Theory of Everything : The Origin and Fate of The Universe โดย Stephen W. Hawking
สรุปเลคเชอร์ Theory of Everything : The Origin and Fate of The Universe โดย Stephen W. Hawking
.
สตีเฟน ฮอว์กิง เป็นนักฟิสิกส์ทฤษฎี นักจักรวาลวิทยา อัจฉริยะแห่งศตวรรษที่ 21 เจ้าของผลงานทฤษฎีภาวะเอกฐานเชิงความโน้มถ่วงในกรอบของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป และทฤษฎีเกี่ยวกับหลุมดำ
.
เนื้อหาของแต่ละเลคเชอร์
.
เลคเชอร์ที่หนึ่ง : ภาพรวมของสิ่งที่เราคิดว่าเป็นประวัติศาสตร์ของจักรวาล ตั้งแต่บิ๊กแบงจนถึงหลุมดำ ในการบรรยายครั้งแรก จะทบทวนย้อนไปถึงแนวคิดเกี่ยวกับจักรวาลในอดีต และเราได้มาถึงภาพของจักรวาลในปัจจุบันได้อย่างไร เรียกได้ว่าเป็นประวัติศาสตร์ของประวัติศาสตร์ของจักรวาลก็ว่าได้
.
เลคเชอร์ที่สอง อธิบายว่าทั้งทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของนิวตันและไอน์สไตน์ ล้วนนำไปสู่ข้อสรุปที่ว่า จักรวาลไม่อาจอยู่นิ่งได้ มันจะต้องขยายหรือหดตัว ซึ่งหมายความว่า ย้อนไปเมื่อ 10,000-20,000 ล้านปีก่อน จักรวาลจะต้องมีความหนาแน่นอนันต์ เรียกเหตุการณ์นี้ว่า บิ๊กแบง (Big Bang) ซึ่งน่าจะเป็นจุดกำเนิดของจักรวาล
.
เลคเชอร์ที่สาม พูดถึงหลุมดำ ซึ่งเกิดเมื่อดาวฤกษ์มวลมากหรือวัตถุใหญ่ยุบตัวลงจากแรงโน้มถ่วงของมันเอง ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ ใครก็ตามที่โง่พอจะตกลงไปในหลุมดำ จะหายไปตลอดกาล และไม่มีทางหนีออกมาจากหลุมดำได้อีก
.
เลคเชอร์ที่สี่ อธิบายว่ากลศาสตร์ควอนตัมช่วยให้พลังงานรั่วออกมาจากหลุมดำได้อย่างไร ทำให้หลุมดำไม่ได้ดำสนิทอย่างที่คิด
.
เลคเชอร์ที่ห้า นำเอาความคิดเรื่องกลศาสตร์ควอนตัมมาประยุกต์กับบิ๊กแบงและกำเนิดของจักรวาล ซึ่งจะนำไปสู่แนวคิดที่ว่ากาลอวกาศอาจมีขอบเขตจำกัด แต่ไม่มีขอบหรือสิ้นสุด
.
เลคเชอร์ที่หก แสดงให้เห็นว่าแนวคิดเรื่องขอบเขตใหม่นี้ สามารถอธิบายความแตกต่างระหว่างอดีตกับอนาคตได้ ทั้งๆ ที่กฎทางฟิสิกส์ไม่แยกแยะว่าเวลาไหลไปทางไหน
.
เลคเชอร์ที่เจ็ด พูดถึงความพยายามของเราในการหาทฤษฎีเดียวที่ครอบคลุมกลศาสตร์ควอนตัม, ความโน้มถ่วง, และปฏิสัมพันธ์อื่นๆ ทางฟิสิกส์ หากเราทำสำเร็จ ก็จะเป็นการทำความเข้าใจจักรวาลอย่างถ่องแท้
.
.
-------------------------------------------
.
#แนวคิดเกี่ยวกับจักรวาล
.
.
ย้อนไปเมื่อ 340 ปีก่อนคริสตกาล อริสโตเติลได้เสนอข้อโต้แย้งสองประการว่า โลกมีรูปร่างเป็นทรงกลมมากกว่าแผ่นราบ ประการแรก เขาตระหนักว่าเงามืดของโลกที่ทอดลงบนดวงจันทร์ขณะเกิดจันทรุปราคานั้นมีขอบโค้งเป็นวงกลม ซึ่งจะเป็นเช่นนี้ได้ก็ต่อเมื่อโลกมีรูปทรงกลมเท่านั้น หากโลกเป็นจานแบน เงาที่ปรากฏจะเป็นรูปวงรีหรือรูปทรงอื่น เว้นแต่ว่าดวงอาทิตย์จะอยู่ตรงเหนือศูนย์กลางของจานพอดี
ประการที่สอง ชาวกรีกทราบดีจากการเดินทางว่า ยิ่งเคลื่อนที่ไปทางทิศใต้ ดาวเหนือจะปรากฏอยู่ต่ำลงไปเรื่อยๆ จากความแตกต่างของตำแหน่งดาวเหนือที่มองเห็นจากอียิปต์และกรีซ อริสโตเติลประมาณได้ว่าเส้นรอบวงของโลกน่าจะยาวราว 400,000 สเตเดีย (หน่วยวัดระยะทางของกรีกสมัยโบราณ) ซึ่งน่าจะเทียบเท่ากับ 64,000 กิโลเมตร ซึ่งมากกว่าค่าที่ยอมรับกันในปัจจุบันเพียงเล็กน้อย
ชาวกรีกยังมีข้อพิสูจน์ที่สามอีกด้วยว่าโลกต้องกลม เพราะมิฉะนั้นแล้ว ทำไมเราจึงเห็นเรือโผล่พ้นขอบฟ้ามา โดยเห็นเสากระโดงเรือก่อน แล้วจึงค่อยๆ เห็นลำเรือทีหลัง
อริสโตเติลเชื่อว่าโลกคงที่อยู่กับที่ แต่ดวงอาทิตย์ ดวงจันทร์ ดาวเคราะห์และดวงดาวล้วนโคจรรอบโลกในวงกลม เขาเชื่อเช่นนี้เพราะเหตุผลเชิงจิตวิญญาณที่ว่าโลกคือศูนย์กลางของจักรวาล และการเคลื่อนที่แบบวงกลมเป็นการเคลื่อนที่ที่สมบูรณ์ที่สุด
แนวคิดของอริสโตเติลถูกขยายความโดยปโตเลมีในศตวรรษแรกให้เป็นแบบจำลองจักรวาลที่สมบูรณ์ โลกตั้งอยู่ตรงกลาง ถูกห้อมล้อมด้วยทรงกลม 8 ชั้นซึ่งบรรจุดวงจันทร์ ดวงอาทิตย์ ดาวนพเคราะห์ที่รู้จักกันในสมัยนั้นทั้ง 5 ดวง (พุธ ศุกร์ อังคาร พฤหัสบดี และเสาร์) และดวงดาวบนท้องฟ้า ดาวเคราะห์ทั้งหลายเคลื่อนที่บนวงกลมเล็กๆ ที่เกาะกับวงกลมใหญ่ที่สอดคล้องกัน เพื่ออธิบายการเคลื่อนที่ของมันบนท้องฟ้าที่ดูซับซ้อน ส่วนทรงกลมชั้นนอกสุดประกอบด้วยดาวฤกษ์ที่เรียกว่าดาวฟิกซ์สตาร์ ซึ่งคงตำแหน่งเดิมเมื่อเทียบกัน แต่หมุนข้ามท้องฟ้าไปด้วยกัน
