กาล-อวกาศโค้งงอรอบ "ดาวนิวตรอน" ตาม "ไอน์สไตน์" ทำนาย

กาล-อวกาศโค้งงอรอบ "ดาวนิวตรอน" ตาม "ไอน์สไตน์" ทำนาย
กาล-อวกาศโค้งงอรอบ "ดาวนิวตรอน" ตาม "ไอน์สไตน์" ทำนาย
ในระบบดาวคู่ดังกล่าวมีดาวนิวตรอนที่กำลังดูดวัตถุต่างๆ จากดาวรอบข้าง จนเกิดก๊าซร้อนหมุนวนจนกลายเป็นแผ่นจานอยู่รอบๆ และนักวิจัยสามารถวัดสเปกตรัมของอะตอมเหล็กได้ดีกว่าที่เคยวัดได้ โดยอะตอมเหล็กเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 40% ของความเร็วแสงซึ่งเพียงพอให้กล้องนิวตัน XMM ที่โคจรอยู่นอกโลกตรวจวัดได้ ซึ่งจากการทำนายโดยอาศัยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป วัตถุที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงสัมพัทธ์กับผู้สังเกตจะแพร่กระจายความเข้มแสงออกมา

"ในส่วนของแผ่นก๊าซที่เข้าใกล้ผู้สังเกตนั้นได้แผ่รังสีออกมาจำนวนมากกว่าในส่วนของที่เคลื่อนที่หนีออกไป" ท็อด สตรอห์เมเยอร์ (Tod Strohmayer) หนึ่งในทีมวิจัยกล่าว

อย่างไรก็ดีแสงที่แผ่ออกมาจากแผ่นก๊าซที่หมุนวนรอบดาวนิวตรอนนั้นก็สูญเสียพลังงานด้วย และได้เลื่อนไปสู่ความยาวคลื่นที่สูงกว่าคือขยับไปสู่ความยาวคลื่นในช่วงเสปกตรัมของแสงสีแดงมากขึ้น ทั้งนี้เพราะแสงดังกล่าวหนีออกจากแรงโน้มถ่วงอันทรงพลังของดาวนิวตรอนที่หนาแน่นได้ยาก

ผลลัพธ์ดังกล่าวเรียกว่าการเลื่อนไปทางสีแดงอันเนื่องจากแรงโน้มถ่วง (gravitational redshift) ซึ่งเป็นสิ่งที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstien) ได้ทำนายไว้ว่าความโน้มถ่วงได้โค้งงอกาล-อวกาศ (Space-time) อีกทั้งเส้นสเปกตรัมที่เลอะเทอะและผิดเพี้ยนของธาตุเหล็กจากดาวนิวตรอนที่วัดได้ยังเป็นผลจากปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ (Doppler effect)

ก่อนหน้านี้กล้องโทรทรรศน์รังสีเอ็กซ์จากหลายแห่งสามารถบันทึกสเปกตรัมของธาตุเหล็กรอบดาวนิวตรอนได้ แต่ยังขาดความไวที่จะวัดรายละเอียดรูปร่างของสเปกตรัม แต่ด้วยกระจกเงาบานใหญ่ของกล้องโทรทรรศน์นิวตันทำให้ภัททาชาริยาและสตรอห์เมเยอร์พบภาพสเปกตรัมของเหล็กถูกขยายแบบอสมมาตร (asymmetric) ด้วยแก๊สที่มีความเร็วสูงสุดขีดดังกล่าว

"เราเคยเห็นสเปกตรัมที่ไม่สมมาตรจากหลุมดำหลายๆ แห่ง แต่ครั้งนี้เป็นการยืนยันครั้งแรกว่าดาวนิวตรอนก็ทำให้เกิดสเปกตรัมที่ไม่สมมาตรได้เช่นกัน ซึ่งแสดงให้เห็นว่าดาวนิวตรอนดึงสสารมารวมไม่ต่างจากหลุมดำ และช่วยให้เรามีเครื่องมือใหม่ที่จะพิสูจน์ทฤษฎีของไอน์สไตน์" สตรอห์เมเยอร์กล่าว

จากการจับเวลาการเคลื่อนที่อะตอมเหล็กในแถบกลมรอบดาวนิวตรอน ทีมวิจัยประมาณว่าดาวนิวตรอนมีเส้นผ่านศูนย์กลางไม่เกิน 33 กิโลเมตร โดยพวกเขาเห็นว่าก๊าซกำลังรวมกันเป็นแผ่นจานรอบๆ พื้นผิวด้านนอกของดาวนิวตรอน โดยที่ขอบด้านในไม่เข้าไปยังผิวของดวงดาว จึงทำให้ระบุขนาดของดาวนิวตรอนได้

สำหรับดาวนิวตรอนนั้นมีสสารหนาแน่นที่สุดในเอกภพ โดยสามารถบีบอัดสสารขนาดดวงอาทิตย์ลงในพื้นที่ขนาดแค่เมืองๆ หนึ่งได้ ซึ่งหมายความว่าสสารปริมาณ 1 ถ้วยกาแฟของดาวนิวตรอนจะหนักเท่ากับเทือกเขาเอเวอรเรสต์เลยทีเดียว

