ในปี 1927 บาทหลวงชาวฝรั่งเศสคนหนึ่งชื่อ Georges-Henri Lemaitre ได้เสนอรายงานวิจัยเรื่องกำเนิดของเอกภพ ว่า เกิดจากอะตอมแห่งปฐมกาล (l’ atome primitif) ซึ่งได้ระเบิด และแตกกระจัดกระจายออกเป็นดาราจักร ดาวฤกษ์ และดาวเคราะห์ต่างๆ แต่ไม่มีใครยอมรับเรื่อง “ฝัน” ทำนองนี้
จากนั้นอีก 2 ปีต่อมา Edwin Hubble นักดาราศาสตร์ชาวอเมริกันได้พบว่า ดาราจักร (galaxy) ต่างๆ กำลังเคลื่อนที่หนีจากโลก ดาราจักรที่อยู่ยิ่งไกล ยิ่งมีความเร็วมาก นั่นคือ เอกภพกำลังขยายตัว ข้อมูลนี้แสดงว่าเอกภพถือกำเนิดจากการระเบิดครั้งยิ่งใหญ่เมื่อประมาณ 15,000 ล้านปีมาแล้ว
แต่สำหรับคำถามที่ว่า เหตุใดเอกภพจึงระเบิด และระเบิดในลักษณะอย่างไรจึงทำให้เกิดดาราจักรมากมายดังที่เห็นปรากฏอยู่ทุกวันนี้ คำตอบที่ได้ยังเป็นเรื่องคาดเดา เช่น นักจักรวาลวิทยาบางคนกล่าวถึงการมี “สุญญากาศลวง” (false vacuum) ซึ่งเป็นสุญญากาศที่มีพลังงานมหาศาลซึ่งเมื่อปล่อยพลังงานออกมาแล้วได้กลับคืนสู่สถานะปกติ และพลังงานได้เปลี่ยนไปเป็นสสารทั้งที่มองเห็นและมองไม่เห็น
ในปี 1947 George Gamow ผู้ซึ่งทำงานร่วมกับ Hans Bethe และ Ralph Alpher ได้เสนอทฤษฎีกำเนิดของเอกภพใหม่ ว่า เกิดจากการขยายตัว ด้วยการระเบิดอย่างรุนแรง (Big Bang) จากของผสมที่เรียกว่า Ylem ระหว่างโปรตอน อิเล็กตรอน และนิวตรอน ซึ่ง Ylem มีอุณหภูมิสูงมาก และมีความหนาแน่นมากด้วย และภายในเสี้ยววินาทีแรกของการถือกำเนิด เอกภพมีธาตุ 1H, 2H, 3H, 3He และ 4He ส่วนธาตุหนักอื่นๆ ได้ถือกำเนิดในภายหลัง ที่บริเวณใจกลางของดาวฤกษ์
คำพยากรณ์หนึ่งของทฤษฎีนี้ คือ การระเบิดได้ทำให้เกิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งควรหลงเหลืออยู่ เพราะในขณะที่เอกภพถือกำเนิด อุณหภูมิของเอกภพสูงมาก ดังนั้นจากกฎการแผ่รังสีของวัตถุดำ เมื่อวัตถุมีอุณหภูมิสูงมาก คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่แผ่ออกจากวัตถุ จะมีความยาวคลื่นสั้น นั่นคือ ในช่วงเริ่มต้นของการถือกำเนิด เอกภพมีแต่รังสีแกมมา แต่เมื่อเวลาผ่านไป อุณหภูมิได้เริ่มลดลงๆ รังสีที่ปล่อยออกมา จะมีความยาวคลื่นมากขึ้นๆ และรังสีที่หลงเหลือนี้ ณ ปัจจุบันจะมีอุณหภูมิประมาณ 5 องศาเคลวิน (-268 องศาเซลเซียส) อีกทั้งมีความยาวคลื่นตั้งแต่ 2-3 เซนติเมตร จึงเป็นรังสีไมโครเวฟ (microwave) ด้วยเหตุนี้เราจึงเรียกรังสีที่หลงเหลือ ว่า รังสี cosmic microwave background (CMB) และในปี 1964 Arno Penzias กับ Robert Wilson แห่งห้องปฏิบัติการของ Bell Laboratory ที่ New Jersey ได้พบว่า ในเอกภพมีรังสี CMB ทุกหนแห่ง และรังสีนี้จึงเป็นตัวรบกวนสัญญาณคลื่นวิทยุที่เราใช้ติดต่อกันตลอดเวลา
