การขยายตัวของเอกภพ
เราทราบแล้วว่าเอกภพคือแหล่งรวมทุกสรรพสิ่งในธรรมชาติ รวมทั้งที่ว่างหรืออวกาศด้วย นักดาราศาสตร์ต่างได้ศึกษาเส้นสเปกตรัมจากธาตุที่อยู่ในดาราจักรแล้วพบว่า เส้นเลื่อนไปทางแดงหรือทางความถี่ต่ำแสดงว่าดาราจักรกำลังเคลื่อนที่ออกห่าง ไป เรื่อย ๆ ทำให้เกิดปัญหาข้อถกเถึยงกันถึงลักษณะของดาราจักรและเอกภพในอดีตว่าเป็น อย่างไร
ในวงการดาราศาสตร์ได้มีทฤษฎีหนึ่งที่จะอธิบายการกำเนิดเอกภพและสาเหตุที่ ดาราจักรกำลังเคลื่อนที่คือ ทฤษฎีการระเบิดใหญ่ (big-bang theory หรือทฤษฎีบิกแบง) โดย เลแมตร์ (G.Lemaitre) ได้กล่าวไว้ว่า ในอดีตเอกภพมีลักษณะเป็นรูปทรงกลมเส้นผ่าศูนย์กลางประมาณ 6,400 กิโลเมตร (4,000 ไมล์) เลอร์แมตร์ เรียกทรงกลมที่เป็นจุดกำเนิดของสสารนี้ว่า "อะตอมดึกดำบรรพ์" (Primeval Atom) เป็นอะตอมขนาดยักษ์ นำหนักประมาณ 2 พันล้านตันต่อลูกบาศก์นิ้ว (ซึ่งขัดแย้งกับความเป็นจริงกับความหมายของอะตอมในปัจจุบันที่ให้ความหมาย ของอะตอม ว่าเป็นส่วยย่อยของโมเลกุล) อย่างไรก็ตามนักดาราศาสตร์ได้ถกเถียงและค้นหาข้อเท็จจริงเกี่ยวกับทฤษฎีนี้ อย่างจริงจัง และกาโมว์ (G.Gamow) เป็นคนหนึ่งที่สนับสนุนทฤษฎีของเลอเมตร์ จากผลการคำนวณของกาโมว์ ในขณะที่อะตอมดึกดำบรรพ์ระเบิดขึ้น จะมีอุณภูมิสูงถึง 3 x 10^9 เคลวิน (3,000,000,000 เคลวิน) หลังจากเกิดการระเบิดประมาณ 5 วินาที อุณภูมิได้ลดลงเป็น 10^9 เคลวิน (1,000,000,000 เคลวิน) และเมื่อเวลาผ่านไป 3 x 10^8 ปี (300,000,000 ปี) อุณภูมิของเอกภพลดลงเป็น 200 เคลวิน
ในที่สุดเอกภพก็ตกอยู่ในความมืดและเย็นไปนานมากจนกระทั่งมีดาราจักรเกิดขึ้น จึงเริ่มมีแสงสว่างและอุณภูมิเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ในปี พ.ศ.2472 ฮับเบิล (Edwin P.Hubble) ได้ศึกษาสเปกตรัมของดาราจักรต่างๆ 20 ดาราจักร ซึ่งอยู่ไกลที่สุดประมาณ 20 ล้านปีแสง พบว่าเส้นสเปกตรัมได้เคลื่อนไปทางแสงสีแดง ดาราจักรที่อยู่ห่างออกไปจะมีการเคลื่อนที่ไปทางแสงสีแดงมาก แสดงว่าดาราจักรต่างๆ กำลังคลื่นที่ห่างไกลออกไปจากโลกทุกทีทุกทีๆ พวกที่อยู่ไกลออกไปมากๆจะมีการเคลื่อนที่เร็วขึ้น ดาราจักรที่ห่างประมาณ2.5พันล้านปีแสง มีความเร็ว 38,000 ไมล์ต่อวินาที ส่วนพวกดาราจักร ที่อยู่ไกลกว่านี้มีควาเร็วมากขึ้นตามลำดับ ความสัมพันธ์ระหว่างระยะทางของดาราจักรและ ความเร็วแห่งการเคลื่อนที่ เรียกว่า "กฎฮับเบิล" ทฤษฎีนี้อาจเรียกว่า "การระเบิดของเอกภพ" (Exploding Universe) ซึ่งก็สนับสนุนกับแนวคิดของเลแมตร์เช่นกัน
เอกภพแบบต่างๆ
จากหลักฐานทางดาราศาสตร์ในปัจจุบัน คาดกันว่าเอกภพน่าจะมีอายุประมาณ 15-20 พันล้านปี โดยมีกำเนิด ณ จุดเริ่มต้น เรียกว่า บิ๊กแบง (Big Bang) ซึ่งเป็นจุดกำเนิดของอวกาศและเวลา!
