Newsletter subscribe

A Brief History of Time, Universe

ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#5 บทที่ 1 ภาพของจักรวาลของเรา : Newton and the Infinite Static Universe

Posted: 21/11/2020 at 14:02   /   by   /   comments (0)

         

 

 

 

 

 

มีการให้คำอธิบายในเวลาต่อมาในปี 1687 เมื่อ เซอร์ไอแซก นิวตัน ตีพิมพ์ “Philosophiae Naturalis Principia Mathematica” ซึ่งอาจเป็นงานเดี่ยวที่สำคัญที่สุดด้านวิทยาศาสตร์กายภาพเท่าที่เคยตีพิมพ์มา ในนั้นนิวตันไม่เพียงแต่หยิบยกทฤษฎีว่าวัตถุเคลื่อนที่อย่างไรในอวกาศและเวลา แต่เขายังพัฒนาคณิตศาสตร์ที่ซับซ้อนซึ่งจำเป็นในการวิเคราะห์การเคลื่อนที่เหล่านั้นด้วย นอกจากนี้นิวตันได้ตั้งกฎความโน้มถ่วงสากลที่แต่ละวัตถุในจักรวาลถูกดึงดูดเข้าหาวัตถุอื่นๆ ด้วยแรงดึงดูดที่ยิ่งแข็งแกร่งขึ้น ตามวัตถุที่ใหญ่ขึ้นและยิ่งอยู่ใกล้กันมากขึ้น แรงนี้เป็นแรงเดียวกันกับที่ทำให้วัตถุตกลงสู่พื้น (นิวตันได้รับแรงบันดาลใจเกี่ยวกับแรงโน้มถ่วงจากแอปเปิ้ลตกใส่หัวของเขา นิวตันเองก็เคยกล่าวไว้ว่าความคิดเรื่องแรงโน้มถ่วงเข้ามาหาเขา ในขณะที่เขานั่ง “อยู่ในอารมณ์ครุ่นคิด” และ “อยู่ดีๆ ก็มีแอปเปิ้ลหล่นลงมา”) นิวตันแสดงให้เห็นว่าตามกฎแรงโน้มถ่วงของเขาทำให้ดวงจันทร์เคลื่อนที่เป็นวงโคจรเป็นวงรีรอบโลก และทำให้โลกและดาวเคราะห์เคลื่อนที่ตามเส้นทางวงรีรอบดวงอาทิตย์

 

         

         

 

 

 

 

แบบจำลองโคเปอร์นิกัน (แบบจำลองของนิโคลัส โคเปอร์นิคัส ที่มีดวงอาทิตย์เป็นศูนย์กลางของจักรวาล-ผู้เขียน) ได้ล้มล้างทรงกลมท้องฟ้าของปโตเลมี (ที่มีโลกเป็นศูนย์กลางของจักรวาล-ผู้เขียน) และแบบจำลองนี้มีแนวคิดที่ว่าจักรวาลมีขอบเขต เนื่องจาก “ดาวตรึง (Fixed stars)” ไม่ได้เปลี่ยนตำแหน่ง นอกเหนือจากการหมุนบนท้องฟ้าที่เกิดจากโลกหมุนรอบแกนของมัน จึงเป็นเรื่องธรรมดาที่จะสมมุติว่าดาวตรึงเป็นวัตถุเหมือนดวงอาทิตย์ของเรา แต่อยู่ห่างออกไปมาก

นิวตันตระหนักว่า ตามทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของเขา ดวงดาวควรดึงดูดซึ่งกันและกัน ดังนั้นตามหลักแล้วดูเหมือนว่าพวกมันจะไม่อยู่กับที่ พวกมันจะไม่ถล่มตัวลงด้วยกันในบางประเด็นหรือ? ในจดหมายที่เขียนถึง Richard Bentley ในปี 1691 ซึ่งเป็นนักคิดชั้นนำอีกคนในสมัยของเขา นิวตันแย้งว่าสิ่งนี้จะเกิดขึ้นได้จริง (ดวงดาวถล่มตัวลงด้วยกัน-ผู้เขียน) หากมีดาวจำนวนจำกัด กระจายอยู่ในอวกาศที่มีขอบเขตสิ้นสุด แต่เขาให้เหตุผลว่าหากในทางกลับกัน มีดาวจำนวนไม่มีที่สิ้นสุด กระจายอย่างสม่ำเสมอในอวกาศที่ไม่มีขอบเขตสิ้นสุด สิ่งนี้จะไม่เกิดขึ้นเพราะจะไม่มีจุดศูนย์กลางใดๆ ให้พวกมันตกลงไป 

           

