Cosmological redshift ปรากฏการณ์ธรรมชาติที่เปลี่ยนความคิดไอสไตน์ไปตลอดกาล
อัลเบิร์ต ไอสไตน์ นักฟิสิกส์ผู้ถูกมองว่าเป็นสัญลักษณ์แห่งอัจฉริยภาพในปัจจุบัน แต่จริงๆแล้วไอสไตน์ก็เคยผิดพลาดในฟิสิกส์มาแล้วหลายต่อหลายครั้ง ยกตัวอย่างเช่น ไอสไตน์ไม่เชื่อในทฤษฎีควอนตัม จนเกิดเป็นวลีเด็ดว่า “ God does not play dice (พระเจ้าไม่เล่นลูกเต๋าหรอกนะ) ” แต่ในปัจจุบัน เราทราบกันดีว่า ทฤษฎีควอนตัมเป็นทฤษฎีที่ประสบความสำเร็จอย่างมาก จนถูกนับว่าเป็นเสาหลักหนึ่งในฟิสิกส์ยุคใหม่
หรือเหตุการณ์ที่เราจะนำเอามาเล่ากันในวันนี้ ไอสไตน์ถึงกับบอกว่า “ biggest blunder(ความผิดพลาดที่ใหญ่ที่สุด)” เพราะทฤษฎีของเขาได้ให้คำตอบที่ถูกต้องแล้ว แต่ไอสไตน์เองกลับไม่เชื่อและมองว่าทฤษฎีของเขายังไม่สมบูรณ์ นั่นก็คือ “ ปัญหาการขยายตัวของเอกภพ (expansion of the universe) ”
ไอสไตน์เชื่ออย่างสนิทใจว่า เอกภพมีลักษณะนิ่งสถิตและมีขนาดเป็นอนันต์ ในปี ค.ศ.1917 สองปีหลักจากที่ไอสไตน์ได้เสนอทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ไอสไตน์ได้พบว่า ตัวทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปหรือแม้แต่ทฤษฎีความโน้มถ่วงของนิวตัน ไม่สอดคล้องกับเอกภพสถิตและมีขนาดเป็นอนันต์ที่บรรจุดาวฤกษ์ ดาวเคราะห์ไว้ข้างใน
ไอสไตน์พบว่า ถ้าพิจารณาเอกภพในระดับที่ใหญ่มากๆ สสารที่อยู่ภายในเอกภพสถิตและอนันต์จะต้องมีความหนาแน่นเท่ากันในทุกๆจุด หมายความว่า ความโน้มถ่วงก็จะต้องมีค่าคงที่และมีค่าเท่ากันในทุกๆตำแหน่งของเอกภพ
ภาพจำลองเอกภพ ในระดับใหญ่มากๆ จะมีความหนาแน่นของกาแล็กซี่กระจายตัวอย่างสม่ำเสมอ
แต่ทฤษฎีความโน้มถ่วงของนิวตันให้คำอธิบายที่ไม่สอดคล้องกับเอกภพสถิต กล่าวคือ ถ้าความโน้มถ่วงมีค่าคงที่ ความหนาแน่นสสารในเอกภพจะต้องเป็นศูนย์เท่านั้น หมายความว่า จะต้องไม่มีอะไรอยู่ในเอกภพ คำถามคือ ถ้าไม่มีสสาร แล้วความโน้มถ่วงมาจากไหน เกิดเป็นข้อขัดแย้งขึ้นมา เรียกว่า Seeliger’s gravitational paradox ไอสไตน์คิดว่าทฤษฎีของนิวตันไม่สมบูรณ์และได้พยายามแก้ปัญหานี้เพราะเขาเชื่ออย่างสุดหัวใจว่า เอกภพต้องเป็นอนันต์และสถิต