ขณะนี้เรียกได้ว่า เรากำลังอยู่ในระหว่าง “ขาขึ้น” คือ ขนาดของเอกภพใหญ่ขึ้นเรื่อย ๆ แต่ในที่สุดเอกภพจะมี “จุดจบ” ได้ 3 แบบ ใหญ่ๆ ขึ้นอยู่กับความหนาแน่นโดยรวมของเอกภพ (the universe’s overall density) ซึ่งนักดาราศาสตร์ใช้สัญลักษณ์ว่า
ค่านี้มีความสำคัญมาก เนื่องจากเป็นปัจจัยสำคัญที่กำหนดลักษณะของเอกภพ ดังนี้
- เอกภพปิด (Closed Universe) : ถ้าค่า นั่นคือ เอกภพมีความหนาแน่นของมวลสารและพลังงาน มากเพียงพอ จนแรงโน้มถ่วงสามารถเอาชนะการขยายตัวได้ ในที่สุดเอกภพจะหดตัวกลับ และถึงจุดจบที่เรียกว่า บิ๊กครันช์ (Big Crunch) (คำว่า crunch หมายถึง บดเคี้ยว)
- เอกภพแบน (Flat Universe) : ถ้าค่า นั่นคือ เอกภพมีความหนาแน่นของมวลสารและพลังงาน ในระดับที่ แรงโน้มถ่วง ได้ดุลกับการขยายตัว ในที่สุดเอกภพจะขยายตัว แต่ด้วยอัตราที่ช้าลงเรื่อย ๆ
- เอกภพเปิด (Open Universe) : ถ้าค่านั่นคือ เอกภพมีความหนาแน่นของมวลสารและพลังงาน ต่ำเกินไป ทำให้แรงโน้มถ่วง ไม่สามารถเอาชนะการขยายตัวได้ เอกภพจะขยายตัวอย่างต่อเนื่องไปเรื่อย ๆ
ค่าความหนาแน่น ?0 นี้ แม้ว่าในปัจจุบันยังไม่สามารถวัดได้อย่างแน่นอน แต่ก็มีหลักฐานบางประการชี้ให้เห็นว่า อาจมีค่า ประมาณ 0.2 ถึง 0.3 ซึ่งถ้าเป็นเช่นนั้นจริง ก็หมายความว่า เรากำลังอยู่ในเอกภพแบบเปิด แต่ถ้าหากมีหลักฐานใหม่ ๆ ที่ขัดแย้งข้อมูลนี้ ข้อสรุปที่ได้ก็อาจเปลี่ยนแปลงได้ เช่น ถ้าหากพบว่านิวตริโน หรือ ดาวแคระสีน้ำตาลทั้งหมดมีมวลรวมกันมากพอ หรือ พบสสารมืด (dark matter) ในรูปแบบอื่น เอกภพก็อาจจะเป็นเอกภพปิดก็เป็นได้
ภาพ เอกภพเปิด (Open Universe) และ เอกภพปิด (Closed Universe)
ยุคต่าง ๆ ของเอกภพแบบเปิด
ในที่นี้ เราจะลองพิจารณาความเป็นไปได้ของเหตุการณ์ต่าง ๆ ที่อาจจะเกิดขึ้นต่อจากนี้ ภายใต้สมมติฐานว่า เอกภพเป็นแบบเปิด (open universe) ทั้งนี้ เนื่องจากเอกภพเปิดมีช่วงอายุขัยยาวนานเพียงพอที่จะเกิดเหตุการณ์ทางดารา ศาสตร์ที่น่าสนใจจำนวนมาก
เราจะลองมองอนาคตไปข้างหน้าไกลแสนไกลราว 10100 ปี นับจากจุดเริ่มต้น แต่เพื่อให้ได้ภาพที่ครบถ้วนสมบูรณ์ จะขอเริ่ม ณ จุดตั้งต้น คือ บิ๊กแบง ผ่านยุคต่าง ๆ ได้แก่ ยุคอินเฟลชัน ยุครังสี ยุคดวงดาว ยุคดีเจนเนอเรต ยุคหลุมดำ และสุดท้ายคือ ยุคมืด
- ยุคอินเฟลชัน (The Inflation Era)
เชื่อกันว่าจุดกำเนิดของเอกภพ หรือ บิ๊กแบง (Big Bang) เริ่มต้น ณ เวลาเศษเสี้ยวของวินาทีที่ 10-43 วินาที ซึ่งเรียกว่า เวลาของแพลงค์ (Planck’s time) จากนั้นในช่วงเวลา 10-37 ถึง 10-32 วินาที เอกภพได้เกิดการพองตัวอย่างรวดเร็ว เรียกว่า อินเฟลชัน (inflation)
ทฤษฎีอินเฟลชันสามารถใช้อธิบายว่า ทำไมเอกภพที่เราเห็นอยู่ในปัจจุบันถึงได้มีขนาดใหญ่โตมโหฬาร และดูเหมือนว่า จะมี ความหนาแน่นพอ ๆ กันในทุก ๆ ตำแหน่ง (homogeneous) และทุก ๆ ทิศทาง (isotropic) รวมทั้งลักษณะทางกายภาพอื่น ๆ เช่น “ความแบน” ของเอกภพ
ในช่วงเวลาอันแสนสั้นแต่น่ามหัศจรรย์นี่เอง ณ บางตำแหน่ง อาจมีการกระจายของความหนาแน่นของพลังงานสูงกว่า บริเวณอื่น ๆ เล็กน้อย บริเวณเหล่านี้ คือ บริเวณที่จะเกิดเป็นดวงดาวและกาแลกซีในอนาคต
- ยุครังสี (The Radiation-dominated Era)
ในช่วงเวลาถัดมา ตั้งแต่ 10-32 วินาที ถึงราว 10,000 ปี เป็นยุคที่เอกภพเต็มไปด้วยรังสีอย่างหนาแน่นทุกหนทุกแห่ง แต่ในช่วงนี้ยังไม่มีอะตอม!
