย่างมาก จักรวาลมีขนาดใหญ่ขึ้นมากกว่าที่เคยคิด และเต็มไปด้วยกาแล็กซี่อื่นๆ

เอ็ดวิน ฮับเบิล ไม่เพียงได้เครดิตกับการยุติการโต้เถียง แต่ยังเป็นผู้ให้หลักฐานเชิงสังเกตครั้งแรกว่าจักรวาลกำลังขยายตัว ซึ่งหมายความว่ากาแล็กซี่ส่วนใหญ่กำลังถอยห่างจากกัน

หมายเหตุ: “Andromeda” เป็นกาแล็กซี่ชนิดก้นหอย (spiral galaxy) ที่อยู่ใกล้กาแล็กซี่ทางช้างเผือกมากที่สุด ซึ่งอยู่ห่างจากกาแล็กซี่ของเราไป 2.2 ล้านปีแสง

สามารถอ่านวิธีการที่ เอ็ดวิน ฮับเบิล ใช้ในการคำนวณระยะห่างของ Andromeda ได้ในบทความข้างล่างนี้

กำเนิดและวิวัฒนาการของจักรวาล#26 ฮับเบิลค้นพบการขยายตัวของจักรวาล

 

 

Ne-Yo – What If

 

 

The Modern View

กำเนิดทฤษฎีบิกแบง (1927)

 

จักรวาลของเราถูกสร้างขึ้นมาอย่างไร? มันมาเป็นสถานที่ที่ดูเหมือนไม่มีที่สิ้นสุดที่เรารู้จักในปัจจุบันได้อย่างไร และจะเป็นอย่างไรต่อจากนี้ คำถามเหล่านี้เป็นคำถามที่สร้างความงุนงงให้กับนักปรัชญาและนักวิทยาศาสตร์ตั้งแต่เริ่มแรก และนำไปสู่ทฤษฎีที่ค่อนข้างตกใจและน่าสนใจ นั่นคือทฤษฎีบิกแบง (Big Bang Theory) เป็นเวลาเกือบศตวรรษแล้ว ที่ทฤษฎีนี้เป็นทฤษฎีต้นกำเนิดจักรวาลของเราที่เป็นที่ยอมรับมากที่สุด 

พื้นฐานของทฤษฎีค่อนข้างง่าย กล่าวโดยย่อ สมมติฐานของบิกแบงระบุว่าสสารในปัจจุบันและในอดีตทั้งหมดในจักรวาลเกิดขึ้นพร้อมๆ กันประมาณ 13.8 พันล้านปีก่อน ณ เวลานั้น สสารทั้งหมดถูกบีบอัดเป็นจุดขนาดเล็กมาก ที่มีความหนาแน่นและความร้อนเป็นอนันต์ ที่เรียกว่า “ภาวะเอกฐาน (Singularity)” จากนั้นเกิดการระเบิดครั้งใหญ่ ทำให้สสารและพลังงานที่เคยถูกบีบอัดรวมตัวอยู่กันอย่างหนาแน่นใน Singularity มีการกระจายตัวออกไปทุกทิศทุกทาง การเกิดจักรวาลจึงนับเวลาตั้งแต่การระเบิดบิกแบง

แม้นว่านี่จะไม่ใช่ทฤษฎีเพียงทฤษฎีเดียวที่อธิบายว่าจักรวาลเกิดขึ้นได้อย่างไร ตัวอย่างเช่น มีทฤษฎีสภาวะคงที่ (Steady State Theory) ซึ่งเป็นที่ยอมรับและเป็นที่นิยมกันมากที่สุดเมื่อหนึ่งร้อยปีก่อน แต่ทุกวันนี้ ฉันทามติในหมู่นักวิทยาศาสตร์ นักดาราศาสตร์ และนักจักรวาลวิทยา ยอมรับในทฤษฎีบิกแบงที่ไม่เพียงแต่อธิบายที่มาของสสารที่รู้จักทั้งหมด กฎของฟิสิกส์ และโครงสร้างขนาดใหญ่ของจักรวาลเท่านั้น แต่ยังอธิบายการแผ่ขยายตัวของจักรวาลและปรากฏการณ์อื่นๆ ที่หลากหลายอีกด้วย

 