ทั้งนี้นักดาราศาสตร์ใช้ดาวนิวตรอนเป็นเสมือนห้องปฏิบัติการในธรรมชาติเพื่อศึกษาว่าสสารถูกบีบอัดภายใต้ความดันและความหนาแน่นสูงสุดขีดได้อย่างไร

"อาจจะมีชนิดของอนุภาคที่แปลกประหลาดหรือมีสถานะใหม่ๆ ของสสารอย่าง "ควาร์ก" ในใจกลางดาวนิวตรอน ซึ่งเราไม่สามารถสร้างขึ้นได้ในห้องปฏิบัติการ ทางเดียวที่จะตรวจสอบได้คือต้องศึกษาดาวนิวตรอน" ภัททาชาริยากล่าว

อย่างไรก็ดีในการศึกษาขนาดดาวนิวตรอนของทีมวิจัยในครั้งนี้ พวกเขาได้รับข้อมูลเพียงว่ารัศมีของดาวเป็นเท่าไหร่ แต่ยังไม่สามารถวักมวลของดาวได้อย่างแม่นยำ ซึ่งยังคงเป็นความลึกลับที่ทีมวิจัยเผยว่ากำลังเดินหาแก้ปัญหาอยู่ในระบบดาวคู่ดังกล่าวมีดาวนิวตรอนที่กำลังดูดวัตถุต่างๆ จากดาวรอบข้าง จนเกิดก๊าซร้อนหมุนวนจนกลายเป็นแผ่นจานอยู่รอบๆ และนักวิจัยสามารถวัดสเปกตรัมของอะตอมเหล็กได้ดีกว่าที่เคยวัดได้ โดยอะตอมเหล็กเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 40% ของความเร็วแสงซึ่งเพียงพอให้กล้องนิวตัน XMM ที่โคจรอยู่นอกโลกตรวจวัดได้ ซึ่งจากการทำนายโดยอาศัยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป วัตถุที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงสัมพัทธ์กับผู้สังเกตจะแพร่กระจายความเข้มแสงออกมา

"ในส่วนของแผ่นก๊าซที่เข้าใกล้ผู้สังเกตนั้นได้แผ่รังสีออกมาจำนวนมากกว่าในส่วนของที่เคลื่อนที่หนีออกไป" ท็อด สตรอห์เมเยอร์ (Tod Strohmayer) หนึ่งในทีมวิจัยกล่าว

อย่างไรก็ดีแสงที่แผ่ออกมาจากแผ่นก๊าซที่หมุนวนรอบดาวนิวตรอนนั้นก็สูญเสียพลังงานด้วย และได้เลื่อนไปสู่ความยาวคลื่นที่สูงกว่าคือขยับไปสู่ความยาวคลื่นในช่วงเสปกตรัมของแสงสีแดงมากขึ้น ทั้งนี้เพราะแสงดังกล่าวหนีออกจากแรงโน้มถ่วงอันทรงพลังของดาวนิวตรอนที่หนาแน่นได้ยาก

ผลลัพธ์ดังกล่าวเรียกว่าการเลื่อนไปทางสีแดงอันเนื่องจากแรงโน้มถ่วง (gravitational redshift) ซึ่งเป็นสิ่งที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstien) ได้ทำนายไว้ว่าความโน้มถ่วงได้โค้งงอกาล-อวกาศ (Space-time) อีกทั้งเส้นสเปกตรัมที่เลอะเทอะและผิดเพี้ยนของธาตุเหล็กจากดาวนิวตรอนที่วัดได้ยังเป็นผลจากปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ (Doppler effect)

ก่อนหน้านี้กล้องโทรทรรศน์รังสีเอ็กซ์จากหลายแห่งสามารถบันทึกสเปกตรัมของธาตุเหล็กรอบดาวนิวตรอนได้ แต่ยังขาดความไวที่จะวัดรายละเอียดรูปร่างของสเปกตรัม แต่ด้วยกระจกเงาบานใหญ่ของกล้องโทรทรรศน์นิวตันทำให้ภัททาชาริยาและสตรอห์เมเยอร์พบภาพสเปกตรัมของเหล็กถูกขยายแบบอสมมาตร (asymmetric) ด้วยแก๊สที่มีความเร็วสูงสุดขีดดังกล่าว

"เราเคยเห็นสเปกตรัมที่ไม่สมมาตรจากหลุมดำหลายๆ แห่ง แต่ครั้งนี้เป็นการยืนยันครั้งแรกว่าดาวนิวตรอนก็ทำให้เกิดสเปกตรัมที่ไม่สมมาตรได้เช่นกัน ซึ่งแสดงให้เห็นว่าดาวนิวตรอนดึงสสารมารวมไม่ต่างจากหลุมดำ และช่วยให้เรามีเครื่องมือใหม่ที่จะพิสูจน์ทฤษฎีของไอน์สไตน์" สตรอห์เมเยอร์กล่าว

จากการจับเวลาการเคลื่อนที่อะตอมเหล็กในแถบกลมรอบดาวนิวตรอน ทีมวิจัยประมาณว่าดาวนิวตรอนมีเส้นผ่านศูนย์กลางไม่เกิน 33 กิโลเมตร โดยพวกเขาเห็นว่าก๊าซกำลังรวมกันเป็นแผ่นจานรอบๆ พื้นผิวด้านนอกของดาวนิวตรอน โดยที่ขอบด้านในไม่เข้าไปยังผิวของดวงดาว จึงทำให้ระบุขนาดของดาวนิวตรอนได้