สสารและปฏิสสารจะเกิดการทำลายล้างกัน (annihilation) อย่างต่อเนื่อง แต่เนื่องจากในเอกภพ มีสสารมากกว่าปฏิสสาร อยู่เล็กน้อย ทำให้เหลือเป็นสสารอย่างที่เห็นในปัจจุบัน ต่อจากนั้นได้เกิดนิวเคลียสของธาตุที่ง่ายที่สุด คือ นิวเคลียสของไฮโดรเจน (โปรตอนตัวเดียว) และดิวทีเรียม (โปรตอน 1 ตัว + นิวตรอน 1 ตัว)
ในช่วงรอยต่อระหว่างยุครังสีนี้กับยุคถัดไป มีเหตุการณ์ที่สำคัญอย่างมากเกิดขึ้นได้แก่ การเกิดไฮโดรเจนอะตอมแรกของเอกภพ เมื่อเอกภพมีอายุได้ประมาณ 300,000 ปี ก่อนหน้านี้ ไม่มีอะตอมใด ๆ เกิดขึ้นได้ เพราะเอกภพมีอุณหภูมิสูงมาก ทำให้อิเล็กตรอน ไม่สามารถอยู่ร่วมกับโปรตอนกลายเป็นอะตอมของ
วิวัฒนาการของเอกภพจากบิ๊กแบงจนถึงยุคดวงดาว
- ยุคแห่งดวงดาว (The Stelliferous Era)
คำว่า stelliferous แปลว่า เต็มไปด้วยดวงดาว ในยุคแห่งดวงดาวนี้ ดาวฤกษ์ทั้งหลายเกิดขึ้นและเปลี่ยนแปลงไป ตามขั้นตอน ต่าง ๆ ตามทฤษฎีวิวัฒนาการของดวงดาว (stellar evolution) ใครสนใจ โปรดดูกล่องอธิบาย “วิวัฒนาการของดวงดาว
วิวัฒนาการของดวงดาว
ถ้าเริ่มนับจากดาวฤกษ์ (star) ในภาพ เมื่อเชื้อเพลิงไฮโดรเจนถูกใช้ไปเรื่อย ๆ จนหมด ดาวฤกษ์จะขยายใหญ่ขึ้นกลายเป็นดาวยักษ์แดง (red giant)
ถ้าหากดาวฤกษ์นั้นมีมวลน้อยกว่า 1.4 ของมวลของดวงอาทิตย์ มันก็จะเปลี่ยนแปลง ไปตามเส้นทาง 1 คือ กลายไปเป็นเนบิวลา (planetary nebula) ดาวแคระขาว (white dwarf) และ ดาวแคระดำ (black dwarf) ตามลำดับ
แต่ถ้าหากดาวฤกษ์มีขนาดใหญ่ คือมีมวลมากกว่า 1.4 เท่าของดวงอาทิตย์ มันก็จะเดินตามเส้นทาง 2 กลายไปเป็นอภิมหาดาวยักษ์แดง (super red giant) ซึ่งอาจ ระเบิดทั้งหมดกลายเป็นซูเปอร์โนวา (supernova) (เส้นทาง 3) โดยจากซูเปอร์โนวา ถ้าหากมวลต่ำกว่า 3 เท่าของดวงอาทิตย์ ก็จะกลายไปเป็นดาวนิวตรอน (neutron star) แต่ถ้าหากมวลมากกว่า 3 เท่าของดวงอาทิตย์ ก็จะกลายไปเป็นหลุมดำ (black hole) แต่ถ้าอภิมหาดาวยักษ์แดง ระเบิดเฉพาะที่ผิวจะเรียกว่า โนวา (nova) (เส้นทาง 4)
อย่างดวงอาทิตย์ของเรานี่ซึ่งตอนนี้มีอายุประมาณ 4.5 พันล้านปีแล้ว แต่ในอีกราว 1.1 พันล้านปีข้างหน้า เมื่อเชื้อเพลิง ไฮโดรเจนถูกใช้ไปเรื่อย ๆ จนหมด ดวงอาทิตย์จะขยายใหญ่ขึ้น ถึงตอนนั้น โลกที่แสนจะน่าอยู่ของเรา ก็คงจะอยู่ไม่ได้อีกต่อไป เพราะร้อนจัด และอีกราว 7 พันล้านปีก็จะกลายเป็นดาวยักษ์แดง (red giant)
ในยุคแห่งดวงดาวนี้ มีเหตุการณ์ที่น่าสนใจหลายอย่าง เช่น กาแลกซีต่าง ๆ จะมากระจุกรวมตัวกัน อย่างกาแลกซีทางช้างเผือก ของเรานั้น คาดว่าน่าจะรวมกับกาแลกซีแอนโดรเมดาในอีก 6 พันล้านปีข้างหน้านู่น!
ยุคแห่งดวงดาวสิ้นสุดลงเมื่อดาวแคระแดง (red dwarf) หมดลง ถึงตอนนี้เอกภพมีอายุราว 1014 ปี
- ยุคดีเจนเนอเรต (The Degenerate Era)
ในยุคนี้ เอกภพจะประกอบไปด้วยดาวแคระน้ำตาล (brown dwarf) ดาวแคระขาว (white dwarf) และดาวนิวตรอน (neutron star) รวมทั้งหลุมดำจำนวนมาก
ยุคนี้เอกภพจะมืดและแสนเยือกเย็น เพราะไม่มีดาวฤกษ์ใด ๆ เหลือส่องแสงอีกต่อไป หลุมดำแต่ละหลุมจะมีมวลเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ เพราะเที่ยวไปเก็บมวลสารที่เหลืออยู่โดยรอบ
ในช่วงนี้นี่เองที่ อนุภาคอย่างโปรตอนซึ่งเดิมเชื่อกันว่ามีอายุยืนยาวไม่มีวันตายนั้นก็จะเริ่ม สลายตัว บางทฤษฎีในปัจจุบัน ประมาณอายุของโปรตอนไปไว้ที่ 1030 ปี ถึง 1040 ปี โปรตอนสลายตัวกลายเป็นโพสิตรอน นิวตริโน พายออน และรังสีแกมมา
ยุคดีเจนเนอเรตสิ้นสุดลงเมื่อโปรตอนตัวสุดท้ายสลายไป ถึงตอนนี้ดาวแคระประเภทต่าง ๆ ก็หมดไปเหลือแต่หลุมดำ
- ยุคหลุมดำ (The Black Hole Era)
ในยุคนี้เรียกได้ว่ามองไปทางไหนก็จะ “เห็น” แต่หลุมดำ หลุมดำ และหลุมดำ แต่หลุมดำก็ไม่จีรังครับ เพราะในนี่สุดแล้ว มันก็จะระเหย (evaporate) ไปได้เหมือนกัน ตามทฤษฎีของฮอว์กิ้งที่เรียกว่า การแผ่รังสีฮอว์กิ้ง (Hawking radiation)
จากการคำนวณ ประมาณกันว่า หลุมดำที่มีมวลพอ ๆ กับดวงอาทิตย์ของเรานั้น จะมีอายุขัยยาวนานราว 1065 ปี ส่วนหลุมที่มีมวลพอ ๆ กับกาแลกซี จะมีอายุยืนยาวกว่านั้นคือราว 1098 ถึง 10100 ปี และเมื่อหลุมดำขนาดใหญ่หลุมสุดท้ายสลายตัวไป ก็สิ้นสุดยุคหลุมดำ
- ยุคมืด (The Dark Era)
ยุคสุดท้าย หรือ ยุคมืดนี่ ฟังเผิน ๆ แล้วเหมือนกับบ้านเราตอนนี้เลยนะครับ (อุ๊บ! ห้ามวิจารณ์การเมืองเดี๋ยว วารสาร MTEC ถูกสั่งปิด!)