จักรวาลมีการขยายตัว

Wax Einstein - Shutterstock

อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ประกาศทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (Theory of general relativity) ในปี 1915 ที่อธิบายว่าอวกาศ-เวลา และความโน้มถ่วงทำงานอย่างไรในจักรวาล เขาพบว่าทฤษฎีของเขาดูเหมือนจะคาดการณ์การยุบตัวของจักรวาล โดยความโน้มถ่วงจะดึงดวงดาวและสสารอื่นๆเข้าด้วยกัน เป็นสาเหตุทำให้จักรวาลเกิดถล่มตัวลงอย่างช้าๆ ในตัวของมันเอง แต่คนในสมัยนั้นรวมทั้งไอน์สไตน์เชื่อในทฤษฎีสภาวะคงที่ (Steady State Theory) ซึ่งมีแนวคิดว่าจักรวาลเป็นสถานที่คงที่และไม่เปลี่ยนแปลง ดังนั้นไอน์สไตน์จึงเพิ่ม “ค่าคงที่ของจักรวาล หรือ Fudge factor (ปัจจัยเหลวไหล)” ลงไปในสมการของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของเขา เพื่อทำให้จักรวาลรักษาสภาพคงที่ไว้ (ไม่ขยายตัวหรือหดตัว)

กำเนิดและวิวัฒนาการของจักรวาล#22 รังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาลตอนที่ 2  CMB Anisotropy | Repay Thailand

ในปี 1922 อเล็กซานเดอร์ ฟรีดมันน์ (Alexander Friedmann) นักคณิตศาสตร์และนักจักรวาลวิทยาชาวรัสเซีย ผู้พัฒนาแบบจำลองที่อธิบายการพัฒนาของจักรวาล เขาได้ค้นพบคำตอบของ “จักรวาลที่กำลังขยายตัว” จากสมการสนามของไอน์สไตน์ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป หลังจากการถกเถียงกับไอน์สไตน์ ในที่สุดไอน์สไตน์ก็เห็นด้วยกับความถูกต้องของการคำนวณของฟรีดมันน์ นักวิทยาศาสตร์ถือว่าฟรีดมันน์เป็นผู้วางรากฐานทางทฤษฎีสำหรับแบบจำลองบิกแบง 

 

Georges Lemaître : un des inventeurs du Big Bang

ตามทฤษฎีบิกแบง การขยายตัวของจักรวาลเริ่มต้นด้วยการระเบิดของอนุภาคเดียว ณ เวลาที่แน่นอน แนวคิดที่น่าตกใจนี้ปรากฏขึ้นครั้งแรกในปี 1927 ในบทความของ ฌอร์ฌ เลอแม็ทร์ (Georges Lemaître) นักจักรวาลวิทยาและนักบวชคาทอลิกชาวเบลเยียม ผู้ซึ่งหลงใหลในฟิสิกส์และศึกษากฎความโน้มถ่วงของไอน์สไตน์

เลอแม็ทร์ศึกษาสมการของไอน์สไตน์ ก็ได้ผลลัพธ์เช่นเดียวกับฟรีดมันน์ นั่นคือจักรวาลมีการขยายตัว เขาตระหนักว่าหากจักรวาลที่สังเกตได้กำลังขยายตัว ในอดีตอันไกลโพ้นมันจะต้องมีขนาดเล็กกว่าและร้อนกว่ามาก เมื่อถึงจุดหนึ่งในอดีต มวลทั้งหมดของจักรวาลจะถูกรวมเข้าด้วยกันเป็นจุดเดียวซึ่งเป็นต้นกำเนิดของอวกาศและเวลา ดังนั้นเขาตั้งทฤษฎีว่าจักรวาลเริ่มต้นจากอะตอมดึกดำบรรพ์เพียงอะตอมเดียว เลอแม็ทร์ เรียกมันว่า สมมติฐานของอะตอมแรกเริ่ม (The Hypothesis of the Primeval Atom) วันนี้เรารู้ว่ามันคือทฤษฎีบิกแบง (Big Bang Theory) นักวิทยาศาสตร์ถือว่าเลอแม็ทร์เป็น “บิดา” แห่งทฤษฎีบิกแบง  

ทฤษฎีบิกแบงได้รับการยอมรับจากนักดาราศาสตร์เกือบทุกคนในทุกวันนี้ แต่นักดาราศาสตร์หลายคนในขณะนั้นรู้สึกไม่สบายใจกับความคิดที่ว่าจักรวาลกำลังขยายตัว และการที่จักรวาลที่สังเกตได้ทั้งหมดเริ่มต้นด้วยการระเบิดนั้นดูผิดปกติ แนวคิดของการสร้างจักรวาลอย่างกะทันหันนั้นไม่สมเหตุสมผล ทำให้นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่ชอบทฤษฎีสภาวะคงที่ (Steady State Theory) มากกว่า

