Blockdit Logo (Mobile)
Newbie physicist (นักฟิสิกส์ฝึกหัด)
•
7 ส.ค. 2023 เวลา 06:30 • วิทยาศาสตร์ & เทคโนโลยี

รู้จักกับพลังงานมืด (dark energy)

.....พลังงานลึกลับที่ยังไม่มีนักฟิสิกส์คนไหนทราบคำตอบ....
เอกภพเป็นพื้นที่อันกว้างไพศาล ที่บรรจุสสารประกอบไปด้วย ดาวฤกษ์ ดาวเคราะห์ ฝุ่น แก็ส และสิ่งมีชีวิต ไว้ข้างใน ในสมัยโบราณนักปราชญ์เชื่อว่าเอกภพสถิตและคงอยู่มานานนับอนันต์ แต่ในปัจจุบันเราทราบว่า เอกภพมีวิวัฒนาการคือ มีจุดกำเนิดและมีจุดสิ้นสุด
ทฤษฎีที่อธิบายวิวัฒนาการของเอกภพ ตั้งอยู่บนทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอสไตน์ ที่ทำนายว่า เอกภพจะมีจุดจบ 3 แบบ คือ
  • 1.
    เอกภพจะขยายตัวออกอย่างช้าๆ โดยเมื่อถึงจุดหนึ่งแรงโน้มถ่วงจะดึงให้เอกภพยุบตัวลงมาและทุกสิ่งจะโดนทำลายที่จุดเริ่มต้นอีกครั้ง (big crunch)
  • 2.
    เอกภพจะขยายตัวออกอย่างคงที่ ทำให้กาแล็กซี่แต่ละแห่งจะถอยห่างออกจากกันเรื่อยๆ สุดท้ายเราแช่แข็งอย่างโดดเดี่ยวในจักรวาลนี้ (big freeze)
  • 3.
    เอกภพจะขยายตัวออกอย่างรวดเร็วเกินไป การขยายตัวในลักษณะนี้จะฉีกกระชากอะตอมของเราออกเป็นชิ้นๆ แล้วจะไม่มีอะไรหลงเหลือในจักวาลนี้ (big rip)
credit: https://spacetonight.com/dark-energy/
นั่นหมายความว่า เอกภพสามารถขยายตัวได้และหดตัวได้ ซึ่งได้รับการยืนยันจากการสังเกตุการณ์[1] โดยนักดาราศาสตร์นามว่า เอดวิน ฮับเบล ในปี ค.ศ. 1929
เอดวิน ฮับเบิล
ต่อมาในปี ค.ศ.1998 ทีมงานของ Perlmutter[2] และ Schmidt, Riess [3] ได้มีการศึกษาการระเบิดของดวงดาวหรือที่เรียกว่า "ซูเปอร์โนวา" ในกาแล็กซี่ที่อยู่ห่างออกไป พบว่า ความเข้มแสงของการระเบิดนั้นสว่างน้อยกว่าที่ควรจะเป็น ซึ่งสามารถตีความได้ว่า ผลของความเข้มแสงที่จางกว่าปกตินั้น เป็นผลมาจากการขยายตัวออกด้วย"ความเร่ง"ของเอกภพ หมายความว่า เอกภพของเรากำลังกำลังขยายตัวออกเร็วขึ้นเรื่อยๆ สามารถจินตนาการได้เหมือนกับการเหยียบคันเร่งรถยนต์ทิ้งไว้ รถยนต์ก็จะมีความเร็วเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ นั่นเอง
Riess, Perlmutter, Schmidt ตามลำดับ
คำถาม...แล้วเอกภพขยายตัวด้วยความเร่งได้อย่างไร คำตอบคือ ไม่รู้ !!! แต่น่าจะเป็นพลังงานลึกลับอะไรบางอย่าง ซึ่งนักฟิสิกส์ยังไม่รู้ ก็เลยเรียกว่า พลังงานมืด (dark energy) ไว้ก่อน
แต่ผลการสังเกตุการณ์ของซูปเปอร์โนวา ได้ให้ข้อมูลที่สำคัญมากอย่างหนึ่งคือ เอกภพเราประกอบไปด้วย พลังงานมืดถึง 72% และสสารอีก 28% (ในปัจจุบันเราทราบว่าสสาร ประกอบด้วยสสารมืด 24% ส่วนสสารที่เรารู้จักมีแค่ 4% เท่านั้นเอง)
คำถาม.....แล้วนักฟิกส์รู้ได้อย่างไร? สามารถหาคำตอบได้จากพิจารณาผลการสังเกตุต่อไปนี้(กราฟด้านล่าง)
  • 1.
