หากเอ่ยถึง “Big Bang Theory” หลายคนอาจจะรู้จักจากซีรีส์ดังว่าด้วยเรื่องราวของหนุ่มเนิร์ด ซึ่งได้ชื่ออิงมาจากทฤษฎีกำเนิดเอกภพที่ได้รับการยอมรับและใช้อธิบายมาเกือบร้อยปี ทว่า จากการศึกษาล่าสุดกลับมีหลายสิ่งที่ทำให้นักวิทยาศาสตร์ต้องกลับมาทบทวนกันใหม่ หรือว่านี่อาจจะไม่ใช่จุดเริ่มต้นของเอกภพของที่เราคิด!
หลายคนคงเคยมีคำถามว่าทุกสิ่งในเอกภพของเรานั้นมาจากไหน ทุกสิ่งที่เราตรวจจับและสังเกตการณ์ได้ ทั้งดวงดาว กาแล็กซี เมฆก๊าซ ฝุ่น พลาสมา และการแผ่รังสีที่ครอบคลุมช่วงความยาวคลื่น ตั้งแต่วิทยุไปจนถึงอินฟราเรดไปจนถึงแสงที่มองเห็นได้จนถึงรังสีแกมมา ไม่ว่าเราจะมองไปที่ไหน จักรวาลก็เต็มไปด้วยสสารและพลังงานทุกที่และทุกเวลา จึงเป็นเรื่องธรรมดาที่จะมีการตั้งสมมติฐานว่าทุกอย่างนี้มาจากที่ไหนสักแห่ง
ทุกวันนี้ เอกภพตามที่เราสังเกตได้นั้นกำลังขยายตัว แยกออก (มีความหนาแน่นน้อยลง) และเย็นลงเรื่อย ๆ สิ่งที่เป็นแนวโน้มในอนาคตนี้ยังทำให้เรามองย้อนกลับไปในอดีตได้ด้วย หากว่ากันตามกฎของฟิสิกส์ ในอดีตกาลอันไกลโพ้น เอกภพย่อมมีขนาดเล็กลง หนาแน่น และร้อนกว่านี้ ในทางคณิตศาสตร์ นักวิทยาศาสตร์ต่างพยายามคาดการณ์ย้อนกลับไปให้ไกลที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ พยายามอธิบายย้อนกลับไปจนถึงจุดที่มีขนาดเล็ก มีความหนาแน่นและอุณหภูมิไม่สิ้นสุด อันเป็นภาวะเอกฐาน (A singularity) ก่อให้เกิดแนวคิดที่เป็นที่รู้จักกันในเวลาต่อมาว่า “Big Bang Theory” หรือ “ทฤษฎีบิ๊กแบง” นั่นเอง
แต่ในทางกายภาพ เมื่อเราสังเกตการณ์ได้มากขึ้น เราพบว่าจักรวาลบอกเล่าเรื่องราวที่อาจให้คำตอบต่างไปจากความเชื่อเดิม และนั่นทำให้เรารู้ว่าบิ๊กแบงไม่ใช่จุดเริ่มต้นของเอกภพอีกต่อไป
รากเหง้าของการระเบิดครั้งใหญ่ ต้นกำเนิดทุกสรรพสิ่ง
ต้นกำเนิดของทฤษฎีบิ๊กแบงนั้นมีรากฐานมาจากทั้งแนวความคิดเชิงทฤษฎี เชิงทดลอง และการสังเกตการณ์ ในทางทฤษฎีนั้น อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) ได้นำเสนอทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของเขาในปี ค.ศ. 1915 ซึ่งเป็นทฤษฎีใหม่ของแรงโน้มถ่วงที่พยายามจะล้มล้างทฤษฎีความโน้มถ่วงสากลของนิวตัน แม้ว่าทฤษฎีของไอน์สไตน์จะซับซ้อนกว่ามาก แต่ก็ไม่นานนักก็พบคำตอบที่ได้รับการสนับสนุนจากนักวิทยาศาสตร์คนอื่น ๆ