ข้อถกเถียงนี้เป็นตัวอย่างของข้อผิดพลาดที่คุณสามารถพบได้ในการพูดถึงการไม่มีที่สิ้นสุด ในจักรวาลที่ไม่มีขอบเขตสิ้นสุด ทุกจุด (กาแล็กซี่ – ผู้เขียน) สามารถถือได้ว่าเป็นจุดศูนย์กลาง เพราะทุกจุดมีดาวจำนวนไม่มีที่สิ้นสุดในแต่ละด้านของมัน แนวทางที่ถูกต้องซึ่งได้รับการตระหนักในภายหลัง คือพิจารณาสถานการณ์ที่จำกัด ซึ่งดวงดาวทั้งหมดถล่มตัวลงด้วยกัน ถามว่าสิ่งต่างๆ เปลี่ยนแปลงไปอย่างไร หากมีดาวดวงหนึ่งเพิ่มขึ้นมาและกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอนอกบริเวณนี้ ตามกฎของนิวตัน ดาวที่เพิ่มขึ้นจะไม่สร้างความแตกต่างเลยกับดาวที่มีอยู่ก่อนแล้ว ดังนั้นดวงดาวจะถล่มตัวลงอย่างรวดเร็ว เราสามารถเพิ่มดาวได้มากเท่าที่เราต้องการ แต่ดาวเหล่านั้นจะยังคงยุบตัวเองอยู่เสมอ ตอนนี้เรารู้แล้วว่าเป็นไปไม่ได้เลยที่จะมีแบบจำลองคงที่ของจักรวาลที่ไม่มีขอบเขตสิ้นสุด ที่ซึ่งมีแรงโน้มถ่วงเป็นสิ่งดึงดูด

 

ก่อนศตวรรษที่ 20 ยังไม่มีใครมาเสนอว่าจักรวาลกำลังขยายตัวหรือหดตัว ความคิดเห็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปของผู้คนในยุคนั้นว่า จักรวาลมีอยู่ตลอดไปในสภาพที่ไม่มีการเปลี่ยนแปลง หรือถูกสร้างขึ้นในช่วงเวลาจำกัด ในอดีตไม่มากก็น้อยตามที่เราสังเกตเห็นในปัจจุบัน ส่วนหนึ่งอาจเป็นเพราะแนวโน้มของผู้คนที่จะเชื่อในความเป็นนิรันดร์ มันเหมือนความสบายใจกับความคิดที่ว่าแม้ว่าพวกเขาจะแก่ชราและตายไป แต่จักรวาลก็เป็นนิรันดร์และไม่เปลี่ยนแปลง

 

แม้แต่ผู้ที่ตระหนักว่าทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของนิวตันแสดงให้เห็นว่าจักรวาลไม่สามารถคงที่ได้ ก็ไม่ได้ตระหนักว่าจักรวาลมีการขยายตัว แต่พวกเขาพยายามแก้ไขทฤษฎีของนิวตันโดยทำให้แรงโน้มถ่วงกลายเป็น “แรงผลักในระยะที่ไกลมาก” สิ่งนี้ไม่ได้ส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อการคาดการณ์การเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ แต่มันทำให้การกระจายตัวอย่างไม่มีที่สิ้นสุดของดาวฤกษ์ยังคงอยู่ในสภาวะสมดุล – ด้วยแรงดึงดูดระหว่างดาวฤกษ์ที่อยู่ใกล้เคียงกันถูกทำให้อยู่ในสภาวะสมดุลโดยแรงผลักจากดวงดาวที่อยู่ไกลออกไป  อย่างไรก็ตามตอนนี้เราเชื่อว่าดุลยภาพดังกล่าวจะไม่เสถียร หากดวงดาวอยู่ใกล้กัน แรงดึงดูดระหว่างพวกมันจะมีมาก และทำให้พวกมันถล่มตัวลงด้วยกัน  ในทางกลับกันหากดวงดาวอยู่ห่างจากกันมาก แรงผลักจะมากกว่าดึงดูด ส่งผลให้พวกมันให้อยู่ห่างกันมากขึ้น

 

ในปี 1823 นักปรัชญาชาวเยอรมัน Heinrich Olbers ได้เขียนโต้แย้งแนวคิดจักรวาลอยู่ในสภาวะคงที่และไม่มีขอบเขตสิ้นสุด (infinite static universe) ความจริงแล้ว คนรุ่นต่างๆ ในยุคเดียวกับนิวตันได้ก่อปัญหาขึ้นและ Olbers ไม่ใช่คนแรกที่ให้ข้อโต้แย้งนี้ อย่างไรก็ตามเขาเป็นคนแรกที่ได้รับการกล่าวถึงอย่างกว้างขวาง

สิ่งที่ยากคือในจักรวาลคงที่และไม่มีขอบเขตสิ้นสุด ใครๆ ก็คาดหวังว่าท้องฟ้าทั้งหมดจะสว่างเหมือนดวงอาทิตย์แม้ในเวลากลางคืน การโต้แย้งของ Olbers คือแสงจากดวงดาวที่อยู่ห่างไกลจะถูกทำให้มืดลงโดยการดูดซับโดยสสารที่แทรกแซง (cosmic dust ฝุ่นคอสมิก – ผู้เขียน) เข้ามา อย่างไรก็ตาม หากสิ่งนั้นเกิดขึ้น ในที่สุดสสารที่แทรกแซงเข้ามาก็จะร้อนขึ้นจนสว่างไสวเหมือนดวงดาว วิธีเดียวที่จะหลีกเลี่ยงข้อสรุปที่ว่าท้องฟ้ายามค่ำคืนทั้งหมดควรจะสว่างพอๆ กับพื้นผิวของดวงอาทิตย์ ก็คือสมมติว่าดวงดาวไม่ได้ส่องแสงตลอดไป แต่เคยส่องแสงในอดีตในช่วงเวลาหนึ่ง ในกรณีนี้สสารดูดซับอาจยังไม่ร้อนขึ้นหรือแสงจากดวงดาวที่อยู่ห่างไกลอาจยังไม่มาถึงเรา

