 |
Dark energy
อะไรผลักดันให้เอกภพขยายตัวออกจากกัน
|
หน้าที่ 1 - ด้านมืดของพลัง
ดร. อรรถกฤต ฉัตรภูติ
ภาควิชาฟิสิกส์์ คณะวิทยาศาสตร์
จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย
นักเขียนประจำ วิชาการ.คอม
When one tugs at a single thing in the nature,
he finds it hitched to the rest of the universe ...
John Muir
ตั้งแต่ในปี ค.ศ. 1929 ได้มีการค้นพบว่ากาแล็กซี่ที่ระยะไกลๆจากโลกนั้นเคลื่อนตัวออกจากกัน
โดยผลงานของนักดาราศาสตร์อเมริกัน เอ็ดวิน ฮับเบิล นักวิทยาศาสตร์ต่างถือเอาการค้นพบนี้
มาเป็นหลักฐานว่าเอกภพของเรากำลังขยายตัวออกไปเรื่อยๆ ซึ่งนับแต่นั้นเป็นต้นมาคำถามที่นักดาราศาสตร์ต้องการทราบคำตอบมากที่สุดก็คือ
เอกภพจะคงขยายตัวไปเรื่อยๆ หรือจะหดตัวกลับ
ทฤษฎีฟิสิกส์ได้อธิบายชะตากรรมของเอกภพว่า อัตราเร็วของการขยายตัวของเอกภพของเรานั้น
ขึ้นอยู่กับปริมาณมวลสารและพลังงานที่มีอยู่ในจักรวาล และอนาคตของเอกภพนั้นควบคุมด้วยอำนาจของแรงโน้มถ่วง
หรือ Gravitational force ซึ่งเป็นแรงที่กระทำต่อทุกๆสิ่งที่มีมวล (และ/หรือพลังงาน)
โดยจะดึงดูดอนุภาคหรือพลังงานเหล่านี้เข้าหากัน ยิ่งมวลหรือพลังงานมากเท่าไหร่
วัตถุก็จะถูกดูดเข้าหากันแรงมากขึ้นเท่านั้น
นักดาราศาสตร์จึงเชื่อว่าอัตราเร็วของการขยายตัวของเอกภพ จะลดลงเรื่อยๆ เนื่องจากแรงดึงดูดระหว่างมวลของดวงดาวกาแล็กซีและพลังงานอื่นๆ
ที่กระจายอยู่ในเอกภพ ชะตากรรมของเอกภพจึงเป็นไปได้เพียง 2กรณีคือ
1) ถ้ามวลและพลังงานที่มีอยู่ในเอกภพมีค่าไม่มากนัก มันขยายตัวออกไปเรื่อยๆจนอัตราการขยายตัวมีค่าคงที่
เอกภพจะเข้าสู่ช่วงที่หนาวเย็น
2) แต่ถ้ามวลสารและพลังงานมีค่ามากพอ นอกจากมันจะดึงดูดเอกภพ ให้ขยายตัวช้าลงแล้ว
มันจะมีพลังงานพอที่จะสามารถดึงให้เอกภพหดตัวกลับลงมา บีบให้กาแล็กซี่และดวงดาวต่างๆเข้ามาชนกันจนลุกเป็นเปลงเพลิงที่เรียกกันว่า
Big Crunch
นักดาราศาสตร์จึงต้องการวัดความเร็งในการขยายตัวของเอกภพว่าลดลงเท่าใด เพื่อที่จะได้นำมาทำนายชะตากรรมของเอกภพ
หลังจากพยายามมามากกว่า 70 ในที่สุดนักดาราศาสตร์ก็สามารถวัดอัตราเร่งของการขยายตัวของเอกภพได้เป็นครั้งแรก
โดยการสังเกตุการระเบิดของดวงดาวที่เรียกว่า ซุปเปอร์โนว่า แต่ผลการสังเกตุกลับให้ผลที่น่าประหลาดใจ
เพราะเอกภพไม่ได้ขยายตัวช้าลง แต่กับขยายตัวด้วยอัตราที่เร็วขึ้น