ในยุคนี้ แม้แต่หลุมดำก็ไม่อยู่เสียแล้ว จะมีเพียงแต่โฟตอน และอนุภาคอย่างนิวตริโน โพสิตรอน และอิเล็กตรอน ซึ่งแต่ละตัว อยู่ห่างกันไกลแสนไกล เพราะเอกภพขยายตัวไปเรื่อย ๆ ตามสมมติฐานตั้งต้น
นักฟิสิกส์บางท่านจินตนาการไปไกลขนาดว่า เป็นไปได้ที่อิเล็กตรอนและโพสิตรอนจะมากจับคู่กัน (ชั่วคราว) เรียกว่า โพสิโทรเนียม (positronium) แต่ระยะห่างเหลือเชื่อครับคือ ไกลกว่าขนาดของเอกภพในปัจจุบัน! (ผมอดสงสัยไม่ได้จริง ๆ ว่า ไกลขนาดนั้นแล้ว จะใช้แรงอะไรดึงดูดกัน?
แต่ในที่สุดทั้งอิเล็กตรอนและโพสิตรอนก็จะดูดเข้าใกล้กันและทำลายล้างกันไปหมดไม่เหลือครับ
รูปร่างของเอกภพ
เมื่อ การสังเกตการณ์ใหม่ๆที่ทำกันมาอย่างหนักนำข้อมูลมาให้แล้ว นักดาราศาสตร์กำลังมีความพยายามสร้างรูปแบบกำหนดรูปร่างของเอกภพ เรื่องนี้เพิ่งทำมาเมื่อ 10 ปีที่แล้ว มีการแข่งขันเสนอรูปแบบเอกภพ รูปร่างของเอกภพที่น่าจะเป็นไปได้เป็นแบบใด คำตอบชัดเจนที่สุด ไม่พ้นมาจากประสบการณ์ธรรมดา คือเป็นอวกาศ 3 มิติ ที่เต็มไปด้วยมวลและพลังงานยืดขยายไปทุกทิศทุกทาง เหมือนทรงกลมที่กว้างใหญ่ บางคนสงสัยว่า อวกาศเป็นอนันต์หรือมีขนาดจำกัดกันแน่ เอกภพค่าจำกัดหรือที่มีขอบเขตขัดแย้งทางปรัชญาที่อยากทราบว่า มีอะไรอยู่ไกลเกินขอบเขต? อะไรไกลกว่าพรมแดนสุดท้าย? เพราะเหตุที่ไม่สามารถสังเกตการณ์ได้ คนส่วนใหญ่ที่ไม่ใช่นักเอกภพศาสตร์ได้แต่นึกภาพเอกภพไว้แค่ เป็นทรงกลมสามมิติที่มีค่าอนันต์ สภาพสามมิติคล้ายถูกบังคับจากสัญชาติญาน เอกภพที่สังเกตการณ์ได้ไม่อาจมีมิติน้อยกว่า 3 มิติ และหมายความว่าอย่างไร ที่จะมีมิติมากกว่า 3 มิติ? นักคณิตศาสตร์ตอบคำถามนี้ได้ง่ายๆว่า เราสามารถแทนจุดใดๆในอวกาศ 3 มิติด้วย 3 แกนคือ x, y, z โดย x เป็นแกนซ้ายขวา y เป็นแกนข้างหน้าและข้างหลัง และ z เป็นแกนขึ้นและลง จากการเพิ่มมิติที่ 4 หรือ แกน w เราแทนจุดใดๆใน 4 มิติ
มิติ ที่ 4 เป็นไฮเปอร์สเปซจะอยู่เป็นมุมฉากกับทุกสิ่ง มันดูยากมาก อาจเป็นไปไม่ได้เลยที่จะนึกภาพมิติที่ 4 ออก ความพยายามอธิบายแกนพิเศษนี้ มักเอาไปเทียบเคียงสิ่งที่เคยรู้จักมา การนึกภาพโลกที่แบนแสดงอาณาจักร 2 มิติ เหมือนโต๊ะที่กว้างยาวอนันต์ สัตว์บนโลกที่แบนราบ จะมีความสัมพันธ์กันดุจเดียวกับที่เรามีต่อมิติที่4 ตามสมมุติฐาน ยากที่จะนึกภาพมิติที่ 4 ออก เป็นอะไรที่ทำให้นักเอกภพศาสตร์ทึ่ง เพราะให้จินตนาการเอกภพที่อาจจะปิดได้ สำคัญที่ความรู้ของเรา โครงของอวกาศไม่ปรากฎโค้งเป็นเอกภพปิด อย่างน้อยที่สุดไม่ปิดใกล้บริเวณที่เราอยู่ ลองดูความคล้ายกัน เราอยู่บนผิวทรงกลมที่ใหญ่โตพอ ผิวโค้งจะปรากฏแบนหรือเป็น 2 มิติในบริเวณใกล้ๆเรา ทั้งๆที่เป็น 3 มิติ อย่างที่เราอยู่บนทรงกลมโลกใหญ่โตที่มีมิติที่ 3 แต่ความคิดในอดีตรู้จักแค่ 2 มิติ ไม่สามารถรับรู้มิติที่ 3 ได้ เหมือนซ่อนมิติที่ 3 ไว้ นักเอกภพศาสตร์คลื่นลูกใหม่พยายามเสนอว่าเอกภพกลมคล้ายโลก
