ปี 2016 ปีสำคัญในวงการจักรวาลวิทยา

ปี 2016 ดูเหมือนจะเป็นปีแห่งความช็อกหรือคาดไม่ถึง อย่างผลการเลือกตั้งประธานาธิบดีสหรัฐอเมริกา ผลลงประชามติแยกสหราชอาณาจักรออกจาก EU (Brexit) และยังเป็นปีแห่งความสูญเสียบุคคลสำคัญ ๆ เช่น พระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัวภูมิพลอดุลยเดช ฯ รัชกาลที่ 9 ข่าวเหล่านี้บดบังอีกด้านหนึ่งคือ ปี 2016 เป็นปีแห่งการค้นพบทางวิทยาศาสตร์ที่สำคัญ ๆ หลายอย่าง เช่น

  • การค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงของ LIGO
  • การประกาศชื่อธาตุ 4 ตัวในตารางธาตุอย่างเป็นทางการ
  • การค้นพบ Planet 9 ดาวเคราะห์บริวารที่อยู่ห่างออกไปแต่น่าจะใหญ่ใกล้เคียงกับยูเรนัสและเนปจูน และมาแทนที่ดาวพลูโตซึ่งถูกลดอันดับลงเป็นดาวเคราะห์แคระ 
800px-virgo_aerial_view_01

เครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงในสถาบันวิจัย LIGO ซึ่งตรวจจับคลื่นได้ในวันที่ 11 กุมภาพันธ์ 2016

แต่บล็อกนี้จะพูดถึงกลุ่มการค้นพบที่สำคัญอีกอย่างหนึ่งที่ไม่ค่อยเห็นพูดถึงในข่าว อาจเพราะว่ายังเป็นสมมติฐานเริ่มต้นและเข้าใจได้ยาก แต่การค้นพบเหล่านี้จะเปลี่ยนรากฐานวงการจักรวาลวิทยา (Cosmology) ไปโดยสิ้นเชิง นั่นคือการค้นพบความเชื่อมโยงระหว่างแรงโน้มถ่วง สสารและพลังงานมืด และปริมาณพื้นฐานของจักรวาลอย่างเอ็นโทรปี

delta-knowledge

ความเชื่อมโยงระหว่างแรงโน้มถ่วง สสารและพลังงานมืด และเอ็นโทรปี เป็นหัวข้อหลักที่จะพูดถึงในบล็อกนี้ (สร้างโดย Microsoft Paint)

แรงโน้มถ่วง

godfreykneller-isaacnewton-1689

เซอร์ไอแซก นิวตัน (Sir Isaac Newton)

มาเริ่มจากแรงโน้มถ่วงก่อน ! เป็นที่รู้กันดีว่าผู้ค้นพบกฎแรงโน้มถ่วงคือ เซอร์ไอแซก นิวตัน (Sir Isaac Newton) แรงนี้มีขนาดเพิ่มขึ้นตามมวล และแปรผกผันกับระยะห่างกำลังสอง แรงนี้จึงเรียกกันว่า “แรงดึงดูดระหว่างมวล” แปลว่าวัตถุที่มีมวลทุกอันต้องมีแรงดึงดูดนี้

newtons-law-of-gravity

กฎแรงดึงดูดระหว่างมวลของนิวตัน

เขาพบว่าแรงที่ทำให้แอปเปิ้ลตกลงมาบนพื้น กับแรงที่ดึงให้ดวงจันทร์โคจรรอบโลกเป็นแรงเดียวกัน กฎนี้จึงเป็น “กฎสากล” หรือ “กฎแห่งเอกภพ” (Universal Law) เลยก็ว่าได้ แม้นิวตันจะพบว่าจักรวาลมีกฎแบบนี้ แต่นิวตันก็ยังไม่ทราบว่าจักรวาลสร้างแรงนี้ได้อย่างไร ?

albert_einstein_nobel

อัลเบิร์ต ไอสไตน์ (Albert Einstein)

ข้อคิดเรื่องแรงโน้มถ่วงถูกปัดฝุ่นอีกครั้งในสมัยอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) ข้อเสนอของเขาพลิกโฉมแนวคิดเรื่องแรง ในขณะที่ไอน์สไตน์กำลังพัฒนาทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (General Relativity) ซึ่งศึกษากฎการเคลื่อนที่ของวัตถุด้วยความเร่ง (accerlation)

