<script language="JavaScript" src="http://www.vcharkarn.com/javafeed/article/117" type="text/javascript"></script> |
|
Dark energy
อะไรผลักดันให้เอกภพขยายตัวออกจากกัน
post ครั้งแรก: Mon 7 January 2008, 9:58 pm ปรับปรุงล่าสุด: Thu 10 January 2008, 4:03 pm
อยู่ในส่วน: ฟิสิกส์
|
ดร. อรรถกฤต ฉัตรภูติ
ภาควิชาฟิสิกส์์ คณะวิทยาศาสตร์
จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย
นักเขียนประจำ วิชาการ.คอม
...Previously, people have thought of the vacuum as a region of space that is completely empty, a region of space that does not contain anything at all. Now we must adopt a new picture. We may say that the vacuum is a region of space where we have the lowest possible energy... P.A.M. Dirac (1978) ธรรมชาตินั้นมีความซับซ้อนอย่างที่เราคาดไม่ถึง บางครั้งการที่จะทำความเข้าใจปรากฎการณ์หนึ่ง อาจจะเกี่ยวข้องกับอีกหลายๆปรากฎการณ์ ซึ่งต้องใช้ความรู้ทั้งหมดที่เรามีอยู่เพื่อที่จะนำมาอธิบาย ในปัจจุบันค่าคงที่ของจักรวาลหรือ Cosmological constant ถือว่าเป็นหนึ่งในความลับของธรรมชาติ ซึ่งถ้าเราเข้าใจก็อาจจะเป็นกุญแจที่นำนักวิทยาศาสตร์ไปสู่ความความลับของเอกภพทั้งหมดก็ได้ อาศัยเพียงทฤษฎีสัมพัทธภาพโดยลำพังนั้นแทบจะไม่ได้บอกอะไรเราเกี่ยวกับคุณสมบัติของค่าคงที่นี้ มันดูจะอธิบายเพียงแค่ว่า Cosmological constant เทียบได้กับมวลของกาลอวกาศ (space-time) เมื่อไม่มีวัตถุใดๆกดทับมันอยู่ เป็นพลังงานของเอกภพเมื่อไม่มีสสารและพลังงานใดๆอยู่ในเอกภพเลย ในอีกแง่หนึ่ง ค่าคงที่ของจักรวาลก็คือพลังงานของสูญญากาศหรือที่เรียกว่า Vacuum energy นั่นเอง แต่ก่อนที่จะมาทำความเข้าใจว่าเหตุใดความว่างเปล่าจึงทำให้เกิดพลังงานได้ เราควรจะทำความเข้าใจ กับคำว่าสูญญากาศกันเสียก่อน ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเรานิยามอวกาศ หรือ(space) ตามหลักของมัค (Mach's Principle) ซึ่งกล่าวว่าอวกาศก็คือเครือข่ายของความสัมพันธ์ระหว่างสิ่งต่างๆที่อยู่ในเอกภพ (อ่านเพิ่มเติมได้ที่นี่) สูญญากาศคือเอกภพไม่มีสิ่งใดอยู่เลยย่อมไม่มีความสัมพันธใดๆเกิดขึ้น ซึ่งไม่เป็นไปตามหลักการของมัค แต่เหตุใดทฤษฎีของไอน์สไตน์ถึงจึงสามารถกล่าวถึงเอกภพที่ไม่มีสิ่งใดมวลหรือพลังงานใดๆอยู่ในตัวมันได้? ที่เป็นเช่นนั้นก็เพราะว่าไอน์สไตน์อธิบายพฤติกรรมของแรงโน้มถ่วงด้วยโดยใช้ทฤษฎี "สนาม" สนามในทางคณิตศาสตร์หมายถึงปริมาณที่มีค่าแปรผันต่อเนื่องทุกๆตำแหน่งในจักรวาล ผู้อ่านอาจจะนึกถึงคำว่าสนามไฟฟ้า ซึ่งหมายถึงอำนาจไฟฟ้าที่แผ่มาออกมาจากอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า สนามไฟฟ้าของประจุหนึ่งนั้นแผ่กระจายไปทั่วจักรวาล ถ้าใกล้ประจุไฟฟ้ามากสนามก็จะมีค่าแรงมาก แต่ยิ่งไกลออกไปสนามก็จะอ่อนลงจนวัดไม่ได้ แต่สนามไม่ได้หายไปไหนเพียงแต่มีค่าน้อยจนเข้าใกล้ศูนย์เท่านั้นเอง ในทำนองเดียวกันแรงโน้มถ่วงก็สามารถอธิบายด้วยสนามโน้มของแรงโน้มถ่วงหรือ Gravitational field ซึ่งแผ่กระจายไปทั่วเอกภพ ก่อให้เกิดความสัมพันธ์ทีสร้างเป็นอวกาศ และโครงสร้างเอกภพทั้งหมด ในกรณีที่ไม่มีวัตถุ สสาร หรือพลังงานใดๆอยู่ในเอกภพ ก็ไม่ได้หมายความว่าไม่มีสนามโน้มถ่วงอยู่ ดังนั้นเอกภพที่ไม่มีสสารอยู่เลยจึงสามารถเกิดขึ้นได้โดยไม่ขัดแย้งกับหลักการของทฤษฎีสัมพัทธภาพ |
![]() การศึกษาเรื่องของสูญญากาศในอีกสาขาหนึ่งของฟิสิกส์ คือควอนตัมฟิสิกส์ก็ให้ผลน่าสนใจไม่แพ้กัน ในขณะที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพอธิบายปรากฎการณ์ธรรมชาติในระดับใหญ่ๆเช่นการเคลื่อนที่ของดวงดาว ปรากฎการณ์ธรรมชาติในระดับเล็กๆระดับอะตอมและโมเลกุล กลับตกอยู่ใต้อิทธิพลของควอนตัมฟิสิกส์ เทคโนโลยีต่างๆที่เราใช้กับอยู่ในปัจจุบันส่วนใหญ่ล้วนเป็นผลมาจากความสำเร็จของทฤษฎีควอนตัมทั้งสิ้น ความคิดเกี่ยวกับ Vacuum energy หรือบางครั้งเรียกว่า Zero-point energy เริ่มเกิดขึ้นมาครั้งแรก โดยผลงานของ แม็กซ พลังค์ (Max Planck) และผลงานของไอนสไตน์กับ อ็อตโต สเตอร์น (Otto Stern) เพื่อที่จะอธิบายปัญหาการแผ่รังสีของวัตถุดำซึ่งเป็นจุดเริ่มต้นของทฤษฎีควอนตัม และจากนั้นเป็นต้นมา Zero-point energy นั้นอยู่คู่กับการพัฒนาของทฤษฎีควอนตัมมาโดยตลอด รูปแบบปัจจุบันของทฤษฎี ซึ่งใช้อธิบายธรรมชาติของอนุภาคพื้นฐานนั้นรู้จักกันในชื่อของ ทฤษฎีสนามควอนตัม หรือ Quantum field theory ซึ่งอธิบายอนุภาคมูลฐานที่ประกอบขึ้นเป็นสสารและพลังงานในเอกภพด้วย "สนาม" 2ชนิด สสารต่างๆประกอบมาจากอนุภาคเฟอร์มี (หรือสนามเฟอร์มี) ซึ่งได้แก่ อิเล็กตรอน คว๊าก นิวตริโน ฯลฯ ส่วนอีกชนิดคืออนุภาคโบซอน ซึ่งจะทำหน้าที่ที่เป็นสื่อนำแรง ทำให้เกิดอัตรกริยาระหว่างอนุภาคต่างๆ ยกตัวอย่างเช่น โฟตอนซึ่งเป็นอนุภาคของแสงสว่างทำหน้าที่เป็นสื่อนำแรงแม่เหล็กไฟฟ้า