ในปี ค.ศ. 1916 คาร์ล ชวาทซ์ชิลท์ (Karl Schwarzschild) ได้ค้นพบวิธีแก้ปัญหาสำหรับมวลจุด (Pointlike mass) ซึ่งอธิบายหลุมดำที่ไม่หมุน
ต่อมา ในปี ค.ศ. 1917 วิลเลม เดอ ซิตเตอร์ (Willem de Sitter) ได้ค้นพบวิธีหาคำตอบเรื่องเอกภพว่างเปล่าที่มีค่าคงที่ในแง่จักรวาลวิทยา ซึ่งอธิบายว่าเอกภพกำลังขยายตัวแบบทวีคูณ
ในปี ค.ศ. 1916 ถึง 1921 คำอธิบาย Reissner-Nordström ซึ่งคิดค้นโดยนักวิจัย 4 คนที่ทำงานแยกกัน ได้อธิบายเรื่องกาลอวกาศว่าเป็นมวลที่มีประจุและสมมาตรทรงกลม
ในปี ค.ศ. 1921 เอ็ดเวิร์ด แคสเนอร์ (Edward Kasner) พบวิธีอธิบายเอกภพที่ปราศจากสสารและรังสีซึ่งเป็นแอนไอโซทรอปิก (Anisotropic – สิ่งต่างกันไปในทิศทางที่ต่างกัน)
ในปี ค.ศ. 1922 อเล็กซานเดอร์ ฟรีดแมนน์ (Alexander Friedmann) ได้ค้นพบคำอธิบายเอกภพแบบไอโซโทรปิก (Isotropic -การแพร่กระจายของคลื่นทุกทิศทางที่พร้อมกันด้วยความเข้มสนามที่เท่ากัน – เหมือนกันในทุกทิศทาง) และเอกภพที่เป็นเนื้อเดียวกัน (Homogeneous – เหมือนกันในทุกสถานที่) ซึ่งมีพลังงานทุกประเภท รวมทั้งสสารและรังสีต่าง ๆ
สำหรับการค้นพบนี้นั้นน่าสนใจมากด้วยเหตุผล 2 ประการ คือ
1) มันสามารถอธิบายเอกภพของเราในระดับที่ใหญ่ที่สุด ที่ซึ่งสิ่งต่าง ๆ ดูเหมือน ๆ กัน เป็นไปโดยเฉลี่ย ทุกที่และทุกทิศทาง
2) ถ้าคุณแก้ “สมการฟรีดแมนน์” สำหรับคำตอบนี้ จะพบว่าจักรวาลที่อธิบายนั้นไม่สามารถคงที่ได้ แต่ต้องขยายหรือหดตัว
ความจริงข้อหลังนี้ได้รับการยอมรับจากหลาย ๆ คน รวมทั้งไอน์สไตน์ แต่ก็ไม่ได้มีความสำคัญเป็นพิเศษจนกระทั่งหลักฐานเชิงสังเกตเริ่มมีบทบาทเข้ามาสนับสนุน ในช่วงทศวรรษที่ 1910 นี้เอง นักดาราศาสตร์ เวสโต สลิฟเฟอร์ (Vesto Slipher) เริ่มสังเกตการณ์เนบิวลา ซึ่งบางคนแย้งว่าอาจเป็นกาแล็กซีนอกทางช้างเผือกของเรา และพบว่าพวกมันเคลื่อนที่เร็ว เร็วกว่าวัตถุอื่น ๆ ในกาแล็กซีของเรามาก ยิ่งไปกว่านั้น เขายังเห็นว่าพวกมันส่วนใหญ่ดูซีดจางลงและเล็กลง แสดงว่ามันกำลังเคลื่อนตัวห่างจากเราไปเรื่อย ๆ ด้วยความเร็วที่สูงขึ้นด้วยเช่นกัน
