Dark energy ดร. อรรถกฤต ฉัตรภูติ (69,538 views) first post: Mon 7 January 2008 last update: Thu 10 January 2008 อะไรผลักดันให้เอกภพขยายตัวออกจากกัน

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

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

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)

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

คุณจ้อ หรือ ดร. อรรถกฤต ฉัตรภูติ เป็นหนึ่งในตัวแทนประเทศไทย ไปแข่งขันฟิสิกส์โอลิมปิก ที่ประเทศฟินแลนด์ จบชั้นมัธยมปลายจากโรงเรียนปทุมคงคา เข้าเป็นนักเรียนในโครงการพสวท และศึกษาระดับปริญญาตรีที่ภาควิชาฟิสิกส์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย จากนั้น ศึกษาต่อด้านปริญญาโท ฟิสิกส์ทฤษฎี ทีมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ (University of Cambridge) และ ปริญญาเอก ฟิสิกส์ทฤษฎี ที่มหาวิทยาลัยเดอร์แรม (Universiy of Durham) ในเวลาต่อมา ปัจจุบันเป็นอาจารย์ ประจำภาควิชาฟิสิกส์์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย เป็น 1 ใน 3 ของผู้ริเริ่มวิชาการ.คอม

 

ขอบคุณผู้สนับสนุน