ในความเข้าใจของคนทั่วไป เอกภพมี 3 มิติ ที่เป็นแนวหน้า-หลัง ซ้าย-ขวา กับบน-ล่าง แต่สำหรับนักวิทยาศาสตร์ โครงสร้างของเอกภพมี 4 มิติ คือ 3 มิติตามที่ชาวบ้านเข้าใจกับ 1 มิติของเวลา ซึ่งหมายความว่า ในการกล่าวถึงปรากฏการณ์ใดในเอกภพ นักวิทยาศาสตร์จำเป็นต้องระบุเลข 4 จำนวน เพื่อบอกพิกัดของเหตุการณ์นั้นในปริภูมิ 4 มิติของอวกาศ-เวลา (spacetime)
เหตุใดเอกภพจึงมี 4 มิติ จะมีมากกว่า 4 มิติที่เรามองไม่เห็นได้หรือไม่
เมื่อ 100 ปีก่อนนี้ที่ Albert Einstein เสนอทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป โดยการสังเคราะห์มิติทั้ง 4 เข้าด้วยกันเป็นกรอบความคิดใหม่เรียก spacetime (อวกาศ-เวลา) ซึ่งทำให้อวกาศและเวลาในบริเวณโดยรอบของมวลเป็นโครงสร้างที่ยืดหยุ่นได้ เหมือนแผ่นยางพารา คือ สามารถยืดออก หดเข้า และบิดเบี้ยวได้ ดังนั้น โครงสร้างของเอกภพจึงสามารถเปลี่ยนแปลงได้ตามปริมาณ และการเคลื่อนที่ของมวล แนวคิดนี้ทำให้ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปสามารถอธิบายการกระจายตัวของกาแล็กซี่ในเอกภพ การถือกำเนิดของหลุมดำการอุบัติของคลื่นโน้มถ่วง รวมถึงการถือกำเนิดของเอกภพก็ได้ด้วย
ปี 1970 เป็นเวลาที่นักฟิสิกส์ทฤษฎีเริ่มสังเคราะห์ทฤษฎีแรงโน้มถ่วงกับทฤษฎีควอนตัมให้เป็นทฤษฎีของสรรพสิ่ง และได้พบว่า ในการอธิบายแหล่งกำเนิดของอนุภาคมูลฐานต่างๆ อันได้แก่ อิเล็กตรอน, photon quark, neutrino ฯลฯ ซึ่งมีสมบัติกายภาพต่างกันว่าเกิดจากการกระตุ้นเส้นเชือก (string) ที่มีขนาดเล็กสุดๆ ให้สะบัดไปมาในเอกภพที่มี 10 มิติด้วยพลังงานที่มีค่าต่างๆ กัน
แม้ ณ วันนี้ทฤษฎี string จะมิได้บรรลุถึงเป้าหมายสูงสุด คือ เป็นทฤษฎีของสรรพสิ่งตามที่นักฟิสิกส์ทุกคนปรารถนา แต่ทฤษฎีก็ได้จุดประกายให้นักฟิสิกส์หันมาสนใจจะเห็นเอกภพที่มีมิติมากกว่า 4 และสงสัยถามกันว่า มนุษย์จะเห็นมิติที่ 5-10 ได้อย่างไร เมื่อใด ณ ที่ใด และด้วยวิธีใด
ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปใน 4 มิติของ Einstein ได้รับการพิสูจน์ว่าถูกต้องเป็นครั้งแรก เมื่อวันที่ 29 พฤษภาคม ค.ศ.1919 ขณะเกิดสุริยุปราคาเต็มดวงในท้องฟ้าเหนือเกาะ Principe ซึ่งอยู่ในมหาสมุทรแอตแลนติก และ Arthur Eddington ถ่ายภาพสุริยุปราคาได้ 16 ภาพ และเห็นดาวฤกษ์ต่างๆ ปรากฏอยู่ในภาพถ่าย ณ ตำแหน่งที่ไม่ควรอยู่ ทั้งนี้เพราะ Einstein ได้พิสูจน์ให้เห็นแทนที่แสงจากดาวฤกษ์จะเดินทางถึงตาคนบนโลกในแนวเส้นตรงตลอดเวลา แสงกลับเดินทางเป็นเส้นโค้งขณะผ่านใกล้ขอบของดวงอาทิตย์ เพราะบริเวณโดยรอบของดวงอาทิตย์ได้ถูกบิดจนโค้งลงเป็นแอ่งด้วยอิทธิพลของดวงอาทิตย์ที่มีมวลมากมหาศาล ดังนั้นเมื่อแสงเดินทางเข้าตาคนบนโลก การมองย้อนกลับไปจึงทำให้เห็นดาวดวงที่ปล่อยแสงปรากฏอยู่ที่อีกตำแหน่งหนึ่งในท้องฟ้า ซึ่งไม่ใช่ตำแหน่งที่แท้จริงของมัน