สนามเหล่านี้ล้วนแล้วแต่มี Zero-point energy ซึ่งเกิดขึ้นได้แม้ว่าจะไม่มีอนุภาคเหล่านี้อยู่เลย สาเหตุที่ความว่างเปล่าเช่นสูญญากาศสามารถทำให้เกิดพลังงานได้นั้นมาจากหลักการสำคัญของทฤษฎีที่เรียกว่า หลักความไม่แน่นอนของไฮเซนบอร์ก หรือ Uncertainty principle ที่เสนอโดยนักฟิสิกส์ ชาวเยอรมัน เวอร์เนอร์ ไฮเซนเบอร์ก ซึ่งกล่าวถึงความคลาดเคลื่อนในการวัดตำแหน่งและโมเมนตัมของวัตถุเล็ก ไฮเซนเบอร์ก เสนอว่าเราไม่สามารถที่จะรู้ทั้งตำแหน่งและโมเมนตัม(ปริมาณที่เกี่ยวข้องกับ ความเร็วของอนุภาค)ได้อย่างถูกต้อง 100เปอร์เซนต์ ถ้าเราทราบตำแหน่งที่แน่นอนของอนุภาค เราก็จะไม่สามารถที่จะทราบโมเมนตัมของมันได้เลย นอกจากตำแหน่งและโมเมนตัมแล้ว พลังงานกับเวลาก็ปฎิบัติตามกฎของไฮเซนเบอร์กอย่างเช่นเดียวกัน ถ้าหากเราต้องการวัดพลังงานของอนุภาคให้มีความแม่นยำมากๆ เราก็จะต้องใช้เวลาวัดนานมาก ถ้าต้องการให้มีความแม่นยำไม่ผิดพลาดเลย ทฤษฎีบอกว่าเวลาที่ใช้ในการวัดจะยาวนานชั่วกัลปาวสาน ด้วยหลักการนี้เองในที่ๆไม่มีอะไรเลยเช่นสูญญากาศจึงมีพลังงานที่ไม่เป็นศูนย์ จากสมการของไอนสไตน์ E = mc2 ซึ่งแสดงถึงความสัมพันธ์ระหว่างมวลสารกับพลังงาน ชี้ให้เห็นว่าเมื่อพลังงานของสูญญากาศไม่เป็นศูนย์ก็น่าจะมีอนุภาคกำเนิดขึ้นจากความว่างเปล่า อนุภาคและปฎิอนุภาคจะกำเนิดขึ้นมาจากความว่าเปล่า และจะสลายตัวภายในเวลาอันรวดเร็ว เนื่องจากผลของหลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบอร์ก ดังที่แสดงไว้ในรูปข้างล่างนี้ การที่มันเกิดขึ้นและสลายตัวอย่างรวดเร็วนี้ทำให้เราไม่สามารถสังเกตุเห็นได้ ชีวิตประจำวัน ปรากฎการณ์นี้ในบางครั้งถูกกล่าวถึงในชื่อ การสั่นทางควอนตัม หรือ Quantum fluctuation |
![]() ในเมื่อปรากฎการณ์การสั่นทางควอนตัมนั้นเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว จนเราไม่สามารถที่จะสังเกตุได้ง่ายๆ ผู้อ่านอาจจะไม่แน่ใจว่าพลังงานสูญญากาศนั้นจะมีอยู่จริงหรือเป็นเพียงแค่จินตนาการในแผ่นกระดาษ แต่สำหรับนักฟิสิกส์นั้นปรากฎการที่เกี่ยวข้องกับ Vacuum energy เป็นที่ทราบกันมาหลายสิบปีแล้ว เช่นการเปลี่ยนแปลงระดับพลังงานของอะตอมไฮโดรเจนที่เรียกว่าปรากฎการณ์ Lamb shift ซึ่งเกี่ยวข้องกับพลังงานสูญญากาศของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า หลักฐานสำคัญที่ยืนยันการมีอยู่ของ Vacuum energy คือ ปรากฎการณ์คาซิเมียร์ หรือ Casimir effect ซึ่งทำนายเอาไว้โดยนักฟิสิกส์ชาวฮอลันดา เฮนริก คาซิเมียร์ ( H.B.G. Casimir) ในปี ค.