ซุปเปอร์โนว่าคือการระเบิดของดาวฤกษ์เมื่อหมดสิ้นอายุขัย ซึ่งแบ่งแยกออกได้หลายแบบ
ชนิดหนึ่งในนั้นมีชื่อว่า การระเบิดชนิดที่หนึ่งเอหรือ Type Ia ซุปเปอร์โนว่า
นักวิทยาสาสตร์สามารถคำนวนหาตำแหน่งของการระเบิดว่าอยู่ห่างจากโลกเท่าไหร่ โดยอาศัยความสว่างของแสงที่เดินทางมาจากซุปเปอร์โนว่า
นอกจากนั้นแล้วยังสามารถ ที่จะหาความเร็วที่ซุปเปอร์โนว่าเคลื่อนที่ออกจากโลกโดยใช้เทคนิคเดียวกับที่ฮับเบิลใช้เมื่อปีค.ศ.1929
โดยอาศัยหลักที่ว่าเมื่อวัตถุเคลื่อนที่ออกจากผู้สังเกตุ ความยาวคลื่นของแสงที่มาจากวัตถุนั้นจะขยายตัวยาวขึ้น
ปรากฎการณ์นี้เป็นที่รู้จักกันในชื่อปรากฎการณ์ Red Shift
แสงสว่างนั้นเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า สเป็คตรัมหรือสีของแสงขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นของมัน
ถ้าแสงมีความยาวคลื่นสั้นก็จะมีสีออกไปทางสีน้ำเงินหรือม่วง แต่ถ้าเป็นแสงคลื่นยาว
ก็จะให้สีที่ออกไปทางโทนของสีแดง และอาศัยผลจากทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ซึ่งบอกว่า
ความยาวคลื่นแสงจากวัตถุที่เคลื่อนที่ออกจากผู้สังเกตุนั้น จะถูกยืดออกให้มีความยาวมากขึ้น
ดังนั้นแสงจากดวงดาวที่เคลื่อนที่ออกจากเราจึงมีความถี่เลื่อนออกไปทางโทนสีแดง
ผลจากการสังเกตุการระเบิดของซุปเปอร์โนว่าพบว่า ซุปเปอร์โนว่า Type Ia ที่อยู่ไกลจากโลก
จะเคลื่อนตัวออกด้วยอัตราเร็วที่มากกว่าซุปเปอร์โนว่าที่อยู่ใกล้โลกหลายเท่า ซึ่งแสดงให้เห็นว่าเอกภพขยายตัวออกด้วยอัตราเร่ง
ไม่ได้ขยายตัวช้าลงอย่างที่เราเข้าใจกัน
การค้นพบนี้ทำให้นักดาราศาสตร์เชื่อว่าชะตากรรมของเอกภพไม่น่าจะจบลงที่ Big Crunch
เพราะอัตราการขยายตัวมีค่าเพิ่มขึ้น เอกภพมีแน้วโน้มที่จะขยายตัวไปเรื่อยๆมากกว่า
จนกระทั้งพลังงาน ในดวงดาวต่างๆถูกเผาผลาญหมดไปเหลือไว้แต่ความหนาวเย็นเป็นยุคน้ำแข็งที่เรียกว่า
Big Chill
แต่อย่างไรก็ตามปัญหาที่นักดาราศาสตร์และนักฟิสิกส์ยังไม่เข้าใจก็คือ พลังงาน หรือ
สิ่งใดที่ทำให้เอกภพ ขยายตัวออกจากกันด้วยความเร่ง เพราะแรงโน้มถ่วงนั้นเป็นแรงดึงดูดที่ดูดวัตถุเข้าหากัน
เป็นไปได้หรือไม่ว่ามีแรงโน้มถ่วงที่ผลักวัตถุออกจากกัน หรือที่เรียกว่า Anti-Gravity
force ปัจจุบันนักวิทยาสตร์เรียกพลังงานลึกลับที่ผลักกาเล็กซี่ต่างๆออกจากกันว่า
Dark Energy
หน้าที่ 2 - Oops ... My Biggest Mistake !