2000px-elevator_gravity-svg

จรวดที่เคลื่อนที่ด้วยความเร่ง ให้ผลการตก เช่นเดียวกับการอยู่บนพื้นโลก

เขานึกถึงการเคลื่อนของวัตถุด้วยความเร่งในชีวิตประจำวันอย่างหนึ่งคือ การตกอิสระ (free fall) เช่น การโยนของลงมาจากตึก แทนที่เราจะมอง “การตก” ว่าถูกบังคับโดยแรงโน้มถ่วง เรามองว่าการตกเป็นการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ เหมือนการปล่อยของในจรวดที่เคลื่อนที่ด้วยความเร่ง ก็ให้ผลการตกเช่นเดียวกับการอยู่บนพื้นโลก ความหมายของแรงโน้มถ่วงจึงเปลี่ยนจาก “ตัวบังคับ” กลายเป็น “ตัวสร้างอิสระ” 

17499487_1829405637308901_61690273458856078_n

“แรง” เปลี่ยนจาก “ตัวบังคับ” กลายเป็น “ตัวสร้างอิสระ”
(credit: FB Page Cosmological Astrophysics)

“ตัวสร้างอิสระ”  ในศัพท์เฉพาะทางที่เรียกว่า “สนาม (field)” กฎของแรงโน้มถ่วงจึงเป็น “ทฤษฎีสนามโน้มถ่วง” และมวลสารรวมถึงพลังงานเป็น “ตัวบิดพลิ้วสนาม”

field_equation

ทฤษฎีสนามโน้มถ่วงของไอสไตน์

เปรียบวัตถุเหมือนเด็กคนหนึ่ง จากแต่เดิมเชื่อว่าแรงโน้มถ่วงเหมือนสายจูงเด็ก คือจูงให้วัตถุเคลื่อนที่ไป เปลี่ยนเป็นแรงโน้มถ่วงเหมือนสนามเด็กเล่น คือชักชวนให้เด็กเดินอย่าง “อิสระ” ตามทางที่ตนต้องการแทน  ดาวฤกษ์จึงเหมือนลูกบอลขนาดใหญ่ที่ยืดแผ่นยางแทรมโพลีน (trampoline) และ “ชักชวน” เอามวลขนาดเล็กมาโคจรรอบตัวมัน

gpb_circling_earth

การมองแรงโน้มถ่วงเหมือนแผ่นยางแทรมโพลีน (trampoline)
อุปลักษณ์ (metaphor) สำคัญในทฤษฎีสนามโน้มถ่วงของไอน์สไตน์

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ สามารถอธิบายปรากฏการณ์การโน้มถ่วงหลายอย่างเหนือกฎการโน้มถ่วงของนิวตัน เช่น

  • การคำนวณวงโคจรที่บิดไปของดาวพุธรอบดวงอาทิตย์
  • การบิดทางเดินของแสงให้โค้งโดยวัตถุมวลมาก
  • คลื่นความโน้มถ่วงที่ได้รับการพิสูจน์โดย LIGO เมื่อวันที่ 11 กุมภาพันธ์ 2016

อย่างไรก็ดี ปัญหาสำคัญของ “ทฤษฎีสนามโน้มถ่วง” คือ

  • แรงโน้มถ่วงมีภาวะไม่เข้ากับแรงมูลฐานแบบอื่น โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับสนามแบบควอนตัม
  • การคำนวณหลายครั้งจะได้ค่าอนันต์ลู่ออก (Diverge) ซึ่งไม่สอดคล้องกับข้อสังเกตที่แท้จริง

สสาร-พลังงานมืด

8631388149_ea9dc40785_b

สสาร-พลังงานมืด (dark matter and energy) ไม่เกี่ยวกับ dark force แต่อย่างใด ? รูปประกอบ death star จึงใส่ไว้ให้ดูเฉย ๆ [credit: flickr]

