ทฤษฎีการขยายตัวชิ้นใหม่ – หรือจักรวาลของเราคือ “ฟอง” ขนาดใหญ่ยักษ์?

หรือบางทีจักรวาลของเราอาจมีรูปแบบเป็น “ฟอง” ขนาดใหญ่ยักษ์? นั่นคือสรุปทฤษฎีจากงานวิจัยล่าสุดที่กำลังจะได้รับการตีพิมพ์อย่างเป็นทางการในวันที่ 10 เมษายน ที่จะถึงนี้ ในวารสาร Physics Letters B ครับ

งานวิจัยนี้มุ่งเป้าไปที่การหาทางไขปริศนาอันล้ำลึกที่สุดของฟิสิกส์ยุคใหม่นั่นคือ “ทำไมการวัดความเร็วการขยายตัวของเอกภพถึงไม่เมคเซนต์เลย”

ก่อนอื่นเพื่อทำความเข้าใจ นักวิทยาศาสตร์รู้ว่าจักรวาลกำลังขยายตัวอยู่ และในช่วงหลายปีที่ผ่านมาเราก็พยายามหาว่าจักรวาลกำลังขยายตัวด้วยอัตราเท่าไหร่ ซึ่งมันก็นำมาซึ่ง กฎการวัดค่าคงที่ของฮับเบิล (Hubble constant) หรือเรียกย่อ ๆ ว่า H0 ซึ่งเป็นจำนวนทึ่ควบคุมอัตราความเร็วในการขยายตัวของจักรวาล

การขยายตัวอวกาศนับตั้งแต่บิกแบง (ด้านซ้าย)

ในช่วงไม่กี่ที่ผ่านมา สูตรการคำนวณ H0 ที่มีอยู่มากมายค่อย ๆ พัฒนาและมีความแม่นยำมากขึ้นเรื่อย ๆ แต่ขณะเดียวกันนักฟิสิกส์หลาย ๆ คนก็เริ่มค้นหาสูตรคำนวณขึ้นมาหักล้างกันเอง เรียกได้ว่าวงการฟิสิกส์สายนี้เริ่มที่จะยุ่งเหยิงมากขึ้นเรื่อย ๆ เพราะการที่มันถูกหักล้างได้ง่าย ๆ ก็ย่อมหมายถึงมันไม่ชัดเจน และไม่สมเหตุผลเพียงพอ

*ตัวอย่างง่าย ๆ ของทฤษฎีที่สมเหตุสมผลและยังไม่เคยถูกหักล้างจนถึงปัจจุบันคือทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์

แต่ ลูคัส ลอมบริเซอร์ (Lucas Lombriser) นักฟิสิกส์จาก มหาวิทยาลัยเจนีวา (University of Geneva) ในสวิตเซอร์แลนด์ ผู้ร่วมเขียนงานวิจัย เชื่อว่าจริง ๆ แล้วคำตอบที่ทำให้การศึกษาด้านนี้มีความไม่สมเหตุผลเป็นเพราะเราอาจพลาดปัจจัยบางอย่างไป

ซึ่งเขาก็สรุปเอาไว้อย่างง่ายว่ามันอาจจะเป็นเพราะกาแล็กซีของเราตั้งอยู่ในพื้นที่ที่มีความหนาแน่นต่ำของจักรวาล และสิ่งที่เรามองเห็นผ่านกล้องโทรทรรศน์ก็เป็นส่วนหนึ่งของ “ฟองอวกาศ” ขนาดใหญ่ยักษ์ ซึ่งความผิดปกติของฟองแบบนั้นเองที่รบกวนการคำนวณค่า H0 ให้ถูกต้องไม่ได้เสียที

มันเป็นเรื่องยากที่เราจะสามารถจินตนาการว่า “ฟอง” จะมีลักษณะเป็นอย่างไรในระดับของจักรวาล แต่พื้นที่ส่วนใหญ่ของจักรวาลมันก็มีรูปร่างคล้าย ๆ กับฟองที่ว่างเปล่าและมีฝุ่นเล็ก ๆ ล่องลอยอยู่ด้านในจริง ๆ ครับ

คือมันมีพื้นที่ว่างเปล่าขนาดใหญ่ยักษ์ และมีกาแล็กซีที่กระจัดกระจายอยู่ในความว่างเปล่านั้น แต่ก็อาจมีบางพื้นที่ที่มีวัตถุหรือกาแล็กซีที่หนาแน่นกว่าพื้นที่อื่น

“เมื่อเราดูที่รังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล (CMB) เราจะเห็นอุณหภูมิที่เป็นเนื้อเดียวกันเกือบสมบูรณ์แบบที่ 2.7 เคลวิน อย่างไรก็ตามในความเป็นเนื้อเดียวกันนั้น เราก็เห็นความผันผวนของอุณหภูมิเล็กน้อยด้วย ” ลูคัส ลอมบริเซอร์ กล่าวกับ Live Science

รังสีไมโครเวฟพื้นหลังจักรวาล

แบบจำลองของการวิวัฒนาการของจักรวาลชี้ให้เห็นว่าคความผันผวนเล็ก ๆ เหล่านั้น จะก่อให้เกิดพื้นที่ของอวกาศที่อาจจะหนาแน่นขึ้นหรือหนาแน่นน้อยลงก็ได้ และพื้นที่ที่ความหนาแน่นของจักรวาลน้อยลงนั้นก็เพียงพอจะบิดเบือนการวัดค่า H0 ด้วยวิธีที่เราใช้กันในปัจจุบันแล้ว