ดร. อรรถกฤต ฉัตรภูติ
ภาควิชาฟิสิกส์์ คณะวิทยาศาสตร์
จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย
นักเขียนประจำ วิชาการ.คอม
จินตนาการในเรื่องพลังงานต้านแรงโน้มถ่วง หรือ Anti-Gravity force นั้นไม่ใช่ของใหม่
มนุษย์เราไฝ่ฝันถึงเรื่องนี้เกิดขึ้นมานานแล้ว ทั้งในนิยายวิทยาศาสตร์และโลกของวิชาการ
สำหรับในประวัติศาสตร์ของฟิสิกส์นั้น ความคิดเกี่ยวกับ Anti-Gravity ที่สำคัญที่สุด ได้ถูกประดิษฐ์เมื่อต้นศตวรรษที่ 20 โดยนักวิทยาศาสตร์ที่สำคัญที่สุดในศตวรรษที่แล้ว ซึ่งในเวลานั้นเป็นเพียงแค่เสมียนธรรมดาๆคนหนึ่งในสำนังงานจดลิกข์สิทธิ์ เขาผู้นั้นคือ
อัลเบอร์ต ไอน์สไตน์ นั่นเอง
ย้อนกลับไปยังปี ค.ศ. 1917 ในขณะที่โลกกำลังวุ่นวายจากผลของสงครามโลกครั้งที่๑ อัลเบอร์ต ไอน์สไตน์ ก็หลบความโกลาหลบนพื้นดิน จินตนาการถึงกลไกของจักรวาล ตัวของไอน์สไตน์ได้ค้นพบทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเมื่อประมาณ 2 ปีก่อนหน้านั้นแล้ว และเขาก็ได้พยายามที่จะประยุกต์ทฤษฎีนี้เพื่ออธิบายธรรมชาติของเอกภพทั้งหมด
อย่างไรก็ตามแม้ว่าไอน์สไตน์จะมีความคิดล้ำยุคกว่าผู้คนร่วมสมัยของเขาในหลายๆเรื่อง แต่ความคิดและจินตนาการเกี่ยวกับเอกภพของเขานั้น ไม่ได้แตกต่างจากคนอื่นๆมากนัก มุมมองของพวกเขาเกี่ยวกับเอกภพ ต่างยึดความคิดที่ว่าเอกภพมีลักษณะสถิต (static) กล่าวคือจักรวาลและสัพสิ่งทั้งหลายล้วนแต่มีอยู่ชั่วนิรันด์ ทุกๆอย่างมีอยู่ก่อนแล้ว ไม่มีจุดกำเนิด และไม่มีจุดจบ เอกภพไม่มีการเปลี่ยนแปลงและคงอยู่ตลอดไป
เมื่อไอน์สไตน์พยายามที่จะประยุกต์ทฤษฎีสัมพัทธภาพเพื่ออธิบายธรรมชาติของเอกภพ เขาก็พบว่าตามทฤษฎีของเขาเอกภพจะไม่มีเสถียรภาพ พลังงานและมวลสารต่างๆในจักรวาล ต่างก็ดึงดูดกันและกันเนื่องจากด้วยแรงโน้มถ่วงระหว่างมวล แรงดึงดูดระหว่างมวลนี้จะดึงให้ ดวงดาวและพลังงานต่างๆ มาเบียดชิดกันมากขึ้น เอกภพทั้งหมดก็จะมีขนาดเล็กลง จนในที่สุดเมื่อสสารทั้งหมดถูกบีบให้ใกล้กันมากจนเกินไป เอกภพก็จะมีความร้อนสูง และในที่สุดทุกๆสิ่งก็จะถูกเผาใหม้เป็นจุลในเปลวเพลิง
ตัวเขาเองไม่ค่อยจะพอใจกับผลการคำนวนที่ได้เท่าไหร่นัก เพราะในขณะนั้นไม่มีผลการทดลองที่จะมายืนยันว่าเอกภพหดตัว และถ้ามีการหดตัวของเอกภพเกิดขึ้นจริง โลกของเราก็น่าจะจมอยู่ในเปลวเพลิงเสียนานแล้ว และเป็นไปไม่ได้ว่าสิ่งมีชีวิตต่างๆ รวมทั้งมนุษย์ชาติจะอยู่รอดปลอดภัยมาได้จนถึงทุกวันนี้