ในการสร้างทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปนั้น Einstein ได้ใช้เทคนิคคณิตศาสตร์ เรื่อง Differential Geometry เพื่อแสดงให้เห็นว่า พลังงานและมวลสามารถทำให้อวกาศ-เวลาในบริเวณรอบมวล บิดโค้ง หรือบิดเบี้ยวได้ มุมมองในลักษณะนี้ทำให้เราเข้าใจที่มาของแรงโน้มถ่วงว่า เปรียบเสมือนการมีลูกโบว์ลิงที่ค่อนข้างหนักวางอยู่บนฟูก บริเวณโดยรอบลูกโบว์ลิ่งจึงถูกทำให้โค้งลงเป็นแอ่ง ดังนั้นเวลามีการโยนลูกเทนนิสเข้าไปในแนวที่เฉียดลูกโบว์ลิง ลูกเทนนิสจะเคลื่อนที่ไปตามขอบโค้งของแอ่ง แล้ววนไปรอบลูกโบว์ลิง ภาพที่เห็นจึงดูเสมือนว่าลูกโบว์ลิงกำลังดึงดูดลูกเทนนิสด้วย “แรงโน้มถ่วง”
การพบที่มาของแรงโน้มถ่วงว่าเกิดจากลักษณะบิดโค้งของอวกาศ-เวลาในบริเวณโดยรอบมวล ทำให้ Einstein สามารถอธิบายลักษณะการโคจรที่ผิดปกติของดาวพุธรอบดวงอาทิตย์ได้อย่างสมบูรณ์ ในขณะที่ทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของ Newton ให้ผลไม่สอดคล้องกับการทดลอง
ในการเปรียบเทียบความประเสริฐทฤษฎีของ Newton กับของ Einstein นั้น มีประเด็นที่น่าสังเกตว่า ความแตกต่างระหว่างทฤษฎีทั้งสองแทบไม่แตกต่างกันเลย ในกรณีที่ดาวเคราะห์โคจรอยู่ไกลจากดวงอาทิตย์มาก แต่ถ้าดาวเคราะห์โคจรใกล้ดวงอาทิตย์ ความแตกต่างระหว่างทฤษฎีของ Newton และ Einstein จะเห็นได้ชัด ด้วยเหตุนี้การสังเกตลักษณะการเคลื่อนที่ของดาวพุธจึงต้องกระทำขณะเกิดสุริยุปราคาเต็มดวง โดยการสังเกตมุมเบี่ยงเบนแสงจากดาวฤกษ์โดยอิทธิพลของดวงอาทิตย์ นั่นคือ ดวงอาทิตย์จะทำหน้าที่คล้ายเลนส์ แต่ไม่ใช่เลนส์แสงที่ทำหน้าที่เบนรังสีแสงขณะรังสีแสงผ่านเลนส์ เพราะในกรณีนี้ดวงอาทิตย์ทำหน้าที่เป็นเลนส์โน้มถ่วง (gravitational lens)
ในปี 1979 นักดาราศาสตร์ Dennis Walsh ได้เห็นผลการทำงานของเลนส์โน้มถ่วงอีกครั้งหนึ่ง เมื่อกระจุกกาแล็กซี่ (galaxy cluster) ซึ่งประกอบด้วยกาแล็กซี่ใหญ่-น้อยที่อยู่ใกล้กันเป็นกลุ่ม สามารถเบี่ยงเบนรังสีแสงจากดาว quasar ที่อยู่เบื้องหลังกระจุกกาแลกซี่ได้ Walsh จึงเห็นภาพของดาว quasar 2 ภาพที่เหมือนกันทุกประการ ในกรณีของคนเราอาจจะมีคู่แฝดได้ แต่ quasar 2 ดวงจะเหมือนกันทุกประการนั้นเป็นเรื่องที่ไปไม่ได้เลย และนักฟิสิกส์อธิบายว่ามี quasar โคลนเกิดขึ้นเพราะอิทธิพลของเลนส์โน้มถ่วง หรือที่เรียกอีกอย่างว่าเลนส์ Einstein (Einstein lens)