จากนั้นในทศวรรษที่ 1920 เอ็ดวิน ฮับเบิล (Edwin Hubble) เริ่มวัดดาวแต่ละดวงในเนบิวลาเหล่านี้และในที่สุดก็คำนวณระยะทางไปยังดาวเหล่านั้น นอกจากพวกมันจะอยู่ไกลกว่าสิ่งอื่น ๆ ในกาแล็กซีของเราแล้ว เนบิวลาที่ไกลกว่ายังเคลื่อนตัวเร็วกว่าอันที่อยู่ใกล้กว่าอีกด้วย และเมื่อนักดาราศาสตร์คนอื่น ๆ ได้ข้อมูลอื่น ๆ มาเพิ่มเติม ก็เป็นอันสรุปได้ว่า เอกภพของเรากำลังขยายตัวอยู่นั่นเอง
ฌอร์ฌ เลอแม็ทร์ (Georges Lemaître) เป็นคนแรกในปี 1927 ที่ตระหนักถึงสิ่งนี้ เมื่อค้นพบการขยายตัว เขาได้คาดการณ์ย้อนหลัง โดยตั้งทฤษฎีว่า เราสามารถย้อนกลับไปได้ไกลเท่าที่ต้องการ กระทั่งสิ่งที่เรียกว่าอะตอมดึกดำบรรพ์ (The primeval atom) แนวคิดของเขาคือ ในตอนเริ่มต้น เอกภพนั้นร้อน หนาแน่น และเต็มไปด้วยการแผ่ขยายของสสารและรังสี ทุกสิ่งรอบตัวเราเกิดขึ้นจากสภาวะดั้งเดิมนี้ และหลังจากนั้นแนวคิดนี้ก็ได้รับการพัฒนาเสริมแต่งเรื่อยมา
เอกภพที่เราเห็นในทุกวันนี้ มีวิวัฒนาการมากกว่าที่เคยเป็นมา ยิ่งเรามองย้อนกลับไปในอวกาศมากเท่าไร เราก็จะยิ่งมองย้อนกลับไปในห้วงอดีตด้วย ดังนั้นวัตถุที่เราเห็นในตอนนั้นควรมีอายุน้อยกว่า มีมวลน้อยกว่า มีมวลน้อยกว่า มีธาตุหนักน้อยกว่า มีโครงสร้างที่พัฒนาน้อยกว่า และควรจะมีจุดที่ไม่มีดาวหรือกาแล็กซีอยู่ด้วยซ้ำ
(อ่านต่อหน้า 2 คลิกด้านล่างเลย)
เมื่อถึงจุดหนึ่ง การแผ่รังสีก็ร้อนมากจนอะตอมที่เป็นกลางไม่สามารถก่อตัวได้อย่างเสถียร เพราะการแผ่รังสีจะผลักไสอิเล็กตรอนออกจากนิวเคลียสที่พยายามจะจับกัน และอาจถึงขั้นที่แม้แต่นิวเคลียสของอะตอมระเบิดออกจากกัน จนเวลาผ่านไป จึงค่อยเย็นและเบาบางลง เกิดการอาบรังสีคอมมิกไปทั่วจักรวาล ทำให้เกิดการหลอมรวมของนิวเคลียส และคาดว่าน่าจะมีแสงและไอโซโทปของมันกระจายไปทั่วจักรวาล เกิดเป็นช่วงก่อนการก่อตัวของดาวฤกษ์
เมื่อข้อมูลเหล่านี้ผสมรวมกับการขยายตัวของเอกภพ ก็กลายเป็นรากฐานที่สำคัญของทฤษฎีบิ๊กแบง การเติบโตและวิวัฒนาการของโครงสร้างขนาดใหญ่ของเอกภพ กาแล็กซี และมวลหมู่ดาวที่พบในนั้น ล้วนยืนยันการทำนายของบิ๊กแบง
