การค้นพบการขยายตัวของคลื่นความโน้มถ่วงหลัง 'บิ๊กแบง' สำคัญต่อฟิสิกส์อย่างไร

ข่าวการค้นพบหลักฐานที่ระบุว่ามีการขยายตัวของคลื่นความโน้มถ่วงช่วงกำเนิดจักรวาล นอกจากจะสามารถพิสูจน์สิ่งที่ 'ไอน์สไตน์' ตั้งสมมติฐานไว้เมื่อราวเกือบ 100 ปีที่แล้ว การค้นพบครั้งนี้ยังมีประโยชน์ต่อการศึกษาด้านฟิสิกส์และจักรวาลวิทยา

19 มี.ค. 2557 หลังจากเมื่อวันจันทร์ที่ผ่านมา วงการวิทยาศาสตร์ได้ประกาศยืนยันการค้นพบที่สำคัญที่สุดเรื่องหนึ่งเกี่ยวกับการกำเนิดจักรวาล คือการค้นพบหลักฐานการขยายตัวของคลื่นความโน้มถ่วงช่วงจักรวาลหลังเกิดบิ๊กแบง เว็บไซต์ไลฟ์ไซเอนซ์ได้นำเสนอเรื่องดังกล่าวในแง่ที่ว่าการค้นพบนี้มีความสำคัญต่อวิชาฟิสิกส์อย่างไร

โดยเมื่อวันจันทร์ที่ผ่านมา ทีมนักวิทยาศาสตร์ของศูนย์ดาราศาสตร์ฟิลิกส์ฮาร์วาร์ด-สมิธโซเนียน นำโดยจอห์น โคแวก ได้ประกาศถึงการค้นพบดังกล่าวซึ่งมาจากการสำรวจด้วยกล้องโทรทรรศน์วิทยุ BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization 2) ที่ตั้งอยู่ที่ขั้วโลกใต้

จากแผนภาพแสดงให้เห็นว่าหลังจากเกิดปรากฏการณ์ "บิ๊กแบง" หรือการระเบิดครั้งใหญ่อันเป็นหนึ่งในสมมติฐานของการกำเนิดจักรวาลแล้วก็เกิดการขยายตัวของคลื่นความโน้มถ่วงช่วงกำเนิดจักรวาล (Primordial gravitational waves) ที่มาจากการกระเพื่อมแบบควอนตัม (quantum fluctuation) [1]

แอนดรูว ปอนท์เซน นักจักรวาลวิทยาจากมหาวิทยาลัยคอลเลจลอนดอนกล่าวว่า การค้นพบนี้ถือเป็น "การบุกเบิกยุคใหม่" ของวิชาฟิสิกส์และจักรวาลวิทยา

ขณะที่จอห์น โคแวค ผู้นำทีมวิจัยกล่าวว่า ความพยายามค้นหาสัญญาณการขยายตัวของจักรวาลช่วงต้นกำเนิดถือเป็นเป้าหมายที่สำคัญที่สุดของวิชาจักรวาลวิทยาในปัจจุบัน และด้วยความร่วมมือของคนจำนวนมากก็ทำให้มีวันนี้ได้

เดอะการ์เดียน ระบุว่าคลื่นความโน้มถ่วงช่วงกำเนิดจักรวาลสามารถตรวจพบได้ด้วยการเปลี่ยนรูปแบบคลื่นแสงจาก "บิ๊กแบง" ให้มีระนาบการสั่นระนาบเดียวหรือที่เรียกว่าโพลาไรเซชั่น (Polarisation) คลื่นแสงจาก "บิ๊กแบง" ต่อมากลายเป็นคลื่นไมโครเวฟหลังจากเดินทางข้ามผ่านอวกาศ คลื่นไมโครเวฟเหล่านี้ถูกค้นพบในปี 2507 รู้จักกันในชื่อเรียกว่า "รังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล" [2] ซึ่ง Bicep2 มีหน้าที่ตรวจวัดการสั่นระนาบเดียวของคลื่นดังกล่าวนี้

เอ็ด ดอว นักดาราศาสตร์จากมหาวิทยาลัยเชฟฟิลด์กล่าวว่า การค้นพบคลื่นหลังเกิดบิ๊กแบงทำให้เราทราบว่าเอกภพเกิดขึ้นอย่างไร และถ้าผลลัพธ์นี้ได้รับการพิสูจน์ว่าถูกต้องจริงพวกเราก็จะได้รับข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับช่วงต้นกำเนิดจักรวาล ซึ่งเป็นข้อมูลที่หาได้ยากในที่อื่น