 

 

The Chainsmokers – Paris (YouTube)

           

 

 

 

 

 

 

 

มีการให้คำอธิบายในเวลาต่อมาในปี 1687 เมื่อ เซอร์ไอแซก นิวตัน ตีพิมพ์ “Philosophiae Naturalis Principia Mathematica” ซึ่งอาจเป็นงานเดี่ยวที่สำคัญที่สุดด้านวิทยาศาสตร์กายภาพเท่าที่เคยตีพิมพ์มา ในนั้นนิวตันไม่เพียงแต่หยิบยกทฤษฎีว่าวัตถุเคลื่อนที่อย่างไรในอวกาศและเวลา แต่เขายังพัฒนาคณิตศาสตร์ที่ซับซ้อนซึ่งจำเป็นในการวิเคราะห์การเคลื่อนที่เหล่านั้นด้วย นอกจากนี้นิวตันได้ตั้ง “กฎความโน้มถ่วงสากล” ที่แต่ละวัตถุในจักรวาลถูกดึงดูดเข้าหาวัตถุอื่นๆ ด้วยแรงดึงดูดยิ่งแข็งแกร่งขึ้น ตามวัตถุที่ใหญ่ขึ้นและยิ่งอยู่ใกล้กันมากขึ้น แรงนี้เป็นแรงเดียวกันกับที่ทำให้วัตถุตกลงสู่พื้น (นิวตันได้รับแรงบันดาลใจที่เกี่ยวกับแรงโน้มถ่วง จากแอปเปิ้ลตกใส่หัวของเขา นิวตันเองก็เคยกล่าวไว้คือ ความคิดเรื่องแรงโน้มถ่วงเข้ามาหาเขา ในขณะที่เขานั่ง “อยู่ในอารมณ์ครุ่นคิด” และ “อยู่ดีๆ ก็มีแอปเปิ้ลหล่นลงมา”) นิวตันแสดงให้เห็นว่าตามกฎแรงโน้มถ่วงของเขาทำให้ดวงจันทร์เคลื่อนที่เป็นวงโคจรเป็นวงรีรอบโลก และทำให้โลกและดาวเคราะห์เคลื่อนที่ตามเส้นทางวงรีรอบดวงอาทิตย์

 

ในปี 1687 นิวตันได้ตีพิมพ์หนังสือ “Mathematical Principles of Natural Philosophy” หนึ่งในหนังสือที่สำคัญที่สุดในประวัติศาสตร์วิทยาศาสตร์ เนื้อหาในหนังสือกล่าวถึง “กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน (Newton’s law of motion)” และ “กฎความโน้มถ่วงสากลของนิวตัน (Newton‘s law of universal gravitation)” นิวตันแสดงให้เห็นว่าการเคลื่อนที่ของวัตถุต่างๆบนโลกและในจักรวาลล้วนอยู่ภายใต้กฎธรรมชาติชนิดเดียวกัน โดยแสดงให้เห็นความสอดคล้องระหว่างทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของเขากับกฎการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ของเคปเลอร์ ซึ่งช่วยยืนยันแนวคิดดวงอาทิตย์เป็นศูนย์กลางจักรวาล และทำให้เกิดความก้าวหน้าอย่างมากในการศึกษาจักรวาลวิทยา (cosmology)

ปัจจุบันกฎการเคลื่อนที่ของนิวตันมีสอนในโรงเรียนมัธยมทุกแห่ง และกฎความโน้มถ่วงสากลของนิวตันมีความแม่นยำเพียงพอที่ NASA นำไปใช้ในการออกแบบภารกิจอวกาศ

 

กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน (Newton‘s Laws of Motion) 

กฎการเคลื่อนที่ข้อแรกของนิวตัน – กฎของความเฉื่อย (Law of Inertia): “วัตถุจะรักษาสภาพหยุดนิ่งหรือรักษาสภาพการเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงด้วยความเร็วคงที่ในทิศทางเดิม เว้นแต่จะมีแรงภายนอกมากระทำ”

กฎการเคลื่อนที่ข้อที่สองของนิวตัน – กฎของแรง (Law of Force):  “แรงที่กระทำต่อวัตถุ = มวลของวัตถุ x ความเร่งของวัตถุ”  —> F = ma

กฎการเคลื่อนที่ข้อที่สามของนิวตัน: กฎของแรงกิริยาและแรงปฏิกิริยา (Action and Reaction): “ทุกๆแรงกิริยา จะมีแรงปฏิกิริยาในปริมาณที่เท่ากันแต่ทิศทางตรงกันข้ามกระทำกลับมา” หรือ แรงกิริยาเท่ากับแรงปฏิกิริยา –> FA = −FB 