ศ. 1948 คาซีเมียร์ได้คำนวนพบว่าเมื่อนำเอาแผ่นตัวนำที่ไม่มีประจุขนาดใหญ่ 2 แผ่นมาวางไว้ไกล้กันในสูญญากาศ จะปรากฎว่ามีแรงดึงดูดแผ่นทั้งสองให้เคลื่อนเข้าหากัน ทั้งๆที่ไม่มีประจุไฟฟ้าหรืออนุภาคใดๆอยู่เลย สาเหตุที่มีแรงดึงดูดระหว่างแผ่นตัวนำทั้งสองก็เนื่องมาจากสถานะสูญญากาศของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งอยู่รอบๆแผ่นตัวนำทั้งสอง เนื่องจากว่าตัวนำทั้งสองแผ่นนั้นอยู่ชิดกันมากทำให้มีแต่เฉพาะคลื่นสูญญากาศ ที่ความถี่สั้นๆเท่านั้นที่จะสามารถอยู่ระหว่างแผ่นตัวนำทั้งสองได้ (ดังรูปข้างล่าง) ในขณะที่ภายนอกแผ่นตัวนำ สถานะสูญญากาศของคลื่นแม่แหล็กไฟฟ้าสามารถมีได้ทุกๆความยาวคลื่น ทำให้มีแรงดันภายนอกมากกว่า แรงดันที่อยู่ระหว่างแผ่นตัวนำทั้งสอง จึงมีแรงผลักให้แผ่นตัวถูกดูดเข้าหากัน |
![]() ปรากฎการณ์คาซิเมียร์นี้ได้รับการยืนยันโดยการทดลองหลายต่อหลายครั้ง ตัวอย่างหนึ่งของการทดลอง เพื่อพิสูจน์ปรากฎการณ์ดังกล่าวแสดงดังรูปข้างบน (ภาพสองภาพนี้ดัดแปลงภาพจากบทความของ Scientific American http://www.sciam.com/1297issue/1297yam.html โดย Philip Yam) |
คุณ einstine พูดเหมือนพวกนักประจักษ์นิยมเลย ว่าทุกสิ่งที่เกิดไม่ได้เป็นหลักประกันสิ่งที่จะเกิดตามมาว่าจะต้องเหมือนกันกับสิ่งที่เกิดมาก่อนๆ
แต่ข้าพเจ้าคิดว่าพวกนักวิทยาศาสตร์ก็ไม่น่าจะหลงกลความแตกต่างของสภาพเท่าไหร่ เพราะไม่ว่าจะยังไง กฏเกณฑ์ทางวิทยาศาสตร์ใช่ได้กับทุกจุดในจักรวาล นิวตันเป็นคนกล่าวไว้ ( ผิดคนก็ขออภัย ) ดังนั้นระเบิดที่นี้ หรือที่โน้น ถ้าอยู่จักรวาลเดียวกันก็ไม่น่ามีปัญหา นะ ข้าพจ้าว่า
ก็ไม่เห็นจะยากนะครับ แรงที่ว่ากันอยู่เนี่ย (Dark energy) ก็คือแรงดึงดูดที่เอกภพอื่น ๆ ที่อยู่รอบ ๆ เอกภพของเรานี่แหละครับ ช่วยกันดูดเอกภพของเราออกไปทุกทิศทุกทาง แต่--
ถ้าคิดอีกนัยหนึ่ง ถ้ามวลหรือพลังงานรวมก่อนเกิด bigbang ของ เอกภพเรา มีมากกว่าแรงดึงดูดที่เอกภพอื่น ๆ ที่อยู่รอบ ๆ กระทำกับเอกภพของเรา ก็จะเกิด big crunch งัยครับ
ว่าแต่ว่า แล้วมันจะมีเส้นหรือแผ่นกั้นอะไรระหว่างเอกภพอีกล่ะ หรือถ้าไม่มี สสารหรือพลังงานบางส่วนของเราก็จะไปรวมกับมวลหรือพลังงานของเอกภพอื่น หากรวมกันเยอะขึ้นก็จะเกิด big crunch รวมเป็นอะตอม ของเอกภพ และเมื่ออะตอมตั้งตั้นนี้ ไปอยู่ที่ ๆ มีแรงดึงดูดของเอกภพอื่น ๆ มาก ๆ ก็อาจจะระเบิดเกิด bigbang ใหม่ วน ๆๆๆ ๆๆๆ ๆๆ กันไป