แบบจำลองของปโตเลมีให้การทำนายตำแหน่งของวัตถุท้องฟ้าได้แม่นยำพอสมควร แต่เพื่อคาดการณ์ให้ถูกต้อง ปโตเลมีต้องสมมติให้ระยะห่างระหว่างโลกกับดวงจันทร์เปลี่ยนแปลง ดวงจันทร์บางครั้งเข้าใกล้โลกจนระยะห่างเหลือเพียงครึ่งหนึ่งของปกติ ทำให้ดวงจันทร์ดูใหญ่ขึ้นเป็นสองเท่า แต่ความจริงแล้วไม่เคยเห็นปรากฏการณ์เช่นนี้ ปโตเลมีรู้ดีถึงจุดอ่อนดังกล่าว แต่กระนั้นแบบจำลองของเขาก็ยังเป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไป และถูกนำไปใช้โดยคริสตจักร ด้วยเหตุผลที่ว่ามันสอดคล้องกับพระคัมภีร์ และยังทิ้งที่ว่างอเนกอนันต์ให้กับสวรรค์และนรกนอกวงกลมดาวฟิกซ์สตาร์ด้วย
แต่ในปี 1514 นิโคลัส โคเปอร์นิคัส ซึ่งเป็นบาทหลวงชาวโปแลนด์ ได้เสนอแบบจำลองที่เรียบง่ายกว่ามาก โดยให้ดวงอาทิตย์อยู่กลางและโลกกับดาวเคราะห์หมุนรอบดวงอาทิตย์ในวงกลม เนื่องจากเกรงจะถูกกล่าวหาว่านอกรีต ในช่วงแรกโคเปอร์นิคัสจึงตีพิมพ์แบบจำลองของเขาในนามแฝง แต่แล้วเกือบหนึ่งศตวรรษให้หลัง ทฤษฎีโคเปอร์นิคันก็ได้รับการหยิบยกขึ้นมาพิจารณาอย่างจริงจัง เมื่อนักดาราศาสตร์ชาวเยอรมัน โยฮันเนส เคปเลอร์ และชาวอิตาลี กาลิเลโอ กาลิเลอี ออกมาสนับสนุนทฤษฎีดังกล่าวอย่างเปิดเผย แม้วงโคจรที่ทำนายไว้จะไม่ตรงกับที่สังเกตได้ก็ตาม
ทฤษฎีของอริสโตเติลและปโตเลมีสิ้นสุดลงในปี 1609 เมื่อกาลิเลโอเริ่มสังเกตท้องฟ้ายามค่ำคืนด้วยกล้องโทรทรรศน์ซึ่งเพิ่งประดิษฐ์ขึ้นใหม่ๆ เขาพบว่าดาวพฤหัสบดีมีบริวารหรือดวงจันทร์ล้อมรอบ 4 ดวง ซึ่งแสดงว่าไม่จำเป็นต้องให้ทุกสิ่งหมุนรอบโลกโดยตรงอย่างที่อริสโตเติลและปโตเลมีคิด
แม้จะยังคงเป็นไปได้ในเชิงตรรกะที่จะเชื่อว่าโลกอยู่นิ่งตรงศูนย์กลางของจักรวาล หากสมมติว่าดวงจันทร์ของดาวพฤหัสโคจรรอบโลกในวิถีที่ซับซ้อนซึ่งทำให้ดูเหมือนหมุนรอบดาวพฤหัส แต่แบบจำลองของโคเปอร์นิคัสก็เรียบง่ายกว่ามาก
ในขณะเดียวกัน เคปเลอร์ก็ได้ปรับปรุงทฤษฎีของโคเปอร์นิคัส โดยเสนอว่าดาวเคราะห์โคจรรอบดวงอาทิตย์เป็นวงรี ไม่ใช่วงกลม การคาดการณ์จึงสอดคล้องกับข้อสังเกตได้ในที่สุด แต่สำหรับเคปเลอร์แล้ว วงโคจรรูปวงรีเป็นเพียงสมมติฐานที่ไม่พึงพอใจนัก เพราะไม่สมบูรณ์เท่าวงกลม และขัดกับความเชื่อของเขาที่ว่าดาวเคราะห์เคลื่อนที่รอบดวงอาทิตย์ด้วยแรงแม่เหล็ก
เหตุผลที่แท้จริงถูกค้นพบในปี 1687 เมื่อไอแซก นิวตัน ตีพิมพ์หนังสือ Principia Mathematica ซึ่งนับเป็นหนังสือที่สำคัญที่สุดในประวัติศาสตร์วิทยาศาสตร์กายภาพ เพราะไม่เพียงแต่เสนอทฤษฎีการเคลื่อนที่ของวัตถุในปริภูมิและเวลา แต่ยังให้วิธีการทางคณิตศาสตร์ในการวิเคราะห์การเคลื่อนที่เหล่านั้นด้วย นอกจากนี้ นิวตันยังตั้งกฎแรงโน้มถ่วงสากลขึ้น ซึ่งระบุว่าวัตถุใดๆ ในจักรวาลจะดึงดูดซึ่งกันและกัน ด้วยแรงที่แปรผันตรงกับผลคูณของมวล และแปรผกผันกับกำลังสองของระยะทาง นี่คือแรงเดียวกับที่ทำให้วัตถุร่วงหล่นลงพื้นโลก
ข้อสรุปที่สำคัญประการหนึ่งจากกฎแรงโน้มถ่วงของนิวตัน ซึ่งไม่เคยมีใครตระหนักมาก่อน ก็คือ ดาวฤกษ์น่าจะดึงดูดซึ่งกันและกัน ดังนั้นพวกมันจึงไม่น่าจะอยู่นิ่ง มิฉะนั้นก็ต้องตกมาชนกันสักวัน
ด้วยเหตุนี้ นิวตันจึงให้เหตุผลไว้ในจดหมายถึงริชาร์ด เบนท์ลีย์ นักปราชญ์ผู้ยิ่งใหญ่อีกคนในยุคเดียวกัน เมื่อปี 1691 ว่าหากจำนวนดาวฟ้ามีจำนวนจำกัด เหตุการณ์ดังกล่าวก็น่าจะเกิดขึ้นจริง แต่ถ้ามีจำนวนดาวอนันต์ กระจายอย่างสม่ำเสมอในอวกาศอนันต์ ก็จะไม่มีจุดศูนย์กลางให้ดาวทั้งหลายตกลงไปรวมกัน กล่าวอีกนัยหนึ่ง ในเอกภพอนันต์ ทุกตำแหน่งสามารถถือเป็นศูนย์กลางได้ เพราะมีดาวจำนวนอนันต์ล้อมรอบทุกทิศทาง จึงไม่มีแนวโน้มที่ดาวจะเคลื่อนที่ไปรวมกันที่ใดเป็นพิเศษ
อย่างไรก็ตาม ข้อสรุปข้างต้นจากกฎแรงโน้มถ่วงของนิวตัน ที่ว่าจักรวาลไม่อาจคงตัวอยู่ได้ หากแรงโน้มถ่วงมีแต่ดึงดูดเท่านั้น กลับไม่มีใครหยิบยกขึ้นมาโต้แย้ง แม้แต่ไอน์สไตน์เอง ผู้ซึ่งต่อมาได้สร้างทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ที่พลิกโฉมหน้าความเข้าใจเรื่องแรงโน้มถ่วงและจักรวาล ก็ยังคงเชื่อในแบบจำลองจักรวาลคงตัวในช่วงแรก จนต้องเพิ่มค่าคงตัวจักรวาลเข้าไปในสมการเพื่อให้เป็นเช่นนั้น
ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไประบุว่า พื้นที่ว่างเปล่าของจักรวาลไม่ได้แบนราบ แต่ถูกหมุนบิดโค้งงอโดยสสารและพลังงานในจักรวาล การเคลื่อนที่ของวัตถุจึงไม่ได้เป็นเส้นตรง แต่คดโค้งตามลักษณะพื้นที่-เวลา แสงเองก็เช่นกัน เราจึงสังเกตเห็นดาวแปรตำแหน่งเมื่อมีวัตถุมวลมากอย่างดวงอาทิตย์มาบังระหว่างกลาง นี่คือหลักฐานเชิงประจักษ์ชิ้นสำคัญที่สนับสนุนทฤษฎีไอน์สไตน์
แต่การประยุกต์ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์กับจักรวาลโดยรวมนั้น ไม่ได้ดำเนินไปอย่างราบรื่นนัก ในปี 1922 ศิษย์ของไอน์สไตน์ชื่ออเล็กซานเดอร์ ฟรีดมันน์ คำนวณได้ว่า จักรวาลตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปไม่อาจหยุดนิ่งได้ แต่จะต้องขยายหรือหดตัว ดังนั้นย้อนกลับไป 10,000-20,000 ล้านปีก่อน จักรวาลจึงน่าจะเริ่มต้นจากสภาวะที่มีความหนาแน่นอนันต์ ซึ่งต่อมาเรียกว่า บิ๊กแบง แต่ไอน์สไตน์กลับไม่เห็นด้วย เขายังคงยึดมั่นในแนวคิดจักรวาลคงตัว จนกระทั่งปี 1929 เมื่อเอ็ดวิน ฮับเบิล ค้นพบว่ากาแล็กซีอื่นๆ กำลังเคลื่อนที่ห่างออกจากเรา และยิ่งไกลเท่าไหร่ ความเร็วก็ยิ่งมากขึ้นเท่านั้น
การค้นพบของฮับเบิลบ่งชี้อย่างชัดเจนว่าจักรวาลกำลังขยายตัว ตามที่ทฤษฎีของฟรีดมันน์ทำนายไว้ สิ่งนี้เป็นหลักฐานสนับสนุนทฤษฎีบิ๊กแบงว่าจักรวาลมีจุดกำเนิด และคัดค้านแนวคิดจักรวาลคงตัวอย่างสิ้นเชิง ไอน์สไตน์เองต้องยอมรับว่าเขาเข้าใจผิด และกล่าวภายหลังว่าการเพิ่มค่าคงตัวจักรวาลเป็นความผิดพลาดที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในชีวิต
.
.
------------------------------------------------
.
#จักรวาลกำลังขยายตัว
.
.
ดวงอาทิตย์และดาวฤกษ์ใกล้เคียงของเรา เป็นส่วนหนึ่งของกาแล็กซีทางช้างเผือก ซึ่งประกอบด้วยดาวฤกษ์นับแสนล้านดวง เป็นเวลานานที่เราคิดว่านี่คือทั้งหมดของจักรวาล จนกระทั่งปี 1924 เอ็ดวิน ฮับเบิล จึงพิสูจน์ได้ว่า กาแล็กซีของเราเป็นเพียงหนึ่งในนับแสนล้านกาแล็กซีที่มองเห็นได้ด้วยกล้องโทรทรรศน์สมัยใหม่ โดยมีบริเวณว่างเปล่ากว้างใหญ่แทรกกลางระหว่างกาแล็กซีเหล่านี้
ฮับเบิลใช้เทคนิคการวัดความเข้มแสงของดาวฤกษ์ เทียบกับระยะทางของมัน โดยถ้าเรารู้ความสว่างจริงของดาวชนิดใดชนิดหนึ่ง เราก็สามารถประเมินระยะทางของมันจากความสว่างปรากฏได้ และถ้าเราคำนวณระยะของดาวหลายๆ ดวงในกาแล็กซีเดียวกัน แล้วได้ค่าตรงกัน เราก็มั่นใจได้ว่าการประเมินระยะนั้นถูกต้อง
การค้นพบสำคัญอีกประการหนึ่งของฮับเบิล คือเมื่อวัดสเปกตรัมของแสงจากกาแล็กซีอื่นๆ จะพบว่ามีการเลื่อนไปทางความถี่ต่ำหรือคลื่นสีแดงเสมอ แสดงว่ากาแล็กซีเหล่านั้นกำลังเคลื่อนที่ห่างออกจากเรา และที่น่าแปลกใจยิ่งกว่า คือความเร็วในการเคลื่อนที่ห่างออกไปนั้น แปรผันตรงกับระยะทางจากเรา กาแล็กซีที่อยู่ไกลเท่าใด ก็ยิ่งเคลื่อนที่ห่างออกไปเร็วเท่านั้น นี่คือข้อพิสูจน์ชัดเจนว่าจักรวาลไม่ได้หยุดนิ่ง แต่กำลังขยายตัว
ข้อมูลจากการสังเกตการณ์ของฮับเบิลสอดคล้องอย่างยิ่งกับแบบจำลองจักรวาลกำลังขยายตัวแบบบิ๊กแบง ยิ่งไปกว่านั้น มันยังทำนายด้วยว่าจักรวาลในอดีตจะต้องมีอุณหภูมิและความหนาแน่นสูงมาก จนสสารอยู่ในสถานะพลาสมา ไม่สามารถรวมตัวเป็นอะตอมได้ แต่เมื่อจักรวาลขยายตัวและเย็นตัวลง โปรตอนและนิวตรอนจะสามารถรวมตัวเป็นนิวเคลียสของฮีเลียมและไฮโดรเจนได้ และเมื่ออุณหภูมิลดลงจนถึงจุดหนึ่ง อิเล็กตรอนก็จะถูกจับโดยนิวเคลียส กลายเป็นอะตอมที่เป็นกลาง
ทฤษฎีบิ๊กแบงยังทำนายอีกว่า ณ เวลาประมาณ 1 วินาทีหลังจากบิ๊กแบง อุณหภูมิของจักรวาลจะสูงราว 10,000 ล้านองศา ซึ่งร้อนพอที่จะหลอมโปรตอนกับนิวตรอนให้กลายเป็นนิวเคลียสของดิวเทอเรียม (ไฮโดรเจนหนัก) และเฮเลียมได้ เมื่อคำนวณตาม สัดส่วนของไฮโดรเจนและฮีเลียมที่ควรเกิดขึ้นในยุคแรกเริ่มนี้ ปรากฏว่าใกล้เคียงกับที่เราสังเกตได้ในปัจจุบันมาก นับเป็นอีกหลักฐานหนึ่งที่สนับสนุนบิ๊กแบง
นอกจากนี้ ทฤษฎีบิ๊กแบงยังทำนายว่าจักรวาลยุคแรกเริ่มจะมีอุณหภูมิสูงมาก แต่เมื่อเวลาผ่านไป มันจะค่อยๆ เย็นลงเรื่อยๆ เนื่องจากการขยายตัว ปัจจุบันเราน่าจะยังสามารถตรวจจับรังสีที่หลงเหลือจากช่วงแรกๆ หลังบิ๊กแบงได้ แต่มันจะเย็นลงจนเหลือเพียงไม่กี่องศาเหนือศูนย์สัมบูรณ์ ซึ่งก็คือรังสีไมโครเวฟพื้นหลังจักรวาล (Cosmic Microwave Background) ที่พบโดยเพนซิอัสกับวิลสันในปี 1965 นั่นเอง
.