อย่างไรก็ตามดูเหมือนดอวจะยังคงไม่ปักใจเชื่อในการทดลองครั้งนี้อย่างเต็มที่ เนื่องจากสัญญาณที่ส่งมาถึง Bicep2 อาจจะถูกบิดเบือนโดยการเดินทางของคลื่นแสงผ่านกลุ่มกาแล็กซี่ต่างๆ และผ่านกลุ่มหมอกของทางช้างเผือก โดยผู้วิจัยต้องคอยถอดสิ่งรบกวนเหล่านี้ออกอย่างระมัดระวังเพื่อค้นหาสัญญาณคลื่นกำเนิดจักรวาล

ในแง่ความสำคัญของการค้นพบ ฌอน แคร์รอล นักฟิสิกส์ทฤษฎีจากสถาบันเทคโนโลยีแคลิฟอร์เนียกล่าวว่านี่ถือเป็นหลักฐานข้อมูลจริงชิ้นแรกที่สามารถโยงถึงกำเนิดจักรวาลได้ ซึ่งเรื่องนี้บ่งบอกถึงเรื่องการเปลี่ยนแปลงพลังงานจากการขยายตัว หรืออาจจะสามารถบ่งบอกได้ว่าการขยายตัวเปลี่ยนแปลงไปตามเวลาอย่างไร

ไลฟไซเอนซ์อธิบายในทฤษฎีเรื่องจักรวาลมีการขยายตัวว่า กาลอวกาศ (space-time) มีการขยายตัวอย่างรวดเร็วมากคือเพียงชั่วเสี้ยววินาทีคิดเป็น 10 ยกกำลัง -35 หรือ 0.000000000000000000000000000000000001 วินาที เมื่อช่วงราว 14,000 ล้านปีที่แล้ว อย่างไรก็ตามแสงจากรังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาลเพิ่งถือกำเนิดราว 380,000 ปีหลังจากการเกิดบิ๊กแบง ซึ่งก่อนหน้านี้นักวิทยาศาสตร์สามารถจำกัดการค้นพบมาถึงแค่จุดนี้

อย่างไรก็ตาม อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ นักวิทยาศาสตร์ชื่อดังเคยตั้งสมมติฐานไว้เมื่อปี 2459 ในทฤษฎีสัมพันธภาพทั่วไปว่ามีคลื่นความโน้มถ่วงซึ่งเป็นระลอกที่นำพลังงานไปทั่วจักรวาลเกิดขึ้นตั้งแต่ช่วงกำเนิดจักรวาล จากการทดลองล่าสุดนี้ทำให้สมมติฐานของไอน์สไตน์ถูกพิสูจน์ว่าเป็นจริง

ก่อนหน้านี้ทีมนักวิทยาศาสตร์ได้ตั้งทฤษฎีไว้อีกว่าในช่วงแรกเริ่มของกำเนิดจักรวาลแรงทั้งหมดถูกรวมเอาไว้ให้เป็นแรงเดียว (ยกเว้นแรงโน้มถ่วง) โดยตั้งชื่อทฤษฎีว่าทฤษฎีการรวมแรงครั้งใหญ่ (grand unified theory)

ทีมวิจัยตรวจวัดจากสัญญาณได้ว่าคลื่นความโน้มถ่วงน่าจะมีพลังงานอยู่ที่ระดับราว 2 คูณ 10 ยกกำลัง 16 (20,000 ล้านล้านล้าน) กิกะอิเล็กตรอนโวลท์ในช่วงที่มีการขยายตัวอย่างรวดเร็ว ซึ่งนับว่ามากกว่าล้านล้านเท่าเมื่อเทียบกับพลังงานที่มาจากการนำอนุภาคฮิกส์โบซอนมาชนกันด้วยเครื่องชนอนุภาคขนาดใหญ่ (Large Hadron Collider) ซึ่งจำนวนพลังงานที่ตรวจวัดได้ตรงกับที่คาดการณ์ไว้ในทฤษฎีการรวมแรงครั้งใหญ่

ไลฟ์ไซเอนซ์ระบุว่าการค้นพบนี้ทำให้เกิดความเป็นไปได้ในการสร้างจำลองการพยายามรวมแรงหลักๆ ทั้ง 4 ประเภทซึ่งรวมถึงแรงโน้มถ่วงเช่นในทฤษฎีสตริง ซึ่งอธิบายว่าจักรวาลประกอบด้วยวัตถุขยายมิติเดียวที่เรียกว่าสตริง (strings) แทนที่จะเป็นจุดศูนย์มิติที่เรียกว่าอนุภาค (particle)