 

กฎความโน้มถ่วงสากลของนิวตัน (Newton’s Law of Universal Gravitation)

ในปี 1687 เซอร์ไอแซก นิวตัน ได้ประกาศ “กฎความโน้มถ่วงสากล (Newton’s law of universal gravitation)” ในหนังสือ “Philosophiae Naturalis Principia Mathematica” ของเขา โดยระบุว่ามวล 2 มวลในจักรวาลจะดึงดูดซึ่งกันและกัน ด้วยแรงดึงดูดระหว่างมวล (F) ที่แปรผันตรงกับผลคูณของมวลทั้งสอง (m1 x m2) และแปรผกผันกับระยะห่างระหว่างมวลยกกำลังสอง (r2

นั่นหมายความว่า ยิ่งมวลมากขึ้นและยิ่งอยู่ใกล้กันมากขึ้น แรงดึงดูดระหว่างมวลก็ยิ่งมากขึ้น

 

 

กฎความโน้มถ่วงสากลและกฎการเคลื่อนที่ของนิวตันกับระบบสุริยะ

เคปเลอร์ระบุในกฎการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ข้อที่ 1 ว่า “ดาวเคราะห์โคจรรอบดวงอาทิตย์เป็นวงรี และดวงอาทิตย์ไม่ได้อยู่ที่ศูนย์กลางของวงโคจร แต่อยู่ที่จุดโฟกัสจุดหนึ่ง”

นิวตันนำกฎความโน้มถ่วงสากล (Law of universal gravitation) และกฎการเคลื่อนที่ข้อแรกหรือกฎของความเฉื่อย (Law of Inertia) มาอธิบายว่า เหตุใดดวงจันทร์จึงโคจรรอบโลกเป็นวงรี และการที่ดวงเคราะห์โคจรรอบดวงอาทิตย์เป็นรูปวงรี

กฎการเคลื่อนที่ของนิวตันแสดงให้เห็นว่าวัตถุที่อยู่นิ่งจะอยู่นิ่งและวัตถุที่เคลื่อนที่จะยังคงเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงอย่างสม่ำเสมอเว้นแต่จะถูกกระทำโดยแรง แต่ดาวจันทร์เคลื่อนที่รอบโลกเป็นวงรีไม่ใช่เส้นตรง ดังนั้นจะต้องมีแรงบางส่วนมาดัดการเดินทางเป็นเส้นตรงของดาวจันทร์ให้กลายเป็นวงรี นิวตันอธิบายว่าแรงนั้นคือแรงโน้มถ่วงของโลกเหมือนที่มันทำให้ผลแอปเปิลตกสู่พื้นดิน

นิวตันอธิบายว่า เนื่องจากโลกมีมวลมากกว่าจึงมีแรงโน้มถ่วงมากกว่า สามารถดึงดวงจันทร์ที่กำลังเคลื่อนที่เข้าหาโลก ในขณะเดียวกันดวงจันทร์ซึ่งมีความเฉื่อย ก็พยายามรักษาสภาพการเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงด้วยความเร็วคงที่

การหักล้างกันระหว่างแรงโน้มถ่วงของโลกที่พยายามดึงดวงจันทร์เข้าหามัน และความเฉื่อยของดวงจันทร์ที่พยายามรักษาสภาพการเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงด้วยความเร็วคงที่ ทำให้วงโคจรของดวงจันทร์รอบโลกเป็นรูปวงรีและความเร็วในการโคจรไม่คงที่ ในระบบสุริยะการที่ดวงเคราะห์โคจรรอบดวงอาทิตย์เป็นรูปวงรี อธิบายในลักษณะเดียวกัน

 

 

 

 

Sara Bareilles – Gravity (YouTube)

 

 

 

 

 

 

 

 

แบบจำลองโคเปอร์นิกัน (แบบจำลองของนิโคลัส โคเปอร์นิคัส ที่มีดวงอาทิตย์เป็นศูนย์กลางของจักรวาล-ผู้เขียน) ได้ล้มล้างทรงกลมท้องฟ้าของปโตเลมี (ที่มีโลกเป็นศูนย์กลางของจักรวาล-ผู้เขียน) และแบบจำลองนี้มีแนวคิดที่ว่าจักรวาลมีขอบเขต เนื่องจาก “ดาวตรึง (Fixed stars)” ไม่ได้เปลี่ยนตำแหน่ง นอกเหนือจากการหมุนบนท้องฟ้าที่เกิดจากโลกหมุนรอบแกนของมัน จึงเป็นเรื่องธรรมดาที่จะสมมุติว่าดาวตรึงเป็นวัตถุเหมือนดวงอาทิตย์ของเรา แต่อยู่ห่างออกไปมาก