.
----------------------------------------
.
#ทฤษฎีกำเนิดของจักรวาล
.
.
แม้ปัจจุบันเราจะมั่นใจมากแล้วว่าทฤษฎีบิ๊กแบงน่าจะถูกต้อง อย่างน้อยก็ย้อนไปจนถึงเวลาประมาณ 1 วินาทีหลังจุดกำเนิดจักรวาล แต่ทฤษฎีนี้ก็ยังมีคำถามบางประการที่ยังไม่มีคำตอบ เช่น
- ทำไมจักรวาลยุคแรกจึงมีอุณหภูมิสูงมากขนาดนั้น
- เหตุใดจักรวาลจึงดูเหมือนจะมีความสม่ำเสมอในทุกทิศทาง เมื่อมองในมาตราส่วนใหญ่ๆ
- เพราะเหตุใดอัตราการขยายตัวของจักรวาลยุคแรก จึงมีค่าใกล้เคียงวิกฤติที่จะทำให้จักรวาลหยุดขยายและหลบหนีการหดตัวกลับมาใหม่ได้พอดิบพอดี
- แม้จักรวาลจะดูเหมือนมีความสม่ำเสมอ แต่ในรายละเอียดปลีกย่อยก็ยังมีความไม่สม่ำเสมออยู่บ้าง ซึ่งก่อให้เกิดกาแล็กซีและระบบดาวฤกษ์ในเวลาต่อมา ความไม่สม่ำเสมอเหล่านี้มีที่มาอย่างไร
คำถามเหล่านี้ทฤษฎีสัมพัทธภาพไม่สามารถให้คำตอบได้ เพราะตามทฤษฎี จุดกำเนิดจักรวาลจะต้องมีความหนาแน่นอนันต์ เรียกว่าซิงกูลาริตี (singularity) ซึ่งเป็นสภาวะที่กฎฟิสิกส์ทั้งหมดใช้ไม่ได้ เราไม่สามารถใช้กฎฟิสิกส์เพื่อคาดการณ์ว่าจักรวาลจะเริ่มต้นอย่างไร จึงอาจถือได้ว่าซิงกูลาริตีเป็นจุดกำเนิดแรกของจักรวาลและเวลา
แต่การมีซิงกูลาริตีก็เป็นเรื่องไม่น่าพอใจ เพราะกฎฟิสิกส์ควรใช้ได้กับทุกเหตุการณ์ในจักรวาล ไม่ควรมีจุดใดที่กฎเหล่านั้นล้มเหลว แลนดัว คลิกสกี และคนอื่นๆ จึงพยายามแก้ปัญหาซิงกูลาริตี โดยเสนอว่าบางทีจักรวาลอาจไม่จำเป็นต้องมีจุดเริ่มต้นที่ความหนาแน่นอนันต์ แต่อาจจะมีเพียงจุดที่ความหนาแน่นสูงมากก่อนที่จะบานตัวออกมา อย่างไรก็ตาม แม้แนวคิดนี้จะแก้ไขปัญหาซิงกูลาริตีได้ในระดับหนึ่ง แต่ก็ยังถูกวิจารณ์มากเช่นกัน
นักฟิสิกส์บางคนเสนอทฤษฎีเสถียรภาวะ (Steady State Theory) ขึ้นเป็นทางเลือกของบิ๊กแบง ซึ่งเสนอว่าจักรวาลไม่มีจุดกำเนิด แต่คงอยู่และขยายตัวมาตั้งแต่อดีตไกล โดยมีสสารใหม่เกิดขึ้นเรื่อยๆ เพื่อให้ความหนาแน่นของจักรวาลสม่ำเสมอไม่เปลี่ยนแปลงตลอดกาล อย่างไรก็ดี ทฤษฎีเสถียรภาวะไม่เป็นที่ยอมรับในวงกว้าง เพราะไม่สอดคล้องกับข้อมูลสังเกตการณ์ต่างๆ เช่น การระเหยของดาวฤกษ์ในกาแล็กซี และการค้นพบรังสีไมโครเวฟพื้นหลัง จึงถูกละทิ้งไปในที่สุด
เราจึงกลับมายอมรับกันว่า จุดกำเนิดจักรวาลน่าจะมีลักษณะคล้ายซิงกูลาริตี หรือมีความหนาแน่นสูงมากๆ ตามแนวคิดบิ๊กแบงนั่นเอง แต่นี่ไม่ได้หมายความว่าบิ๊กแบงจะเริ่มจากความหนาแน่นอนันต์เสมอไป อลัน กุธ นักฟิสิกส์ชาวอเมริกันเสนอทฤษฎีภวังค์เบื้องต้น (Cosmic Inflation) ซึ่งมองว่าจักรวาลอาจสามารถเริ่มต้นจากสภาวะที่มีความหนาแน่นสูงแต่ไม่ใช่ค่าอนันต์ และขยายตัวอย่างรวดเร็วด้วยอัตราที่สูงกว่าความเร็วแสง ก่อนที่จะชะลอลงมาเป็นอัตราปกติในภายหลัง
กุธเสนอว่าจักรวาลยุคแรกอาจมีความหนาแน่นและอุณหภูมิสูงมาก แรงทางนิวเคลียร์และแรงแม่เหล็กไฟฟ้าจึงสามารถรวมตัวกันเป็นแรงเดียว เมื่อจักรวาลขยายตัวและเย็นลง พลังงานของอนุภาคจะลดลง ทำให้เกิดการแตกสมมาตรของแรง จากเดิมที่เป็นแรงเดียวกัน ก็แยกออกเป็นแรงนิวเคลียร์อย่างแรง, แรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน และแรงแม่เหล็กไฟฟ้า
การแตกสมมาตรนี้คล้ายการเปลี่ยนสถานะ เช่นเมื่อน้ำกลายเป็นน้ำแข็ง จากเดิมที่โมเลกุลอยู่กันอย่างอิสระ ก็มาจัดเรียงตัวเป็นระเบียบเป็นผลึก แต่หากเย็นตัวอย่างรวดเร็ว บางครั้งน้ำอาจเย็นลงต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง โดยยังไม่เปลี่ยนเป็นน้ำแข็งได้ เรียกว่าภาวะเย็นยวดยิ่ง
กุธสันนิษฐานว่า บางทีจักรวาลยุคแรกอาจเย็นตัวลงแบบนี้ ผ่านจุดแตกสมมาตรไป โดยที่สมมาตรของแรงยังไม่ได้ถูกทำลาย กลายเป็นสภาวะเมทาสเตเบิลที่มีพลังงานสูงกว่าปกติ พลังงานส่วนเกินนี้จะมีผลต้านแรงโน้มถ่วง ทำให้จักรวาลขยายตัวเร็วเหมือนมีค่าคงตัวจักรวาล (Cosmological constant) สูง ทำให้จักรวาลขยายตัวแบบเร่งมากกว่าปกติ ส่วนความไม่สม่ำเสมอต่างๆ จะถูกปรับให้เรียบขึ้น เหมือนรอยยับย่นบนลูกโป่งที่ถูกเป่าจนตึง
แบบจำลองภวังค์เบื้องต้นยังสามารถอธิบายได้ด้วยว่า พลังงานสำหรับการสร้างอนุภาคในจักรวาลมาจากไหน ตามกลศาสตร์ควอนตัม อนุภาคสามารถสร้างขึ้นมาจากพลังงานได้ ในรูปของคูอนุภาคและปฏิอนุภาค โดยพลังงานรวมของคู่อนุภาคที่สร้างขึ้นจะเท่ากับศูนย์ อนุภาคหนึ่งมีพลังงานเป็นบวก ส่วนปฏิอนุภาคจะมีพลังงานเป็นลบ สมดุลกันพอดี ดังนั้น การสร้างอนุภาคจึงไม่ขัดต่อกฎอนุรักษ์พลังงาน