ไอน์สไตน์ขบคิดปัญหานี้อยู่นานจนในที่สุดก็พบทางออกซึ่งถือกันว่าเป็นตำนานหน้าหนึ่งของฟิสิกส์ เขาแก้ปัญหาความไม่มีเสถียรภาพของเอกภพด้วยการประดิษฐ์"ค่าคงตัว"ค่าหนึ่งซึ่งเขาเรียกว่า "ค่าคงตัวของจักรวาล" หรือ Cosmological Constant ซึ่งมันจะทำหน้าที่พยุงไม่เอกภพถล่มลง
ค่าคงตัวของจักรวาลที่ไอน์สไตน์ใส่เข้าไปในสมการของเขานั้นก็เทียบได้กับ Anti-Gravity force เพราะว่ามันให้ผลเป็นแรงที่ต้านอิทธิพลของแรงโน้มถ่วงนั่นเอง ไอน์สไตน์พอใจกับแบบจำลองนี้มาก เพราะมันให้ภาพเอกภพที่สมเหตุสมผล อย่างน้อยก็ในความคิดของผู้คนสมัยนั้น
อย่างไรก็ดีในปัจจุบันยุคเริ่มต้นของศตวรรษที่ 21 ซึ่งเป็นเลาเกือบ 100ปีหลังจากยุคของไอนสไตน์ นักฟิสิกส์ต่างก็ทราบกันดีว่าเอกภพของเรานั้นไม่ได้มีขนาดคงที่ แต่มีการขยายตัวอยู่ตลอดเวลา ภาพของจักรวาลที่ไอสไตน์วาดเอาไว้จึงไม่ถูกต้องนัก
เมื่อไอน์สไตน์ได้เดินทางไปอเมริกาในอีกหลายปีให้หลัง และมีโอกาสได้พบกับ เอ็ดวิน ฮับเบิล ซึ่งแสดงให้เขาเห็นประจักด้วยตาตนเองว่าเอกภพนั้นขยายตัว ไอน์สไตน์จึงได้ยกเลิกความคิดเรื่อง Cosmological Constant และกล่าวถึงมันว่าเป็น "ความผิดพลาดครั้งใหญ่ในชีวิตของเขา" ( My Biggest bundle )
ไอน์สไตน์คิดผิดจริงหรือ?
เมื่อถามว่านักวิทยาศาสตร์คนไหนที่คิดว่ายิ่งใหญ่ที่สุด เราอาจจะได้คำตอบต่างๆกันมากมาย แต่แน่นอนว่าหนึ่งในสามชื่อที่ได้จะต้องมีอัลเบอร์ต ไอน์สไตน์ ติดมาในโพลสำรวจด้วยเสมอ
ในปลายปีค.ศ. 2000 นักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกต่างพากันเห็นพ้องต้องกันว่า อัลเบอร์ต ไอน์สไตน์คือนักวิทยาศาสตร์ที่ยิ่งใหญ่ตลอดกาล บางที่เรื่องราวของ Cosmological Constant อาจเป็นอีกเหตุผลหนึ่งที่ช่วยยืนยันความยิ่งใหญ่ของไอน์สไตน์ดังที่เราจะได้เห็นกันต่อไป
เพราะแม้แต่สิ่งที่ไอน์สไตน์คิดว่าเขาคิดผิด ยังกลับกลายเป็นถูกขึ้นมาได้อย่างมหัศจรรย์
ตามกฎของแรงโน้มถ่วงของนิวตัน แรงโน้มถ่วงดึงดูดวัตถุสองก้อนเข้าหากันจะขึ้นอยู่กับ ขนาดมวลสารของวัตถุทั้งสอง ยิ่งมวลมากเท่าไหร่แรงดึงดูดระหว่างกันก็ยิ่งมากขึ้นเท่านั้น อย่างไรก็ดีทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปอธิบายธรรมชาติของแรงโน้มถ่วงได้ขัดแจนกว่า ขนาดของแรงโน้มถ่วงนอกจากจะขึ้นกับขนาดของมวลสารแล้วยังขึ้นกับความดันอีกด้วย