สำหรับดาวนิวตรอนนั้นมีสสารหนาแน่นที่สุดในเอกภพ โดยสามารถบีบอัดสสารขนาดดวงอาทิตย์ลงในพื้นที่ขนาดแค่เมืองๆ หนึ่งได้ ซึ่งหมายความว่าสสารปริมาณ 1 ถ้วยกาแฟของดาวนิวตรอนจะหนักเท่ากับเทือกเขาเอเวอรเรสต์เลยทีเดียว

ทั้งนี้นักดาราศาสตร์ใช้ดาวนิวตรอนเป็นเสมือนห้องปฏิบัติการในธรรมชาติเพื่อศึกษาว่าสสารถูกบีบอัดภายใต้ความดันและความหนาแน่นสูงสุดขีดได้อย่างไร

"อาจจะมีชนิดของอนุภาคที่แปลกประหลาดหรือมีสถานะใหม่ๆ ของสสารอย่าง "ควาร์ก" ในใจกลางดาวนิวตรอน ซึ่งเราไม่สามารถสร้างขึ้นได้ในห้องปฏิบัติการ ทางเดียวที่จะตรวจสอบได้คือต้องศึกษาดาวนิวตรอน" ภัททาชาริยากล่าว

อย่างไรก็ดีในการศึกษาขนาดดาวนิวตรอนของทีมวิจัยในครั้งนี้ พวกเขาได้รับข้อมูลเพียงว่ารัศมีของดาวเป็นเท่าไหร่ แต่ยังไม่สามารถวักมวลของดาวได้อย่างแม่นยำ ซึ่งยังคงเป็นความลึกลับที่ทีมวิจัยเผยว่ากำลังเดินหาแก้ปัญหาอยู่ในระบบดาวคู่ดังกล่าวมีดาวนิวตรอนที่กำลังดูดวัตถุต่างๆ จากดาวรอบข้าง จนเกิดก๊าซร้อนหมุนวนจนกลายเป็นแผ่นจานอยู่รอบๆ และนักวิจัยสามารถวัดสเปกตรัมของอะตอมเหล็กได้ดีกว่าที่เคยวัดได้ โดยอะตอมเหล็กเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 40% ของความเร็วแสงซึ่งเพียงพอให้กล้องนิวตัน XMM ที่โคจรอยู่นอกโลกตรวจวัดได้ ซึ่งจากการทำนายโดยอาศัยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป วัตถุที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงสัมพัทธ์กับผู้สังเกตจะแพร่กระจายความเข้มแสงออกมา

"ในส่วนของแผ่นก๊าซที่เข้าใกล้ผู้สังเกตนั้นได้แผ่รังสีออกมาจำนวนมากกว่าในส่วนของที่เคลื่อนที่หนีออกไป" ท็อด สตรอห์เมเยอร์ (Tod Strohmayer) หนึ่งในทีมวิจัยกล่าว

อย่างไรก็ดีแสงที่แผ่ออกมาจากแผ่นก๊าซที่หมุนวนรอบดาวนิวตรอนนั้นก็สูญเสียพลังงานด้วย และได้เลื่อนไปสู่ความยาวคลื่นที่สูงกว่าคือขยับไปสู่ความยาวคลื่นในช่วงเสปกตรัมของแสงสีแดงมากขึ้น ทั้งนี้เพราะแสงดังกล่าวหนีออกจากแรงโน้มถ่วงอันทรงพลังของดาวนิวตรอนที่หนาแน่นได้ยาก

ผลลัพธ์ดังกล่าวเรียกว่าการเลื่อนไปทางสีแดงอันเนื่องจากแรงโน้มถ่วง (gravitational redshift) ซึ่งเป็นสิ่งที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstien) ได้ทำนายไว้ว่าความโน้มถ่วงได้โค้งงอกาล-อวกาศ (Space-time) อีกทั้งเส้นสเปกตรัมที่เลอะเทอะและผิดเพี้ยนของธาตุเหล็กจากดาวนิวตรอนที่วัดได้ยังเป็นผลจากปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ (Doppler effect)

ก่อนหน้านี้กล้องโทรทรรศน์รังสีเอ็กซ์จากหลายแห่งสามารถบันทึกสเปกตรัมของธาตุเหล็กรอบดาวนิวตรอนได้ แต่ยังขาดความไวที่จะวัดรายละเอียดรูปร่างของสเปกตรัม แต่ด้วยกระจกเงาบานใหญ่ของกล้องโทรทรรศน์นิวตันทำให้ภัททาชาริยาและสตรอห์เมเยอร์พบภาพสเปกตรัมของเหล็กถูกขยายแบบอสมมาตร (asymmetric) ด้วยแก๊สที่มีความเร็วสูงสุดขีดดังกล่าว