ด้าน Jocelyn Bell ซึ่งเป็นนิสิตปริญญาเอกแห่งมหาวิทยาลัย Cambridge ในอังกฤษได้พบในปี 1967 ว่า ดาว pulsar ที่ตามปรกติจะปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมาเป็นจังหวะๆ อย่างสม่ำเสมอ และคำอธิบายของเหตุการณ์นี้ทำให้อาจารย์ที่ปรึกษาของเธอชื่อ Anthony Hewish ได้รับครึ่งหนึ่งของรางวัลโนเบลฟิสิกส์ปี 1974 ในฐานะเป็นผู้พบความสำคัญของ pulsar ว่า เป็นดาวนิวตรอนที่ประกอบด้วยอนุภาคนิวตรอนล้วนๆ ซึ่งเป็นผลที่เกิดจากแรงโน้มถ่วงมหาศาลของดาวได้บีบอัดอะตอมไฮโดรเจน จนอิเล็กตรอนที่โคจรรอบนิวเคลียสได้ถูกอัดลงไปรวมตัวกับโปรตอนในนิวเคลียส ทำให้ได้นิวตรอน ดังนั้น pulsar คือดาวนิวตรอนที่หมุนรอบตัวเองเร็วมาก
ก่อนที่ Hewish จะเดินทางไปรับรางวัลที่ Stockholm ไม่ถึงเดือน โลกก็รู้สึกตื่นเต้นอีกครั้งหนึ่ง เมื่อ Joseph Taylor แห่งมหาวิทยาลัย Princeton กับลูกศิษย์ชื่อ Russell Hulse ได้พบ pulsar ที่ไม่เหมือนกับ pulsar ของ Bell เพราะ pulsar ของ Taylor กับ Hulse ส่งคลื่นวิทยุออกมา ด้วยความถี่ที่ไม่คงตัวคือไม่เป็นจังหวะที่สม่ำเสมอ คือมีทั้งมากขึ้น และลดลง นักฟิสิกส์ทั้งสองได้อธิบายสิ่งที่เห็นว่า มันคือ pulsar คู่ (binary pulsar) เพราะประกอบด้วย pulsar ธรรมดาดวงหนึ่งโคจรรอบดาวที่ตามองไม่เห็นอีกดวงหนึ่ง ดังนั้น เวลา pulsar โคจรเข้าหาโลก ความถี่ของคลื่นจะเพิ่ม และเวลาโคจรหนีจากโลก ความถี่จะลดและเวลา pulsar โคจรรอบดาวอีกดวง โครงสร้างของอวกาศ-เวลาในบริเวณโดยรอบดาวจะเปลี่ยนแปลง การบิดโค้งของอวกาศ-เวลาที่เปลี่ยนนี้จะเคลื่อนที่ออกไปจาก pulsar ในลักษณะคลื่นที่มีความเร็วเท่าแสง และเมื่อคลื่นมีพลังงาน ดังนั้น pulsar จะสูญเสียพลังงานไปตลอดเวลา ทำให้มีความเร็วน้อยลง รัศมีวงโคจรของ pulsar รอบดาวดวงนั้นจึงลดตาม
การวิเคราะห์ธรรมชาติของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจาก pulsar ตลอดเวลา 4 ปีต่อมาจนถึงปี 1978 ทำให้คนทั้งสองสามารถแสดงให้เห็นว่า คาบการโคจรของ pulsar ได้ลดลง 75x10-3 วินาที/ปี
การเปลี่ยนแปลงที่วัดได้น้อยนิดนี้เป็นหลักฐานชิ้นแรกที่แสดงให้เห็นโดยทางอ้อมว่า เอกภพมีคลื่นโน้มถ่วง และผลงานนี้ทำให้ Taylor กับ Hulse ได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ปี 1993
ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปยังทำนายอีกว่ามีปรากฏการณ์ที่ประหลาดอีกหนึ่งเรื่องในธรรมชาติ นั่นคือ เรื่อง การลากกรอบอวกาศ-เวลา (frame dragging) โดยมวลที่หมุนรอบตัวเอง เพราะในปี 1918 Joseph Lense กับศิษย์ชื่อ Hans Thirring ได้คำนวณพบว่า เวลาวัตถุหมุนรอบตัวเอง อวกาศ-เวลาในบริเวณโดยรอบของมวลจะบิดเบี้ยว และจะมากหรือน้อยเพียงใดก็ขึ้นกับความเร็วเชิงมุมของมวลนั้น ผลที่ตามมาคืออุปกรณ์ gyroscope ซึ่งตามปกติจะชี้ทิศเดียวในอวกาศอย่างไม่เปลี่ยนแปลงเลย กลับเบี่ยงแนวการชี้ไปอีกทิศหนึ่ง เพราะการหมุนรอบตัวเองของมวลจะโครงสร้างอวกาศ-เวลาจะบิดเบี้ยวตาม