นิวตันตระหนักว่า ตามทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของเขา ดวงดาวควรดึงดูดซึ่งกันและกัน ดังนั้นตามหลักแล้วดูเหมือนว่าพวกมันจะไม่อยู่กับที่ พวกมันจะไม่ถล่มตัวลงด้วยกันในบางประเด็นหรือ? ในจดหมายที่เขียนถึง Richard Bentley ในปี 1691 ซึ่งเป็นนักคิดชั้นนำอีกคนในสมัยของเขา นิวตันแย้งว่าสิ่งนี้จะเกิดขึ้นได้จริง (ดวงดาวถล่มตัวลงด้วยกัน-ผู้เขียน) หากมีดาวจำนวนจำกัด กระจายอยู่ในอวกาศที่มีขอบเขตสิ้นสุด แต่เขาให้เหตุผลว่าหากในทางกลับกัน มีดาวจำนวนไม่มีที่สิ้นสุด กระจายอย่างสม่ำเสมอในอวกาศที่ไม่มีขอบเขตสิ้นสุด สิ่งนี้จะไม่เกิดขึ้นเพราะจะไม่มีจุดศูนย์กลางใดๆ ให้พวกมันตกลงไป 

 

นิวตันเชื่อว่าจักรวาลไม่มีขอบเขตสิ้นสุด

จักรวาลเป็นอย่างไร? เป็นนิรันดร์? หรือมันมีจุดเริ่มต้น? และมันจะมีจุดจบ? มันใหญ่แค่ไหน? มีขอบเขตหรือไม่? หรือมันไม่มีขอบเขตสิ้นสุด? คำถามเหล่านี้เป็นคำถามที่มนุษย์สงสัยเกี่ยวกับจักรวาล คนแรกที่มาให้คำตอบคือ ไอแซก นิวตัน เขามีกฎแห่งแรงโน้มถ่วงที่จะช่วยเขาในการอธิบาย

หลังจากพัฒนากฎความโน้มถ่วง นิวตันก็เชื่อว่าจักรวาลคงที่ (static)  ไม่มีขอบเขตสิ้นสุด (infinite) สสารในจักรวาลมีความสมดุล เนื่องจากการกระจายตัวของดวงดาวในจักรวาลเป็นไปอย่างสม่ำเสมอหรือเป็นเนื้อเดียวกัน (homogeneous) เมื่อพิจารณาในสเกลใหญ่

เห็นได้จากคำพูดในการติดต่อกับ Richard Bentley ซึ่งเป็นหนึ่งในนักเทววิทยาชั้นนำของอังกฤษที่มีความสนใจทางวิทยาศาสตร์อย่างมาก

“พระเจ้าทรงยืนยันว่า ในอวกาศอันไม่มีขอบเขตสิ้นสุด มีจำนวนของสสารที่ไม่สิ้นสุด และด้วยเหตุนี้แรงดึงดูดจึงไม่มีที่สิ้นสุดในทุกๆด้านของจักรวาล โดยทุกส่วนดังนั้นจึงอยู่ในสมดุลเพราะทั้งหมดไม่มีที่สิ้นสุดเท่ากัน”

The Lord affirms that all particle of matter in an infinite space has an infinite amount of matter of all the sides and, consequently, an infinite attraction by all part, having therefore to remain in balance because all the infinities are equal.

นิวตัน (Isaac Newton) กล่าวว่า หากจักรวาลที่เต็มไปด้วยดวงดาว “มีขอบเขตสิ้นสุด” ดวงดาวเหล่านั้นจะ “ตกลงไปตรงกลาง” ที่ซึ่งประกอบเป็นมวลทรงกลมขนาดใหญ่หนึ่งก้อน

จะเป็นอย่างไรถ้าจักรวาลมีขอบเขตสิ้นสุด?  นิวตันคิดว่าไม่สามารถเป็นเช่นนั้นได้ ทำไม? เมื่อเขามองขึ้นไปบนท้องฟ้า นอกเหนือจากดวงจันทร์ ดวงอาทิตย์ และดาวเคราะห์ เขาไม่พบการเคลื่อนไหวของวัตถุใดๆ เขาจึงคิดว่าจักรวาลมีสภาพคงที่ แต่ดูเหมือนว่าจักรวาลจะไม่เคลื่อนไหวเมื่อพิจารณาในสเกลขนาดใหญ่ นิวตันรู้ว่าจักรวาลมีวัตถุอยู่ในนั้น – ดวงดาวและอื่นๆ และเขารู้ว่าสิ่งเหล่านี้มีมวล อันเนื่องจากทุกสิ่งในจักรวาลมีแรงโน้มถ่วง วัตถุในจักรวาลจะถูกดึงดูดซึ่งกันและกัน 

 

หากจักรวาลมีขนาดที่แน่นอนหรือมีที่สิ้นสุด สิ่งที่อยู่ตรงขอบของจักรวาลจะถูกดึงดูดโดยมวลอื่นๆ ทั้งหมดในจักรวาลและจะถูกดึงเข้าข้างใน ในที่สุดสิ่งที่อยู่ขอบจักรวาลจะเคลื่อนเข้ามาตรงกลาง และจะมีการเคลื่อนที่ขนาดใหญ่อย่างเห็นได้ชัดไปยังจุดศูนย์กลางของจักรวาลดังแสดงด้วยภาพข้างบน และตรงกลางจักรวาลจะมีมวลขนาดใหญ่ ในที่สุดพลังดึงดูดของวัตถุทั้งหมดในจักรวาลจะทำให้จักรวาลทั้งหมด “พังทลายลง” ในตัวมันเอง