แม้ว่าสสารและพลังงานมืดจะฟังดูเข้าคู่กัน แต่ความหมายกับตรงกันข้ามกันโดยสิ้นเชิง สิ่งที่เหมือนกันมีเพียงคำว่า “มืด” (dark) ซึ่งในที่นี้หมายถึง “ไม่สามารถรับรู้ได้โดยตรง”

andromeda_galaxy_2

กาแล็กซีแอนโดรมีดา (Andromeda galaxy) กาแล็กซีเพื่อนบ้านของเรา

ช่วงต้นศตวรรษที่ 20 หลังจากค้นพบว่าจักรวาลไม่ได้มีเพียงกาแล็กซีทางช้างเผือก ในทางกลับกัน กาแล็กซีทางช้างเผือกกลับเป็นหนึ่งในหลายแสนล้านกาแล็กซีต่างหาก นักดาราศาสตร์หลายท่านศึกษาการเคลื่อนที่และการหมุนของกาแล็กซีจึงพบว่า กาแล็กซีน่าจะมีมวลมากกว่าที่สังเกตเห็น และเรียกว่าสสารมืด (dark matter) ในที่สุด นักดาราศาสตร์สองท่านคือ Vera Rubin (ท่านเป็นนักดาราศาสตร์หญิงยุคแรก ๆ และเพิ่งเสียชีวิตไปเมื่อวันที่ 25 ธันวาคม 2016) และ Kent Ford สามารถวัดได้ชัดเจนว่า สสารมืดมีขนาดกว่าร้อยละ 90 ของกาแล็กซีเลยทีเดียว

640px-galacticrotation2-svg

กราฟแสดงการหมุนของกาแล็กซี จากการทำนายทางทฤษฎี (A) เทียบกับ จากการสังเกตการณ์ (B) Vera Rubin และ Kent Ford ได้ใช้กราฟนี้แสดงว่ากาแลกซีอาจมีมวลสารมากกว่าที่ตรวจจับได้โดยตรง

นอกจากนั้น Edward Hubble สังเกตว่ากาแล็กซีต่าง ๆ ล้วนเคลื่อนหนีออกจากกัน หรืออีกนัยหนึ่ง จักรวาลเรากำลังขยายตัว! การขยายตัวนี้ไม่ใช่ขยายตัวด้วยความเร็วคงที่แบบก๊าซที่ฟุ้งออกมาในอากาศ แต่ยังขยายตัวเร็วขึ้นเรื่อย ๆ หรือจักรวาลกำลังขยายตัวด้วยความเร่ง  

cmb_timeline300_no_wmap

จักรวาลกำลังขยายตัวด้วยความเร่ง แล้วพลังงานที่ทำให้จักรวาลขยายตัวอยู่ที่ไหน ?

การขยายตัวด้วยความเร่งนำมาซึ่งคำตอบของหลายคำถาม เช่น ทำไมแรงโน้มถ่วงไม่ดึงดาวทั้งหมดให้มารวมกันอยู่เป็นก้อนเดียว ? (เพราะดาวทั้งหมดก็กำลังหนีห่างกันด้วยความเร่ง ทำให้มารวมกันไม่ทัน) แต่นำมาสู่คำถามสำคัญก็คือ แล้วพลังงานที่ทำให้จักรวาลขยายตัวอยู่ที่ไหน ? พลังงานเหล่านี้เองที่เรียกว่าพลังงานมืด (dark energy)

dark-matter-energy-infographics

Infographic แสดงความแตกต่างระหว่างสสารมืดและพลังงานมืด ดู Infographics ฉบับเต็มได้ใน Futurism

พลังงานมืดจึงตรงข้ามกับสสารมืดตรงที่ พลังงานทำให้จักรวาลขยายตัว ในขณะที่สสารมืดทำให้จักรวาลหดตัวด้วยแรงโน้มถ่วง แน่นอนตามที่ชื่อบอก กลไกการทำงานของสสารและพลังงานมืดนั้นยังไม่แน่ชัด เนื่องจากเอกภพขยายตัวด้วยความเร่งมากกว่าหดตัวด้วยแรงโน้มถ่วง พลังงานมืดต้องมีมากกว่าสสารทั้งหมด ในปัจจุบันเราประมาณว่าวัตถุที่เราตรวจจับได้โดยตรงมีเพียงร้อยละ 4 เท่านั้น สสารมืดมีถึงร้อยละ 26 ของมวลพลังงานเอกภพ ในขณะพลังงานมืดมีถึงร้อยละ 70 ของมวลพลังงานเอกภพเลยทีเดียว