ปรากฏการณ์ Lense-Thirring ได้รับการตรวจสอบในวันที่ 20 เมษายน ค.ศ.2005 เมื่อ NASA ได้ส่งยานชื่อ Gravity Probe B ขึ้นโคจรในอวกาศ โดยได้ติดตั้ง gyroscope ในยานให้ชี้ไปที่ดาวฤกษ์ Rigel ซึ่งอยู่ห่างจากโลก 3 แสนปีแสง เพราะการหมุนของโลกรอบตัวเอง ทำให้อวกาศ-เวลาในบริเวณโดยรอบโลกบิดเบี้ยว ทิศของ gyroscope จึงเปลี่ยนไป 0.0007 องศาในเวลา 1 ปี ซึ่งเป็นผลที่ตรงตามทฤษฎีของ Einstein ทุกประการ
ลุถึงเดือนตุลาคมของปีกลาย ชาวโลกก็ได้ตื่นเต้นอีกครั้งหนึ่ง เมื่ออุปกรณ์ Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (หรือ LIGO) ในห้องปฏิบัติการของ NASA ในรัฐ Washington กับ Louisiana สามารถรับคลื่นโน้มถ่วงที่เกิดจากการชนระหว่างหลุมดำ 2 หลุมในอวกาศที่ไกลโพ้นได้
การค้นพบนี้มีความสำคัญมาก เพราะในคราวนี้นักฟิสิกส์ได้พบและเห็นคลื่นโน้มถ่วงโดยตรง มิใช่เห็นโดยทางอ้อมเหมือนดังที่ Taylor และ Hulse เคยกระทำ และการเห็นตรงๆ นี้ได้เปิดโลกทัศน์ในอนาคตของนักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ให้สามารถเห็นโครงสร้างของเอกภพได้มากขึ้นและดีขึ้น นั่นหมายความว่าเราอาจเห็นสสารมืด ธรรมชาติของหลุมดำ หรือช่วงเวลาระยะแรกๆ ที่เอกภพถือกำเนิด ซึ่งไม่เคยมีใครเห็นมาก่อน
จากโครงสร้างอวกาศ-เวลาของเอกภพ 4 มิติจริงแต่คำถามก็ยังมีต่อไปว่า เอกภพมีรูปทรงอย่างไร และอะไรคือสิ่งทำให้ธรรมชาติมีอวกาศ-เวลา
ตามปกติเวลายืนอยู่บนโลก เราจะเห็นรายละเอียดของผิวโลกว่ามีลักษณะตะปุ่มตะป่ำ เพราะมีทั้งภูเขา หุบเหว ทะเลทราย ป่า และมหาสมุทร จนทำให้บริเวณสูงต่ำนี้ดูไม่ราบเรียบ แต่ถ้าเรายืนอยู่บนดวงจันทร์ เราจะเห็นผิวโลกมีลักษณะราบเรียบเหมือนผิวลูกบิลเลียต รูปทรงของเอกภพก็เช่นกัน คือ ถ้ามองจากที่ไกลๆ ใน 4 มิติรูปทรงอาจมีความโค้งเป็นบวก ลบ หรือศูนย์ได้ ซึ่งเห็นได้ยาก แต่ถ้าต้องการจะเห็นได้ง่ายใน 3 มิติ ก็จะได้ว่าเอกภพที่เป็นทรงระนาบจะมีความโค้งเป็นศูนย์ ทรงกลมจะมีความโค้งเป็นบวก และทรงอานม้าจะมีความโค้งเป็นลบ
เมื่อ 15 ปีก่อนนี้ นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ได้เน้นการศึกษารูปทรงของเอกภพด้วยการศึกษารังสีคอสมิกภูมิหลัง ซึ่งเป็นคลื่นไมโครเวฟที่ยังหลงเหลืออยู่หลังการระเบิดครั้งยิ่งใหญ่ (Big Bang) เมื่อ 13,800 ล้านปีก่อน เพราะพบว่าการวัดพลังงานของรังสีในบริเวณต่างๆ ของเอกภพจะช่วยให้เรารู้รูปทรงของเอกภพได้ เช่น ถ้าอวกาศ-เวลา มีลักษณะแบนราบ คู่รังสีที่ขนานกัน จากที่ไกลๆ เมื่อเดินทางถึงโลก คู่รังสีนั้นก็จะยังขนานกันต่อไป แต่สำหรับคู่รังสีที่เดินทางผ่านบริเวณที่มีความโค้งบวก รังสีจะแยกจากกัน ดังนั้น วัตถุที่อยู่ไกลจะดูใหญ่ขึ้น ส่วนคู่รังสีที่ผ่านบริเวณที่มีความโค้งลบ รังสีทั้งคู่จะลู่เข้าทำให้วัตถุดูมีขนาดเล็กลง