เป็น ที่ทราบกันมานานว่าเราอยู่ในเอกภพที่มี 3 มิติ แต่ตอนนี้นักเอกภพศาสตร์ ให้ทฤษฎีว่าเอกภพมีรูปร่าง 4 มิติ หรือเป็นไฮเปอร์สเปซ ที่เป็นมิติสูงกว่าสามมิติ ยากที่จะนึกภาพมิติสูงได้ มีวิธีหนึ่งที่จะแนะนำเมื่อมันตัดกับมิติที่ต่ำกว่าจากการพิจารณาภาพนี้ แสดงถึงอาณาจักร 3 มิติที่จะดูคล้ายอะไรเมื่อมันผ่านโลก 2 มิติ ของคนที่อยู่ในความแบนราบ แถวบนแสดงผู้ร่อนลงพื้นมาจากอวกาศ จะเห็นการพบและจากของ 2 อาณาจักร ขณะที่แถวล่าง แสดงเหตุการณ์ที่ดูคล้ายกับอะไรสำหรับคนดู 2 มิติ
จากโดนัทไปยังขนมปังปมหลวมๆ
เอกภพ จะมีรูปร่างเป็นแบบใดเมื่อโค้งไปในไฮเปอร์สเปซ ลองเอาแผ่นยางแบน 4 เหลี่ยมจัตุรัสและโค้งงอจน 2 ขอบชนกันผลิตรูปทรงกระบอก ต่อไปเชื่อมปลายสองข้างของรูปทรงกระบอก ผลิตรูปร่างที่เรียกว่า 2 ทอรัส นี่เป็นรูปร่างของโดนัทธรรมดา 2 ทอรัสมีความคล้ายกับมิติสูงที่เรียกว่า 3 ทอรัส 3 ทอรัสตามทฤษฎีสร้างจากสี่เหลี่ยมลูกบาศก์ยางและโค้งงอจน 3 หน้าคู่ที่ขนานติดไปด้วยกันได้ หน้าและหลัง ซ้ายและขวา บนและล่าง เชื่อมกันไป ถ้าสี่เหลี่ยมลูกบาศก์เป็นอวกาศทั้งหมดของเอกภพ 3 มิติ การโค้งที่จะไปหามิติที่4 จะผลิต โดนัท 3 ทอรัสตามทฤษฎีโฮเมอร์ ความคิดนี้มีแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ง่ายกว่าจินตนาการ ภาพจำลองคอมพิวเตอร์ของโลก 3 ทอรัส เพียงแต่เชื่อมต่อแผ่นหน้าขนานสี่เหลี่ยมลูกบาศก์ แจนนา เลวิน จากเคมบริดจ์บอกว่ามีมากกว่า 1 วิธีที่จะทำโดนัท ถ้าเราโค้งแผ่นแบน 6 เหลี่ยมไปเป็น 3 มิติและทากาวข้างเข้าด้วยกัน นี่เป็นอีกทางเลือกหนึ่งที่จะทำทอรัสได้ และทำไมต้องหยุดแค่ 6 หน้า แผ่น 8 เหลี่ยม ก็ทำได้เช่นกัน
รูป ร่าง 4 มิติ ของทอรัส 3 มิติเป็นตัวแทนดีที่สุดทางคณิตศาสตร์ อย่างไรก็ตามเราสามารถคิดเปรียบเทียบมิติที่ต่ำกว่า โดนัทเหมือน 2 ทอรัสที่เห็นหนทางทำ 3 ทอรัส บน ซ้าย การทำโดนัทหรือ 2 ทอรัสจากแผ่นยางแบนรูป 4 เหลี่ยมจัตุรัส บน ขวา 3 ทอรัสทำจากลูกบาศก์ยางแทนเอกภพ 3 มิติ ถ้าเราสามารถโค้งลูกบาศก์จน 3 คู่ของหน้าขนานกันติดแน่นไปด้วยกัน เราจะเห็น 3 ทอรัส
เหมือน เทียนไขในห้องกระจก มีวัตถุสว่างเต็มเอกภพ ที่ไร้รูปร่างอย่างไม่มีที่สิ้นสุด แต่อาจเป็นภาพลวงตาของแสง ในมาตราส่วนใหญ่สุด ชุดของภาพที่เกิดซ้ำซากซ้อในอวกาศค่าจำกัดมีรูปร่างชัดเจน ไกลกว่าชอบ
ตามล่าหาหลุมดำ