ผลการค้นพบรังสีไมโครเวฟพื้นหลังทำให้ Penzias กับ Wilson ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1978 แต่การค้นพบนี้ก็ใช่จะเป็นคำตอบสุดท้ายสำหรับปริศนาการถือกำเนิดของเอกภพ เพราะยังไม่สามารถอธิบายได้ว่า ดาราจักร และดาวฤกษ์ต่างๆ อุบัติได้อย่างไร ในเมื่อการระเบิดน่าจะทำให้เอกภพมีความหนาแน่นของสสารสม่ำเสมอ แต่ในความเป็นจริง สสารมิได้อยู่กระจัดกระจายอย่างเท่าเทียมกันทุกหนแห่ง คือ มักเกาะกลุ่มเป็นกาแล็กซี่ต่างๆ ดังนั้น อวกาศจึงมีอุณหภูมิไม่สม่ำเสมอ โดยบางบริเวณมีอุณหภูมิต่ำ และบางบริเวณมีอุณหภูมิสูง ซึ่งความแตกต่างของอุณหภูมินี้เองที่ทำให้เอกภพเป็นดังที่เห็นในทุกวันนี้ George Smoot เป็นบุคคลหนึ่งที่เชื่อว่า แม้อุณหภูมิของเอกภพในบริเวณต่างๆ จะไม่สม่ำเสมอ คือ แตกต่างกันถึงจะไม่มาก แต่นักฟิสิกส์ก็สามารถวัดความแตกต่างได้ นั่นคือ เขาต้องการจะหารอยย่นในทะเลอุณหภูมิ ซึ่งทำหน้าที่เป็นปัจจัยดิบให้ดาราจักรใช้ในการก่อตัว หรือพูดสั้นๆ คือ Smoot ต้องการทำแผนที่ของเอกภพก่อนที่ดาวฤกษ์ดวงแรกจะอุบัติ
George Fitzgerald Smoot เกิดเมื่อปี 1945 ที่เมือง Yukon ในรัฐ Florida สหรัฐอเมริกา บิดาเป็นนักอุทกวิทยา ส่วนมารดาเป็นครูสอนวิทยาศาสตร์ และคณิตศาสตร์ เมื่ออายุ 10 ปี ครอบครัวได้อพยพจาก Florida ไป Alaska Smoot บอกว่า เขาต้องการเป็นนักวิทยาศาสตร์ตั้งแต่เด็ก ชอบอ่านชีวประวัติของ Galileo และอ่านนวนิยายวิทยาศาสตร์ของ Arthur C.Clark
ในเบื้องต้น Smoot คิดจะเรียนแพทย์ แต่พบว่าสนใจและรักฟิสิกส์กับคณิตศาสตร์มากกว่า จึงเลือกเรียนฟิสิกส์ที่ Massachusetts Institute of Technology (MIT) จนสำเร็จปริญญาตรีในปี 1966 จากนั้นได้เรียนต่อระดับปริญญาเอกที่ MIT เช่นกัน โดยทำวิทยานิพนธ์ด้านฟิสิกส์ของอนุภาค (particle physics) ซึ่งเป็นสาขาที่ป้อบปูลาร์มาก เมื่อสำเร็จ Ph.D ในปี 1971 Smoot ได้หลบเลี่ยงไปวิจัยด้านจักรวาลวิทยา (cosmology) ที่มหาวิทยาลัย California ที่ Berkeley
ณ ที่นั่น Smoot ได้ทำงานวิจัยกับ Luis W. Alvarez (ผู้พิชิตรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 1968) แห่ง Lawrence Berkeley National Laboratory ซึ่งกำลังสนใจฟิสิกส์ดาราศาสตร์ (astrophysics) และกำลังค้นหาปฏิสสาร (antimatter) ในบริเวณนอกโลก เพราะเชื่อว่า เมื่อเอกภพถือกำเนิดพลังงานปริมาณมากได้ถูกปล่อยออกมาให้กลายเป็นมวล มวลดังกล่าวควรประกอบด้วยสสารและปฏิสสารในปริมาณที่เท่ากัน เพราะบนโลกมีสสารมาก แต่ไม่มีปฏิสสารเลย ดังนั้น ในอวกาศจึงอาจจะมีปฏิสสารมาก