การค้นพบการแผ่รังสีเหนือศูนย์สัมบูรณ์เพียง 3 เคลวิน ร่วมกับสเปกตรัมของวัตถุสีดำและความไม่สมบูรณ์ของอุณหภูมิที่ระดับไมโครเคลวินตั้งแต่สิบถึงร้อยเป็นหลักฐานสำคัญที่ยืนยันทฤษฎีบิ๊กแบงและกำจัดทางเลือกจำนวนมากออกไป และการค้นพบและการวัดองค์ประกอบแสงและอัตราส่วนของพวกมัน รวมถึงไฮโดรเจน ดิวเทอเรียม ฮีเลียม-3 ฮีเลียม-4 และลิเธียม-7 ที่ไม่เพียงเผยให้เห็นว่า นิวเคลียร์ฟิวชันชนิดใดที่เกิดขึ้นก่อนการก่อตัวของดาว แต่ยังแสดงให้เห็นถึง ปริมาณสสารปกติทั้งหมดที่มีอยู่ในเอกภพด้วย
นอกจากนี้ เรายังตรวจพบ “ตราประทับ” ที่พื้นหลังนิวตริโนของเอกภพ (Cosmic neutrino background) ซึ่งปรากฏขึ้นทั้งในพื้นหลังไมโครเวฟคอสมิก (รังสีที่เหลืออยู่ของบิ๊กแบง) และโครงสร้างขนาดใหญ่ของเอกภพอีกด้วย แนวคิดนี้จึงถือเป็นความสำเร็จอันร้อนแรงในทางฟิสิกส์ วิทยาศาสตร์ ทำให้เราเข้าใจเกี่ยวกับเอกภพของเราเรื่อยมา
เมื่อความสำเร็จปรากฏช่องโหว่
อย่างไรก็ตาม ตราประทับนี้เกิดขึ้นหลังการเกิดบิ๊กแบง 1 วินาที และนั่นทำให้เกิดช่องโหว่มหาศาล อาจฟังดูเหมือนเล็กน้อย แต่ลองคิดดูสิว่า เราตามรอยย้อนการเกิดบิ๊กแบงไปถึงเกือบ 13.8 พันล้านปี และทันใดนั้น ก็พบว่าในช่วงที่เอกภพมีอายุน้อยกว่า 1 วินาทีนั้น เราไม่รู้อะไรเกียวกับสิ่งนั้นเลย แต่หลัง 1 วินาทีต่อมากลับเกิดสิ่งต่าง ๆ มากมาย แล้วเมื่อเอกภพอายุ 0 วินาที แค่ย้อนกลับไปเพียงวินาทีเดียว มันจะเป็นอย่างที่เราคาดการณ์ เป็นภาวะเอกฐานจริงตามทฤษฎีหรือไม่
คำตอบหลังการพิจารณาในประเด็นนี้นั้นน่าสนใจมาก เพราะหากการเริ่มต้นที่ภาวะเอกฐาน ที่อุณหภูมิสูงแบบไม่มีเหตุผล ความหนาแน่นสูงแบบไร้กฎเกณฑ์ และปริมาณน้อยแบบไร้เงื่อนไข เราก็คงจะไม่ต้องการสังเกตการณ์เพราะมันอาจจะไม่มีอะไรเป็นไปตามทฤษฎีเลย
ตัวอย่างเช่น หากจักรวาลเริ่มต้นจากภาวะเอกฐาน จักรวาลนั้นจะต้องเกิดขึ้นพร้อมกับความสมดุลของ “สิ่งที่ถูกต้องแม่นยำ” นั่นคือสสารและพลังงานรวมกัน เพื่อสร้างสมดุลของอัตราการขยายตัวอย่างแม่นยำ หากมีสสารมากกว่านี้อีกเล็กน้อย จักรวาลที่ขยายตัวในตอนแรกก็จะยุบตัวลงแล้วในตอนนี้ และถ้าน้อยกว่านี้สักนิด สิ่งต่าง ๆ จะขยายตัวอย่างรวดเร็วจนจักรวาลมีขนาดใหญ่กว่าที่เป็นอยู่ทุกวันนี้
จากสิ่งที่เราสังเกตเห็น อัตราการขยายเริ่มต้นของเอกภพ ปริมาณสสารและพลังงานทั้งหมดภายในเอกภพนั้นดูจะสมดุลอย่างสมบูรณ์แบบที่สุดเท่าที่เราจะวัดได้ และมันเป็นแบบนั้นได้อย่างไร?