การขยายตัวของจักรวาลในที่สุดได้รับการยืนยันในอีกหลายปีต่อมา จากการสังเกตของนักดาราศาสตร์ เอ็ดวิน ฮับเบิล (Edwin Hubble) ผู้มีชื่อเสียงในการค้นพบในปี 1923 ว่ากาแล็กซี่ของเราเป็นหนึ่งในหลายๆ กาแล็กซี่ การสังเกตในภายหลังของเขาในปี 1929 พิสูจน์ว่ากาแล็กซี่ทั้งหมดกำลังเคลื่อนตัวออกจากเรา และยิ่งอยู่ไกล ยิ่งเคลื่อนที่เร็วขึ้น นั่นหมายถึงจักรวาลกำลังขยายตัว ซึ่งบ่งบอกเป็นนัยว่าจักรวาลมีจุดกำเนิด

หลักฐานนี้ทำให้ไอน์สไตน์ตกตะลึง ภายหลังเขายอมรับว่า เขารู้ว่าสมการของเขาบ่งชี้ว่าจักรวาลจะต้องขยายตัวหรือหดตัวเมื่อเขาเขียนมัน แต่ในขณะนั้นเขาไม่เชื่อว่ามันจะเป็นจริง ดังนั้นเขาจึงใส่ “ค่าคงที่ของจักรวาล” ในสมการ เพื่อให้จักรวาลคงที่ – นี้เป็นสิ่งที่ทำให้ไอน์สไตน์เสียใจในภายหลัง

 

เสียงกระซิบของบิกแบง (1965)

ตลอดช่วงทศวรรษที่ 1920 และ 1930 มีการถกเถียงกันระหว่างนักฟิสิกส์เกี่ยวกับการกำเนิดจักรวาลอยู่ 2 ทฤษฎี คือ ทฤษฎีบิกแบง (Big Bang Theory) และทฤษฎีสภาวะคงที่ (Steady State Theory) โดยส่วนใหญ่สนับสนุนทฤษฎีสภาวะคงที่ ที่มีแนวคิดว่าจักรวาลอยู่ในสภาวะคงที่ ในแบบจำลองนี้ สสารใหม่จะถูกสร้างขึ้นอย่างต่อเนื่องและกาแล็กซี่ใหม่จะก่อตัวขึ้นเรื่อยๆ เพื่อเติมเต็มช่องว่างที่เกิดจากการขยายตัวของจักรวาล ดังนั้นจึงคงไว้ซึ่งความสม่ำเสมอและความหนาแน่นของสสารเมื่อเวลาผ่านไป บรรดานักวิทยาศาสตร์ในช่วงเวลานั้นคิดว่า แนวคิดเรื่องบิกแบงดูเป็นเชิงเทววิทยามากกว่าทางวิทยาศาสตร์

ทั้งสองฝ่ายไม่มีหลักฐานที่จะยุติเรื่องนี้โดยเด็ดขาด การอภิปรายโหมกระหน่ำมานานหลายทศวรรษ จนกระทั่งในปี 1965 หลักฐานก็เข้ามาในที่สุด ฝ่ายบิกแบงชนะ

 

60 years of starstuff: how humanity discovered where our elements come from  (Synopsis) | ScienceBlogs

การค้นพบการแผ่รังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล (Cosmic Microwave Background: CMB) โดยบังเอิญในปี 1965 ซึ่งเป็นพลังงานความร้อนที่เหลืออยู่จากการระเบิดบิกแบง ทำให้บิกแบงเป็นทฤษฎีที่ดีที่สุดในการอธิบายต้นกำเนิดและวิวัฒนาการของจักรวาล 

 

The Holmdel Horn Antenna was able to see the Big Bang.