โครงการ High Attitude Particle Physics Experiment (HAPPE) ของ Alvarez มีจุดมุ่งหมายจะค้นหาปฏิสสารที่ระดับสูง โดยการส่งบอลลูนขึ้นไปตรวจจับในอวกาศ และศึกษารังสี CMB แต่ไม่พบปฏิสสารเลย ไม่ว่าจะปล่อยบอลลูน ณ ที่ใด ทั้งที่ Palestine, Texas, Aberdeen หรือ South Dakota ความสนใจของ Smoot จึงเริ่มเบี่ยงเบนจาก Particle physics มาเป็น Cosmology
ประจวบกับในช่วงเวลานั้น P. James E. Peebles ได้เสนอทฤษฎีจักรวาลวิทยาว่า ถ้าทฤษฎี Big Bang เป็นจริง รังสีไมโครเวฟพื้นหลังน่าจะมีอุณหภูมิไม่สม่ำเสมอ คือบางบริเวณจะร้อน และบางบริเวณจะเย็น ดังนั้น ถ้ามีอุปกรณ์วัดความยาวคลื่น ความถี่ และอุณหภูมิของรังสีอย่างละเอียด ความแปรปรวนของอุณหภูมิจะปรากฏ
Alvarez ได้เสนอให้ใช้เครื่องบินสอดแนมแบบ U2 แทนบอลลูนสำหรับการวิจัยนี้ ซึ่ง NASA ก็ได้จัดให้ แต่อุปกรณ์ไม่ได้แสดงผลในระดับที่น่าพอใจ ดังนั้น Smoot กับ Alvarez จึงเสนอโครงการวิจัยใหม่ที่จะศึกษารังสี CMB อย่างละเอียด เพื่อวัดความแปรปรวนของอุณหภูมิในรังสี CMB โดยจะไม่วัดอุณหภูมิจริง แต่วัดความแตกต่างของอุณหภูมิ นี่จึงเป็นการวัดแบบ Differential Microwave Radiometry
โครงการวิจัยจึงเกิดจากความร่วมมือระหว่าง Goddard Space Flight Center กับ Jet Propulsion Laboratory ซึ่งจะนำอุปกรณ์ Differential Microwave Radiometer บรรจุในดาวเทียม ชื่อ Cosmic Background Explorer (COBE) ขึ้นอวกาศด้วยจรวด ดังนั้น Smoot จะต้องออกแบบอุปกรณ์วัดให้สามารถบรรจุลงในดาวเทียม ซึ่งจะถูกนำขึ้นอวกาศโดยกระสวยอวกาศ (space shuttle)
ลุถึงปี 1980 ทฤษฎีการขยายตัวอย่างรวดเร็วของเอกภพ (Inflation) ที่ Alan Guth นำเสนอให้เป็นทฤษฎีกำเนิดของเอกภพได้พยากรณ์ว่า ความแตกต่างของอุณหภูมิจะน้อยลงไปยิ่งกว่าคำพยากรณ์ในแบบจำลองอื่น
Smoot จึงต้องพยายามปรับความไวของอุปกรณ์ที่จะใช้วัดอุณหภูมิให้เพิ่มขึ้นอีก
ถึงเดือนมกราคม ค.ศ.1986 ความหวังของ Smoot ก็ต้องเลื่อนออกไปอีก เมื่อกระสวยอวกาศ Challenger ระเบิดทำให้นักบินอวกาศทั้ง 7 คนเสียชีวิต ดาวเทียม COBE จึงต้องถูกออกแบบใหม่เพื่อนำไปติดตั้งบนจรวดอื่นที่ไม่ใช่จรวด Delta
Smoot คิดนำ COBE ไปติดตั้งบนจรวด Adriane ของฝรั่งเศส แต่ NASA ไม่ยินยอม เพราะจะเป็นการเสียศักดิ์ศรีที่โครงการวิจัยของอเมริกาต้องให้ฝรั่งเศสช่วย
จนถึงเดือนพฤษภาคม ค.ศ.1989 เมื่ออุปกรณ์วัดอุณหภูมิอยู่ในสภาพพร้อม และจรวด Titan ก็พร้อม ที่ฐานทัพอวกาศ Vandenberg ใน California ดาวเทียม COBE ซึ่งเป็นผลงานของนักวิจัย 1,500 คน จาก 32 บริษัท ซึ่งต้องใช้งบประมาณสร้าง 160 ล้านดอลลาร์ก็ถูกส่งทะยานขึ้นฟ้า หลังจากที่ต้องคอยมานาน 15 ปี ในดาวเทียมดวงนี้มีอุปกรณ์ที่ John Mather ใช้วัดสเปคตรัมและอุณหภูมิโดยเฉลี่ยของรังสี CMB ด้วย