เอ็นโทรปี

black_hole_quasar_nasa

จักรวาลจะดำเนินไปอย่างไร ? เป็นปัญหาทั้งในทางวิทยาศาสตร์และปรัชญา

จักรวาลจะดำเนินไปอย่างไร ? เป็นปัญหาทั้งในทางวิทยาศาสตร์และปรัชญา ศาสตร์การทำนายการดำเนินไปของจักรวาลเรียกว่า ลูกศรแห่งกาลเวลา (arrow of time) ยกตัวอย่างเช่น

  • ลูกศรแห่งกาลเวลาแบบจักรวาลวิทยา (cosmology arrow of time) ทำนายว่าจักรวาลกำลังขยายตัวด้วยความเร่ง แต่เราก็ไม่แน่ใจว่าจะเป็นจริงอย่างนั้นตลอดไปหรือไม่ ? 
  • ลูกศรแห่งกาลเวลาแบบการรับรู้ (perception arrow of time) ทำนายว่าจักรวาลจะทำนายในทิศทางที่เราไม่รู้ (ดูปรัชญาดีเนอะ !) แม้กระนั้นเราก็ยังไม่แน่ใจอยู่ดี เพราะอนาคตเราอาจจะรู้อนาคตก็ได้
  • ลูกศรแห่งกาลเวลาแบบเทอร์โมไดนามิกส์ (thermodynamics arrow of time) เป็นลูกศรแห่งกาลเวลาที่สำคัญมากในวิชาฟิสิกส์ ทำนายว่า จักรวาลจะ “ปนเป” มากขึ้น ปริมาณที่วัดความปนเป เรียกว่า เอ็นโทรปี (entropy)
800px-mont_blanc_lavender_purple_ink_on_water

ลูกศรแห่งกาลเวลาแบบเทอร์โมไดนามิกส์ ทำนายว่าจักรวาลจะ “ปนเป” มากขึ้น หรือมี “เอ็นโทรปี” มากขึ้น เหมือนสีที่หยดกระจายในน้ำ

ถ้านึกภาพเอ็นโทรปีของจักรวาลไม่ออก ให้นึกถึงหูฟังที่ยุ่งเหยิง “ปนเป” กันเองได้ หรือนึกถึงการผสมสีลงไปในน้ำ แล้วโมเลกุลสีย่อม “ปนเป” ไปกับโมเลกุลน้ำ มากกว่าไปออ ๆ กันอยู่ที่มุมหนึ่ง จักรวาลก็มีแนวโน้มจะ “ปนเป” หรือรวมตัวกันมากกว่า เช่น

  • โปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอน รวมตัวกันเป็นอะตอม
  • อะตอมรวมตัวกันเป็นโมเลกุล
  • โมเลกุลรวมตัวกันเป็นวัสดุ

ลูกศรแห่งกาลเวลาแบบเทอร์โมไดนามิกส์พิเศษอยู่อย่างคือ การเพิ่มเอ็นโทรปีนั้นง่ายมาก แต่การลดเอ็นโทรปีนั้นทำได้ยากกว่าเยอะ หลักการนี้สามารถเห็นได้ในชีวิตประจำวัน ยกตัวอย่างเช่น แค่ก่อไฟเราก็ทำของให้ร้อนได้แล้ว แต่จะทำของให้เย็นนั้นเราต้องใช้ตู้เย็นซึ่งกลไกซับซ้อน กว่ามนุษย์จะประดิษฐ์ได้ต้องใช้เวลานานมาก (หมายถึงตู้ที่เย็นลงได้เอง ไม่ใช่ตู้แช่รักษาความเย็น) ความซับซ้อนนั้นมากเสียจนเครื่องที่จะลดเอ็นโทรปีของสิ่งหนึ่ง ๆ (เช่น ตู้เย็น) ต้องเพิ่มเอ็นโทรปีให้แก่สิ่งแวดล้อมมากกว่าเสียอีก จนกลายเป็นกฎข้อสองของเทอร์โมไดนามิกส์ว่า

“เมื่อคิดทั้งเอกภพ (universe) แล้ว เอ็นโทรปีย่อมไม่ลดลง”  

ด้วยเหตุนี้ นักวิทยาศาสตร์จึงเชื่อในลูกศรแห่งกาลเวลาแบบเทอร์โมไดนามิกส์มากที่สุด แต่ลูกศรแห่งกาลเวลาแบบเทอร์โมไดนามิกส์จะเป็นพื้นฐานของลูกศรแห่งกาลเวลาอื่น ๆ หรือไม่ ?