Arno Penzias และ Robert Wilson ยืนอยู่ข้างเสาอากาศที่ตรวจพบแสงโบราณที่หลงเหลือจากบิกแบง

ในปี 1965 อาร์โน เพนเซียส (Arno Penzias) และโรเบิร์ต วิลสัน (Robert Wilson) นักดาราศาสตร์วิทยุชาวอเมริกัน ทำงานที่เสาอากาศวิทยุที่มีความไวสูงในรัฐนิวเจอร์ซีย์ สหรัฐอเมริกา พวกเขาใช้มันเพื่อตรวจจับคลื่นวิทยุในกาแล็กซี่ทางช้างเผือก แต่นักวิจัยพบว่าทุกที่ที่พวกเขาชี้เสาอากาศ ไม่ว่ากลางวันหรือกลางคืน จะมีเสียงฮัมเบาๆ ที่ดูเหมือนจะเล็ดลอดออกมาจากทุกทิศทุกทางบนท้องฟ้าอย่างสม่ำเสมอ กว่าหนึ่งปีที่พวกเขาตรวจสอบและตัดทอนแหล่งที่มาของเสียงที่เป็นไปได้มากมาย และแน่นอน พวกเขาทดสอบการเดินสายไฟ สร้างชิ้นส่วนของอุปกรณ์ขึ้นใหม่ และแม้กระทั่งไล่นกพิราบออกจากเสาอากาศ แต่เสียงฮัมยังคงอยู่

ในที่สุด ด้วยความช่วยเหลือจากนักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน พวกเขายืนยันว่าสัญญานคลื่นเสียงรบกวนลึกลับนี้เป็นรังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล (CMB) ซึ่งเป็นหลักฐานที่สนับสนุนทฤษฎีบิกแบง และการค้นพบนี้ทำให้ทฤษฎีบิกแบงได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางในหมู่นักวิทยาศาสตร์ตั้งแต่นั้นมา ทำให้ อาร์โน เพนเซียส และ โรเบิร์ต วิลสัน ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1978

 

ทฤษฎีการพองตัวของจักรวาล (1980)

แม้นว่าทฤษฎีบิกแบง (Big Bang Theory) จะประสบความสำเร็จในการอธิบายกำเนิดและวิวัฒนาการของจักรวาล แต่ก็มีปัญหาสำคัญสามประการที่ทฤษฎีบิกแบงไม่สามารถอธิบายได้

ปัญหาความแบน (Flatness Problem) : จากแบบจำลองจักรวาล เป็นที่ยอมรับกันอย่างกว้างขวางว่าจักรวาลมีรูปร่างแบนหรือเกือบแบน แต่เหตุใดความโค้งในอวกาศจึงน้อยมาก ภายใต้จักรวาลวิทยาของทฤษฎีบิกแบง ความโค้งของรูปร่างจักรวาลจะเพิ่มขึ้นตามกาลเวลา แสดงว่าจักรวาลที่แบนราบอย่างที่เราเห็นในทุกวันนี้จะต้องมีการปรับสภาพอย่างสุดขั้วในอดีต 

ปัญหาขอบฟ้า (Horizon Problem) : ปัญหานี้มาจากการศึกษารังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล (Cosmic Microwave Backgroung: CMB) และการสำรวจกาแล็กซี่ ซึ่งแสดงให้เห็นว่าจักรวาลที่สังเกตุได้นั้นดูเหมือนกันในทุกทิศทาง (isotropic) เหตุใด CMB จึงกระจายอย่างเท่าเทียมกัน แม้นแต่พื้นที่ๆ อยู่คนละด้านของจักรวาลที่เรียกว่า ขอบของจักรวาล “Cosmic Horizons” ความสม่ำเสมอนี้บอกเราว่าพื้นที่ห่างไกลของจักรวาลต้องเคยสัมผัสกันมาก่อน แต่ทฤษฎีบิกแบงไม่สามารถอธิบายปัญหานี้ได้

ปัญหาแม่เหล็กขั้วเดียว (Monopole Problem) : จักรวาลวิทยาของบิกแบงคาดการณ์ว่าควรมีการผลิต “แม่เหล็กขั้วเดียว (magnetic monopole) ” ที่หนักและเสถียรจำนวนมากในจักรวาลยุคแรก อย่างไรก็ตามไม่เคยมีใครพบเห็นแม่เหล็กขั้วเดียวนี้ ดังนั้นหากมีอยู่จริง พวกมันทั้งหมดไปอยู่ที่ไหน

เพื่ออธิบายปัญหาสามประการที่ทฤษฎีบิกแบงไม่สามารถตอบได้ ในปี 1980 นักฟิสิกส์และนักจักรวาลวิทยา อลัน กูธ (Alan Guth) และเพื่อนร่วมงาน อเล็กซี่ สตาโรบินสกี้ (Alexei Starobinsky) และ อังเดร ลินเด้ (Andrei Linde) ได้เสนอทฤษฎีที่เรียกว่า “การพองตัวของจักรวาล (Cosmic Inflation)” ซึ่งเป็นส่วนขยายของทฤษฎีบิกแบง