สิ่งที่ไอสไตน์ทำคือ เขาได้ปรับปรุงทฤษฎีของนิวตัน โดยการเพิ่มค่าคงที่ของจักรวาล(cosmological constant) ลงไป ผลที่ได้คือ สามารถแก้ไขปัญหาค่าความหนาแน่นของเอกภพที่เป็นศูนย์ได้ ซึ่งสอดคล้องกับเอกภพสถิตและอนันต์พอดี และเนื่องจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเป็นการขยายแนวคิดมาจากทฤษฎีความโน้มถ่วงของนิวตัน ไอสไตน์จึงต้องปรับปรุงทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของเขาด้วย โดยการเพิ่มเทอมค่าคงที่จักรวาลเข้ามาในสมการของเขา เพื่อเอาไว้ต้านการขยายตัวหรือหดตัวของเอกภพ เพื่อให้เอกภพยังคงสถิตนิ่งและเป็นอนันต์
Alexander Friedmann
ในปี 1922 อเล็กซานเดอร์ ฟรีดมานน์ (Alexander Friedmann) ได้คำนวณหาผลเฉลยที่มาจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป คำตอบที่ได้พบว่า ถ้าเอาค่าคงที่จักรวาลออกไปจากสมการ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทำนายว่า เอกภพจะขยายตัวออกอย่างช้าๆ จนถึงจุดๆหนึ่งที่ความโน้มถ่วงสามารถเอาชนะการขยายตัว และเอกภพจะหดตัวลง ความโน้มถ่วงจะทำลายทุกสิ่งทุกอย่าง นั่นคือชะตากรรมของเอกภพที่ต้องเจอ นี่คือสิ่งที่ฟรีดมานน์ค้นพบจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป แต่ไอสไตน์ไม่เชื่อในตัวทฤษฎีของเขา และยืนยันว่าต้องมีค่าคงที่จักรวาลเพื่อให้เอกภพยังคงสถิตนิ่งตลอดกาล
Edwin Hubble
จนกระทั่งในปี 1929 เอดวิน ฮับเบิล ( Edwin Hubble ) ได้ส่องกล้องไปที่กาแล็กซี่ต่างๆ เขาได้พบกับความแปลกประหลาดเป็นอย่างมาก คือฮับเบิลได้ค้นพบว่า กาแล็กซี่ต่างๆรอบโลกของเรานั้น กำลังถอยห่างจากเราไปเรื่อยๆซึ่งมันไม่ใช่เรื่องบังเอิญอย่างแน่นอน เพราะหลายพันกาแล็กซี่ที่ฮับเบิลได้ส่อง มันต้องมีบางกาแล็กซี่ที่เคลื่อนที่เข้าหาเราบ้างหรือถอยห่างบ้างคละกันไป แต่มันเป็นไปได้ยากมากที่ทุกกาแล็กซี่จะถอยห่างจากเราพร้อมกันหมด จึงเกิดเป็ข้อสรุปออกมาว่า "เอกภพกำลังขยายตัวออก" นั่นเอง
การขยายตัวของเอกภพ ให้จินตนาการเหมือนกับลูกโป่ง กาแล็กซี่ต่างๆอยู่บนผิวของลูกโป่งนี้ จะพบว่าระยะห่างระหว่างกาแล็กซี่จะมีค่าประมาณหนึ่ง แต่เมื่อเราเป่าลมเข้าไปในลูกโป่งจะพบว่า พื้นที่ของลูกโป่งกำลังขยายออกและกาแลกซี่ที่วาดอยู่บนพื้นผิวของลูกโป่งก็จะห่างกันเรื่อยๆ ไม่เพียงแค่นั้น ฮับเบิลยังพบอีกว่า ยิ่งกาแล็กซี่อยู่ห่างมากเท่าไหร่ ความเร็วของกาแลกซี่ก็จะเพิ่มมากขึ้นเท่านั้น
Expansion of the Universe. Credit: Eugenio Bianchi, Carlo Rovelli & Rocky Kolb.