ซึ่ง หลัก ๆ เรามี 2 วิธีในการวัดค่า H0 วิธีแรกคือการใช้วัดจาก รังสีไมโครเวฟพื้นหลังจักรวาล (CMB) ซึ่งอย่างที่ลอมบริเซอร์กล่าวไว้ข้างต้น คือค่านี้แทบจะเหมือนกันทั้งจักรวาล เพราะรังสีพื้นหลังฯ พวกนี้เกิดขึ้นพร้อม ๆ กันตอนบิกแบง

อีกวิธีคือการวัดจากซูเปอร์โนวา และดาวแปรแสงที่เรียกว่า เซฟีอิด (Cepheids) ซึ่งช่วยให้เราสามารถระบุได้ว่าพวกมันอยู่ห่างจากโลกมากแค่ไหน และพวกมันกำลังเคลื่อนที่ออกห่างจากเราไปด้วยความเร็วเท่าไหร่ ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ก็ใช้ข้อมูลการเคลื่อนที่ออกห่างพวกนี้มาคำนวณค่า H0 นั่นเองครับ

แต่ยิ่งนานวันเข้า สองวิธีนี้ก็ยิ่งวัดค่าได้ละเอียดและแม่นยำมากขึ้น และยิ่งแม่นยำตัวเลขที่ออกมาก็ยิ่งทำให้นักวิทยาศาสตร์งง เพราะตัวเลขของทั้งสองวิธีดันไม่ตรงกัน ทำให้เรารู้ว่าเราพลาดอะไรบางอย่างไป

เปรียบเทียบให้เข้าใจง่าย ๆ ก็เหมือนเวลาที่เราทำข้อสอบคณิตแบบมีตัวเลือกคำตอบให้ แล้วคำตอบที่เราคิดได้ดันไม่ตรงกับชอยส์คำตอบข้อไหนเลย เราจะรู้ทันทีว่าถ้าเราไม่ได้คิดผิด ตัวเลือกที่ให้มาในโจทย์ก็ผิด แต่ในสถานการณ์ของการวัดค่า H0 คือมันผิดทั้งคู่ แต่เราไม่รู้ว่ามันไปผิดที่ตรงไหนบ้างครับ

ภาพเซฟิอิดที่กล้องฮับเบิลเคยถ่ายเอาไว้ได้

สรุปแบบง่าย

ก็คือนักฟิสิกส์กำลังพยายามหาคำตอบในการขยายตัวของจักรวาลโดยที่พวกเขามีโจทย์ที่ไม่ครบ และมีตัวเลือกที่ผิด การหาคำตอบของโจทย์ข้อนี้จึงไม่ใช่แค่การคำนวณเพียงอย่างเดียว แต่พวกเขาต้องหาว่าสิ่งที่หายไปในโจทย์คืออะไร จักรวาลวิวัฒนาการอย่างไร ขยายตัวได้อย่างไร และกาลอวกาศในปัจจุบันเป็นยังไง

นักวิทยาศาสตร์บางคนพยายามหาคำตอบด้วยการสร้างทฤษฎีใหม่ ๆ ขึ้นมาอธิบาย ซึ่งข้อดีก็คือเราจะได้คำตอบส่วนหนึ่ง แต่ข้อเสียคือทฤษฎีใหม่จะยิ่งทำให้การหาคำตอบจริง ๆ ซับซ้อนขึ้นไปอีก เหมือนการแก้ปัญหานึงแล้วสร้างปัญหาอื่น ๆ ขึ้นมาเพิ่มอีกเป็นกระพรวน

ลอมบริเซอร์ จึงคิดว่าเราควรใช้ทฤษฎีฟิสิกส์ทั่ว ๆ ไปและเข้าใจง่ายมาอธิบายค่า H0 มากกว่า เพราะนอกจากมันจะเข้าง่ายแล้ว มันยังจะได้รับการยอมรับมากกว่าด้วย แต่เขาก็เสริมว่าทฤษฎีง่าย ๆ มันอาจจะน่าเบื่อไปหน่อยครับ

สรุป – นักวิทยาศาสตร์พยายามค้นหาอัตราการขยายตัวของจักรวาลกันมานานแล้ว แต่ทฤษฎีที่มีอยู่เดิมนั้นไม่สมเหตุสมผล และเต็มไปด้วยข้อผิดพลาดที่ไม่รู้ว่าผิดตรงไหนกันแน่ แต่ลอมบริเซอร์ได้เสนอคำตอบง่าย ๆ ว่าบางทีอาจจะเป็นเพราะจักรวาลของเราอาจจะเป็น “ฟองอวกาศขนาดใหญ่ยักษ์” ที่มีความหนาแน่นไม่เท่ากัน ทำให้การคำนวณค่า H0 ออกมาผิดพลาด

Fact – มีทฤษฎีเกี่ยวกับจักรวาลอยู่มากมาย ซึ่งหนึ่งในนั้นมีทฤษฎีที่ระบุว่าจักรวาลอาจไม่ได้มีหนึ่งเดียว แต่มีหลายอยู่หลายจักรวาลเรียกว่า multiverse โดยอิงจากสมมุติฐานที่ว่าในตอนที่เกิดบิกแบงขึ้นนั้น กาล-อวกาศ อาจจะมีการขยายออกไปในอัตราที่แตกต่างกัน (เวลาที่เริ่มต้นขึ้นนั้นอาจจะไม่ได้มีแค่หนึ่งเดียว จักรวาลของเราอาจจะมีการไหลของเวลาที่ไม่เหมือนกับจักรวาลอื่น)

อ่านต่อ – นักวิทย์ฯ เผย “รูหนอน” ไม่ใช่ทางลัดข้ามจักรวาล เพราะแท้จริงแล้วมันคือ “ทางอ้อม”