งานวิจัยในปี 2016: แรงโน้มถ่วง vs. สสารและพลังงานมืด

create-universe-meme

สงสัยพระเจ้าสร้างจักรวาลอย่างนี้มั้ง เลยเกิดสสาร-พลังงานมืด
(สร้างจาก th.vonvon.me และแก้ไขโดย Microsoft Paint)

ถ้าจะเดาว่าสสารมืดเกิดจากอะไร ? คงต้องเดาว่าเป็นพวกอนุภาคไม่มีประจุไฟฟ้า เพราะถ้าเป็นฝุ่น หรืออนุภาคมีประจุไฟฟ้า เราคงตรวจจับได้นานแล้ว เราจึงตรวจจับสสารมืดได้ด้วยแรงพื้นฐาน 2 แรงเท่านั้นคือ แรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน (weak force)  กับแรงโน้มถ่วง ซึ่งแรงอย่างหลังน่าจะตรวจจับได้ง่ายว่า เพราะคุณสมบัติสำคัญของสสารมืดคือ “มวล” อนุภาคที่น่าจะเป็นสสารมืดจึงแบ่งได้เป็น 2 แบบ คือ

  • อนุภาคมวลหนัก เรียกว่า weak interaction massive particle (WIMP) 
  • อนุภาคมวลเบา ซึ่งนักฟิสิกส์ส่วนใหญ่เชื่อว่า เป็นอนุภาคทางทฤษฎีชื่อ Axion
732px-structure_of_the_universe

ภาพจำลองการกระจายตัวของมวลสารในเอกภพ

ความคืบหน้าในปี 2016 คือ Borsanyi และคณะ ใช้ข้อมูลการกระจายตัวของอุณหภูมิและมวลสารในเอกภพ และซูเปอร์คอมพิวเตอร์ช่วยคำนวณความเป็นไปได้ของการให้ Axion เป็น “ส่วนผสม” สำคัญของสสารมืด และจำลองการก่อตัวของเอกภพ พบว่าเพื่อให้เอกภพก่อตัวสอดคล้องกับที่เราสังเกตได้ในปัจจุบัน Axion ต้องหนักระดับ (order of magnitude) ที่ทำนายได้จากทฤษฎีพอดี คือ หนึ่งในพันล้านเท่าของมวลอิเล็กตรอน Axion จึงมีศักยภาพ (potential) ที่จะเป็นสสารมืด ทำให้นักดาราศาสตร์สนใจตรวจจับอนุภาคชนิดนี้กันมากขึ้น

งานวิจัยในปี 2016: สสารและพลังงานมืด vs. เอ็นโทรปี

สสารและพลังงานมืดอาจเป็นเรื่องไกลตัว แต่ในปี 2016 มีความคืบหน้าที่เสนอว่า สสารและพลังงานมืดอาจเกี่ยวข้องกับลูกศรแห่งกาลเวลา เพราะมันเกี่ยวกับ ความสมมาตร (symmetry) ลักษณะทางธรรมชาติอย่างหนึ่งซึ่งปรากฏทั้งในระดับใหญ่ (ฟิสิกส์ดาราศาสตร์) และระดับเล็ก (ฟิสิกส์อนุภาค) ความสมมาตร พูดโดยคร่าว ๆ คือ “หน้าตาเหมือนกันแต่กลับหัวลูกศร”  แต่ปรากฏการณ์บางอย่างก็อยู่ในลักษณะไม่สมมาตรหรือภาวะอสมมาตร (asymmetry) พูดโดยคร่าว ๆ คือเวลาย้อนกลับไม่สามารถกลับหัวลูกศรได้ ลักษณะอสมมาตรมักนำไปสู่ความปนเปหรือเอ็นโทรปี หรือนำไปสู่ลูกศรแห่งกาลเวลานั่นเอง