หลังจากทฤษฎีสัมพัทธภาพถูกค้นพบได้ไม่นาน นักฟิสิกส์ชาวรัสเซียนามว่า อเล็กซานเดอร์ ฟรีดแมน (Alexander Friedmann) ได้ประยุกต์ทฤษฎีสัมพัทธภาพเพื่อสร้างแบบจำลอง ของเอกภพที่รู้จักกันในปัจจุบันในชื่อของ แบบจำลองของฟรีดแมน (Friedmann Model)
ซึ่งได้อธิบายการเปลี่ยนแปลงของอัตราขยายตัวของเอกภพไว้ดังนี้
( หมายเหตุ ในที่นี้ขอใช้คำว่าอัตราเร่งของเอกภพเพื่อที่จะเปรียบเทียบกับ กฎของนิวตัน ซึ่งเราคุ้นเคยกันดีว่าความเร่งของวัตถุซึ่งเกิดจากแรงโน้มถ่วงจะขึ้นอยู่มวลสารของวัตถุนั้น )
|
จากสมการของข้างบนนั้นเราจะเห็นว่าตราบใดก็ตามที่ค่าผลรวมระหว่างมวลและความดัน ในเอกภพมีค่าเป็นบวก ( มวล + 3 x ความดัน > 0 ) อัตราการเร่งของเอกภพจะมีค่าเป็นลบ ซึ่งจะส่งผลทำให้อัตราการขยายตัวของเอกภพมีค่าลดลง นั่นคือเอกภพยังคงขยายตัวอยู่ แต่ขยายตัวด้วยอัตราที่ช้าลง
ในทางตรงกันข้ามหากว่าผลรวมระหว่างมวลและความดันในจักรวาลมีเป็นจำนวนติดลบ หรือ ( มวล + 3 x ความดัน < 0 ) เราจะพบว่าอัตราเร่งของเอกภพมีค่าเป็นบวก นั่นหมายความว่าเอกภพจะขยายตัวด้วยอัตราที่เร็วที่เพิ่มขึ้นเรื่อยๆ หรือที่เรียกว่า Accelerating Universe ทฤษฎีของไอนส์ไตน์ซึ่งได้ใส่ค่าคงที่ของจักรวาล หรือ Cosmological Constant เข้าไปด้วย ก็จัดให้ได้ว่าอยู่ในประเภทนี้
|
ผู้อ่านอาจจินตนาการเปรียบเทียบกับอัตราเร่งและอัตราเร็วของรถยนต์ที่คุ้นเคยในชีวิตประจำวัน ถ้าอัตราเร่งมีค่าเป็นบวก เทียบได้กับการเหยียบคันเร่งซึ่งจะทำให้อัตราเร็วของรถมีค่าเพิ่มขึ้น ในทางกลับกันอัตราเร่งเป็นลบ เทียบได้กับการเหยียบเบรค ทำให้รถยนต์มีความเร็วช้าลงเรื่อยๆ
แต่จะมีความเป็นไปได้หรือ ที่ผลรวมระหว่างมวลสารกับความดันของเอกภพจะมีค่าติดลบ มวลของสสารนั้นจะมีค่าเป็นบวกเสมอ ในนิยายวิทยาศาสตร์อาจมีการกล่าวถึงมวลสารที่ติดลบ หรือ Anti-Gravity mass ซึ่งสามารถเทียบได้กับลูกโป่งสวรรค์ เพราะขณะที่วัตถุต่างๆตกลงพื้น ลูกโป่งสวรรค์กลับลอยขึ้นสู่ท้องฟ้า ในกรณีนี้เราจึงอาจจินตนาการว่าลูกโป่งนั้นมีค่ามวลที่เป็นลบ หรือมีสมบัติ Anti-Gravity แต่ในความเป็นจริงแล้วเราทราบกันดีว่าการที่ลูกโป่งสวรรค์ลอยได้นั้น เนื่องมาจากมันบรรจุด้วยก๊าซฮีเลียมซึ่งเบากว่าอากาศรอบข้าง ไม่ใช่เนื่องจากว่ามันมีมวลเป็นลบ ในปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์ยังไม่ค้นพบวัตถุที่มี Anti-Gravity mass ทั้งในทฤษฎีและการทดลอง