ทฤษฎี และการค้นพบต่างๆทางวิทยาศาสตร์ ไม่ว่าจะเป็นกฎแรงดึงดูดระหว่างมวล การค้นพบ DNA แบบจำลองอะตอม เรื่อยมาจนถึงการประดิษฐดาวเทียมหรือแม้แต่คอมพิวเตอร์ ล้วนแต่ทำให้มนุษย์เจริญก้าวหน้าอย่างมาก จนบางครั้งทำให้เผลอคิดว่าเราเข้าใจทุกสิ่งในธรรมขาติ แต่ในความเป็นจริงนั้นความรู้และความเข้าใจที่เรามีต่อเอกภพรอบตัวเรานั้น ยังน้อยนิดนัก ธรรมชาติยังมีเรื่องลึกลับอีกมากที่รอให้มนุษย์ออกค้นหา
ใน ช่วงเวลาหลายสิบปีที่ผ่านมา นักวิทยาศาสตร์ได้สร้างทฤษฏีขึ้นเพื่อทำนายและอธิบายธรรมชาติ ในบรรดาทฤษฎีทั้งหมดนั้น ที่น่ามหัศจรรย์ที่สุดคงจะเป็นคำทำนาย การมีอยู่ของวัตถุลึกลับ ที่รู้จักกันในนาม "หลุมดำ" หรือ "Black Hole"
หลุม ดำ คือหลุมในอวกาศที่เป็นสุสานของทุกๆสิ่งที่หลงเข้าไปใกล้รัศมีแรงโน้มถ่วงของ มัน ไม่มีสิ่งใดในจักรวาลที่จะหนีพ้นแรงดึงดูดมหาศาลของมันได้แม้แต่แสงสว่าง คำเล่าขานเกี่ยวกับเรื่องราวอันมหัศจรรย์ของหลุมดำทำให้ผู้คนทั้วไปยากที่จะ เชื่อว่ามันมีอยู่จริงในธรรมชาติ ส่วนใหญ่มักเชื่อว่าเป็นเพียงนิยายวิทยาศาสตร์ หรือเป็นจินตนาการที่ไม่เป็นจริง
แต่นักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกต่างพากัน เชื่อมั่นว่าหลุมดำมีอยู่จริง ไม่ใช่เป็นเพียงสมการทางคณิตศาสตร์ ยิ่งไปกว่านั้นมันยังอยู่ใกล้ตัวเรามากกว่าที่หลายๆคนคิด คำทำนายจากทฤษฎีฟิสิกส์ขั้นสูง ทำนายว่า หลุมดำไม่ได้เป็นเพียงแค่ดาวยักษ์สีดำที่คอยจ้องจะกลืนกินทุกสิ่งที่เข้า ใกล้เท่านั้น แต่ยังมีหลุมดำขนาดจิ๋ว ที่เล็กจนสามารถซ่อนในวัตถุต่างๆในโลกของเรา หรือแม้แต่ในตัวของคุณเอง! ในเมื่อหลุมดำอยู่ใกล้ตัวของเรามากขนาดนี้ คุณจะไม่ลองทำความรู้จักมันให้มากกว่านี้หรือ
หลุม ดำคืออะไรกันแน่ เกิดขึ้นมาได้อย่างไร โลกของเราจะถูกมันกลืนเข้าไปหรือไม่ ด้วยเทคโนโลยีในปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์สามารถสร้างหลุมดำได้หรือไม่ มาหาคำตอบเหล่านี้ด้วยกันสิครับ เราจะมาตามล่าหา Black Hole กัน
ตำนานของดวงดาว
ตาม ทฤษฎีฟิสิกส์ หลุมดำ หรือ (Black Hole) นั้นก็เปรียบได้กับดาวฤกษ์ที่ตายดับแล้วดาวบนฝากฟ้ามีเกิดมีตายด้วยหรือ อย่ากระนั้นเรามารับรู้ชะตาชีวิตของดวงดาวกันเสียหน่อย
ดาว ที่จะกลายเป็นหลุมดำนั้นคือ "ดาวฤกษ์" หรือดาวที่มีแสงสว่างในตัวเอง เช่น ดวงอาทิตย์ซึ่งเป็นก้อนก็าซร้อนๆที่ลอยเคว้งคว้างอยู่ในอวกาศ โดยมีไฮโดรเจนและฮีเลียมเป็นองค์ประกอบหลักพลังงานที่เราได้รับจากดวง อาทิตย์นั้น เกิดจากปฏิกริยานิวเคลียร์ที่ในแกนกลางของดาวและปฏิกริยานิวเคลียร์ที่ว่า นี้นอกจากจะให้แสงสว่างแล้ว ยังทำให้เกิดแรงดันมหาศาลจากภายในดาวซึ่งจะทำหน้าที่พยุงไม่ให้ดาวทั้งดวง เกิดการยุบตัวลง
ทำไมดาวต้องยุบตัว?