    จุดบนกราฟคือ ค่าส่องสว่างของซูปเปอร์โนวา เส้นตรงทึบสีดำคือ การวาดกราฟกรณีไม่มีพลังงานมืด เส้นประสีน้ำเงินคือกรณีมีพลังงานมืด
  • 2.
    พบว่า กรณีไม่มีพลังงานมืด เส้นกราฟมีค่าต่ำกว่าจุดบนกราฟและไม่สอดคล้องกับการสังเกตุ หมายความว่าค่าส่องสว่างจางกว่าที่ควรจะเป็น
  • 3.
    กรณีมีพลังงานมืดอยู่ด้วย พบว่า เส้นกราฟจะสอดคล้องกับผลการสังเกตุซูเปอร์โนวามากขึ้น และจะสอดคล้องมากที่สุดเมื่อมี สสาร 28% และพลังงานมืด 72%
ผลการสังเกตุการณ์จากซูเปอร์โนวา ที่ยืนยันการมีตัวตนอยู่ของพลังงานมืด credit: ภาพจาก การบรรยายของ Shinji Tsujikawa ใน the 5 Tha Pho school on cosmology
หลักจากปี ค.ศ.1998 นักฟิสิกส์ก็ได้หันมาสนใจศึกษา พลังงานมืดอย่างจริงจัง โดยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปได้ให้คำอธิบายว่า พลังงานมืดเป็นพลังงานที่มีค่า "ความดันเป็นลบ" โดยพลังงานที่ได้รับการยอมรับมากที่สุดว่าเป็นพลังงานมืดในปัจจุบันคือ ค่าคงที่จักรวาล(cosmological constant) ที่ถูกตีความว่าเป็นพลังงานสุญญากาศในทฤษฎีสนามควอนตัม
แต่ถ้าคำนวนพลังงานนี้ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปและทฤษฎีสนามควอนตัมพบว่ามีค่าต่างกันถึง 10^120 เท่า (10 ตามด้วยศูนย์ 120 ตัว) ซึ่งมันเป็นค่าที่ต่างกันมหาศาลจนรับไม่ได้ เรียกปัญหานี้ว่า ปัญหาค่าคงที่จักรวาล (cosmological constant problem)
ในปัจจุบัน ปัญหาเรื่องพลังงานมืดยังเป็นปัญหาสำคัญในฟิสิกส์ยุคใหม่ มีแบบจำลองมากมายที่พยายามอธิบายพลังงานมืด เช่น มองว่าพลังงานมืดเป็นสนามที่มีเฉพาะขนาดเรียกว่า สนามสเกลาร์(scalar field)
หรือนักฟิสิกส์บางกลุ่มเชื่อว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปยังไม่ถูกต้อง ต้องมีการปรับปรุงทฤษฎีให้สอดคล้องกับปัญหาพลังงานมืด เรียกทฤษฎีนี้ว่า ทฤษฎีความโน้มถ่วงขยายความ (modified gravity theory) เป็นต้น
อ้างอิง
[1] Hubble, Edwin. "A relation between distance and radial velocity among extra-galactic nebulae." Proceedings of the national academy of sciences 15.3 (1929): 168-173.
[2] Perlmutter, Saul, et al. "Measurements of Ω and Λ from 42 high-redshift supernovae." The Astrophysical Journal 517.2 (1999): 565.
[3] Riess, Adam G., et al. "Observational evidence from supernovae for an accelerating universe and a cosmological constant." The astronomical journal 116.3 (1998): 1009.
โฆษณา