อย่างไรก็ตามผลการสังเกตุการระเบิดของซุปเปอร์โนว่าในปี ค.ศ. 1998 ได้แสดงให้เห็นว่าเอกภพขยายตัวออกด้วยอัตราเร่ง เป็นการยืนยันการมีอยู่ของแรงโน้มถ่วงที่ผลักมวลออกจากกัน แต่ในเมื่อมวลของทุกสิ่งในเอกภพมีค่าเป็นบวกเสมอ จึงเหลือสาเหตุที่เป็นไปได้เพียงกรณีเดียว นั่นคือความดันของเอกภพนั้นจะมีค่าเป็นลบ ซึ่งก็หมายถึงการมีอยู่ของค่าคงที่ของจักรวาลในความคิดของไอน์สไตน์นั่นเอง
|
หน้าที่ 3 - สูญญากาศในควอนตัมฟิสิกส์
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)
|
หน้าที่ 4 - ตามหา The Fifth element
ดร. อรรถกฤต ฉัตรภูติ
ภาควิชาฟิสิกส์์ คณะวิทยาศาสตร์
จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย
นักเขียนประจำ วิชาการ.คอม
เราได้ทราบกันมาแล้วจากทฤษฎีสัมพัทธภาพว่าอัตราเร่งการขยายตัวของเอกภพนั้น นอกจากจะขึ้นอยู่กับพลังงานและมวลสารที่มีอยู่ในเอกภพแล้วยังขึ้นอยู่กับความดันอีกด้วย และเพราะว่าไม่มีวัตถุที่มีพลังงานเป็นลบ เงื่อนไขที่จะทำให้เอกภพขยายตัวด้วยความเร่ง จึงขึ้นอยู่ที่ว่าความดันของภายในจักรวาลจะต้องมีค่าน้อยกว่าศูนย์ หรือมีค่าเป็นลบนั่นเอง ปัญหาก็คือความดันที่เป็นลบเกิดขึ้นได้อย่างไร?
สถานะสูญญากาศของควอนตัมฟิสิกส์มีคุณสมบัติที่ต่างจากสสารในสถานะทั่วไปอย่างหนึ่งก็คือ ในขณะที่สสารทั่วไปเช่นก็าซหรือของเหลว เมื่อมันขยายตัวความหนาแน่นของมันจะลดลง ความหนาแน่นของพลังงานสูญญากาศนั้นกลับไม่เปลี่ยนแปลงไม่ว่าปริมาตรจะขยายหรือหดตัว ความหนาแน่นของสสารหมายถึง อัตราส่วนของมวลสารต่อหนึ่งหน่วยปริมาตร ยกตัวอย่างเช่น น้ำบริสุทธิปริมาตร 1 ลิตร กับเหล็กปริมาตร 1 ลิตรมาชั่งน้ำหนักเปรียบเทียบกัน เหล็กย่อมมีน้ำหนักมากกว่าน้ำ เราจึงบอกได้ว่าเหล็กนั้นมีความหนาแน่นมากกว่าน้ำ
|
ถ้าเราขังก๊าซไว้ในกระบอกสูบเมื่อเราเลื่อนกระบอกสูบออกให้ปริมาตรภายในกระบอกสูบเพิ่มขึ้น เรากลับพบว่าความหนาแน่นของก็าซจะลดลง ทั้งนี้ก็เพราะว่ามวลของก๊าซที่ขังไว้ในกระบอกสูบนั้นมีค่าเท่าเดิม เมื่อปริมาตรมีค่าเพิ่มขึ้น อัตราส่วนของมวลต่อปริมาตรจึงลดลง แต่ความหนาแน่นของพลังงานสูญญากาศนั้นไม่เปลี่ยนแปลงไม่ว่าปริมาตรจะขยายหรือหดตัว ถ้าเราปั้มเอาอากาศในลูกสูบออกให้หมด ให้ภายในลูกสูบอยู่ในสภาพสูญญากาศมากที่สุด Quantum Vacuum ที่ขังอยู่ในกระบอกสูบนั้นมีความหนาแน่นของพลังงานคงที่ ถ้าเราลองเลื่อนลูกสูบออก ปริมาตรภายในกระบอกสูบก็จะเพิ่มมากขึ้น (ส่วนสีชมพูตามภาพ)