star-orbit

เวลามองวงโคจรของดวงดาวแบบกรอเทปกลับ (backward) ปริมาณทางฟิสิกส์ยังคงเดิม
เว้นแต่ทิศการเคลื่อนที่จะกลับหัวลูกศร (สร้างเองโดย Microsoft Paint)

pair-interaction

ซ้าย ปฏิกิริยาคู่กำเนิด (pair production) ขวา ปฏิกิริยาคู่ประลัย (pair annihilation)
ปฏิกิริยาในฟิสิกส์อนุภาคส่วนใหญ่ก็สมมาตร คือหน้าตาเหมือนกันแต่กลับหัวลูกศร

Peccei และ Quinn เคยเสนอในปี 1977 ว่าอนุภาค Axion เกี่ยวข้องกับความสมมาตรแบบชาร์จ-พาริตี้ (Charge Parity Symmetry: CP Symmetry) ลักษณะไม่สมมาตรหรือภาวะอสมมาตร CP นี้จะทำให้เกิด “ลูกศรแห่งกาลเวลาแบบฟิสิกส์อนุภาค (particle physics arrow of time)  และเนื่องจากสสารมืดสัมพันธ์กับการหดขยายตัวของจักรวาล ซึ่งสอดคล้องกับลูกศรแห่งกาลเวลาแบบจักรวาลวิทยา ดังนั้นหาก Axion เป็น “ส่วนผสม” สำคัญของสสารมืดจริง ลูกศรแห่งกาลเวลาสองตัวนี้อาจเชื่อมโยงกัน

646px-relativistic_precession-svg

พลังงานมืดส่งผลต่อวงโคจรของดวงดาว และอาจส่งผลต่อลูกศรแห่งกาลเวลาแบบเทอร์โมไดนามิกส์

นอกเหนือจากนั้นแล้ว ในปี 2016 Allahverdyan และ Gurzadyan ยังเสนอว่า พลังงานมืดยังส่งผลต่อกับวงโคจรของดวงดาว ถ้าใช้สมการที่เพิ่มพลังงานมืดเข้าไปแล้วให้เวลาเดินไปด้านหนึ่ง ดวงดาวอาจจับตัวเป็นวงโคจร ถ้าให้เวลาเดินไปด้านตรงข้าม ดวงดาวจะโคจรหนีแบบไฮเปอร์โบลา โดยอัตราการกระจายตัวจากการหนีแบบไฮเปอร์โบลา ยังสัมพันธ์กับกับอัตราการเพิ่มขึ้นของเอ็นโทรปีในเอกภพ และเนื่องจากพลังงานมืดก็สัมพันธ์กับการหดขยายตัวของจักรวาล ซึ่งสอดคล้องกับลูกศรแห่งกาลเวลาแบบจักรวาลวิทยา ดังนั้นหากงานวิจัยนี้สรุปถูกต้อง มันจะเชื่อมโยงระหว่างลูกศรแห่งกาลเวลาแบบจักรวาลวิทยาและลูกศรแห่งกาลเวลาแบบเทอร์โมไดนามิกส์เข้าด้วยกัน

งานวิจัยในปี 2016: แรงโน้มถ่วง vs. เอ็นโทรปี

74492236

หรือว่า “สสารมืด” ไม่จำเป็นต้องมีอยู่ ? (สร้างโดย memegenerator.net)