"เราเคยเห็นสเปกตรัมที่ไม่สมมาตรจากหลุมดำหลายๆ แห่ง แต่ครั้งนี้เป็นการยืนยันครั้งแรกว่าดาวนิวตรอนก็ทำให้เกิดสเปกตรัมที่ไม่สมมาตรได้เช่นกัน ซึ่งแสดงให้เห็นว่าดาวนิวตรอนดึงสสารมารวมไม่ต่างจากหลุมดำ และช่วยให้เรามีเครื่องมือใหม่ที่จะพิสูจน์ทฤษฎีของไอน์สไตน์" สตรอห์เมเยอร์กล่าว

จากการจับเวลาการเคลื่อนที่อะตอมเหล็กในแถบกลมรอบดาวนิวตรอน ทีมวิจัยประมาณว่าดาวนิวตรอนมีเส้นผ่านศูนย์กลางไม่เกิน 33 กิโลเมตร โดยพวกเขาเห็นว่าก๊าซกำลังรวมกันเป็นแผ่นจานรอบๆ พื้นผิวด้านนอกของดาวนิวตรอน โดยที่ขอบด้านในไม่เข้าไปยังผิวของดวงดาว จึงทำให้ระบุขนาดของดาวนิวตรอนได้

สำหรับดาวนิวตรอนนั้นมีสสารหนาแน่นที่สุดในเอกภพ โดยสามารถบีบอัดสสารขนาดดวงอาทิตย์ลงในพื้นที่ขนาดแค่เมืองๆ หนึ่งได้ ซึ่งหมายความว่าสสารปริมาณ 1 ถ้วยกาแฟของดาวนิวตรอนจะหนักเท่ากับเทือกเขาเอเวอรเรสต์เลยทีเดียว

ทั้งนี้นักดาราศาสตร์ใช้ดาวนิวตรอนเป็นเสมือนห้องปฏิบัติการในธรรมชาติเพื่อศึกษาว่าสสารถูกบีบอัดภายใต้ความดันและความหนาแน่นสูงสุดขีดได้อย่างไร

"อาจจะมีชนิดของอนุภาคที่แปลกประหลาดหรือมีสถานะใหม่ๆ ของสสารอย่าง "ควาร์ก" ในใจกลางดาวนิวตรอน ซึ่งเราไม่สามารถสร้างขึ้นได้ในห้องปฏิบัติการ ทางเดียวที่จะตรวจสอบได้คือต้องศึกษาดาวนิวตรอน" ภัททาชาริยากล่าว

อย่างไรก็ดีในการศึกษาขนาดดาวนิวตรอนของทีมวิจัยในครั้งนี้ พวกเขาได้รับข้อมูลเพียงว่ารัศมีของดาวเป็นเท่าไหร่ แต่ยังไม่สามารถวักมวลของดาวได้อย่างแม่นยำ ซึ่งยังคงเป็นความลึกลับที่ทีมวิจัยเผยว่ากำลังเดินหาแก้ปัญหาอยู่

การหลอมเหล็ว nuclei

                        การหลอมเหล็ว nuclei 
นิวเครียสทำหน้าที่จับ โปรตอน คล้ายๆกับดักแหละ
O:-) จับโปรตอนครบ 4ตัว มันจะกลายเป็น อนุภาคแอลฟา
หลังจากอนุภาคแอลฟาโดนขับทิ้งออกมาจากนิวเครียส์
ของธาตุเบานั้น พร้อมกับปลดปล่อยพลังงานปริมานสูง พลังนี้มาจากพลังงานยึดหนี่ยว
ของ นิวเครียส์ไนกระบวนการ fusion o_O หลอมเหลงนิวเครียสเข้าด้วยกัน ทีมี
นิวเครียสของไฮโดรเจน (โปรตอน) จำนวน 4ตัวรวมกันกลายเป็นฮีเลียม

มิติ

ตอนที่แล้วได้สัญญาว่าจะสาธยายมิติที่ 4 ของไอน์สไตน์จากสูตรสัมพัทธภาพว่า E = Mc2 

E = Energy พลังงานที่วัดขนาดเป็นปริมาตรไม่ได้ แต่สังเกตได้จากขนาดการเปลี่ยนแปลงที่เกิดจากพลังงานในช่วงเวลาที่วัดเป็น มิติเวลาได้ และจากความเข้มของการเปลี่ยนแปลงในมวลสาร

M = Mass มวลสารที่วัดขนาดเป็น 3 มิติแห่งเทศะได้อย่างเป็นอิสระจาก 1 มิติเวลา

c = Constant ซึ่งมีค่าเท่ากับความเร็วของแสง คือ 3 แสนกิโลเมตรต่อวินาที อันเป็นความเร็วสูงสุดที่อาจจะปรากฏเป็นปรากฏการณ์ได้ หรือกล่าวได้อีกอย่างว่า ไม่มีอะไรจะมีความเร็วได้เกินความเร็วของแสง และเมื่ออะไรก็ตามที่เร็วโดยตัวเองจะกลายเป็นพลังแสง และถ้าเร็วถึงอัตราความเร็วของแสงจะกลายเป็นพลังงานหมด เพื่อรักษาความเร็วของแสง (ทฤษฎีนี้ของไอน์สไตน์เริ่มจะมีผู้กังขา)

สมการ E = Mc2 หรือ E = หรือ พลังงาน = จึงมีแฟคเตอร์สัมพัทธ์กันอยู่ 3 ชนิด คือ พลังงานที่ผลักดันให้เกิดความเร็ว มวลสารที่มีขนาดวัดได้เป็น 3 มิติของเทศะ รวมเรียกว่าห้วงเทศะ และช่วงเวลาวัดได้เป็น 1 มิติ