งง งง งง งง
คห 7 >> ผมว่าน่าจะเป็นสัจพจน์ของไอสไตน์นะครับ ที่บอกว่ากฏทางฟิสิกส์ ไม่สามารถใช้ได้ทุกที่ไม่ว่าผู้สังเกตจะเป็นใคร
ยิ่งอ่านยิ่งรู้ยิ่งงง แต่มันก็ยิ่งท้าทายยิ่งน่าสนใจ ยิ่งอยากเรียน
แผ่นตัวนำก็ต้องมีประจุสิ แต่มีประจุเป็นกลางเฉยๆ
แล้วก็มันก็ต้องมีมวลด้วย
เพราะฉนั้นมันก็ต้องมีแรงดึงดูดระหว่างกันสิ
เป็นไปตามกฎของนิวตัน
ผมขอคัดค้าน คห ที่ 2 นะคับ
เพราะว่า การที่แสงเดินทางมาถึงโลกนั้นจะมีคลื่นความยาวอยู่ ยิ่งยาวมากแปลว่ายิ่งอยู่ไกลมาก (ตามรูปภาพในหน้าที่ 1) เพราะฉะนั้น ผมคิดว่า นักวิทยาสาศตร์คงใช้เวลาในการดูปรากฏการณ์ต่าง ๆ หลาวัน (คงไม่มีนักวิทยาศาสตร์คนใหนดูเหตุการณ์ต่างๆในเวลาอันสั้นแล้วออกมาสรุปหลอกนะครับ) จนอาจจะพบว่า คลื่นความยาวมันมีความถี่น้อยลง หรือว่ามีความยาวของคลื่นมากขึ้น เนื่องมาจากว่าเอกภพมันขยายตัวออกไป
ก็เหมือนกับคุณหยดสีบนผิวลูกโป่งแหละคับ สมมุดว่าหยดสีแดงและสีเขียวในจุดที่ใกล้กัน ในตอนแรกทั้ง 2 จุดจะใกล้กัน แต่เมืองลูกโป่งขยายตัวออกไป พื้นที่ผิวของลูกโป่งก็จะมากขึ้นด้วย ทำให้ระยะห่างของทั้ง 2 จุดมันก็จะมากขึ้นด้วยเช่นกัน
ถูกมั้ยคับ
........... อดีตกาลนานมาแล้ว มีสิ่งชีวิตจำนวนหนึ่ง อาศัยอยุ่ในดาวเคราะห์ทั้ง 3 ดวง
เนื่องด้วยระยะห่างที่ใกล้กันจนเกินไประหว่าง3ดาวเคราะห์
สิ่งมีชีวิตเหล่านี้จึงทำสงครามแย่งดินแดนกันมาอย่างยาวนาน
ยุคสมัยนั้นยังมีแร่มากมายที่มีพลังงานลึกลับแฝงอยู่ พลังงานลับที่สิ่งมีชีวิตยุคนั้นเรียกกันว่า
"Dark energy"เป็นพลังงานที่ใช้ผลักดันหรือต้านแรงดึงดูด
สิ่งมีชีวิตยุคนั้นใช้แร่ชนิดตืดกับตัวเพื่อที่จะดันตัวเองขึ้นไปบนฟ้า(บินได้)
ช่วงสมัยนั้นสงครามยืดเยื้อกันยาวนานจนเหล่าสิ่งมีชีวิตยุคนั้นตัดสินใจใช้แร่ที่มีพลังงานลับแฝงทั้งหมด
มาหลอมรวมกันเป็นหนึ่งแล้วโยนทิ้งไว้ช่องว่างของอวกาศระหว่างดาวเคราะห์ทั้งสามนานวันขึ้น
ระยะห่างจากดาวเคราะห์ทั้งสามก็ไกลห่างกันไปเรื่อยๆ เพื่อที่พวกสิ่งมีชีวิตเหล่านั้นจะไม่มีวันหวนกลับมา
พบกันอีกเป็นครั้งที่สอง
จบ............
Imagination is more important than knowledge


Copyright© 2000-2007, Vcharkarn.Com. All rights reserved.
|
คลิ๊กเพื่อดูสถิติ รับรองและสนับสนุนโดย |
![]() สสวท. |
![]() มูลนิธิ พสวท. |
![]() พสวท. |