ก่อนหน้าปี 2016 นอกจากนักวิทยาศาสตร์ที่เชื่อว่า Axion เป็น “ส่วนผสม” สำคัญของสสารมืดแล้ว ยังมีนักวิทยาศาสตร์อีกกลุ่มที่เชื่อว่า “สสารมืด” ไม่จำเป็นต้องมีอยู่ แต่เชื่อว่า “ทฤษฎีสนามโน้มถ่วง” ผิดแทน เหมือนสมัยหนึ่งที่ไอน์สไตน์เชื่อว่า ตัวกลางของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เรียกว่า “อีเทอร์” ไม่จำเป็นต้องมีอยู่ แต่ “กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน” ผิดแทน เพราะปัจจุบันเรายังไม่เคยตรวจจับ Axion ได้เลย เช่นเดียวกับเราไม่เคยตรวจจับอีเทอร์ได้เลยในสมัยนั้น นอกจากนั้น ดังที่กล่าวไปตอนต้นว่า “ทฤษฎีสนามโน้มถ่วง” ไม่เข้ากับทฤษฎีสนามของแรงอื่น ๆ และมักให้ค่าอนันต์ซึ่งไม่สอดคล้องกับข้อสังเกตจริง การปรับปรุงทฤษฎีนี้จึงเป็นแนวคิดที่น่าสนใจ

800px-meta-stability-svg

หรือ แรงโน้มถ่วงเกิดจากจักรวาลอยากเพิ่มเอ็นโทรปี ?

ในปี 2010 Erik Verlinde เคยเสนอว่า แรงโน้มถ่วงอาจไม่ใช่แรงพื้นฐานอย่างที่เราเข้าใจ แต่เป็นคุณสมบัติที่โผล่ขึ้นมา (emerge property) ของการเพิ่มเอ็นโทรปีของเอกภพ กล่าวอีกนัยหนึ่ง แรงโน้มถ่วงเป็นภาวะความต้องการ “ปนเป” ของสสารเอง เหมือนหูฟังที่ทิ้งไว้แล้วพันกัน เท่านั้นยังไม่พอ เราต้องมองว่าเอกภพทั้งหมดเป็นข้อมูล (Information) เหมือนข้อมูลคอมพิวเตอร์อีกด้วย ! ซึ่งแน่นอนว่า แนวคิดนี้ได้รับการถกเถียงเป็นวงกว้างอย่างมาก

ในปี 2016 ทฤษฎีนี้คืบหน้าอย่างหนึ่งคือ Brouwer และคณะได้นำทฤษฎีนี้ไปวิเคราะห์การกระจายตัวของมวลสารในกาแล็กซีกว่า 33,000 กาแล็กซีผ่านเลนส์ความโน้มถ่วง (gravitational lensing) พบว่าทฤษฎีของ Verlinde แบบไม่ต้องใช้สสารมืด ได้ผลลัพธ์การวิเคราะห์เช่นเดียวกับทฤษฎีสนามโน้มถ่วงที่ใช้สสารมืด  แม้การทดลองนี้จึงยังไม่ได้ปัดทฤษฎีสนามโน้มถ่วงของไอน์สไตน์ให้ตกไป แต่ทำให้ทฤษฎีของ Verlinde ได้รับความน่าเชื่อถือมากขึ้น นักวิทยาศาสตร์จึงต้องหาปรากฏการณ์ที่ทฤษฎีสนามโน้มถ่วงอธิบายผิด แล้วทฤษฎีของ Verlinde อธิบายถูก เพื่อพิสูจน์ทฤษฎีของ Verlinde ต่อไป

สรุป

ปี 2016 มีการค้นพบและตั้งสมมติฐานที่เชื่อมโยงระหว่างแรงโน้มถ่วง สสารและพลังงานมืด และเอ็นโทรปี ดังนี้

  • นักวิทยาศาสตร์คาดการณ์จากการใช้ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ว่า สสารมืดอาจประกอบจาก Axion อนุภาคมวลเบากว่าอิเล็กตรอนถึงพันล้านเท่า
  • Axion อาจเชื่อมโยงระหว่างฟิสิกส์อนุภาค (ฟิสิกส์ในระดับเล็ก) กับการหดขยายตัวของจักรวาล (ฟิสิกส์ในระดับใหญ่)
  • นักวิทยาศาสตร์เสนอว่าพลังงานมืดและการหดขยายตัวของจักรวาล อาจเชื่อมโยงกับเอ็นโทรปี และเอ็นโทรปีก็เชื่อมโยงกับ “การไหลของกาลเวลา” ที่เรียกว่าลูกศรแห่งกาลเวลา
  • ปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์ยังตรวจจับ Axion ไม่ได้ จึงมีแนวคิดว่า Axion อาจไม่มีอยู่จริง และทฤษฎีสนามโน้มถ่วงผิดแทน ในปี 2016 มีการทดสอบทฤษฎีหนึ่งที่อยู่บนแนวคิดนี้ที่ว่า แรงโน้มถ่วงอาจไม่ใช่แรงพื้นฐาน แต่เกิดจากการเพิ่มเอ็นโทรปีต่างหาก และเอกภพประกอบจากข้อมูลเหมือนคอมพิวเตอร์ !