ในจักรวาล พลังงานรวมก็เป็นศูนย์เช่นกัน เพราะสสารมีพลังงานเป็นบวก ส่วนสนามแรงโน้มถ่วงมีพลังงานเป็นลบ เมื่อรวมกันแล้วพลังงานรวมของจักรวาลจึงเป็นศูนย์พอดี การขยายตัวแบบภวังค์จึงสามารถสร้างสสารที่มีมวลและพลังงานได้อย่างไม่จำกัด โดยไม่ผิดกฎอนุรักษ์พลังงาน ดังที่กุธได้กล่าวไว้ว่า "จักรวาลคืออาหารมื้อฟรีที่ยิ่งใหญ่ที่สุด"
กระนั้นก็ตาม เราไม่เห็นว่าจักรวาลกำลังขยายตัวแบบเร่งในปัจจุบัน ดังนั้นจึงต้องมีกลไกบางอย่างที่หยุดการขยายตัวเร็วแบบภวังค์ และทำให้จักรวาลกลับมาขยายตัวด้วยอัตราที่ช้าลงเหมือนทุกวันนี้ กุธเสนอไว้ว่าหลังจากภวังค์สิ้นสุดลง จักรวาลก็จะเย็นลงจนเกิดการแตกสมมาตรของแรง พลังงานที่เคยทำให้จักรวาลขยายตัวเร็วก็จะถูกปล่อยออกมา เปลี่ยนเป็นความร้อนในจักรวาล ทำให้อุณหภูมิเพิ่มสูงขึ้นอีกครั้ง ก่อนที่จะลดลงอย่างช้าๆ ตามการขยายตัวของจักรวาล เหมือนในแบบจำลองบิ๊กแบงมาตรฐาน
แต่ว่าแนวคิดของกุธก็ยังมีปัญหาอยู่ ในแบบจำลองเดิมของเขา การแตกสมมาตรจะเกิดขึ้นอย่างฉับพลัน เหมือนการเกิดผลึกน้ำแข็งในน้ำเย็นจัด ขณะที่บางบริเวณของจักรวาลเปลี่ยนสถานะไปแล้ว อีกบางส่วนก็ยังไม่เปลี่ยน จะเกิดเป็นฟองสบู่ย้อนสมมาตร (bubble) ขยายใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ จนกระทั่งฟองเหล่านั้นมาบรรจบกัน ทำให้จักรวาลทั้งหมดเปลี่ยนไปสู่สถานะที่สมมาตรถูกทำลาย
แต่ปัญหาคือ จักรวาลขยายตัวเร็วเกินกว่าที่ฟองสบู่จะมาชนและรวมกันได้ทัน ทำให้หลังจากภวังค์ จักรวาลจะยังมีความไม่สม่ำเสมอของแรงอยู่มาก ซึ่งไม่สอดคล้องกับสิ่งที่เราสังเกตได้
นักฟิสิกส์หนุ่มชาวรัสเซีย อังเดร ลินเด เสนอทางออกโดยแนะว่า ถ้าฟองสบู่มีขนาดใหญ่มากตั้งแต่แรก มันก็จะครอบคลุมท้องฟ้าทั้งหมดที่เรามองเห็น ภายในฟองสบู่ก็จะค่อนข้างสม่ำเสมอ อย่างไรก็ดี ผมได้แย้งไปว่าตามแบบจำลองของลินเด ฟองสบู่จะต้องใหญ่กว่าขนาดจักรวาลในเวลานั้นเสียอีก ซึ่งเป็นไปไม่ได้ ผมจึงเสนอว่าการแตกสมมาตรน่าจะเกิดขึ้นพร้อมกันทั่วทั้งจักรวาล ไม่ใช่ทีละจุด จึงจะให้จักรวาลที่สม่ำเสมอดังที่เราเห็น
ลินเดได้ปรับปรุงแบบจำลองภวังค์ใหม่ในปี 1983 โดยในแบบจำลองนี้ การแตกสมมาตรไม่จำเป็นต้องเกิดอย่างฉับพลัน แต่อาจเกิดอย่างค่อยเป็นค่อยไป ภายในระยะเวลาหนึ่ง ผลที่ได้จึงสอดคล้องกับข้อมูลสังเกตการณ์ได้ดีขึ้น
กระนั้นก็ตาม เรายังไม่มั่นใจนักว่าภวังค์เบื้องต้นเกิดขึ้นจริงหรือไม่ และคุณสมบัติของมันเป็นเช่นไร เช่น เราไม่รู้แน่ชัดว่าทำไมเราจึงมีมิติใหญ่ 4 มิติ มากกว่าหรือน้อยกว่านั้นไม่ได้ บางทีอาจเป็นเพราะสิ่งมีชีวิตเช่นเราไม่อาจดำรงอยู่ในจักรวาลที่มีจำนวนมิติแตกต่างไปจากนี้ก็เป็นได้
หนึ่งในความหวังที่จะได้คำตอบเหล่านี้ ก็คือทฤษฎีสายอันเป็นตัวเต็งของทฤษฎีที่จะมาอธิบายทุกแรงและอนุภาคได้อย่างครบถ้วน ตามทฤษฎีสาย สิ่งที่เราคิดว่าเป็นอนุภาคจุด แท้จริงแล้วคือการสั่นของวัตถุ 1 มิติคล้ายเส้นด้ายซึ่งมีขนาดเล็กเกินกว่าที่เราจะสังเกตโดยตรง การสั่นของสายในรูปแบบต่างๆ เทียบได้กับอนุภาคแต่ละชนิด การกระจายหรือรวมตัวของสายก็เป็นเหมือนการเกิดหรือสลายของอนุภาค
ทฤษฎีสายไม่ได้มีปัญหาเชิงคณิตศาสตร์ เช่นค่าอนันต์อย่างที่พบในทฤษฎีควอนตัมแบบเดิม แต่มันก็มีข้อจำกัดเพราะต้องการให้กาลอวกาศมี 10 หรือ 26 มิติ แทนที่จะเป็น 4 มิติแบบที่คุ้นเคย อย่างไรก็ตาม มันอาจเป็นไปได้ว่ามิติส่วนเกินถูกม้วนเก็บให้มีขนาดเล็กมาก จนเราไม่สามารถสังเกตได้
แม้เรายังไม่รู้แน่ชัดว่าทฤษฎีสุดท้ายของจักรวาลจะเป็นอย่างไร แต่สิ่งที่แน่ๆ คือ ทฤษฎีนั้นจะต้องผสานกลศาสตร์ควอนตัมและความโน้มถ่วงเข้าด้วยกันอย่างกลมกลืน และจะต้องอธิบายได้ว่าทำไมจักรวาลที่เรามีถึงมีคุณสมบัติที่เหมาะเจาะกับการกำเนิดสิ่งมีชีวิตอย่างเรา
สตีเฟน ฮอว์กิง กล่าว
“ ผมไม่เชื่อว่าจักรวาลไม่มีกฎเกณฑ์ที่แน่นอน หรือว่ามีเพียงลำดับของทฤษฎีที่ใช้อธิบายได้ดีขึ้นไปเรื่อยๆ โดยไม่มีที่สิ้นสุด การที่แรงโน้มถ่วงทำให้เกิดขีดจำกัดสูงสุดของพลังงานอนุภาค ณ ระดับพลังงานของแพลงก์ ทำให้ผมเชื่อว่าน่าจะมีทฤษฎีสุดท้ายที่สมบูรณ์ และเราอาจค้นพบมันได้ภายในอีกไม่กี่สิบปี ”
.