ไลฟ์ไซเอนซ์ระบุอีกว่า นอกจากจะเป็นการพิสูจน์เรื่องการขยายตัวของจักรวาลช่วงต้นกำเนิดแล้ว การค้นพบนี้ยังเป็นครั้งแรกที่แสดงให้เห็นถึงแรงโน้มถ่วงที่ทำงานในระดับของกลศาสตร์ควอนตัม ที่เรียกว่าทฤษฎีโน้มถ่วงเชิงควอนตัม (quantum gravity)

ไบรอัน คีทติง ผู้ร่วมวิจัย Bicep2 กล่าวว่า "ในช่วงที่มีการขยายตัวทุกสิ่งทุกอย่างจัดเป็นกลศาสตร์ควอนตัมหมด รวมถึงตัวพื้นที่และเวลาเองด้วย" เขาบอกอีกว่าการสั่นอย่างรุนแรงของกาละและอวกาศทำให้เกิดคลื่นความโน้มถ่วง

สำหรับนักวิทยาศาสตร์เรื่องหลังจากนี้คือการพิสูจน์ซ้ำ โดยอาศัยกล้องโทรทรรศน์ทั้งภาคพื้นดินและในอวกาศ ซึ่งจะสามารถตรวจวัดคลื่นความโน้มถ่วงในระดับที่ต่างกัน ทำให้นักดาราศาสตร์สามารถจำกัดแบบจำลองการขยายตัวของจักรวาลได้แม่นยำมากขึ้น

เดิมทีแล้วทฤษฎีบิ๊กแบงมาจากการตั้งสมมติฐานของนักฟิสิกส์และนักบวชชาวเบลเยี่ยมที่ชื่อ จอร์จ เลอเมทร์ แต่ทฤษฎีนี้ไม่ตรงกับการสำรวจของนักดาราศาสตร์ที่เห็นว่าสสารต่างๆ ในอวกาศมีแบบแผนมากจนไม่คิดว่าจะมาจากการระเบิดครั้งใหญ่ได้ จนกระทั่งช่วงคริสตทศวรรษที่ 1970 นักจักวาลวิทยาก็ตั้งสมมติฐานอีกว่าหลังจากบิ๊กแบงจักรวาลก็มีการขยายตัวอย่างรวดเร็วในชั่วเสี้ยววินาที แต่ในยุคสมัยนั้นยังยากที่จะพิสูจน์แนวคิดนี้

เดอะการ์เดียน ระบุว่าหลังจากการค้นพบล่าสุดงานของนักจักรวาลวิทยาก็ยังไม่จบลงง่ายๆ เนื่องจากก่อนหน้านี้ทฤษฎีสัมพันธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์มีความขัดแย้งกับแนวคิดกลศาสตร์ควอนตัม โดยที่ทฤษฎีสัมพันธภาพทั่วไปพูดถึงแรงโน้มถ่วงและจักรวาลเป็นองค์รวมอันเดียว แต่กลศาสตร์ควอนตัมพูดถึงเรื่องในสเกลเล็กอย่างอนุภาคและแรงในธรรมชาติอื่นๆ อย่างแรงนิวเคลียร์แบบอ่อนและแรงนิวเคลียร์แบบเข้มรวมถึงพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า

แต่การค้นพบล่าสุดทำให้ทฤษฎีสัมพันธภาพทั่วไปและกลศาสตร์ควอนตัมถูกนำมาอธิบายร่วมกันได้อย่างสอดคล้อง เนื่องจากคลื่นความโน้มถ่วงในช่วงกำเนิดจักรวาลถูกสร้างขึ้นเมื่อแรงโน้มถ่วงและจักรวาลทำงานในระดับเดียวกับอนุภาคและแรงในธรรมชาติอื่นๆ

เดอะการ์เดียน ระบุว่า การค้นพบและวิเคราะห์ผลในครั้งนี้ทำให้มีความหวังว่าแนวคิดทางฟิสิกส์จะสามารถอธิบาย "ทฤษฎีแห่งสรรพสิ่ง" (the theory of everything) ได้ในที่สุด

 