คำถามก็คือว่า แล้วฮับเบิลวัดความเร็วของกาแล็กซี่ได้อย่างไร ไม่มีทางที่เขาจะมองด้วยตาแล้วจับเวลาด้วยนาฬิกา โดยวิธีการที่ฮับเบิลใช้ในการวัดความเร็วของกาแลกซี่ เรียกว่า “cosmological redshift” หรือเป็นที่รู้จักในอีกชื่อว่า “ปรากฏการณ์ดอปเปอร์ของแสง (doppler effect of light)”
ก่อนอื่นมารู้จัก“ปรากฏการณ์ดอปเปอร์”ก่อน โดยปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นเมื่อความถี่ของคลื่นเกิดการเปลี่ยนแปลงเนื่องจากการเคลื่อนที่ของแหล่งกำเนิดคลื่น ยกตัวอย่างเช่น ปรากฏการณ์ดอปเปอร์ของเสียง ให้จินตนาการว่ามีรถพยาบาลเปิดไซเรน โดยเสียงที่ออกมาจากลำโพงก็คือคลื่นเสียงนั่นเอง โดยเสียงแหลมเกิดจากเสียงที่มีความถี่สูง ส่วนเสียงทุ้มคือเสียงที่มีความถี่ต่ำ
ถ้ารถพยาบาลคันนี้อยู่นิ่งๆเทียบกับเรา เราจะได้ยินเสียงไซเรนรอบๆรถเท่ากันเพราะความถี่ที่ออกมาจากลำโพงเท่ากันรอบทิศทาง แต่เมื่อไหร่ก็ตามที่รถพยาบาลกำลังเคลื่อนที่ เราสามารถแบ่งได้เป็น 2 กรณีคือ 1.รถพยาบาลเคลื่อนที่เข้าหาเรา เราจะได้ยินเสียงไซเรนจะแหลมขึ้นกว่าปกติ เพราะความถี่บริเวณด้านหน้ารถมีค่าสูงขึ้น 2. รถพยาบาลออกห่างจากเรา เราจะได้ยินเสียงไซเรนทุ้มลง เพราะความถี่ของเสียงบริเวณท้ายรถต่ำลง
คนที่รถเคลื่อนที่เข้าหาจะได้ยินเสียงแหลมขึ้น เพราะความถี่ของเสียงด้านหน้าเพิ่มขึ้น คนที่รถเคลื่อนที่ออกห่างจะได้ยินเสียงทุ้มลง เพราะความถี่ด้านหลังรถน้อยลง ภาพจาก: https://www.vboxautomotive.co.uk/index.php/en/how-does-it-work-gps-accuracy
เราสามารถใช้หลักการนี้ประยุกต์กับแหล่งกำเนิดคลื่นแสงได้ แต่จะแตกต่างจากคลื่นเสียงเล็กน้อยคือ คลื่นเสียงเราสามารถวัดความแตกต่างของความถี่ได้ด้วยหู แต่คลื่นแสงเราไม่สามารถวัดความแตกต่างได้ด้วยตาเปล่า จึงต้องมีวิธีการวัดแบบอื่น ซึ่งวิธีนั้นคือ การหาสเปกตรัมของคลื่นแสงนั่นเอง โดยการนำเอาคลื่นแสงมาผ่านกล้องที่เรียกว่า สเปกโตรสโคป (spectroscope) สิ่งที่ได้คือคลื่นแสงจะแยกออกมาเป็นสเปกตรัมหลายๆสี ให้นึกถึงรุ้งกินน้ำ
สเปกตรัมของแสง ภาพโดย No-longer-here จาก Pixabay
โดยสเปกตรัมของแสงแบ่งออกเป็น 3 ประเภทคือ 1. สเปกตรัมต่อเนื่อง(continuous spectrum) เป็นสเปกตรัมที่เกิดจากเรานำเอากล้องไปส่องแหล่งกำเนิดแสงโดยตรง เช่น ดวงอาทิตย์ 2. สเปกตรัมไม่ต่อเนื่องแบบปลดปล่อย(emission spectrum) เกิดจากเรานำเอากล้องไปส่องแก๊สร้อนที่ถูกเผาให้ร้อนจากดวงอาทิตย์ 3. สเปกตรัมไม่ต่อเนื่องแบบดูดกลืน(absorption spectrum) เกิดจากเรานำกล้องไปส่องแสงของดวงอาทิตย์ที่ผ่านกลุ่มแก๊ส
สเปกตรัมของแสงไล่จากซ้ายไปขวา สเปกตัมต่อเนื่อง/สเปกตรัมไม่ต่อเนื่องแบบปลดปล่อย/สเปกตรัมไม่ต่อเนื่องแบบดูดกลืน ตามลำดับ credit NASA, ESA, Leah Hustak (STScI)