ถ้าบิ๊กแบงเริ่มต้นจากภาวะเอกฐาน เราก็ไม่มีคำอธิบายว่ามันเป็นมาอย่างไร เราก็ทำได้แค่บอกว่า “เอกภพก็แค่เกิดมาในลักษณะนี้” และมี “เงื่อนไขเริ่มต้น” เช่นนี้เอง
ในทำนองเดียวกัน เอกภพที่มีอุณหภูมิสูงแบบไร้สิ่งใดมากำหนดนี้ คาดว่าจะมีพลังงานสูงหลงเหลืออยู่ เช่น แม่เหล็กขั้วเดียว (Magnetic monopoles) แต่เราตรวจไม่พบสิ่งนั้น อุณหภูมิในเอกภพก็น่าจะต่างกันในบริเวณที่แยกออกจากกันด้วย แต่ในความเป็นจริงคือ เอกภพมีอุณหภูมิเท่ากันทุกหนทุกแห่ง ในระดับความความแม่นยำถึง 99.99%+
แน่นอน เราสามารถพูดได้ว่า “ก็จักรวาลเกิดมาในลักษณะนี้ และนั่นก็เป็นเช่นนั้น” แต่ในฐานะมนุษย์ผู้สงสัยใคร่รู้ อย่างไร นักวิทยาศาสตร์ก็เพียรหาคำอธิบายเกี่ยวกับคุณสมบัติที่สังเกตได้ต่อไป
และนั่นก็นำมาสู่เรื่องการพองตัวของจักรวาล (Cosmic inflation) มันคือสิ่งที่ช่วยยืนยันว่าบิ๊กแบงในช่วงเริ่มต้น ร้อนมาก หนาแน่นมาก และสม่ำเสมอมาก และหากคุณต้องการให้เอกภพมีอัตราการขยายตัวและปริมาณสสารและพลังงานทั้งหมดสมดุล นี่ก็อาจจะเป็นวิธีการ “ตั้งค่า” เพื่อทำให้ทุกอย่างอยู่ในลักษณะที่ควรจะเป็นตามมา
(อ่านต่อหน้า 3 คลิกด้านล่างเลย)
คำอธิบายใหม่ที่หักล้างแนวคิดเก่า
ช่วงเวลาก่อนเกิดบิ๊กแบง เอกภพถูกครอบงำด้วยค่าคงที่จักรวาลวิทยาขนาดใหญ่ (หรือบางสิ่งที่มีลักษณะคล้ายคลึงกัน) ซึ่งเป็นคำอธิบายเดียวกับที่ วิลแลม เดอ ซิตเตอร์ (Willem de Sitter) ค้นพบในปี 1917 ในช่วงเวลานี้ เอกภพจะพองตัวขึ้น ขยายและมีลักษณะแบน ก่อให้เกิดคุณสมบัติเหมือนกันทุกที่ กำจัดวัตถุที่มีมาก่อนหน้าที่มีพลังงานสูงออก ป้องกันการก่อเกิดการสร้างวัตถุใหม่ด้วยอุณหภูมิที่สูงสุด ๆ หลังจากสิ้นสุดการขยายตัวนี้ ก็เกิดบิ๊กแบงที่ร้อนแรงตามมา นอกจากนี้ หากสันนิษฐานว่ามีความผันผวนของควอนตัมเกิดขึ้น และแผ่ขยายไปทั่วเอกภพในช่วงขยายตัว ก็จะทำให้เกิดการคาดการณ์ใหม่ว่า น่าจะมีความไม่สมบูรณ์ชนิดใดชนิดหนึ่งในตอนเริ่มต้นเอกภพด้วย
เนื่องด้วยการตั้งสมมติฐานนี้เกิดขึ้นในช่วงทศวรรษ 1980 “การพองตัวของจักรวาล” จึงได้รับการทดสอบในหลากหลายวิธีเทียบกับแนวคิดอื่น นั่นคือ เอกภพที่เริ่มต้นจากภาวะเอกฐาน เมื่อเราซ้อนตารางสรุปสถิติ เราจะพบว่า
- การพองตัวของจักรวาลตอบโจทย์ทุกข้อของบิ๊กแบง ไม่มีอะไรที่ทฤษฎีบิ๊กแบงอธิบายสภาวะนี้ไม่ได้
- การพองตัวของจักรวาลให้คำอธิบายสำหรับปริศนา “เงื่อนไขเริ่มต้น” สำหรับทฤษฎีบิ๊กแบง