.
--------------------------------------
.
#ทิศทางของเวลา
.
.
ในหนังสือ The Go-Between แอล.พี. ฮาร์ทลีย์ เขียนไว้ว่า "อดีตคือดินแดนต่างถิ่น ที่นั่นผู้คนทำสิ่งต่างๆ ไม่เหมือนที่เราทำ" แต่ทำไมอดีตจึงแตกต่างจากอนาคตนัก ทำไมเราจึงจดจำอดีตได้แต่จำอนาคตไม่ได้ หรือพูดอีกอย่างคือ ทำไมเวลาจึงดูเหมือนจะเคลื่อนไปข้างหน้าเสมอ นี่เกี่ยวข้องกับการที่จักรวาลกำลังขยายตัวหรือไม่
ที่จริงแล้ว กฎฟิสิกส์พื้นฐานไม่ได้แยกแยะอดีตกับอนาคต ถ้าเราใช้ปฏิบัติการณ์ 3 อย่าง คือ C (การกลับอนุภาคเป็นปฏิอนุภาค), P (การสะท้อนกระจก) และ T (การกลับทิศเวลา) รวมกัน เรียกว่า CPT ตัวกฎจะไม่เปลี่ยนแปลง ซึ่งแปลว่า ถ้ากลับทิศเวลาโดยให้อนุภาคเคลื่อนที่ถอยหลัง ไม่ว่าจะกลับสสารเป็นปฏิสสารหรือกลับซ้ายเป็นขวาด้วยหรือไม่ ก็จะได้ปรากฏการณ์ที่สอดคล้องกับกฎฟิสิกส์อยู่ดี
แต่ในชีวิตประจำวัน เราพบว่าการย้อนเวลานั้นเป็นไปไม่ได้ อย่างการที่แก้วหล่นจากโต๊ะแตกกระจายแล้วเก็บกลับไปอยู่บนโต๊ะดังเดิม เป็นสิ่งที่ไม่เคยเกิดขึ้น ลองใช้กล้องถ่ายแก้วแตก แล้วเล่นวิดีโอย้อนหลัง เราจะรู้ได้ทันทีว่าฉากดูผิดปกติไปจากความเป็นจริง
ความขัดแย้งที่ว่าทำไมเราไม่เห็นกระบวนการกลับทางในชีวิตจริงทั้งๆ ที่กฎฟิสิกส์อนุญาต เป็นที่มาของคำว่า "ลูกศรแห่งเวลา" ซึ่งหมายถึงสิ่งใดๆ ก็ตามที่บอกได้ว่าอะไรคืออดีต อะไรคืออนาคต โดยปกติแล้วเราแยกแยะอดีตกับอนาคตได้ด้วยลูกศรแห่งเวลา 3 ประเภท คือ
1. ลูกศรเทอร์โมไดนามิกส์ หรือทิศทางที่ความไม่เป็นระเบียบ (เอนโทรปี) เพิ่มขึ้นเสมอ
2. ลูกศรจิตวิทยา คือทิศทางที่เราสัมผัสว่าเวลาผ่านไป เป็นทิศทางที่เราจดจำอดีตได้แต่จำอนาคตไม่ได้
3. ลูกศรจักรวาล คือทิศทางที่จักรวาลขยายตัว ไม่ใช่หดตัว
ผมจะอธิบายลูกศรเทอร์โมไดนามิกส์ก่อน ตามกฎข้อที่สองของเทอร์โมไดนามิกส์ ความไม่เป็นระเบียบหรือเอนโทรปีของระบบปิดจะต้องเพิ่มขึ้นเสมอ แต่ทำไมต้องเป็นอย่างนั้น
คำตอบคือมีรูปแบบที่ไร้ระเบียบมากกว่ารูปแบบที่เป็นระเบียบอย่างเห็นได้ชัด เช่น เราจะต่อจิ๊กซอว์สำเร็จได้ด้วยลำดับชิ้นส่วนที่เฉพาะเจาะจงเพียงแบบเดียว แต่เราสามารถกองเศษจิ๊กซอว์ระเกะระกะได้หลายแบบเป็นจำนวนมาก ดังนั้น หากปล่อยจิ๊กซอว์ที่ต่อเสร็จแล้วไว้บนโต๊ะสักพัก เศษจิ๊กซอว์ก็อาจเขยื้อนหรือหลุดออกจนภาพเสียไปได้ แต่เศษจิ๊กซอว์ที่ระเกะระกะอยู่แล้วแทบจะไม่มีทางเขยื้อนกลับไปเรียงเป็นภาพที่สมบูรณ์เอง
จะเห็นว่าความไม่เป็นระเบียบเป็นสิ่งที่เกิดขึ้นได้ง่าย ส่วนความเป็นระเบียบต้องอาศัยความพยายามมากกว่า นั่นเป็นเหตุผลที่ทำไมในระบบปิดที่ปล่อยทิ้งไว้ ความไม่เป็นระเบียบหรือเอนโทรปีจะมีแนวโน้มเพิ่มขึ้นเสมอ และความเป็นไปได้ที่ระบบปิดจะกลับสู่สภาวะเป็นระเบียบเองโดยบังเอิญนั้นต่ำมาก ราวกับว่ามีมือล่องหนหรือเทพเจ้าบางองค์คอยทำให้ทุกอย่างไร้ระเบียบ ซึ่งเป็นที่มาของคำว่า "ปีศาจแมกซ์เวลล์" ในฟิสิกส์
ตามกฎเอนโทรปี เวลาจึงต้องไหลไปในทิศทางที่ความไร้ระเบียบเพิ่มขึ้นเสมอ ซึ่งเรียกว่าทิศทางเทอร์โมไดนามิกส์ ถ้าปล่อยก้อนน้ำแข็งไว้ในแก้ว มันก็จะละลายกลายเป็นน้ำ เพราะโมเลกุลของน้ำเหลวมีรูปแบบการจัดเรียงที่อิสระกว่าน้ำแข็งมาก ทิศทางของเวลาที่เราเห็นในชีวิตประจำวันจึงเป็นไปตามลูกศรเทอร์โมไดนามิกส์นี่เอง
สำหรับลูกศรทิศทางจิตวิทยานั้น แม้เราจะยังไม่เข้าใจการทำงานของสมองมนุษย์ได้ถ่องแท้ แต่เราก็เข้าใจหน่วยความจำของคอมพิวเตอร์ดีว่ามันทำงานอย่างไร ผมจะใช้มันเป็นตัวอย่างในการอธิบายก็แล้วกัน
หน่วยความจำของคอมพิวเตอร์เป็นอุปกรณ์ที่สามารถอยู่ได้ในสองสถานะ คือ 0 กับ 1 เช่น ลูปของขดลวดตัวนำยิ่งยวด (superconducting loop) จะมีกระแสไฟฟ้าไหลอยู่หรือไม่มีเลย ก่อนที่จะเขียนข้อมูลลงหน่วยความจำ สถานะต่างๆ จะมีความน่าจะเป็นเท่าๆ กัน ไม่เป็นระเบียบ แต่เมื่อหน่วยความจำอ่านข้อมูลจากระบบที่ต้องการจดจำ มันจะอยู่ในสถานะที่แน่ชัด 0 หรือ 1 ตามสถานะของระบบนั้น หน่วยความจำจึงเปลี่ยนจากสถานะไม่เป็นระเบียบไปเป็นระเบียบมากขึ้น