ด้วยความเร็ว 27,000 กม./วินาที COBE ซึ่งโคจร ณ ที่ระดับสูง 900 กิโลเมตร เหนือพื้นดิน จึงไม่ถูกรบกวนด้วยรังสีไมโครเวฟจากเมฆหรือไอน้ำใดๆ
ถึงปี 1992 ก่อนที่ Smoot จะตีพิมพ์ผลงานของเขาในวารสาร Nature เขาได้วิเคราะห์ข้อมูลอย่างละเอียด ขจัดความผิดพลาดทุกรูปแบบจนมั่นใจถึงระดับจะให้เงินรางวัลเป็นตั๋วเครื่องบินไป-กลับ แก่ใครก็ได้ที่พบที่ผิดหนึ่งแห่งในบรรดาข้อมูล 1 ล้านข้อมูล งานเขียน 4 ชิ้นได้รับการแก้ไขกว่า 100 ครั้ง ในที่สุด Smoot ได้นำผลงานนี้ไปแถลงในที่ประชุม American Physical Society เมื่อวันที่ 25 เมษายน ค.ศ.1992 ประกาศการพบรอยย่นในทะเลอุณหภูมิของรังสี CMB
ผลงานของ Smoot ได้แสดงให้เห็นว่า เอกภพมีแรงอีกชนิดหนึ่งที่ทำให้เกิดความแปรปรวนของอุณหภูมิ ซึ่งแรงนี้ไม่ใช่แรงโน้มถ่วง ข้อมูลยังแสดงให้เห็นอีกว่า เอกภพมีสสารมืด อธิบายต้นกำเนิดของกาแล็กซี่ และตอกย้ำว่า เมื่อเอกภพถือกำเนิดใหม่ๆ การแผ่ขยายตัวของเอกภพจะเป็นไปอย่างรวดเร็ว (inflation) ด้วยความเร็วยิ่งกว่าแสง
ในปี 2006 George Smoot แห่งมหาวิทยาลัย California ที่ Berkeley ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์จากการพบความแปรปรวนของรังสีไมโครเวฟ ซึ่งเกิดขึ้นหลังจากที่เอกภพถือกำเนิด 300,000 ปี ร่วมกับ John Mather แห่ง NASA ทั้งๆ ที่เมื่อพบใหม่ๆ รังสี CMB ดูสม่ำเสมอ แต่ Smoot ได้พบว่า บางบริเวณมีความหนาแน่นของสสารมากจึงส่งแรงโน้มถ่วงดึงดูดสสารอื่นๆ มารวมตัวเป็นกาแล็กซี่ ฯลฯ ผลงานนี้จึงเปรียบเสมือนกับ Smoot ได้ถ่ายภาพเอกภพขณะมีอายุยังน้อย และพบความแปรปรวนของอุณหภูมิที่แม้ว่าน้อยระดับ 1/100 ถึง 1/1000 องศาเซลเซียส แต่ก็สามารถอธิบายการถือกำเนิดของกาแล็กซี่และดาวฤกษ์ได้เป็นอย่างดี
ณ วันนี้ Smoot กำลังศึกษารูปทรงของเอกภพ อัตราการหมุน ค้นหามิติที่ 5-10 ของเอกภพ และรู้สึกทึ่งที่ทั้งๆ ตนเริ่มวิจัย ฟิสิกส์ของอนุภาค แต่มาจบลงที่จักรวาลวิทยา ซึ่งขณะนี้วิทยาการทั้งสองสาขากำลังถามคำถามเดียวกัน คือ ศึกษาสภาพของเอกภพ ขณะอวกาศและเวลาถือกำเนิดใหม่ๆ นั่นคือ เมื่อน้อยกว่า 300,000 ปี
อ่านเพิ่มเติมจาก Wrinkles in Time ที่เรียบเรียงโดย G. Smoot และ K. Davidson ซึ่งจัดพิมพ์โดย Avon Books ในปี 1994
************
เกี่ยวกับผู้เขียน
สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน - ภาคีสมาชิกราชบัณฑิตยสถาน และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์
ประวัติการศึกษา - ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ สุทัศน์ ยกส้าน ได้ทุกวันศุกร์