หากไม่ใส่พลังงานเข้าไป หรือพลังงานเป็น 0 ทั้ง 3 แฟคเตอร์ก็จะมีสภาพคงตัวนิรันดรตามข้างขวาของสมการ ครั้นพลังงานไม่เป็น 0 ไม่ว่าจะมากหรือน้อย แฟคเตอร์ทั้ง 3 จะทำปฏิกริยาต่อกันทันทีตามสมการ คือ พลังงานมากขึ้นจะทำให้ระยะทางมากขึ้นตามส่วน พลังงานที่เพิ่มขึ้นจาก 0 นั้นมาจากไหน ตามความคิดของไอน์สไตน์ พลังงานกับมวลสารเปลี่ยนแปลงไปมาหากันได้ ดังนั้นเพื่อให้เกิดระยะทาง (D) พลังงานมาจากไหนไม่สำคัญ แต่มวลสารที่เคลื่อนที่ได้ระยะทางก็ต้องแปรสภาพมาเป็นความเร็ว ก็หมายความว่าความเร็วยิ่งมาก มวลสารก็ต้องลดลง และจะได้ความเร็วเป็นปฏิภาคส่วนตรง ในขณะเดียวกันช่วงเวลาก็จะยืดออกเป็นปฏิภาคส่วนกลับ เพื่อได้จำนวน C ให้เป็น 300,000 กิโลเมตรต่อวินาทีไว้เสมอ และตรงข้ามเมื่อมวลสสารลดความเร็วลดลง พลังงานที่ใช้น้อยลงจะแปร สภาพเป็นมวลสาร ทำให้มวลสารมีขนาดใหญ่ขึ้น และช่วงเวลาก็จะหดลงตามส่วน

สรุปได้ว่า หากเกิดการเคลื่อนที่ของมวลสารขึ้นเมื่อใด ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพ มวลสารหรือขนาดของก้อนสสารที่เคลื่อนจะลดขนาดลงเป็นปฏิภาคส่วนกลับกับความ เร็ว และเวลาจะยืดมากขึ้นเป็นปฏิภาคส่วนตรงกับความเร็ว เช่นดินสอ ที่ถืออยู่ในมือ หากมีความเร็ว ขนาดจะ เล็กลง ยิ่งเร็วยิ่งเล็กลง แต่ในขณะเดียวกันช่วงเวลาจะยืดออก ยิ่งเร็วยิ่งยืด คือ อายุจะยาวมากกว่าอยู่นิ่ง ๆ ภาพยนตร์ เรื่องผจญพิภพวานร (The Space of the Apes) เป็นตัวอย่างการประยุกต์ทฤษฎีนี้กับชีวิตที่อาจจะเกิดขึ้นเมื่อมีการ ส่งยานอวกาศออกเดินทางในอวกาศเป็นเวลานาน

สัมพัทธภาพทั่วไป

สัมพัทธภาพทั่วไป หรือ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (อังกฤษ: General relativity หรือ General Theory of Relativity) คือทฤษฎีเชิงเรขาคณิตของความโน้มถ่วงและเอกภพวิทยา เสนอโดยอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ใน พ.ศ. 2458 โดยในทฤษฎีนี้:

• กาล-อวกาศ (Spacetime) เป็นแมนิโฟลด์แบบโลเร็นตซ์ที่มีความโค้งงอ ใน 4 มิติ (curved 4-dimensional Lorentzian manifold)
• กาล-อวกาศ จะโค้งงอตามอิทธิพลของ มวล/พลังงาน และ โมเมนตัม หรือ เทนเซอร์ความเค้น-พลังงาน ที่อยู่ข้างใน
• ความสัมพันธ์ระหว่างเทนเซอร์ความเค้น-พลังงานและความโค้งงอของกาล-อวกาศ ถูกควบคุมโดยสมการสนามของไอน์สไตน์ (Einstein's field equations) และ
• การเคลื่อนที่แบบเฉื่อย (Inertial motion) จะเกิดขึ้นในช่วงไทม์ไลค์ (timelike) และอยู่ในสภาพนัลจิโอเดสิค (null geodesics) ของกาล-อวกาศ

ใจความสำคัญในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปคือการตกเสรี (freefall) นั้นที่จริงแล้วคือกิริยาการเฉื่อยแบบหนึ่ง ซึ่งหมายความว่าความโน้มถ่วงนั้นไม่ได้ขึ้นอยู่กับแรงที่กระทำ เช่นโดยแทนที่การที่คนยืนอยู่บนพื้นโลกนั้นคือการ ที่พื้นโลกรองรับ "แรงโน้มถ่วง" เอาไว้ซึ่งก่อให้เกิดการเร่งทางฟิสิกส์อย่างต่อเนื่องซึ่งแทนที่จะรอบรับแรงโน้มถ่วงธรรมดา ๆ มันจะก่อให้เกิดค่าความต้านเชิงกลศาสตร์บนพื้นที่ที่คนกำลังยืนอยู่

big bang

บิกแบง ( Big Bang หรือ the Big Bang หมายถึง การระเบิดครั้งใหญ่) คือแบบจำลองของการกำเนิดและการวิวัฒนาการของเอกภพในวิชาจักรวาลวิทยาซึ่งได้รับการสนับสนุนจากหลักฐานทางวิทยาศาสตร์และจากการสังเกตการณ์ที่แตกต่างกันจำนวนมาก นักวิทยาศาสตร์โดยทั่วไปใช้คำนี้สำหรับกล่าวถึงแนวคิดการขยายตัวของเอกภพหลังจากสภาวะแรกเริ่มที่ทั้งร้อนและหนาแน่นอย่างมากในช่วงเวลาจำกัดระยะหนึ่งในอดีต และยังคงดำเนินการขยายตัวอยู่จนถึงในปัจจุบัน