ทฤษฎีนี้ตั้งสมมติฐานว่า สูญญากาศประกอบด้วยพลังงาน ถ้าพลังงานสูญญากาศไม่เป็นศูนย์ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปคาดการณ์ว่าอวกาศจะขยายตัวด้วยตัวมันเอง ยิ่งมีพลังงานมากเท่าไหร่ก็ยิ่งขยายตัวเร็วขึ้นเท่านั้น

ก่อนการพองตัวของจักรวาล (Cosmic Inflation) จักรวาลมีขนาดเล็กกว่าอะตอม การพองตัวของจักรวาลเกิดขึ้นหลังการระเบิดบิกแบงผ่านไป 10-35 วินาที พลังงานที่สูงเป็นพิเศษในจักรวาลยุคแรกทำให้เกิด “การกระเพื่อมแบบควอนตัม (Quantum Fluctuations)” ส่งผลให้เกิดการขยายตัวและพองตัวอย่างรวดเร็ว (แบบเอ็กซ์โพเนนเชียล-ทวีคูณ) ของจักรวาลในช่วงเวลาสั้นๆ เพียงเสี้ยววินาที การพองตัวของจักรวาลกินเวลาตั้งแต่ 10-35 วินาที ถึง 10-32 วินาทีหลังการเกิดบิกแบง กระบวนการนี้เพิ่มขนาดของจักรวาลได้อย่างมากในระยะเวลาอันสั้นอย่างไม่น่าเชื่อ หลังจากการพองตัว จักรวาลยังมีการขยายตัวตลอดเวลา แต่ด้วยอัตราการขยายตัวที่ช้ากว่า อย่างค่อยเป็นค่อยไป

 

Cosmic Inflation Theory and the Uniformity Problem | Shortform Books

 

ทฤษฎีการพองตัวของจักรวาล (Cosmic Inflation) แก้ปัญหาเหล่านี้อย่างไร?

The Flatness Problem

ทฤษฎีนี้ให้เหตุผลว่า การขยายตัวอย่างรวดเร็วในช่วงการพองตัวของจักรวาล ทำให้ความโค้งเริ่มต้นของจักรวาลลดลงหรือแบนลง ทำให้เกิดเป็นจักรวาลที่มีขนาดใหญ่มหาศาลในเวลาเพียงเศษเสี้ยววินาที

สิ่งหนึ่งที่เปรียบได้กับจักรวาลก็คือผิวของลูกโป่ง ช่วงเวลาของการพองตัว (inflation) นั้นเทียบเท่ากับการเป่าลูกโป่งให้ใหญ่โตมโหฬาร หากลูกโป่งนั้นขยายไปถึงขนาดของโลก พื้นผิวโลกก็ใหญ่มากจนดูแบนสำหรับคุณ แม้ว่าจะยังคงเป็นทรงกลมในระดับที่ใหญ่กว่าก็ตาม ทีนี้ลองนึกภาพการเพิ่มขนาดของลูกโป่งนั้นให้เป็นมาตราส่วนทางดาราศาสตร์ สำหรับคุณ ดูเหมือนว่าจะแบนเท่าที่คุณมองเห็น ถึงแม้ว่ามันอาจจะโค้งมากในตอนเริ่มแรก การพองตัวของจักรวาลขยายความโค้งเริ่มต้นใดๆ ของจักรวาลสามมิติจนเกือบแบน

 

No Alt Text

The Horizon Problem:

การที่เราพบรังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล (Cosmic Microwave Backgroung: CMB) กระจายตัวอย่างสม่ำเสมอทั่วท้องฟ้าอันกว้างใหญ่ และมีคุณสมบัติแบบไอโซทรอปิค (isotropic) คือมีอุณหภูมิเดียวกันทั่วทั้งจักรวาล นั้นแสดงว่าก่อนเกิดการพองตัวของจักรวาล (Cosmic Inflation) บริเวณที่ห่างไกลเคยอยู่ “ใกล้กัน” มากพอที่จะแลกเปลี่ยนข้อมูลระหว่างกันในจักรวาลที่มีขนาดเล็ก ณ ช่วงเวลานั้น นี้จึงเป็นการบ่งชี้ถึงการขยายตัวของจักรวาลอย่างรวดเร็วแบบทวีคูณในช่วงเวลาสั้นๆ เพียงเศษเสี้ยววินาทีหลังบิกแบง จากจุดที่เล็กมากไปเป็นจักรวาลที่มีขนาดใหญ่ไพศาล