เพราะ ว่าตามธรรมชาติแล้ววัตถุทุกชนิดจะมีแรงดึงดูดระหว่างกัน แรงดึงดูดนี้ขึ้นกับมวลของวัตถุนั้นๆ ยิ่งมีมวลมากแรงก็จะยิ่งมาก ดวงดาวต่างๆที่เราเห็นบนท้องฟ้านั้น มีมวลมากมายมหาศาล แต่ละอนูแต่ละโมเลกุลของมันก็จะดึงดูดกันและกัน ตามกฏแรงดึงดูดระหว่างมวลของนิวตัน แรงดึงดูดที่ว่านี้มีความแรงมหาศาล หากว่าไม่มีแรงต้านจากปฎิกริยานิวเคลียร์แล้วดาวทั้งดวง ย่อมยุบตัวลงเหลือขนาดนิดเดียว
นักวิทยาศาสตร์ได้ทำการศึกษาปรากฎการณ์การยุบตัวของดวงดาวทั้งในทางทฤษฏี
และ การจำลองโดยใช้คอมพิวเตอร์ (Computer simulation) พวกเขาพบว่าในดาวที่มีขนาดใหญ่ เมื่อเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่มีอยู่ถูกเผาใหม้หมดไปดาวจะเกิดการระเบิดอย่าง รุนแรง ที่เรียกว่า " Supernova " ผิวนอกของดาวจะระเบิดตัวกระจายอยู่รอบๆ ส่วนแกนกลางของดาวจะยุบตัวลงอย่างรวดเร็ว การยุบตัวนี้อาจจะทำให้ดาวกลายสภาพเป็น ดาวแคระขาว ดาวนิวตรอน หรือ หลุมดำ แล้วแต่กรณี ซึ่งจะกล่าวถึงต่อไป
จันทราสิขากับดาวแคระขาว
คน แรกที่สามารถไขความลับเรื่องการยุบตัวของดวงดาวคือ นักวิทยาศาสตร์ชาวอินเดีย ดร. สุบามายันต์ จันทราสิขา (Subrahmanyan Chandrasekhar) จันทราสิขาพบว่า ในดาวฤกษ์ที่มีมวลน้อยกว่า 1.4เท่าของดวงอาทิตย์ (โดยประมาณ) เมื่อเผาใหม้เชื้อเพลิงนิวเคลียร์จนหมดแล้วจะเกิดการยุบตัวลง เป็นวัตถุท้องฟ้าที่เรียกว่า ดาวแคระขาว (white dwarf)
จันทราสิขา นักฟิสิกส์รางวัลโนเบล ผู้ไขความลับการยุบตัวของดวงดาว
จาก การคำนวนโดยอาศัยกลศาสตร์ควอนตัม (Quantum mechanics) พบว่า ในขณะที่ดาวยุบตัวเนื่องจากแรงโน้มถ่วง อะตอมของธาตุต่างๆจะถูกอัดให้ใกล้กันมาก จนอิเลกตรอนของแต่ละอะตอมมาอยู่ใกล้กัน ปัญหามีอยู่ว่าอิเลกตรอนนั้นมีนิสัยประหลาดอยู่อย่างหนึ่งคือมันไม่ชอบอยู่ ใกล้กัน เมื่อมันถูกจับให้มาอยู่ใกล้กันมากจนเกินไป มันจะผลักกันทำให้เกิดแรงดันขึ้น ซึ่งเรียกว่า Electron degeneracy pressure แรงดันนี้เป็นคุณสมบัติทางควอนตัมฟิสิกส์ของอิเล็คตรอน ไม่ใช่เกิดจากแรงผลักของประจุไฟฟ้า แรงผลักจากประจุไฟฟ้านั้นมีค่าน้อยมากเมื่อเทียบกับแรงบีบอัดเนื่องจากความ โน้มถ่วง เจ้าแรงดัน Electron degeneracy นี้มีค่ามากเสียจนกระทั่งสามารถหยุดยั้งการยุบตัวของดวงดาวได้ และทำให้เกิดเป็นวัตถุท้องฟ้าชนิดใหม่ซึ่งเรียกกันว่า ดาวแคระขาว เป็นดาวที่หนาวเย็นและมีขนาดเล็ก (ประมาณโลกของเรา) อย่างไรก็ตามถ้าหากว่าดาวมีมวลมากกว่า 1.4 เท่าของดวงอาทิตย์ แรงดันจากอิเลกตรอน จะไม่สามารถต้านทานการยุบตัวของดาวได้อีกต่อไป ดาวที่มีมวลมากกว่านี้จะเปลี่ยนสภาพเป็นวัตถุที่แปลกประหลาดยิ่งขึ้น
(หมายเหตุ ค่าจำกัดของมวลนี้เรียกว่า ลิมิตของจันทราสิขา, Chandrasekhar limit, เพื่อเป็น เกียรติแก่จันทราสิขานั่นเอง)
ดาวนิวตรอน
ใน กรณีที่ดาวมีมวลมากกว่า..Chandrasekhar..limit..แรงจากอิเลคตรอนจะไม่สามารถ ยับยั้งการยุบตัวของดาวได้อีก ดาวจะยุบตัวลงจนอัดนิวเคลียสของอะตอมต่างๆเข้าใกล้กัน เกิดเป็นวัตถุท้องฟ้าชนิดใหม่ ที่ประกอบด้วยอนุภาคนิวตรอน หรือที่รู้จักกันในชื่อ "ดาวนิวตรอน"