จอร์จ เลอแมตร์ นักวิทยาศาสตร์และพระโรมันคาทอลิก เป็นผู้เสนอแนวคิดการกำเนิดของเอกภพ ซึ่งต่อมารู้จักกันในชื่อ ทฤษฎีบิกแบง ในเบื้องแรกเขาเรียกทฤษฎีนี้ว่า สมมติฐานเกี่ยวกับอะตอมแรกเริ่ม (hypothesis of the primeval atom) อเล็กซานเดอร์ ฟรีดแมน ทำการคำนวณแบบจำลองโดยมีกรอบการพิจารณาอยู่บนพื้นฐานของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ต่อมาในปี ค.ศ. 1929 เอ็ดวิน ฮับเบิลค้นพบว่า ระยะห่างของดาราจักรมีสัดส่วนที่เปลี่ยนแปลงสัมพันธ์กับการเคลื่อนไปทางแดง การสังเกตการณ์นี้บ่งชี้ว่า ดาราจักรและกระจุกดาวอันห่างไกลกำลังเคลื่อนที่ออกจากจุดสังเกต ซึ่งหมายความว่าเอกภพกำลังขยายตัว ยิ่งตำแหน่งดาราจักรไกลยิ่งขึ้น ความเร็วปรากฏก็ยิ่งเพิ่มมากขึ้น^[1] หากเอกภพในปัจจุบันกำลังขยายตัว แสดงว่าก่อนหน้านี้ เอกภพย่อมมีขนาดเล็กกว่า หนาแน่นกว่า และร้อนกว่าที่เป็นอยู่ แนวคิดนี้มีการพิจารณาอย่างละเอียดย้อนไปจนถึงระดับความหนาแน่นและอุณหภูมิที่จุดสูงสุด และผลสรุปที่ได้ก็สอดคล้องอย่างยิ่งกับผลจากการสังเกตการณ์ ทว่าการเพิ่มของอัตราเร่งมีข้อจำกัดในการตรวจสอบสภาวะพลังงานที่สูงขนาดนั้น หากไม่มีข้อมูลอื่นที่ช่วยยืนยันสภาวะเริ่มต้นชั่วขณะก่อนการระเบิด ลำพังทฤษฎีบิกแบงก็ยังไม่สามารถใช้อธิบายสภาวะเริ่มต้นได้ มันเพียงอธิบายกระบวนการเปลี่ยนแปลงของเอกภพที่เกิดขึ้นหลังจากสภาวะเริ่มต้นเท่านั้น

คำว่า "บิกแบง" ที่จริงเป็นคำล้อเลียนที่เกิดจากนักดาราศาสตร์ชื่อ เฟรด ฮอยล์ จากการออกอากาศทางวิทยุครั้งหนึ่งในปี ค.ศ. 1949 ซึ่งเขาดูหมิ่นและตั้งใจจะทำลายความน่าเชื่อถือของทฤษฎีที่เขาเห็นว่าไม่มีทางเป็นจริงนิวเคลียร์ในการก่อเกิดธาตุมวลหนักที่ได้จากธาตุซึ่งมีมวลน้อยกว่า อย่างไรก็ดี การค้นพบรังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาลในปี ค.ศ. 1964 ยิ่งทำให้นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่ไม่สามารถปฏิเสธทฤษฎีบิกแบงได้

ทฤษฎีบิกแบงพัฒนาขึ้นมาจากการสังเกตการณ์โครงสร้างเอกภพร่วมกับการพิจารณาทฤษฎีต่างๆ ที่เป็นไปได้ ในปี ค.ศ. 1912 เวสโต สลิเฟอร์ วัดค่าการเคลื่อนของดอปเปลอร์ครั้งแรกของ "เนบิวลาชนิดก้นหอย" (เป็นชื่อเก่าที่เคยใช้เรียกดาราจักรชนิดก้นหอย) และต่อมาก็ค้นพบว่า เนบิวลาแทบทั้งหมดกำลังเคลื่อนที่ออกห่างจากโลก เขามิได้สรุปแนวคิดทางจักรวาลวิทยาจากข้อเท็จจริงนี้ อันที่จริงในช่วงยุคนั้นยังเป็นที่ถกเถียงกันอยู่มากว่า เนบิวลาเหล่านี้เป็น "เอกภพเกาะ" ที่อยู่ภายนอกดาราจักรทางช้างเผือกหรือไม่^[3] สิบปีต่อมา อเล็กซานเดอร์ ฟรีดแมน นักจักรวาลวิทยาและนักคณิตศาสตร์ชาวรัสเซียได้พัฒนาสมการฟรีดแมนขึ้นจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ แสดงให้เห็นว่าเอกภพกำลังขยายตัวอยู่ ซึ่งขัดแย้งกับแบบจำลองเอกภพสถิตที่ไอน์สไตน์สนับสนุนอยู่^[4]ปี ค.ศ. 1924 เอ็ดวิน ฮับเบิล ตรวจวัดระยะห่างของเนบิวลาชนิดก้นหอยที่ใกล้ที่สุด ผลการตรวจแสดงให้เห็นว่า ระบบดาวเหล่านั้นที่แท้เป็นดาราจักรอื่น เมื่อถึงปี ค.ศ. 1927 จอร์จ เลอแมตร์พระคาทอลิกนักฟิสิกส์ชาวเบลเยียม ทำการพัฒนาสมการของฟรีดแมนโดยอิสระ ผลที่ได้ทำให้คาดการณ์ได้ว่าการถอยห่างของเนบิวลาเป็นผลเนื่องจากการขยายตัวของเอกภพ^[5]