The Monopole Problem:

นักฟิสิกส์เชื่อว่าหลังการเกิดบิกแบงใหม่ๆ มีแม่เหล็กขั้วเดียว (Magnetic monopole) เกิดขึ้นมากมาย การที่เราไม่พบแม่เหล็กขั้วเดียว (มันอาจมีอยู่ แต่เรายังหาไม่พบ) เพราะจักรวาลมีการขยายตัวอย่างรวดเร็วในช่วงการพองตัวของจักรวาล (Cosmic Inflation) ซึ่งไปทำให้ความหนาแน่นของแม่เหล็กขั้วเดียวที่ถูกผลิตมา ลดลงจนถึงระดับที่ไม่สามารถตรวจพบได้

 

 

Cher Lloyd – With Ur Love ft. Mike Posner

 

 

ขนาดของจักรวาลที่สังเกตได้

เราใช้เวลาประมาณ 3 วันในการไปถึงดวงจันทร์, ประมาณ 7 เดือนกว่าจะถึงดาวอังคารซึ่งเป็นดาวเคราะห์ที่อยู่ใกล้ตัวเรามากที่สุด, 15 เดือนถึงดาวศุกร์, 6 ปีถึงดาวพฤหัสบดี, 7 ปีถึงดาวเสาร์, 8.5 ปีถึงดาวยูเรนัส, 9.5 ปีถึงดาวพลูโต และ 12 ปีจะไปถึงดาวเนปจูนซึ่งเป็นดาวเคราะห์ที่ไกลที่สุด

จักรวาลเป็นสถานที่ลึกลับขนาดมหึมา กาแล็กซีทางช้างเผือกของเรามีเส้นผ่านศูนย์กลาง 100,000 ถึง 200,000 ปีแสง นอกเหนือจากกาแล็กซีของเราแล้ว ยังมีกาแล็กซีอันกว้างใหญ่ไพศาล ยิ่งเรามองเข้าไปในอวกาศได้ลึกเท่าไหร่ เราก็ยิ่งค้นพบกาแล็กซีมากขึ้นเท่านั้น มีกาแล็กซีหลายพันล้านแห่ง

แล้วจักรวาลของเราใหญ่แค่ไหน? จักรวาลเป็นสถานที่ใหญ่โต แต่ใหญ่แค่ไหน? มีขอบเขตหรือไม่ และเรารู้ได้อย่างไร?

ตลอดประวัติศาสตร์ มนุษย์ได้ใช้เทคนิคและวิธีการที่หลากหลายเพื่อช่วยให้พวกเขาตอบคำถาม ‘ไกลแค่ไหน’ และ ‘ใหญ่แค่ไหน?’ นักสำรวจรุ่นต่างๆ ได้มองลึกลงไปในพื้นที่อันกว้างใหญ่ของจักรวาล และการเดินทางยังคงดำเนินต่อไปในทุกวันนี้ เมื่อมีการใช้วิธีการใหม่ๆ และการค้นพบใหม่ๆ เกิดขึ้น

 

จักรวาลที่สังเกตได้

จักรวาลที่สังเกตได้ (Observable universe) คือทุกสิ่งที่เราสามารถเห็นหรือสังเกตได้จนถึงตอนนี้ เราอยู่ที่ศูนย์กลางของจักรวาลที่สังเกตได้ เพราะจักรวาลที่สังเกตได้เป็นเพียงพื้นที่ของอวกาศที่มองเห็นได้จากโลก

เรารู้ว่าจักรวาลมีอายุ 13.8 พันล้านปี เราอาจเดาว่า ระยะทางจากศูนย์กลางของจักรวาลที่สังเกตได้นั้นไปถึงขอบจักรวาลเท่ากับ อายุของจักรวาล (13.8 พันล้านปี) คูณด้วยความเร็วของแสง : 13.8 พันล้านปีแสง ดังนั้นเส้นผ่านศูนย์กลางของจักรวาลที่สังเกตได้นั้นจะต้องเท่ากับ 13.8 คูณด้วย 2 : 27.6 พันล้านปีแสง แต่มันไม่ใช่ นั่นเป็นเพราะว่าเมื่อเวลาผ่านไป จักรวาลมีการขยายตัวด้วยความเร่งตลอดเวลา ดังนั้นวัตถุที่อยู่ห่างไกลซึ่งให้แสงนั้นเมื่อ 13.8 พันล้านปีก่อน ได้เคลื่อนตัวออกห่างจากเรามากขึ้นไปอีก ทุกวันนี้ วัตถุที่อยู่ห่างไกลเหล่านั้นอยู่ห่างออกไปมากกว่า 45 พันล้านปีแสงเล็กน้อย คูณด้วย 2 แล้ว เราจะได้เส้นผ่านศูนย์กลางของจักรวาลที่สังเกตได้เท่ากับ 91 พันล้านปีแสง