เรียบเรียงจาก

What Gravitational Ripples from Big Bang Mean for Physics, Livescience, 18-03-2014
http://www.livescience.com/44166-big-bang-inflation-gravitational-waves-physics.html

Major Discovery: 'Smoking Gun' for Universe's Incredible Big Bang Expansion Found, Space, 17-03-2014
http://www.space.com/25078-universe-inflation-gravitational-waves-discovery.html

Primordial gravitational wave discovery heralds 'whole new era' in physics, The Guardian, 17-03-2014,
http://www.theguardian.com/science/2014/mar/17/primordial-gravitational-wave-discovery-physics-bicep

What are gravitational waves?, The Guardian, 17-03-2014
http://www.theguardian.com/science/2014/mar/17/gravitational-waves-bicep-inflation-big-bang

 

เชิงอรรถ

[1] เว็บไซต์อภิธานศัพท์ฟิสิกส์ อธิบายการกระเพื่อมแบบควอนตัมว่า เป็นปรากฏการณ์ซึ่งสถานะทางควอนตัมของที่ว่างในอวกาศเปลี่ยนแปลงไปในห้วงเวลาสั้น ๆ ตามหลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก (Heisenberg’s uncertainty principle) โดยที่ความไม่แน่นอนทางควอนตัมจะยอมให้พลังงานจำนวนเล็กน้อย ‘โผล่’ ออกมาจากความว่างเปล่าในเวลาสั้นมาก ๆ ก่อนที่จะหายวับไป พลังงานที่  ‘โผล่’ ขึ้นมานี้อาจเกิดเป็นคู่อนุภาค-ปฏิอนุภาคที่มีอายุสั้น (เช่น คู่อิเล็กตรอน-โพซิตรอน เป็นต้น)

ที่มา http://www.electron.rmutphysics.com/physics-glossary/index.php?option=com_content&task=view&id=4711&Itemid=60

[2] เว็บไซต์สารานุกรมวิกิพีเดียภาษาไทย ระบุว่า รังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล (cosmic microwave background radiation) เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ารูปแบบหนึ่งที่แผ่อยู่ในเอกภพ กล่าวให้เข้าใจง่าย เมื่อเรามองดูท้องฟ้าด้วยกล้องโทรทรรศน์วิทยุ ห้วงอวกาศระหว่างดาวและดาราจักรต่างๆ จะไม่เป็นสีดำ แต่กลับมีการเรืองแสงน้อยๆ อยู่ที่เกือบจะเป็นไปในทิศทางเดียวกัน โดยเส้นเรืองแสงนั้นไม่ได้มาจากดาวฤกษ์หรือดาราจักรใดๆ เลย เส้นเรืองแสงนี้จะเข้มที่สุดในย่านคลื่นไมโครเวฟของสเปกตรัมวิทยุ มันจึงได้ชื่อว่า รังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล ส่วนที่เกี่ยวข้องกับรังสีก็เนื่องมาจากทฤษฎีซึ่งเป็นที่แพร่หลายที่อธิบายว่า การแผ่รังสีนี้เป็นสิ่งหลงเหลือจากเอกภพยุคแรกเริ่ม การตรวจวัดการแผ่รังสีพื้นหลังของจักรวาลอย่างแม่นยำมีความสำคัญมากในการศึกษาจักรวาลวิทยา เพราะแบบจำลองของเอกภพใดๆ ก็ตามจะต้องสามารถอธิบายการแผ่รังสีที่ตรวจพบนี้ได้ด้วย

ที่มา http://th.wikipedia.org/wiki/รังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล

ข่าวรอบวัน

เนื้อหาแนะนำ

สนับสนุนประชาไท 1,000 บาท รับร่มตาใส + เสื้อโปโล

ประชาไท

ร่วมบริจาค สนับสนุนการทำงานของ 'ประชาไท' ร่วมสร้างและรักษาสื่อเสรี Prachatai.com (ไม่มีขั้นต่ำ)

โอนเงิน บัญชีกรุงไทย 091-0-10432-8 "มูลนิธิสื่อเพื่อการศึกษาของชุมชน FCEM"

โอนเงิน PayPal / บัตรเครดิต https://PayPal.me/Prachatai (รายงานยอดบริจาคสนับสนุน)

ติดตามประชาไทอัพเดท ได้ที่:
เฟซบุ๊ก https://fb.me/prachatai
ทวิตเตอร์ https://twitter.com/prachatai
LINE ไอดี = @prachatai

พื้นที่ประชาสัมพันธ์