แต่เนื่องจากความหนาแน่นของพลังงานมีค่าคงที่ จึงทำให้พลังงานรวมของระบบมีค่าเพิ่มขึ้น เนื่องจากว่า พลังงานรวมมีค่าเท่ากับความหนาแน่นของพลังงานคูณกับปริมาตรทั้งหมด พลังงานที่เพิ่มขึ้นนี้มาจากการที่เราออกแรงเพื่อที่จะเอาชนะแรงดันที่ดึงลูกสูบกลับนั่นเอง
โดยปกตินั้นแรงเนื่องจากความดันของก๊าซจะมีทิศผลักลูกสูบออกเสมอ แต่ในกรณีนี้แรง จาก Quantum Vacuum กลับดึงกระบอกสูบในทิศตรงกันข้าม ซึ่งเป็นการแสดงให้เห็นว่า ความดันภายในกระบอกสูบเนื่องจาก Quantum Vacuum นั้นมีค่าเป็นลบ และความดันที่เป็นค่าลบนี้เอง ที่ผลักเอกภพให้วิ่งออกจากกันด้วยความเร็วที่เพิ่มขึ้นเรื่อยๆ
ข้อมูลจากการสังเกตุการระเบิดของซุปเปอร์โนว่าบอกเราว่า เอกภพนั้นประกอบไปด้วย พลังงานจาก Quantum Vacuum มากกว่า 60 เปอร์เซนต์เลยทีเดียว ดังกราฟข้างล่างที่แสดงอัตราส่วนระหว่างพลังงานของสูญญากาศ กับพลังงานรวมทั้งหมดของเอกภพ จุดตำแหน่งสีแดงแสดงถึงตำแหน่งที่ค่า Cosmological constant (หรือแลมด้า) มีค่าเป็นศูนย์ ถ้าข้อมูลเข้าใกล้ตำแหน่งนั้นก็แสดงว่าพลังงานจาก Quantum Vacuum มีค่าน้อย แต่ผลการทดลองพบว่าข้อมุลส่วนใหญ่ (ที่จุดสีเหลือง) เข้าใกล้แนวตั้งซึ่งแสดงให้เห็นว่า พลังงานส่วนใหญ่ของเอกภพอยู่ในรูปของ Dark Energy
|
อย่างไรก็ตามพลังงานจาก Quantum Vacuum นั้นมีค่าคงที่แน่นอน และไม่เปลี่ยนตามเวลา คุณสมบัตินี้เองทำให้นักดาราศาสตร์ไม่มั่นใจว่า Cosmological Constant ซึ่งเกิดจากพลังงาน ของ Quantum Vacuum นั้นจะเป็นเพียงปัจจัยเดียวที่ผลักให้เอกภพขยายตัวเร็วขึ้นเรื่อยๆ พวกเขาเชื่อว่าพลังงานลึกลับที่ผลักให้เอกภพเคลื่อนที่ออกไปนั้นไม่ได้ผลักด้วยแรงที่คงที่ แต่มันเปลี่ยนแปลงตามเวลา ความลับของเอกภพจึงน่าจะมีมากกว่าที่เราเข้าใจ
The Fifth element
|
In the future according to "The Fifth Element,"
the Supreme Being is a supermodel,
absolute evil is a big ball of molten lava --
and the fate of the universe hangs in the balance.