แต่นิวตันหรือคนอื่นไม่เห็นการเคลื่อนที่แบบนั้น – ไม่มีการเคลื่อนที่ขนาดใหญ่ให้เห็นบนท้องฟ้า สิ่งของที่อยู่ตรงขอบจักรวาล (ถ้ามีขอบ) ไม่ได้เคลื่อนเข้าด้านใน และเนื่องจากนิวตันไม่เห็นการเคลื่อนที่ใดๆ เขาจึงคิดว่า การที่ดวงดาวบนท้องฟ้าอยู่กับที่เมื่อพิจารณาในสเกลใหญ่ นั่นหมายความว่าจักรวาลไม่มีขอบเขตสิ้นสุด (infinite)

เมื่อ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) พัฒนาทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (Theory of General Relativity; 1915) เขาประสบปัญหาเดียวกับที่นิวตันประสบ สมการของเขาบ่งบอกการยุบตัวของจักรวาล โดยความโน้มถ่วงจะดึงดวงดาวและสสารอื่นๆเข้าด้วยกัน เป็นสาเหตุทำให้จักรวาลเกิดถล่มตัวลงอย่างช้าๆในตัวของมันเอง ซึ่งขัดแย้งกับแบบจำลองสภาวะคงที่ (Steady State Model) ที่เขาเชื่อในขณะนั้น ที่ว่าจักรวาลไม่มีจุดกำเนิดและไม่มีจุดสุดท้าย และคงอยู่ในสภาพนี้ตลอดไป เขาจึงเพิ่มค่าคงที่ของจักรวาลที่เรียกว่า “Fudge Factor” ลงไปในสมการของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของเขา ค่าคงที่ของจักรวาลจะเป็นแรงผลักดันที่ต่อต้านความโน้มถ่วง ทำให้จักรวาลไม่ยุบตัวลง

หลังจากที่ เอ็ดวิน ฮับเบิล (Edwin Hubble) ค้นพบว่าจักรวาลกำลังขยายตัว ไอน์สไตน์รีบลบค่าคงที่ของจักรวาลออกจากสมการของเขา จักรวาลที่ขยายตัวไม่จำเป็นต้องมีค่าคงที่ของจักรวาล ในเวลาต่อมาไอน์สไตน์เรียกค่าคงที่ของจักรวาลนี้ว่า “ความผิดพลาดที่ยิ่งใหญ่ที่สุด” ในชีวิตของเขา

 

 

Shawn Mendes – Something Big (YouTube)

 

 

ข้อถกเถียงนี้เป็นตัวอย่างของข้อผิดพลาดที่คุณสามารถพบได้ในการพูดถึงการไม่มีที่สิ้นสุด ในจักรวาลที่ไม่มีขอบเขตสิ้นสุด ทุกจุด (กาแล็กซี่ – ผู้เขียน) สามารถถือได้ว่าเป็นจุดศูนย์กลาง เพราะทุกจุดมีดาวจำนวนไม่มีที่สิ้นสุดในแต่ละด้านของมัน แนวทางที่ถูกต้องซึ่งได้รับการตระหนักในภายหลัง คือพิจารณาสถานการณ์ที่จำกัด ซึ่งดวงดาวทั้งหมดถล่มตัวลงด้วยกัน ถามว่าสิ่งต่างๆ เปลี่ยนแปลงไปอย่างไร หากมีดาวดวงหนึ่งเพิ่มขึ้นมาและกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอนอกบริเวณนี้ ตามกฎของนิวตัน ดาวที่เพิ่มขึ้นจะไม่สร้างความแตกต่างเลยกับดาวที่มีอยู่ก่อนแล้ว ดังนั้นดวงดาวจะถล่มตัวลงอย่างรวดเร็ว เราสามารถเพิ่มดาวได้มากเท่าที่เราต้องการ แต่ดาวเหล่านั้นจะยังคงยุบตัวเองอยู่เสมอ ตอนนี้เรารู้แล้วว่าเป็นไปไม่ได้เลยที่จะมีแบบจำลองคงที่ของจักรวาลที่ไม่มีขอบเขตสิ้นสุด ที่ซึ่งมีแรงโน้มถ่วงเป็นสิ่งดึงดูด

ผู้เขียน –  นิวตันเชื่อว่าจักรวาลมีสภาวะคงที่และที่ไม่มีขอบเขตสิ้นสุด เนื่องจากนิวตันเชื่อใน Steady State Model ที่ว่าความหนาแน่นของสสารมีค่าคงที่ไม่เปลี่ยนแปลง มีดาวที่เพิ่มขึ้นมาและในขณะเดียวกันก็มีดาวที่ยุบตัวลง สตีเฟน ฮอว์คิงชี้ให้เห็นว่านี้เป็นข้อผิดพลาด เป็นไปไม่ได้ที่จักรวาลที่ไม่มีขอบเขตสิ้นสุด และมีแรงโน้มถ่วงดึงดูดซึ่งกันและกัน จะมีสภาวะคงที่ไม่มีการเปลี่ยนแปลงตามแบบจำลอง Steady State Model 