ผลการวัดรูปทรงของบริเวณต่างๆ ในเอกภพโดยใช้บอลลูน BOOMERANG ในปี 2000 ทำให้ได้พบว่า เอกภพมีความโค้งเป็นศูนย์ นั่นคือ เอกภพมีรูปแบนราบใน 4 มิติ ซึ่งอาจมองดูได้จากผิวทรงกลมใน 3 มิติ ถ้าทรงกลมขยายขนาดตลอดเวลา ผิวโค้งของทรงกลมจะดูแบนราบมากขึ้นๆ และในเอกภพที่แบนราบความหนาแน่นทั้งหมดของมวล และพลังงานจะมีค่าเท่ากับความหนาแน่นวิกฤต ทฤษฎีของเอกภพยังระบุอีกว่าสสารที่มีในเอกภพทั้งหมดควรมีมากเพียงใด เพื่อทำให้เอกภพแบนราบ (flat) แต่เมื่อสสารที่เห็นยังมีปริมาณไม่มากพอ ดังนั้นเอกภพจึงต้องมีสสารมืด 26.8% และพลังงานมืดอีก 68.3% ที่ตามองไม่เห็น และสสารกับพลังงานมืดนี้กำลังทำให้เอกภพขยายตัวด้วยความเร่ง
การศึกษาเอกภพในอนาคตจะเป็นการก้าวข้ามจากสิ่งที่ตาเห็นไปสู่สิ่งที่ตามองไม่เห็น (ทั้ง dark matter และ dark energy) และจากสิ่งที่รู้ไปสู่สิ่งที่ยังไม่รู้เลย รวมถึงการศึกษาเอกภพที่มีขนาดมโหฬาร ไปจนถึงเอกภพที่มีอวกาศ-เวลาซึ่งมีขนาดเล็กยิ่งกว่าอะตอม คือ ในระยะทางที่สั้นกว่า 1.616 x 10-35 เมตร ซึ่งเรียกกันว่า Planck length และเวลาที่น้อยกว่า 5.391 x 10-44 วินาที ซึ่งเรียกว่า Planck time เพราะในอวกาศ-เวลาที่มีมิติเล็กมากเช่นนี้ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ Einstein จะใช้ไม่ได้ และการศึกษาโครงสร้างของอวกาศ-เวลา จำเป็นต้องอธิบายด้วยทฤษฎี quantum gravity หรือทฤษฎี 11 ซึ่งนักวิจัยได้พบว่าที่ระดับเล็กสุดใจนั้นโครงสร้างอวกาศ-เวลาไม่ราบเรียบอีกต่อไป แต่เป็นฟอง (quantum foam) นั่นคือโครงสร้างของอวกาศเวลาที่ระดับเล็กมากที่สุดจะมีการแบ่งแยกเป็นหน่วย
ส่วนเทคนิคการศึกษาอวกาศ-เวลาในบริเวณที่เล็กกว่า Planck length และน้อยกว่า Planck time นั้นจำเป็นต้องใช้เครื่องเร่งอนุภาคที่มีพลังงานสูงยิ่งกว่าเครื่อง LHC ที่ CERN มาก แต่นักฟิสิกส์ก็จะไม่แน่ใจว่าจะเห็นอะไรเพิ่ม เพราะเครื่องเร่งอนุภาคที่มีพลังงานมหาศาลจะให้กำเนิดหลุมดำที่ไม่มีวันปลดปล่อยข้อมูลใดๆ ให้เล็ดรอดออกมาได้ ดังนั้นโครงสร้างของอวกาศ-เวลาที่เราเคยเข้าใจกันก็จะไม่มีความหมายอีกต่อไป และเราก็ยังไม่รู้ว่าจะต้องใช้ภาษาอะไรและอย่างไรเพื่อให้ทุกคนเข้าใจสิ่งที่ไม่มีความหมายในภาษาธรรมดา
อ่านเพิ่มเติมจาก Warped Passage: Unravelling the Mysteries of the Universe’s Hidden Dimensions/Unravelling the Universe’s Hidden Dimension โดย Lisa Randall จัดพิมพ์โดย Ecco, New York 2005
เกี่ยวกับผู้เขียน
สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ สุทัศน์ ยกส้าน ได้ทุกวันศุกร์
