นักฟิสิกส์ชาวอินเดียได้เสนอให้ใช้ปรากฏการณ์ที่เกิดจากดวงดาวที่กำลังจะสิ้นอายุขัยเป็นตัวพิสูจน์ทฤษฎี Quantum Gravity

การศึกษาทฤษฎี Quantum Gravity เป็นงานวิจัยสาขาย่อยสาขาหนึ่งของฟิสิกส์ทฤษฎี (theoretical physics) ที่มีจุดประสงค์หลักคือการพยายามรวมทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษทั่วไป (general relativity) เข้ากับทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัม (quantum mechanics) ให้เป็นทฤษฎีเดียวกัน

เหตุที่นักฟิสิกส์ต้องการรวมทฤษฎีทั้งสองเข้าด้วยกันก็เพราะ ความฉงนและสงสัยถึงความไม่สอดคล้องกันอย่างมากของสองทฤษฎีที่ถือได้ว่าเป็นพื้นฐานของวิชาฟิสิกส์แผนใหม่ ทั้งกลศาสตร์ควอนตัมและทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปต่างก็ได้รับการยืนยันจากผลการทดลองมากมายว่ามีความถูกต้องและแม่นยำ โดยกลศาสตร์ควอนตัมสามารถนำไปอธิบายปรากฏการณ์ต่างๆทางฟิสิกส์ในระดับอะตอมและเล็กกว่า ซึ่งเป็นธรรมชาติที่แรงโน้มถ่วงส่งผลน้อยมากจนไม่ต้องคำนึงถึง ส่วนทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปสามารถนำไปใช้อธิบายปรากฏการณ์ต่างๆที่แรงโน้มถ่วงมีอิทธิพลมากกว่าแรงชนิดอื่นๆ อย่างเช่นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในระดับดวงดาวและวัตถุในอวกาศ

นักฟิสิกส์ต่างก็สงสัยและไม่เข้าใจว่า ทำไมธรรมชาติถึงได้ถูกอธิบายด้วยสองทฤษฎีที่มีหลักการขัดแย้งกันมากเหลือเกิน และได้พยายามหาคำตอบนั้น ด้วยการสร้างทฤษฎี Quantum Gravity

ตลอดเวลาที่ผ่านมากว่า 70 ปีในการศึกษาทฤษฎี Quantum Gravity ยังไม่มีผลการทดลองหรือปรากฏการณ์ใดๆเลยที่พิสูจน์ถึงความน่าเชื่อถือของทฤษฎีนี้ สาเหตุสำคัญก็เนื่องจากว่า ปรากฏการณ์ที่ทั้งฟิสิกส์ในระดับควอนตัมและสัมพัทธภาพทั่วไปจะต้องใช้ร่วมกันเป็น ปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในระดับพลังงานสูงมากๆ ใกล้เคียงกับพลังงานในห้วงเวลาที่เอกภพได้ก่อตัวขึ้นได้ไม่นาน ซึ่งเป็นระดับพลังงานที่เข้าใกล้ Plank’s Scale

อย่างไรก็ดี การทดสอบทฤษฎี Quantum Gravity ได้เคยมีคนนำเสนอมาไม่น้อย หนึ่งในนั้นคือการศึกษาปรากฏการณ์ Gamma-Ray Burst ที่นักฟิสิกส์ทฤษฎีจากมหาวิทยาลัย Oxford ได้เสนอไว้เมื่อไม่นานมานี้

และเมื่อเร็วๆนี้ งานชิ้นใหม่ของนักฟิสิกส์ชาวอินเดีย Pankaj Joshi กับ Rituparno Goswami แห่ง Tata Insitute of Fundamental Research ซึ่งขณะนี้ได้อาศัยอยู่ในมหาวิทยาลัยเพนซิลวาเนียในสหรัฐฯ ได้เสนอว่า การสังเกตแสงสลัวๆ ที่ส่องออกมาจากดวงดาวที่กำลังจะยุบสลายตัวสามารถนำไปใช้พิสูจน์ทฤษฎี Quantum Gravity ได้

ด้วยหลักการของ Loop Quantum Gravity ทั้งสองได้คำนวณและพบว่า ดวงดาวที่กำลังจะสิ้นอายุไขไม่น่าเข้าไปสู่สภาวะ “naked singularity” ดังที่ไอน์สไตน์ได้เคยทำนายไว้ในทฤษฎีสัมพัทธภาพ

Naked Singularity คือลูกไฟขนาดมหึมาที่มีความหนาแน่นมหาศาล จะก่อตัวขึ้นเมื่อดาวฤกษ์ที่มีมวลเป็นมากขนาด 4 ถึง 5 เท่าของดวงอาทิตย์ได้ใช้เชื้อเพลิงสำหรับปฏิกิริยานิวเคลียร์จนหมด และมีการยุบตัวลงอันผลมาจากน้ำหนักที่มากมหาศาลของมัน คำว่า Singularity มีคำขยายอยู่ข้างหน้าว่า naked หรือแปลว่า เปลือยเปล่า ก็เพราะว่า นักดาราศาสตร์สามารถสังเกตเห็นมันได้ด้วยตาเปล่า (naked eyes)