ค.ศ. 1931 เลอแมตร์พัฒนางานของเขาคืบหน้าไปอีก และเสนอแนวคิดว่า การที่เอกภพมีการขยายตัวเมื่อเวลาเดินล่วงหน้าไป จะเป็นจริงได้ก็ต่อเมื่อเอกภพมีการหดตัวลงเมื่อเวลาเดินย้อนกลับ และจะเป็นเช่นนั้นไปเรื่อยๆ จนกว่าเอกภพจะหดตัวไม่ได้อีกต่อไป ทำให้มวลทั้งหมดของเอกภพอัดแน่นเป็นจุดๆ หนึ่ง คือ "อะตอมแรกเริ่ม" ณ จุดใดจุดหนึ่งของกาลเวลาก่อนที่เวลาและอวกาศจะถือกำเนิดขึ้น ณ จุดนั้นยังไม่มีโครงสร้างของเวลาและอวกาศใดๆ ทฤษฎีนี้สะท้อนความเชื่อเก่าแก่ก่อนหน้านี้เกี่ยวกับไข่จักรวาล (cosmic egg) ซึ่งเป็นจุดเริ่มต้นของเอกภพ^[6]

ทางด้านของฮับเบิลก็พยายามพัฒนาตัวชี้วัดระยะทางหลายรูปแบบนับแต่ ค.ศ. 1924 ซึ่งเป็นการเบิกทางของบันไดระยะห่างของจักรวาล เขาใช้กล้องโทรทรรศน์ฮุกเกอร์ ขนาด 100 นิ้ว (2,500 มม.) ที่หอดูดาวเมาท์วิลสัน ทำให้สามารถประเมินระยะห่างระหว่างดาราจักรได้จากผลการตรวจวัดการเคลื่อนไปทางแดง ซึ่งมีการวัดค่าไว้ก่อนหน้านี้แล้วโดยสลิเฟอร์ ฮับเบิลค้นพบความเกี่ยวพันระหว่างระยะทางกับความเร็วในการเคลื่อนถอยในปี ค.ศ. 1929 ปัจจุบันความสัมพันธ์ข้อนี้เป็นที่รู้จักในชื่อ กฎของฮับเบิล^[7] งานของเลอแมตร์สนับสนุนผลงานชิ้นนี้ และเขาได้สร้างหลักการพื้นฐานจักรวาลวิทยาขึ้น^[8]

ภาพวาดดาวเทียม WMAP กำลังรวบรวมข้อมูลทางวิทยาศาสตร์เพื่อให้นักวิทยาศาสตร์ทำความเข้าใจกับบิกแบง

ตลอดคริสต์ทศวรรษ 1930 มีทฤษฎีและแนวคิดต่างๆ เกิดขึ้นมากมายเพื่อพยายามอธิบายผลสังเกตการณ์ของฮับเบิล รวมถึงแบบจำลองของมิลเน(Milne Model)^[9] ทฤษฎีการแกว่งตัวของเอกภพ (เสนอโดยฟรีดแมน และได้รับการสนับสนุนจากไอน์สไตน์กับริชาร์ด โทลแมน)^[10] และข้อสมมติฐาน tired light ของฟริตซ์ ชวิกกี^[11]