อย่างไรก็ตาม การจดจำข้อมูลแต่ละครั้งต้องใช้พลังงานจำนวนหนึ่ง และพลังงานนี้จะถูกเปลี่ยนเป็นความร้อน กลายเป็นเอนโทรปีที่เพิ่มความไม่เป็นระเบียบให้กับจักรวาล และการเพิ่มขึ้นของเอนโทรปีในจักรวาลโดยรวมจะมากกว่าอันดับที่ลดลงจากหน่วยความจำเสมอ
ดังนั้น เมื่อคอมพิวเตอร์บันทึกความจำ ก็เท่ากับว่าความไร้ระเบียบในจักรวาลเพิ่มขึ้น นั่นแปลว่าทิศทางของเวลาที่คอมพิวเตอร์จดจำอดีตนั้น จะเป็นทิศทางเดียวกับที่เอนโทรปีเพิ่มขึ้นเสมอ ลูกศรจิตวิทยาจึงชี้ไปทางเดียวกับลูกศรเทอร์โมไดนามิกส์นั่นเอง และนั่นทำให้กฎข้อที่สองของเทอร์โมไดนามิกส์กลายเป็นเรื่องปกติธรรมดาไป เพราะถ้าเอนโทรปีไม่เพิ่มขึ้นตามเวลา เราก็คงจะไม่บอกว่านั่นคือทิศทางของเวลาอยู่แล้ว
แต่ที่เราถามว่าทำไมจักรวาลถึงเริ่มต้นในสภาวะที่มีความเป็นระเบียบสูงตั้งแต่แรก จนสามารถพัฒนามาเป็นโครงสร้างซับซ้อนที่ขับเคลื่อนด้วยกฎเอนโทรปีได้ ทำไมเอนโทรปีตอนเริ่มต้นไม่สูงเสียเลย เพราะอย่างนั้นก็คงจะไม่มีการเปลี่ยนแปลงใดๆ เกิดขึ้น
อีกคำถามหนึ่งคือ ทำไมทิศทางเทอร์โมไดนามิกส์ที่เอนโทรปีเพิ่มขึ้นถึงตรงกับทิศทางจักรวาลที่จักรวาลกำลังขยายใหญ่ขึ้น ไม่ใช่หดเล็กลง
ถ้าเรายึดแนวคิดไม่มีขอบเขตของจักรวาล (no boundary proposal) จักรวาลก็ไม่จำเป็นต้องมีจุดกำเนิดที่เป็นซิงกูลาริตีตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป เวลาในยุคแรกสุดอาจจะเป็นเวลาจินตภาพ (imaginary time) ที่ไม่มีทิศทางที่แน่นอน และไม่มีขอบเขตที่ต้องกำหนดเงื่อนไขเริ่มต้น แต่เมื่อเราขยับมาพิจารณาที่เวลาจริง ก็จะพบว่าจักรวาลมีขนาดเล็กมากในอดีต และค่อยๆ ขยายใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ คล้ายกับในแบบจำลองเวลาจริงของฟรีดมันน์นั่นเอง
เพราะในจักรวาลยุคแรกสุด เวลายังไม่มีทิศทาง เอนโทรปีจึงไม่ได้เพิ่มหรือลดลงตามกาลเวลา แต่เมื่อเราพิจารณาในเวลาจริง จะพบว่าจักรวาลเริ่มต้นที่สภาวะที่มีความเป็นระเบียบสูงหรือเอนโทรปีต่ำ และเอนโทรปีจะค่อยๆ เพิ่มขึ้นตามการขยายตัวของจักรวาล ซึ่งตรงกับสิ่งที่เราสังเกตได้ในปัจจุบัน นี่แหละคือคำตอบว่าทำไมลูกศรเทอร์โมไดนามิกส์และลูกศรจักรวาลจึงชี้ไปทางเดียวกัน โดยที่เราไม่จำเป็นต้องสมมติว่ามีเทพเจ้าบางองค์ทรงเลือกเงื่อนไขเริ่มต้นให้เป็นเช่นนั้น
แต่หากสมมติว่าจักรวาลเริ่มต้นในสภาวะไร้ระเบียบ เอนโทรปีสูงตั้งแต่แรก การขยายตัวของจักรวาลในเวลาจริงก็จะไม่ทำให้เอนโทรปีเพิ่มขึ้นตามเวลา เพราะมันสูงอยู่แล้ว เราอาจได้ลูกศรเทอร์โมไดนามิกส์ที่ไม่มีทิศทาง หรือมีทิศทางตรงข้ามกับการขยายตัวของจักรวาลก็ได้ ซึ่งไม่ตรงกับที่เราสังเกตในจักรวาลจริง
อย่างไรก็ดี แบบจำลองไม่มีขอบเขตไม่ได้บอกว่าจักรวาลต้องเริ่มต้นด้วยเอนโทรปีต่ำเสมอไป แต่จากการคำนวณพบว่า จักรวาลที่มีคุณสมบัติสอดคล้องกับที่เรามองเห็นนั้น ต้องเริ่มต้นจากสภาวะที่มีความไม่เป็นระเบียบน้อยที่สุดเท่าที่หลักความไม่แน่นอนแบบควอนตัมจะอนุญาต เหมือนกับว่าจักรวาลถือกำเนิดขึ้นอย่างประณีตที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ เพื่อให้สอดคล้องกับกฎฟิสิกส์พื้นฐานที่มี
จึงสรุปได้ว่า กฎข้อที่สองของเทอร์โมไดนามิกส์และลูกศรแห่งเวลาในชีวิตปรัจวันของเรา เป็นผลพวงมาจากสภาวะขอบเขตของจักรวาลในอดีต ซึ่งมีความเป็นระเบียบสูงมากตามแนวคิดไม่มีขอบเขต และเมื่อเวลาผ่านไปความไม่เป็นระเบียบก็ค่อยๆ สะสมขึ้น จนทำให้เกิดลูกศรเทอร์โมไดนามิกส์ และลูกศรจิตวิทยาที่ชี้ไปในทิศทางเดียวกับการขยายตัวของจักรวาล ส่วนในอนาคต หากจักรวาลหยุดขยายตัวและเริ่มหดตัวกลับ ลูกศรเทอร์โมไดมานิกส์และลูกศรจิตวิทยาก็อาจสลับทิศทางได้เช่นกัน แต่สิ่งมีชีวิตอย่างเราอาจไม่รอดมาถึงตอนนั้น เพราะไม่สามารถดำรงชีวิตในสภาวะแวดล้อมที่รุนแรงเช่นนั้นได้นั่นเอง
เรื่องทิศทางของเวลาและความไม่สมมาตรของมันจึงเป็นหัวข้อที่ลึกซึ้งและชวนขบคิด ถึงแม้กฎฟิิกส์จะไม่แยกแยะอดีตกับอนาคต แต่เราในฐานะผู้สัเกตการณ์กลับรับรู้ได้ชัดเจนว่าเวลาไหลไปข้างหน้าเพียงทิศทางเดียว ทำไมจึงเป็นเช่นนั้น เหตุใดอดีตจึงต่างจากอนาคต คำตอบอาจอยู่ที่ลูกศรเทอร์โมไดนามิกส์ ลูกศรจิตวิทยา และลูกศรการขยายตัวของจักรวาล ซึ่งในที่สุดก็มีที่มาจากสภาวะขอบเขตของจักรวาลเมื่อครั้งกำเนิดกาลนั่นเอง
.