ในทาง นิวเคลียร์ฟิสิกส์นั้นนิวเคลียสของธาตุต่างๆประกอบด้วยอนุภาคสองชนิดคือโป รตรอนและนิวตรอน ที่น่าสนใจคือเจ้าอนุภาคทั้งสองนี่มีนิสัยไม่ชอบอยู่ใกล้ๆกันเหมือนอิเล คตรอน ดังนั้นเมื่อถูกอัดให้ใกล้กันมากๆมันก็จะเกิดแรงผลักกันเกิดเป็น degeneracy pressure เช่นเดียวกับกรณีของอิเลกตรอนในดาวแคระขาว แต่ที่น่าสงสัยยิ่งไปกว่านั้นคือ อนุภาคโปรตรอนหายไปใหน ทำไมดาวทั้งดวงจึงมีแต่นิวตรอน??? โดยธรรมชาติ นิวตรอน สามารถสลายตัวให้ โปรตอน อิเลกตรอน กับ นิวตริโน (neutrino)ในปรากฏการณ์ที่เรียกว่า Beta-Decay process ซึ่งเป็นการสลายตัวของธาตุกัมมันตภาพรังสีซึ่งให้อนุภาคเบต้า (อนุภาคเบต้า ก็คืออิเลกตรอนนั่นเอง) แต่ในดาวนิวตรอนนั้นมีความดันสูงมากจึงทำให้เกิดปฎิกริยาย้อนกลับที่เรียก กันว่าปรากฏการณ์ Inverse Beta decay คืออิเลคตรอนรวมกับโปรตรอน เกิดเป็นนิวตรอนและ นิวตริโน ในสภาพปกติ นิวตรอน และ นิวตริโน ที่เกิดขึ้น จะรวมตัวกลับไปเป็นโปรตรอนดังเดิมแต่เนื่องจากนิวตริโนมีพลังงานสูง และเคลื่อนที่ด้วยอัตตราเร็วเกือบๆเท่าแสง มันจึงหนีออกจากดาวหมด ปฎิกริยาย้อนกลับจึงเกิดได้ไม่สมบรูณ์ เป็นสาเหตุให้โปรตรอนถูกใช้หมดไป ดาวทั้งดวงจึงเหลือแต่นิวตรอนในที่สุด
จากการ ศึกษาโดยนักฟิสิกส์หลายท่านพบว่าถ้าดาวมีมวลมากกว่า 3 เท่า ของดวงอาทิตย์แล้วละก็จะไม่มีสิ่งใดสามารถหยุดยั้งการยุบตัวของดาวได้ แม้แต่แรงต้านจากนิวตรอน ดวงดาวจะยุบตัวลงเรื่อยๆ จนกระทั้งกลายเป็นวัตถุประหลาด ที่มีแรงดึงดูดมากมายมหาศาล ขนาดที่ไม่มีสิ่งใดจะหลุดรอดออกมาได้หากพลัดหลงเข้าไปเจ้าวัตถุที่ว่านั้นก็ คือ "หลุมดำ" นั่นเอง
สะเก็ดดาว
สะเก็ด ดาว คือ เศษวัตถุขนาดเล็กในระบบสุริยะ มีขนาดตั้งแต่ก้อนหินขนาดใหญ่ลงไปถึงผงฝุ่น เมื่อสะเก็ดดาวเคลื่อนที่เข้าสู่บรรยากาศของโลก (หรือของดาวเคราะห์อื่น) ทำให้เกิดความร้อนและแสงสว่างมองเห็นเป็นดาวตก คนทั่วไปมักเข้าใจว่าแสงสว่างนี้เกิดจากความเสียดทานระหว่างสะเก็ดดาวกับ บรรยากาศ แต่ในความเป็นจริง กระบวนการหลักของการเกิดดาวตก คือ การแตกตัวเป็นไอออน (ionization) ของอนุภาคในบรรยากาศ หากสะเก็ดดาวมีขนาดใหญ่ วัตถุที่ตกลงถึงพื้นดิน เรียกว่า "อุกกาบาต"
เซนทอร์
เซน ทอร์ (อังกฤษ: Centaurs ; กรีก: Κένταυροι) เซนทอร์มีร่างส่วนบนเป็นมนุษย์ผู้ชาย แต่ส่วนลำตัวลงไปเป็นม้าหนุ่มที่มีกล้ามเนื้อเป็นมัด ๆ สง่างาม อาศัยอยู่แถบภูเขาของอาคาเดีย และเทสสาลีในประเทศกรีซ
เซน ทอร์มีสองตระกูล โดยตระกูลหนึ่งเกิดจาก อิคซอน อันธพาลแห่งสวรรค์ที่ขึ้นชื่อ กับอีกตระกูลที่เกิดจากโครนัส ฝ่ายหลังมีอุปนิสัยดีแตกต่างจากฝ่ายแรกมาก
เซน ทอร์ตระกูลอิคซอน เกิดจากอิคซอนกับเนฟีลี มีพละกำลังมาก ชอบดื่มไวน์กับชอบไล่คว้าผู้หญิง ซ้ำชอบทะเลาะเวลาเมา เซนทอร์จึงถูกมองว่าเป็นพวกขี้เมาไม่กลัวใครทั้งสิ้น
เซน ทอร์ตระกูลโครนัสต่างกับตระกูลอิคซอน เป็นเซนทอร์แสนดี โครนัสแต่งงานกับฟีลีร่า นางอัปสรน้ำผู้เลอโฉม มีลูกชื่อไครอน ซึ่งเป็นผู้คงแก่เรียน มีความสุขุมรอบคอบจนได้รับเลือกให้เป็นอาจารย์ของเหล่าวีรบุรุษหลายคนในตำนา นกรีก เช่น อคิลีส, เฮอร์คิวลีส, เจสัน, พีลูส, อีเนียส และบรรดาลูกศิษย์ของเขาก็ประพฤติตัวตามแบบครูบาอาจารย์ได้เป็นอย่างดี
เซดนา
เซ ดนา (90377 Sedna) เป็นดาวเคราะห์น้อยที่ค้นพบโดยไมเคิล บราวน์ (สถาบันเทคโนโลยีแคลิฟอร์เนีย), แชด ทรูจิลโล (หอดูดาวเจมินี) และเดวิด แรบิโนวิตซ์ (มหาวิทยาลัยเยล) เมื่อวันที่ 14 พฤศจิกายน พ.ศ. 2546 อยู่ไกลกว่าดาวพลูโตประมาณ 3 เท่า จึงมีอุณหภูมิพื้นผิวต่ำราว 12 เคลวิน (-261 องศาเซลเซียส) และคาดว่ามีขนาดประมาณ 2 ใน 3 ของดาวพลูโต ชื่อของเซดนามาจากเทพเจ้าแห่งท้องทะเลของชาวเอสกิโมในเขตอาร์กติก
เซ ดนาโคจรรอบดวงอาทิตย์ครบหนึ่งรอบในเวลาประมาณ 11,487 ปี ผลการสังเกตการณ์ในปัจจุบันไม่พบว่าเซดนามีดาวบริวาร บางครั้งอาจเกิดความสับสนระหว่างเซดนากับวัตถุอีกดวงหนึ่งที่คาดว่าอาจเป็น ดาวเคราะห์ดวงที่ 10 ซึ่งมีบริวารด้วย นั่นคือ 2003 ยูบี 313
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น