หลังจากสงครามโลกครั้งที่สอง มีแนวคิดที่เป็นไปได้แตกต่างกันอยู่สองแนวทาง ทางหนึ่งเป็นแนวคิดเรื่องแบบจำลองสภาวะสมมูลของเฟรด ฮอยล์ ซึ่งเห็นว่าจะมีสสารใหม่เกิดขึ้นระหว่างที่เอกภพขยายตัว แนวคิดนี้เอกภพจะมีสภาวะแทบจะคงที่ ณ จุดใดๆ ของเวลา^[12] อีกแนวคิดหนึ่งเป็นทฤษฎีบิกแบงของเลอแมตร์ ซึ่งได้พัฒนาต่อมาโดยจอร์จ กาโมว์ ผู้เสนอทฤษฎีบิกแบงนิวคลีโอซินทีสิส^[13] และเป็นผู้ร่วมทีมกับราล์ฟ อัลเฟอร์ และโรเบิร์ต เฮอร์มัน ในการทำนายปรากฏการณ์ของการแผ่รังสีไมโครเวฟพื้นหลัง^[14] แต่จะว่าไปแล้ว ฮอยล์นั่นเองที่เป็นผู้นำวลีมาโยงกับทฤษฎีของเลอแมตร์ โดยเรียกทฤษฎีนี้ว่า "เจ้าแนวคิดแบบบิกแบงนี่" ระหว่างการออกอากาศทางสถานีวิทยุบีบีซีเมื่อเดือนมีนาคม ค.ศ. 1949^[15] นักวิทยาศาสตร์ต่างแบ่งออกเป็นสองพวกสนับสนุนทฤษฎีทั้งสองทางนี้ ในเวลาต่อมาแนวคิดหลังเริ่มเป็นที่นิยมมากกว่า การค้นพบไมโครเวฟพื้นหลังในปี ค.ศ. 1964 ช่วยยืนยันว่าจุดกำเนิดและพัฒนาการของจักรวาลสอดคล้องกับแนวคิดแบบทฤษฎีบิกแบงมากกว่า

การศึกษาจักรวาลวิทยาตามแนวคิดบิกแบงมีการก้าวกระโดดครั้งใหญ่ในช่วงปลายคริสต์ทศวรรษ 1990 เนื่องมาจากความก้าวหน้าอย่างมากของเทคโนโลยีกล้องโทรทรรศน์ ตลอดจนผลการวิเคราะห์ข้อมูลจำนวนมากจากดาวเทียมต่างๆ เช่น จาก COBE^[16] จากกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล และจาก WMAP^[17] ปัจจุบันการศึกษาจักรวาลวิทยามีข้อมูลและเครื่องมือวัดที่แม่นยำมากมายที่ช่วยตรวจสอบปัจจัยต่างๆ ของแบบจำลองบิกแบง ทำให้เกิดการค้นพบอันไม่คาดฝันว่า เอกภพดูเหมือนจะกำลังขยายตัวอยู่ด้วยความเร็วที่เพิ่มขึ้น

[แก้]

ทฤษฎีโน้มถ่วงเชิงควอนตัม

ทฤษฎีโน้มถ่วงเชิงควอนตัม (อังกฤษ: Quantum Gravity: QG) เป็นทฤษฎีที่พยายามรวม กลศาสตร์ควอนตัม ซึ่งอธิบายแรงพื้นฐานสามแรงคือ แรงแม่เหล็กไฟฟ้า แรงนิวเคลียร์แบบเข้ม และแรงนิวเคลียร์แบบอ่อน เข้ากับ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ ซึ่งใช้อธิบายแรงโน้มถ่วง เป้าหมายของทฤษฎีนี้ก็คือ การอธิบายทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปในระดับพลังงานสูง และ ทฤษฎีควอนตัมในระดับสเกลใหญ่ภายใต้กฎหนึ่งเดียวเป็นทฤษฎีแห่งสรรพสิ่ง (Theory of Everything: TOE)

ทฤษฎีสตริง

ทฤษฎีสตริง เป็นแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ สำหรับฟิสิกส์เชิงทฤษฎี ที่มี บล็อกโครงสร้าง (building blocks) เป็นวัตถุขยายมิติเดียว (สตริง) แทนที่จะเป็นจุดศูนย์มิติ (อนุภาค) ซึ่งเป็นพื้นฐานของแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาค นักทฤษฎีสตริงนั้นพยายามที่จะปรับแบบจำลองมาตรฐาน โดยการยกเลิกสมมุติฐานในกลศาสตร์ควอนตัม ที่ว่าอนุภาคนั้นเป็นเหมือนจุด ในการยกเลิกสมมุติฐานดังกล่าว และแทนที่อนุภาคคล้ายจุดด้วยสตริงหรือสาย ทำให้มีความหวังว่าทฤษฎีสตริงจะพัฒนาไปสู่ทฤษฎีสนามโน้มถ่วงควอนตัมที่เข้าใจได้ง่าย นอกจากนี้ทฤษฎีสตริงยังปรากฏว่าสามารถที่จะ "รวม" แรงธรรมชาติที่รู้จักทั้งหมด (แรงโน้มถ่วง, แรงแม่เหล็กไฟฟ้า, แรงอันตรกิริยาแบบอ่อน และแรงอันตรกิริยาแบบเข้ม) โดยการบรรยายด้วยชุดสมการเดียวกัน

ทฤษฎีสตริงถือเป็นทฤษฎีที่อาจเป็นทฤษฎีโน้มถ่วงเชิงควอนตัมที่ถูกต้อง แต่ยังมีทฤษฎีอื่นๆ ที่ถือว่าเป็นคู่แข่ง เช่น ความโน้มถ่วงเชิงควอนตัมแบบลูป (Loop Quantum Gravity:LQG หรือ Quantum General Relativity; QGR), ไดนามิกส์แบบคอสชวลของสามเหลี่ยม (Causual Dynamics Triangulation: CDT), ซูเปอร์กราวิตี(Supergravity) เป็นต้น

19 ตุลาคม 2553 ทฤษฎีสตริงหลายมิติ = จักรวาลคู่ขนาน อธิบายโดยใช้ตรรกะทางคณิตศาสตร์