.
-------------------------------------------
.
#ทฤษฎีสุดท้าย (Theory of Everything)
.
.
การพัฒนาทฤษฎีสุดท้ายที่อธิบายทุกแรงในธรรมชาติได้พร้อมกันนั้นเป็นไปได้ยาก เพราะแรงโน้มถ่วงไม่เข้ากับกลศาสตร์ควอนตัม ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์อธิบายแรงโน้มถ่วงได้ดี แต่เมื่อนำไปใช้กับระบบควอนตัม ก็ให้ค่าที่ไม่สมเหตุสมผล เช่น ให้ค่าพลังงานเป็นอนันต์ ต่างจากแรงอื่นๆ ที่สามารถหักล้างค่าอนันต์ออกไปได้ด้วยกระบวนการปรับให้เป็นปกติ (renormalization)
ความพยายามรวมแรงโน้มถ่วงกับทฤษฎีควอนตัมจึงยังไม่ประสบความสำเร็จ จนกระทั่งมีการเสนอทฤษฎีสายขึ้นมา ซึ่งมองว่าอนุภาคมูลฐานไม่ใช่จุดที่ไม่มีมิติ แต่เป็นวัตถุ 1 มิติคล้ายเส้นด้ายที่สั่นได้ การสั่นของสายในรูปแบบต่างๆ เปรียบได้กับอนุภาคต่างชนิด การกระจายหรือรวมตัวของสายก็คือการเกิดและสลายของอนุภาค ข้อดีของทฤษฎีสายคือการไม่ทำให้เกิดค่าอนันต์แบบไม่สมเหตุสมผล และสอดคล้องกับกลศาสตร์ควอนตัมโดยธรรมชาติอยู่แล้ว
แต่ปัญหาคือ ทฤษฎีสายต้องการมิติของปริภูมิ-เวลามากถึง 10 มิติ เราจึงต้องมองว่ามิติพิเศษเพิ่มเติมถูกพับหรือม้วนเก็บเข้าไปจนมีขนาดเล็กมาก เราเลยสัมผัสได้แค่ 4 มิติที่คุ้นเคยเท่านั้น ส่วนมิติที่เหลืออาจมีขนาดเล็กระดับความยาวแพลงก์ คือ 10-35 เมตร ซึ่งเล็กเกินกว่าที่เราจะสังเกตได้โดยตรง แต่นี่ก็ยังเป็นข้อถกเถียงที่สำคัญของทฤษฎีสายอยู่
แม้เรายังไม่มีทฤษฎีสุดท้ายที่สามารถอธิบายทุกอย่างได้ครบถ้วน แต่ผมก็ยังมองว่าเรามีเหตุผลที่จะหวังได้ว่าสักวันเราจะค้นพบมัน ไม่ใช่เพราะเราจะได้ทฤษฎีที่สมบูรณ์แบบหรือถูกต้องเสมอไป แต่เป็นเพราะข้อมูลและความเข้าใจเกี่ยวกับจักรวาลของเราก้าวหน้าไปมาก จนเราเริ่มเห็นทิศทางที่จะนำไปสู่ทฤษฎีสุดท้ายแล้ว
การค้นพบทฤษฎีนี้ จะเป็นความสำเร็จสูงสุดที่จะสรุปความเข้าใจของเราเกี่ยวกับธรรมชาติ จะเป็นชัยชนะเหนือโจทย์ที่ยากที่สุดของฟิสิกส์ เป็นขุมความรู้นับตั้งแต่จักรวาลถือกำเนิด ไปจนถึงความลับของอนุภาคที่เล็กที่สุด แต่นั่นไม่ได้หมายความว่าเราจะหยุดตั้งคำถามและหาคำตอบไปเสียทั้งหมด ทฤษฎีสุดท้ายจะยิ่งช่วยให้เราตั้งคำถามที่ลึกซึ้งขึ้นไปอีก
สุดท้ายนี้ สตีเฟน ฮอว์กิง กล่าวว่า
“ สิ่งที่ผมหวังเป็นการส่วนตัว คือวันที่ทุกคนจะได้เรียนรู้และเข้าใจทฤษฎีนี้ในเชิงหลักการ แม้จะไม่ใช่รายละเอียดทางคณิตศาสตร์ทั้งหมด ผมอยากเห็นความรู้เกี่ยวกับจักรวาลแพร่หลายในหมู่ผู้คน ไม่ใช่เฉพาะในแวดวงนักฟิสิกส์เท่านั้น เพราะมันเกี่ยวข้องกับทุกชีวิตบนโลกนี้ เราทุกคนล้วนอาศัยอยู่ภายใต้กฎเดียวกัน และล้วนเป็นส่วนหนึ่งของจักรวาลใบนี้ ”
“ บางคนอาจจะถามว่า แล้วพระเจ้าอยู่ตรงไหนในทฤษฎีนี้? ผมคิดว่าแม้เราจะพบทฤษฎีสุดท้าย เราก็ยังคงมีที่ว่างให้พระเจ้าในการสร้างจักรวาลตามกฎที่มีอยู่ แต่เราไม่จำเป็นต้องมีพระเจ้าในการอธิบายการกำเนิดและวิวัฒนาการของจักรวาล เพราะกฎของฟิสิกส์ดูเหมือนจะครอบคลุมทุกสิ่งแล้ว จักรวาลสามารถเกิดและคงอยู่ได้ด้วยตัวมันเอง เป็นไปตามกลไกและปฏิสัมพันธ์พื้นฐาน ”
“ ผมมักจะโดนถามว่าการค้นพบเช่นนี้จะทำให้ศาสนาสูญสิ้นไปไหม คำตอบคือไม่ ศาสนาจะยังคงมีบทบาทในการเยียวยาจิตใจ สอนคุณธรรม และให้ความหวัง วิทยาศาสตร์เป็นเรื่องของการอธิบายที่มาที่ไปของสรรพสิ่ง ส่วนศาสนาเป็นเรื่องของการใช้ชีวิตและความหมายของชีวิต ทั้งสองสิ่งแตกต่างกัน แต่ก็เติมเต็มซึ่งกันและกันได้ ”
บทความโดย Pond Apiwat Atichat เจ้าของเพจ SuccessStrategies
.