- จากการคาดการณ์การพองตัวของจักรวาลและทฤษฎีบิ๊กแบง ที่ไม่มีภาวะขยายตัวต่างกัน มีปัจจัย 4 อย่างที่ได้รับการทดสอบว่า มีความแม่นยำเพียงพอที่จะแยกแยะระหว่างทั้งสองอย่างนี้ ในสี่ด้านนั้น การพองตัวของจักรวาลอยู่ที่ 4-for-4 ในขณะที่ทฤษฎีบิ๊กแบงคือ 0-for-4
แต่สิ่งที่น่าสนใจจริง ๆ คือถ้าเรามองย้อนกลับไปที่แนวคิดเรื่อง “จุดเริ่มต้น” ในขณะที่เอกภพมีสสาร และ/หรือการแผ่รังสี ทฤษฎีบิ๊กแบงจะสามารถอนุมานกลับไปเป็นภาวะเอกฐานได้เสมอ แต่การพองตัวของจักรวาลกลับไม่สามารถทำได้ เนื่องจากลักษณะเลขชี้กำลังของมัน แม้ว่าคุณจะย้อนเวลากลับไปเป็นจำนวนอนันต์ พื้นที่จะเข้าใกล้ขนาดที่เล็กที่สุด มีอุณหภูมิและความหนาแน่นที่ไม่มีที่สิ้นสุดเท่านั้น มันจะไม่มีวันไปถึงภาวะนั้นได้เลย ซึ่งหมายความว่า แนวคิดที่ว่า “เอกภพเริ่มต้นจากภาวะเอกฐาน และนั่นคือสิ่งที่เป็นบิ๊กแบง” จะถูกปัดตกในทันที
สิ่งนี้ให้ข้อมูลสำคัญ 3 ประการเกี่ยวกับการกำเนิดเอกภพหรือจักรวาล ที่ขัดแย้งกับเรื่องราวดั้งเดิมที่พวกเราส่วนใหญ่เรียนรู้มา
ประการแรก แนวคิดดั้งเดิมของบิ๊กแบง ที่เอกภพเกิดขึ้นจากภาวะเอกฐานที่ร้อน หนาแน่น และมีขนาดเล็กอย่างไม่สิ้นสุด ได้ขยายตัวและเย็นลง เต็มไปด้วยสสารและการแผ่รังสีนับแต่นั้นมานั้นไม่ถูกต้อง แม้ภาพรวมของแนวคิดส่วนใหญ่จะแม่นยำแต่ยังต้องมีการตัดทอนว่า แท้จริงแล้วเราสามารถคาดการณ์ย้อนตามทฤษฎีได้ไกลแค่ไหน
ประการที่สอง การสังเกตการณ์ได้สร้างสถานะที่เกิดขึ้นก่อนบิ๊กแบง ซึ่งนั่นก็คือ “การพองตัวของจักรวาล” ก่อนเกิดบิ๊กแบง เอกภพในยุคแรกได้เข้าสู่ช่วงของการเติบโตแบบทวีคูณ โดยที่ส่วนประกอบที่มีอยู่ก่อนหน้านั้นได้”ขยายจนหายไป” และเมื่อการพองตัวของจักรวาลสิ้นสุดลง เอกภพก็ร้อนขึ้นอีกครั้งที่อุณหภูมิสูงแต่ไม่ใช่ความร้อนแบบไร้เงื่อนไข ทำให้เกิดเอกภพที่ร้อน หนาแน่น และขยายตัวเป็นสิ่งที่เราอาศัยอยู่ทุกวันนี้
และประการสุดท้าย ซึ่งอาจจะสำคัญที่สุด จากข้อมูลนี้เราไม่สามารถพูดด้วยความรู้หรือความมั่นใจใด ๆ ได้อีกต่อไปว่าเอกภพเริ่มต้นขึ้นอย่างไร เพราะด้วยแนวความคิดของการพองตัวของจักรวาล มันได้ลบล้างข้อมูลใด ๆ ที่เกิดขึ้นก่อนช่วงเวลาสุดท้าย เมื่อมันสิ้นสุดและก่อให้เกิดบิ๊กแบง การพองหรือขยายตัวนี้ก็อาจดำเนินต่อไปชั่วนิรันดร์ อาจมีระยะที่ไม่เป็นภาวะเอกฐานนำหน้า หรืออาจนำหน้าด้วยระยะที่เกิดขึ้นจากภาวะเอกฐาน จนกว่าจะถึงวันที่เราค้นพบวิธีดึงข้อมูลจากเอกภพได้มากกว่านี้ เราไม่มีทางเลือกอื่นนอกจากยอมรับในความเขลาของเราว่า บิ๊กแบงไม่ใช่จุดเริ่มต้นอย่างที่เราเคยคาดว่ามันเป็น
อ้างอิงข้อมูลและภาพ : Bigthink.com / NASA
พิสูจน์อักษร : สุชยา เกษจำรัส