 

ก่อนศตวรรษที่ 20 ยังไม่มีใครมาเสนอว่าจักรวาลกำลังขยายตัวหรือหดตัว ความคิดเห็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปของผู้คนในยุคนั้นว่า จักรวาลมีอยู่ตลอดไปในสภาพที่ไม่มีการเปลี่ยนแปลง หรือถูกสร้างขึ้นในช่วงเวลาจำกัด ในอดีตไม่มากก็น้อยตามที่เราสังเกตเห็นในปัจจุบัน ส่วนหนึ่งอาจเป็นเพราะแนวโน้มของผู้คนที่จะเชื่อในความเป็นนิรันดร์ มันเหมือนความสบายใจกับความคิดที่ว่าแม้ว่าพวกเขาจะแก่ชราและตายไป แต่จักรวาลก็เป็นนิรันดร์และไม่เปลี่ยนแปลง

ผู้เขียน – สตีเฟน ฮอว์คิงกล่าวถึงความเชื่อใน Steady State Model ของผู้คนในยุคก่อนศตวรรษที่ 20

 

นิวตันเชื่อว่าจักรวาลมีสภาพคงที่

เซอร์ไอแซก นิวตัน อาจเป็นนักวิทยาศาสตร์ที่ยิ่งใหญ่ที่สุดที่เคยมีชีวิตอยู่ แต่แม้แต่ผู้ชายที่ยิ่งใหญ่ก็สามารถทำผิดพลาดได้ นิวตันเชื่อว่าจักรวาลมีสภาพคงที่!

ก่อนศตวรรษที่ 20 มีการถกเถียงการกำเนิดจักรวาลอยู่ 2 แบบจำลอง คือ แบบจำลองบิกแบง (Big Bang Model) และแบบจำลองสภาวะคงที่ (Steady State Model)

 

 

แบบจำลองสภาวะคงที่ (Steady State Model) 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 

 

 

Zedd, Alessia Cara – Stay (YouTube)

 

 

แม้แต่ผู้ที่ตระหนักว่าทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของนิวตันแสดงให้เห็นว่าจักรวาลไม่สามารถคงที่ได้ ก็ไม่ได้ตระหนักว่าจักรวาลมีการขยายตัว แต่พวกเขาพยายามแก้ไขทฤษฎีของนิวตันโดยทำให้แรงโน้มถ่วงกลายเป็น “แรงผลักในระยะที่ไกลมาก” สิ่งนี้ไม่ได้ส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อการคาดการณ์การเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ แต่มันทำให้การกระจายตัวอย่างไม่มีที่สิ้นสุดของดาวฤกษ์ยังคงอยู่ในสภาวะสมดุล – ด้วยแรงดึงดูดระหว่างดาวฤกษ์ที่อยู่ใกล้เคียงกันถูกทำให้อยู่ในสภาวะสมดุลโดยแรงผลักจากดวงดาวที่อยู่ไกลออกไป  อย่างไรก็ตามตอนนี้เราเชื่อว่าดุลยภาพดังกล่าวจะไม่เสถียร หากดวงดาวอยู่ใกล้กัน แรงดึงดูดระหว่างพวกมันจะมีมาก และทำให้พวกมันถล่มตัวลงด้วยกัน  ในทางกลับกันหากดวงดาวอยู่ห่างจากกันมาก แรงผลักจะมากกว่าดึงดูด ส่งผลให้พวกมันให้อยู่ห่างกันมากขึ้น

หมายเหตุ: สตีเฟน ฮอว์คิง เขียนถึงแรงโน้มถ่วง (gravity force) ซึ่งปกติเป็นแรงที่ดึงดูดวัตถุเข้าหากันเสมอ แต่นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าในบางสถานการณ์แรงดึงดูดกลายเป็นแรงผลัก (repulsive force) ในระยะไกล ผู้เขียนพยายามหาบทความอ่านเพื่อทำความเข้าใจ แต่สุดท้ายไม่สามารถทำความเข้าใจได้ จึงขอละ ไม่อธิบาย ต้องขออภัยผู้อ่าน

 

 

Kendrick Lamar, SZA – All The Stars

 

 

ในปี 1823 นักปรัชญาชาวเยอรมัน Heinrich Olbers ได้เขียนโต้แย้งแนวคิดจักรวาลอยู่ในสภาวะคงที่และไม่มีขอบเขตสิ้นสุด (infinite static universe) ความจริงแล้ว คนรุ่นต่างๆ ในยุคเดียวกับนิวตันได้ตั้งข้อสงสัยขึ้นและ Olbers ไม่ใช่คนแรกที่ให้ข้อโต้แย้งนี้ อย่างไรก็ตามเขาเป็นคนแรกได้รับการกล่าวถึงอย่างกว้างขวาง