 

Does the universe have an edge? © Getty

ในปี 2005 ริชาร์ด ก็อตต์ (Richard Gott) จากมหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน ได้ทำการคำนวณรัศมีของจักรวาลที่สังเกตได้โดยละเอียด โดยใช้ข้อมูลรังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล (Cosmic Microwave Backgroung: CMB) ที่ได้จากดาวเทียม WMAP ซึ่งให้ข้อมูลเกี่ยวกับอัตราการขยาย อายุของจักรวาล และพารามิเตอร์ทางจักรวาลวิทยาที่สำคัญอื่นๆ  Gott พบว่ารัศมีของจักรวาลที่สังเกตได้อยู่ที่ประมาณ 45.66 พันล้านปีแสง ทำให้ได้เส้นผ่านศูนย์กลางของจักรวาลที่สังเกตได้เท่ากับ 91.3 พันล้านปีแสง

แต่ 10 ปีต่อมา การศึกษาใหม่ซึ่งดำเนินการโดย พอล ฮาลเพิร์น (Paul Halpern) โดยใช้ข้อมูลจากดาวเทียมพลังค์ พบว่ารัศมีของจักรวาลที่สังเกตได้จริงๆ แล้วมีขนาดเล็กกว่าที่ประมาณไว้ก่อนหน้านี้เล็กน้อยคือ 45.34 พันล้านปีแสง ทำให้ได้เส้นผ่านศูนย์กลางของจักรวาลที่สังเกตได้เท่ากับ 90.7 พันล้านปีแสง

ไม่มีใครรู้จริงว่า “ขนาดของจักรวาลที่แท้จริง” นั้นใหญ่แค่ไหน เพราะเราสามารถมองเห็นได้ไกลสุด 91 พันล้านปีแสงเท่านั้น อย่างไรก็ตามจากการคำนวณ นักวิทยาศาสตร์คาดว่าจักรวาลทั้งหมดมีขนาดใหญ่ว่าจักรวาลที่สังเกตได้ 250 เท่า

 

จักรวาลของเราเป็นเพียงหนึ่งในจำนวนนับไม่ถ้วนของจักรวาลทั้งหมด

hypothetical set of possible universes

พหุภพ (Multiverse)

การมีอยู่ของ “จักรวาลคู่ขนาน (parallel universe)” อาจดูเหมือนเป็นสิ่งที่ปรุงแต่งขึ้นจากจิตนาการของนักเขียนนิยายวิทยาศาสตร์และนักเขียนบทภาพยนตร์ไซไฟ แต่ความคิดที่ว่าจักรวาลของเราอาจเป็นหนึ่งใน “พหุภพ (multiverse)” ที่ประกอบด้วยจักรวาลคู่ขนานจำนวนนับไม่ถ้วน ได้รับการพิจารณาว่ามีความเป็นไปได้ทางวิทยาศาสตร์มานานแล้ว แม้นว่าจะยังคงเป็นประเด็นถกเถียงกันในหมู่นักฟิสิกส์ก็ตาม ไม่ใช่นักฟิสิกส์ทุกคนที่เชื่อว่าจักรวาลเหล่านี้มีอยู่จริง แต่อย่างน้อยก็มีนักฟิสิกส์จำนวนหนึ่งที่เชื่อว่ามีความเป็นไปได้ที่จะติดต่อกับจักรวาลคู่ขนานเหล่านี้ และพวกเขากำลังแข่งขันกันเพื่อหาวิธีทดสอบความเชื่อนี้ รวมถึงการค้นหาสัญญาณการชนกับจักรวาลอื่นบนท้องฟ้า