สเปกตรัมที่เราจะนำเอาไปใช้งานคือ สเปกตรัมที่ไม่ต่อเนื่อง เพราะประโยชน์ของสเปกตรัมแบบนี้คือ ธาตุแต่ละธาตุจะมีสเปกตรัมเป็นของตนเองซึ่งไม่ซ้ำกันเลย หมายความว่า สเปกตรัมเปรียบเสมือนเป็นลายนิ้วมือของแต่ละธาตุนั่นเอง ด้วยเหตุนี้เราจึงสามารถบอกได้ว่าแก๊สร้อนที่แสงของดวงอาทิตย์ผ่านประกอบด้วยธาตุอะไรบ้าง
ลักษณะสเปกตรัมของแต่ละธาตุ credit NASA, ESA, Leah Hustak (STScI)
ประเด็นอยู่ตรงนี้ ถ้าเราส่องสเปกตรัมของแก็สร้อนที่กำลังเคลื่อนที่ กล่าวคือ ถ้าแก๊สร้อนนี้เคลื่อนที่มาหาเรา ความถี่ของแสงจะมากขึ้น(นึกภาพรถพยาบาล) เราจะพบว่า แถบสเปกตรัมจะเลื่อนไปทางสีน้ำเงิน เรียกว่า blue shift(การเลื่อนไปทางน้ำเงิน) ถ้าแก็สร้อนนี้เคลื่อนที่ออกห่างจากเรา ความถี่ของแสงจะน้อยลง แถบสเปกตัมที่ได้จะเลื่อนไปทางแดง เรียกว่า red shift(การเลื่อนไปทางแดง) เมื่อเทียบกับสเปกตรัมของแก๊สที่ไม่ได้เคลื่อนที่ ซึ่งหาได้จากแลบทดลอง
ภาพการเกิด Blue shift และ Red shift credit: https://en.wikipedia.org/wiki/Redshift#/media/File:Redshift_blueshift.svg
ภาพของสเปกตรัมที่การเกิด red shift credit: https://en.wikipedia.org/wiki/Redshift#/media/File:Redshift.svg
ด้วยเทคนิคนี้ ฮับเบิลได้ส่องกล้องวัดสเปกตรัมไปที่กาแล็กซี่ต่างๆ แล้วพบว่า สเปกตรัมที่กาแล็กซี่ปล่อยออกมา เลื่อนไปทางแดงทุกกาแลกซี่ การเลื่อนไปทางแดงมีประโยชน์อย่างหนึ่งคือ เราสามารถคำนวนหาความเร็วของกาแล็กซี่ได้จากสเปกตรัมที่เลื่อนไปได้ หมายความว่า ถ้าสเปกตรัมเลื่อนไปทางแดงมากเท่าไหร่ กาแล็กซี่ก็จะเคลื่อนที่ออกห่างจากเราด้วยความเร็วมากเท่านั้น
ด้วยเหตุนี้ฮับเบิลจึงสามารถวัดความเร็วของกาแล็กซี่ต่างๆได้และค้นพบว่ากาแลกซี่ยิ่งห่างไกลเท่าใด การเลื่อนไปทางแดงก็จะมากเท่านั้น นั่นคือกาแล็กซี่ก็จะเคลื่อนที่ออกห่างจากเราเร็วขึ้น โดยระยะทางที่เพิ่มขึ้นจะสัมพันธ์กับความเร็วที่เพิ่มขึ้นอย่างสม่ำเสมอเป็นเส้นตรง เรียกความสัมพันธ์ตรงนี้ว่า กฎของฮับเบิล
ความสัมพันธ์ระหว่างระยะทางและความเร็วของกาแลกซี่ Credit: Edwin Hubble, Proceedings of the National Academy of Sciences, vol. 15 no. 3, pp.168-173
ด้วยผลการสังเกตการณ์ของฮับเบิลที่เพียบพร้อมไปด้วยหลักฐานที่ไอสไตน์ไม่อาจปฏิเสธได้ จึงทำให้ไอสไตน์ต้องยอมรับแต่โดยดีว่า เอกภพกำลังขยายตัวออกจริงๆ ทฤษฎีสัมพัทธภาพของเขาได้ให้คำทำนายที่ถูกต้องแล้ว การเพิ่มค่าคงที่จักรวาลลงไปในสมการนับเป็นความผิดพลาดที่ใหญ่ที่สุดของไอสไตน์เอง
อัจฉริยะอย่างไอสไตน์ยังสามารถผิดพลาดได้เพราะความเชื่อของเขาเอง ความเชื่อไม่ใช่สิ่งที่ผิด เพราะวิทยาศาสตร์ทุกวันนี้ก็ตั้งอยู่บนความเชื่อที่เรียกว่า สัจพจน์ แต่ความเป็นนักวิทยาศาสตร์คือต้องใจกว้าง ถ้ามีคนที่หาหลักฐานที่น่าเชื่อถือมาบอกเราว่า สิ่งที่เราเชื่อนั้นมันผิด ก็ควรที่จะยอมรับว่าเราผิดเหมือนกับสิ่งที่ไอสไตน์ทำ
เรียบเรียงโดย
นักฟิสิกส์ฝึกหัด
- 1
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