คำวิจารณ์ภาพยนต์ The Fifth Element ของ Scott Rosenberg
เหมือนกับที่พระเอก Bruce Willis ออกตามล่าหา The Fifth Element เพื่อป้องกันเอกภพไม่ให้ถูกทำลายโดยปีศาจร้าย นักฟิสิกส์ก็กำลังตามหาสสารที่ 5 อยู่เช่นกัน นักฟิสิกส์บางกลุ่มเรียกพลังงานลึกลับที่ผลักเอกภพออกจากกันว่า Quintessence ซึ่งมาจากปรัชญากรีกโบราณซึ่งหมายถึงสสารชนิดที่ห้า นอกเหนือจาก ดิน น้ำ ลม และ ไฟ
Quintessence นั้นรวมพลังงานทุกอย่างที่ผลักเอกภพออกจากกัน ไม่แต่เฉพาะพลังงาน จาก Vacuum energy เพียงอย่างเดียว
ในปัจจุบันนี้เรายังไม่ทราบว่า Quintessence นั้นคืออะไรกันแน่ นักฟิสิกส์บางท่านเชื่อว่า ทฤษฎีใหม่อย่างเช่น Superstring Theory และความคิดที่ว่าเอกภพอาจประกอบด้วยมิติอื่นๆมากกว่า 4 มิติ หรือที่เรียกว่า Extra dimension น่าจะช่วยไขปัญหานี้ได้
Superstring Theory จะเป็นซุปเปอร์โมเด็ลที่ให้คำตอบกับเราได้หรือเปล่านั้น คงต้องศึกษากันต่อไป
แหล่งข้อมูลอ้างอิงและศึกษาเพิ่มเติม
Dark Energy and Cosmological constant
- Sean M. Carroll, Cosmological Constant จาก Living Reviews in relativity
- http://www.astronomytoday.com/cosmology/quintessence.html
- http://www.sciencenews.org/20010407/bob14.asp
- http://www.cerncourier.com/main/article/39/5/11
Vacuum Energy
- http://www.sciam.com/1297issue/1297yam.html
- สำหรับนักศึกษาหรือผู้ที่สนใจศึกษาเรื่อง Vacuum energy อย่างจริงจัง
ผู้เขียนขอแนะนำหนังสือ ( ควรมีพื้นฐาน ฟิสิกส์ควอนตัมระดับปริญญาตรี )
The Quantum Vacuum, An introduction to Quantum Electrodynamics
โดย Peter W. Milonni ของสำนักพิมพ์ Acadenic Press (1994) ISBN 0-12-498080-5
|
เกี่ยวกับผู้เขียน
*หมายเหตุ
งานเขียนชิ้นนี้ ได้รับการคุ้มครองสิทธิตามพระราชบัญญัติคุ้มครองสิทธิทางปัญญา โดยลิขสิทธิเป็นของผู้เขียน ที่ให้เกียรตินำเผยแพร่ผ่าน วิชาการ.คอม เรามีความยินดีและอนุญาตให้ทำซ้ำหรือเผยแพร่ต่อเพื่อประโยชน์ทางการศึกษาเท่านั้น กรุณาให้เกียรติผู้เขียน โดยอ้างชื่อผู้เขียนและ วิชาการ.คอม (www.vcharkarn.com) ทุกครั้งที่ทำการเผยแพร่ต่อ ห้ามนำส่วนหนึ่งส่วนใดไปเผยแพร่ต่อในสื่อที่เอื้อประโยชน์ทางธุรกิจก่อนได้รับอนุญาต ขอขอบคุณที่ร่วมกันช่วยสร้างให้สังคมไทยเป็นสังคมแห่งปัญญา
ความเห็นเพิ่มเติมที่ 2 25 ก.ย. 2549 (17:17) 