สิ่งที่ยากคือ ในจักรวาลคงที่และไม่มีขอบเขตสิ้นสุด ใครๆ ก็คาดหวังว่าท้องฟ้าทั้งหมดจะสว่างเหมือนดวงอาทิตย์แม้ในเวลากลางคืน การโต้แย้งของ Olbers คือแสงจากดวงดาวที่อยู่ห่างไกลจะถูกทำให้มืดลงโดยการดูดซับโดยสสารที่แทรกแซง (cosmic dust ฝุ่นคอสมิก – ผู้เขียน) เข้ามา อย่างไรก็ตาม หากสิ่งนั้นเกิดขึ้น ในที่สุดสสารที่แทรกแซงเข้ามาก็จะร้อนขึ้นจนสว่างไสวเหมือนดวงดาว วิธีเดียวที่จะหลีกเลี่ยงข้อสรุปที่ว่าท้องฟ้ายามค่ำคืนทั้งหมดควรจะสว่างพอๆ กับพื้นผิวของดวงอาทิตย์ ก็คือสมมติว่าดวงดาวไม่ได้ส่องแสงตลอดไป แต่เคยส่องแสงในอดีตในช่วงเวลาหนึ่ง ในกรณีนี้สสารดูดซับอาจยังไม่ร้อนขึ้นหรือแสงจากดวงดาวที่อยู่ห่างไกลอาจยังไม่มาถึงเรา

 

โอลเบอร์โต้แย้งแนวคิดจักรวาลอยู่ในสภาวะคงที่และไม่มีขอบเขตสิ้นสุด

ในปี 1823 แพทย์และนักดาราศาสตร์ชาวเยอรมัน Heinrich Olbers ได้ตั้งคำถามว่า  “ถ้าจักรวาลมีสภาวะคงที่และไม่มีขอบเขตสิ้นสุด ทำไมท้องฟ้ายามค่ำคืนจึงมืด” จักรวาลที่ไม่มีขอบเขตสิ้นสุด จะมีวัตถุจำนวนไม่สิ้นสุดหรือเป็นอนันต์อยู่ในนั้น ซึ่งจะให้แสงหลายประเภทขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของมัน ดังนั้นจักรวาลควรมีความสว่างสม่ำเสมอในทุกทิศทางและทุกเวลาไม่ว่าจะกลางวันหรือกลางคืน ความมืดของท้องฟ้ายามค่ำคืนนั้นขัดแย้งกับแนวคิดของนิวตันที่ว่าจักรวาลคงที่ไม่มีขอบเขตสิ้นสุดและเป็นนิรันดร์

 

เมื่อนักดาราศาสตร์มองผ่านกล้องโทรทรรศน์ในท้องฟ้ายามค่ำคืนพวกเขาจะเห็นกาแลคซีกระจัดกระจายไปทั่วและมีพื้นที่มืดจำนวนมาก  (ภาพบนด้านซ้าย) ถ้าจักรวาลมีสภาวะคงที่และไม่มีขอบเขตสิ้นสุด จะมีแสงดาวจำนวนเป็นอนันต์ (infinite) ท้องฟ้าควรเป็นสีขาวสว่างจ้าทั้งกลางคืนและกลางวัน (ภาพบนด้านขวา) (sites.uni.edu)

 In this animation depicting an infinite and homogeneous sky, successively more distant stars are revealed in each frame. As the animation progresses, the more distant stars fill the gaps between closer stars in the field of view. Eventually, the entire image is as bright as a single star.

en.wikipedia.org

ภาพเคลื่อนไหวแสดงจักรวาลคงที่และไม่มีขอบเขตสิ้นสุด จะมีดวงดาวมาเติมเต็มช่องว่างระหว่างดวงดาวอยู่เรื่อยๆ แบบไม่มีที่สิ้นสุด จนจักรวาลสว่างไสวอย่างมาก ท้องฟ้าควรสว่างจ้าทั้งกลางวันและกลางคืน 

สตีเฟน ฮอว์กิง ชี้ให้เห็นว่าความคิดเห็นของ Olbers ที่ว่ามีสสารแทรกแซง (ฝุ่นคอสมิค – ผู้เขียน) เป็นตัวดูดซับแสงของดาวฤกษ์ จึงทำให้ท้องฟ้าไม่ได้สว่างไสวทั้งกลางคืนและกลางวัน “ใช้ไม่ได้” เนื่องจากสสารแทรกแซง จะร้อนขึ้นและสว่างไสวเท่าดวงดาว

วิธีเดียวที่จะหลีกเลี่ยงข้อสรุปที่ว่าท้องฟ้ายามค่ำคืนทั้งหมดควรจะสว่างพอๆ กับพื้นผิวของดวงอาทิตย์ ก็คือสมมติว่า (1) ดวงดาวไม่ได้ส่องแสงตลอดไป มันเคยส่องแสงในอดีต หรือ (2) แสงจากดวงดาวที่อยู่ห่างไกลอาจยังไม่มาถึงเรา เราจะมองไม่เห็นทุกอย่างที่เกิดขึ้นในจักรวาลในทันที เนื่องจากแสงใช้เวลาในการเดินทางผ่านอวกาศ แสงจากวัตถุที่อยู่ไกลที่สุดยังไม่มาถึงเรา เราจะสามารถมองเห็นวัตถุที่อยู่ห่างไกลเหล่านี้ได้ก็ต่อเมื่อเรารอนานพอที่แสงของมันจะมาถึงเรา