อย่างไรก็ดี ในขั้นตอนสุดท้ายที่ดวงดาวกำลังจะยุบตัว ความโค้งของ กาล-อวกาศ (space-time) ได้ขยายใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ จนกระทั่ง ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษทั่วไปแผนเดิม (classical general relativity) ไม่สามารถอธิบายฟิสิกส์ที่เกิดขึ้นหลังจากนั้นได้ และเชื่อว่าปรากฏการณ์ต่างๆ ต้องใช้ทฤษฎี Quantum Gravity มาอธิบาย

และในเมื่อดวงดาวที่กำลังจะสิ้นอายุขัยไม่ได้เข้าสู่สภาวะ naked singularity ตามที่ไอน์สไตน์ได้ทำนายไว้ Joshi และเพื่อนร่วมวิจัยของเขาเสนอว่า มวลที่มหาศาลของมันน่าจะหายไป ด้วยการเปลี่ยนเป็นพลังงานของแสงที่ส่องสว่างจ้าต่างหาก พวกเขาอ้างว่า แสงสว่างจ้าที่ระเบิดออกจะมีลักษณะพิเศษกว่าแสงอื่นๆที่สังเกตเห็นในอวกาศก็คือ มันจะให้แสงสลัวๆ ในระยะเวลาสั้นๆ ก่อนที่จะปลดปล่อยรังสีแกมมาพลังงานมหาศาล พร้อมกับ รังสีคอสมิก และอนุภาคนิวตริโน ออกไปในห้วงอวกาศ พวกเขาบอกว่า ถ้ารังสีกับอนุภาคเหล่านี้ได้รับการตรวจพบโดยนักดาราศาสตร์ มันจะช่วยให้เป็นข้อพิสูจน์อันหนึ่ง ถึงความถูกต้องของทฤษฎี Quantum Gravity เลยทีเดียว

“งานของเราได้แสดงให้เห็นว่า หลักการของ Loop Quantum Gravity สามารถนำไปใช้อธิบายปรากฏการณ์ที่นักดาราศาสตร์สามารถสังเกตเห็นได้จริง” Joshi บอกแก่ PhysicsWeb “ Loop Quantum Gravity ช่วยเปิดขอบเขตงานวิจัยด้านนี้ในแง่ใหม่ ซึ่งก็คือแง่ที่ทฤษฎี Quantum Gravity สามารถได้รับการพิสูจน์ด้วยการทดลองและการสังเกตทางดาราศาสตร์”

ทีมนักฟิสิกส์ชาวอินเดียทีมนี้ได้อ้างด้วยว่า การทดลองอย่างโครงการ Extreme Universe Space Observatory (EUSO) ที่จะเริ่มทำการทดลองจริงๆ ในปี 2010 น่าจะช่วยเป็นบททดสอบของที่พวกเขาได้กล่าวไว้

ด้านฝ่าย Carlo Rovelli แห่งมหาวิทยาลัย Université de la Mediterranée ในประเทศฝรั่งเศสกล่าวว่า ผลงานครั้งนี้อาจจะมีผลกระทบที่สำคัญอันหนึ่ง “ถ้ามันได้ผลตามที่กล่าวไว้จริง มันจะกลายเป็นก้าวสำคัญอีกก้าวหนึ่งในงานวิจัยด้านนี้” เขากล่าวต่ออีกด้วยกว่า “นอกจากนี้แล้ว งานชิ้นนี้น่าจะเป็นอีกตัวอย่างที่ดีอันหนึ่งที่แสดงให้เห็นว่า ทฤษฎี Quantum Gravity สามารถพิสูจน์ได้จากปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นจริงและมนุษย์เองสามารถสังเกตเห็นได้จริงๆ ไม่ใช่มีแต่ในทฤษฎี ตามที่ความเชื่อเก่าๆ ได้ว่าไว้”

ส่วน Giovanni Amelio-Camelia จากมหาวิทยาลัย Rome La Sapienza ได้กล่าวด้วยว่า ข้อเสนอของนักฟิสิกส์ชาวอินเดียสองคนนี้ค่อนข้างน่าตื่นเต้น แต่ว่าการพิสูจน์มันต้องกระทำอย่างรอบคอบ “ภาพรวมของข้อเสนอที่รายงานมานั้นน่าเชื่อถือและดูท่าที่จะเป็นไปได้มากทีเดียว แต่อย่างไรก็ดี มันจะต้องใช้เวลาพอสมควรเพื่อที่จะได้ข้อมูลและผลที่น่าเชื่อถือภายใต้กฎกติกาต่างๆมากมายของวิธี Loop Quantum Gravity”

(ภาพข้างบนแสดงดาวที่กำลังระเบิดตัวที่ชื่อ Cassiopea A ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่เชื่อว่าสามารถนำมาทดสอบความถูกต้องของทฤษฎี Quantum Gravity ได้ ภาพจาก NASA & Chandra Science Center )

ข้อมูลจาก
- http://physicsweb.org/articles/news/10/2/2/1#060202