ฟิสิกส์สมัยใหม่มีทฤษฎีมากกว่าหนึ่งทฤษฎีว่าจักรวาลเกิดขึ้นได้อย่างไร แนวคิดที่เป็นที่นิยมชี้ให้เห็นว่าจักรวาลของเราไม่ใช่หนึ่งเดียว มีจักรวาลจำนวนมากดำรงอยู่คู่ขนานกัน หนึ่งในแนวคิดนั้นคือ ทฤษฎีการพองตัวชั่วนิรันดร์ (Theory of eternal inflation) ซึ่งมีแนวคิดที่ว่า จักรวาลของเราเริ่มต้นด้วยการระเบิดบิกแบง (Big Bang) ตามมาด้วยการขยายตัวอย่างรวดเร็วมากแบบทวีคูณ เรียกว่า “การพองตัวของจักรวาล (cosmic inflation)” ซึ่งสร้าง “จักรวาลพ็อกเก็ต (pocket universes)” ขึ้นมามากมายจนนับไม่ถ้วน กระจัดกระจายไปทั่วห้วงอวกาศ สร้างเป็น “พหุภพ (multiverse)”  

“บิกแบงที่ให้กำเนิดจักรวาลของเราไม่น่าจะเกิดขึ้นเพียงครั้งเดียว เชื้อเพลิงไม่เพียงแต่สร้างบิกแบงของเราเท่านั้น แต่ยังสร้างบิกแบงอื่นๆ อีกนับไม่ถ้วน ซึ่งแต่ละอันก่อให้เกิดจักรวาลที่แยกจากกัน โดยที่จักรวาลของเราเป็นเพียงฟองเดียวในอ่างฟองแห่งจักรวาลอันยิ่งใหญ่ของจักรวาล” ไบรอัน กรีน (Brian Greene) นักฟิสิกส์ชื่อดังกล่าว ใน TED Talk ปี 2012

ทฤษฎีการพองตัวชั่วนิรันดร์ (Theory of eternal inflation) เป็นแนวคิดที่ว่าจักรวาลส่วนใหญ่ “ไม่” หยุดพองตัว นี่เป็นเพราะการพองตัวในจักรวาลยุคแรกถูกควบคุมโดยกฎของกลศาสตร์ควอนตัม กล่าวคือความผันผวนของควอนตัมทำให้อนุภาคสามารถปรากฏขึ้นจากสูญญากาศแล้วหายไปอีกครั้ง ผลกระทบของควอนตัมทำให้การพองตัวไม่ได้สิ้นสุดพร้อมกันในทุกจุดของพื้นที่ ในขณะที่การพองตัวในจักรวาลของเราสิ้นสุดลง อาจมีภูมิภาคอื่นที่อยู่ห่างไกลออกไปอีกมากที่การพองตัวยังคงดำเนินต่อไปจนถึงทุกวันนี้ กระบวนการที่ไม่สิ้นสุดนี้เรียกว่า “การพองตัวชั่วนิรันดร์ (eternal inflation)” ก่อให้เกิดจักรวาลอิสระจำนวนมากอย่างนับไม่ถ้วน

สำหรับเราอาศัยอยู่ในจักรวาลพ็อกเก็ตที่การพองตัวสิ้นสุดลงเมื่อ 13.8 พันล้านปีก่อน พลังงานกลายเป็นมวล และดวงดาวและกาแล็กซี่ได้ก่อตัวขึ้น หลังจากการพองตัว จักรวาลของเรายังมีการขยายตัวตลอดเวลา แต่ด้วยอัตราการขยายตัวที่ช้ากว่า

นักจักรวาลวิทยาชั้นนำอย่าง อลัน กูธ (Alan Guth) และ สตีเฟน ฮอว์คิง (Stephen Hawking) เคยกล่าวว่าจักรวาลของเราเป็นหนึ่งในฟองอากาศนับไม่ถ้วนในทะเลที่ไม่มีที่สิ้นสุดของการพองตัวนิรันดร์ โดยแต่ละจักรวาลมีกฎฟิสิกส์ของตัวเอง และได้พัฒนาไปสู่จักรวาลที่แตกต่างจากที่อื่น

ทฤษฎีการพองตัวชั่วนิรันดร์ (Theory of eternal inflation) คาดการณ์ว่าจักรวาลเหล่านี้สามารถชนกันหรือทับซ้อนกันได้ การชนกันจะรบกวนอวกาศ-เวลาภายในแต่ละจักรวาล นักฟิสิกส์กำลังค้นหาหลักฐานอย่างแข็งขัน โดยเฉพาะในรังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล (CMB) ซึ่งเป็นรังสีที่เหลือหลังจากการระเบิดบิกแบง 380,000 ปี เรามีหลักฐานการแผ่รังสีนี้ ซึ่งถูกตรวจจับโดยดาวเทียมหลายดวงในช่วง 20 ปีที่ผ่านมา

 

 

Doja Cat – Kiss Me More