บทส่งท้าย: ทั้งหมดนี้สำคัญอย่างไร ?

flammarion-color

จ๊ะเอ๋ ! จักรวาล (ภาพนี้เรียกว่า ภาพแกะสลักแห่ง flammarion)

ความก้าวหน้าในจักรวาลวิทยา แม้ดูเป็นเรื่องไกลตัว แต่มักตามมาด้วยการเปลี่ยนแปลงความคิดความเชื่อทางสังคมในระยะยาว ดังจะเห็นได้ในประวัติศาสตร์มนุษยชาติ เช่น

  • เมื่อโลกกลม เราตระหนักถึงเขตแดนอื่น ๆ มากขึ้น เพราะไม่มีเขตแดนใดเป็นศูนย์กลางของโลกอีกต่อไป
  • เมื่อโลกไม่ใช่ศูนย์กลางของจักรวาล เราตระหนักว่าไม่มีหลักความเชื่อใดที่ถูกต้องเป็นกลางเสมอ
  • เมื่อจักรวาลไม่ได้มีเพียงกาแล็กซีทางช้างเผือก เราตระหนักถึงความเล็กเมื่อเทียบกับจักรวาล และต้องอนุรักษ์สิ่งแวดล้อมบนโลกเอาไว้ (แน่นอนว่า ทำให้หลายคนอยากไปสำรวจอวกาศแทน)

และตอนนี้ เห็นได้ชัดจากความตื่นตัวด้านคลื่นความโน้มถ่วงตอนต้นปี เรากำลังจะก้าวไปสู่ความเข้าใจด้านแรงโน้มถ่วง แรงที่อยู่ในชีวิตประจำวันของเราโดยเฉพาะอย่างยิ่งบนเครื่องชั่งน้ำหนัก ซึ่งอาจสัมพันธ์กับความเข้าใจด้านเวลา และด้านอนุภาคเล็ก ๆ ที่อยู่รอบตัวเราแต่เรามองไม่เห็น สิ่งเหล่านี้ล้วนอยู่รอบตัวเราทั้งสิ้น เราสงสัยสิ่งเหล่านี้มานานจนตั้งเป็นหนึ่งในเจ็ดปัญหาแห่งศตวรรษที่ 21 แม้ว่าตอนนี้เราจะไม่รู้ว่า หากสมมติฐานเหล่านี้เป็นจริง ความคิดความเชื่อเราจะเปลี่ยนไปอย่างไร ? แต่ที่แน่ ๆ คือ มันจะเปลี่ยนแปลงความคิดความเชื่อของสิ่งที่อยู่รอบตัวเราไปตลอดกาล

แหล่งข้อมูลเพิ่มเติม

สัญญาอนุญาต (License)

แหล่งที่มาของภาพส่วนใหญ่มาจาก Wikimedia Commons แหล่งรวมภาพที่ใช้ในวิกิพีเดีย ซึ่งส่วนใหญ่ใช้สัญญาอนุญาตแบบ Creative Commons โดยคร่าว ๆ จะใช้หรือดัดแปลงได้ฟรี โดยไม่ละเมิดลิขสิทธิ์ ภาพที่ไม่ได้นำมาจาก Wikimedia Commons จะเขียน Credit หรือเขียน Application ที่ใช้สร้างหรือดัดแปลง

เนื้อหาในบล็อกนี้ให้สัญญาอนุญาตแบบ creative commons cc-by-sa 4.0 และข้อความบางส่วนของบล็อกนี้ ผู้เขียนนำไปใช้เผยแพร่เป็นข่าววิทยาศาสตร์ที่ Jusci

Advertisements
This entry was posted in บทความ and tagged , , , , . Bookmark the permalink.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out /  Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out /  Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out /  Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out /  Change )

w

Connecting to %s