เมื่อวันที่ 8 ตุลาคมที่ผ่านมานี้ สถาบันรางวัลโนเบลของสวีเดนได้ประกาศมอบครึ่งหนึ่งของรางวัลโนเบลฟิสิกส์ให้แก่ James Peebles แห่งมหาวิทยาลัย Princeton ในสหรัฐอเมริกา จากการสร้างทฤษฎีฟิสิกส์ดาราศาสตร์มากมาย ที่ทำให้เข้าใจประวัติความเป็นมา รวมถึงโครงสร้างของเอกภพในอนาคต ทฤษฎีเหล่านี้บางส่วน ในเวลาต่อมาก็ได้รับการยืนยันว่าเป็นจริง โดยการทดลอง และทฤษฎีอีกหลายส่วนได้บุกเบิกการวิจัยฟิสิกส์ด้านเอกภพวิทยา ไม่ว่าจะเป็นเรื่องของการทดลองหรือด้านทฤษฎี
ย้อนอดีตไปเมื่อ 55 ปีก่อน คือในปี 1964 Arno Penzias และ Robert Wilson แห่งห้องปฏิบัติการ Bell Laboratories ที่เมือง Holmdel ในรัฐ New Jersey ของสหรัฐอเมริกาได้พบรังสีไมโครเวฟว่ามีอยู่ในทุกหนแห่งของอวกาศ ไม่ว่าจะเป็นเวลาใดหรือฤดูใด โดยใช้ลำโพงที่ได้รับการออกแบบเพื่อสื่อสารด้วยคลื่นไมโครเวฟ การได้รับสัญญาณที่รบกวนตลอดเวลา จนคนทั้งสองรู้สึกรำคาญ เพราะไม่รู้ที่มาของรังสี และรู้เพียงว่า รังสีมีอุณหภูมิโดยเฉลี่ยประมาณ 2 องศาสัมบูรณ์เท่านั้นเอง
เมื่อไม่มีใครสามารถอธิบายปริศนานี้ได้ Penzias จึงโทรศัพท์ไปขอคำปรึกษาจาก Robert Dicke ซึ่งเป็นนักฟิสิกส์ทฤษฎีในสังกัดมหาวิทยาลัย Princeton ซึ่งอยู่ไม่ไกลจาก Bell Lab นัก
Dicke เป็นผู้เชี่ยวชาญเรื่องคลื่นไมโครเวฟมาก เพราะเคยทำวิจัยเพื่อพัฒนาเรดาร์ที่ใช้ในสงครามโลกครั้งที่สอง และเป็นคนที่ศรัทธาในทฤษฎี big bang ว่า เอกภพถือกำเนิดจากการระเบิดครั้งยิ่งใหญ่ จากสถานะที่มีอุณหภูมิและความหนาแน่นสูงมากจนประมาณค่ามิได้ เมื่อ Dicke ได้ครุ่นคิดถึงเหตุการณ์ที่เกิดหลัง big bang เขาก็มีจินตนาการว่าจะต้องมีมหาสมุทรของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งเป็นรังสีที่แผ่กระจายไปทั่วเอกภพ ในทุกทิศทางอย่างสม่ำเสมอ และเพื่อให้ข้อสันนิษฐานนี้ได้รับการยืนยัน จึงมอบให้ศิษย์สองคนชื่อ Peter Rolle กับ David Wilkinson ออกแบบอุปกรณ์ตรวจจับรังสีที่น่าจะเกิดขึ้นหลัง big bang และในเวลาเดียวกัน Dicke ก็มอบให้ James Peebles ซึ่งเป็นนักวิจัยผู้ช่วยของ Dicke ศึกษาทฤษฎีของรังสีว่า ถ้ามีจริงจะต้องมีสมบัติกายภาพเช่นไร และถ้าไม่มี ก็ให้หาเหตุผลมาอธิบายว่า เพราะเหตุใด
อีกหนึ่งเดือนต่อมา Peebles ได้นำเสนอทฤษฎีของรังสีไมโครเวฟภูมิหลัง (cosmic microwave background radiation CMB) ในที่ประชุมสัมมนาของภาควิชา และต่อมา Dicke ก็ได้รับโทรศัพท์รายงานเรื่องรังสีรบกวนจาก Penzias เขาจึงเดินทางไปที่ Bell Lab และทันทีที่เห็นข้อมูลการทดลองของ Penzias กับ Wilson Dicke ก็รู้ว่า Penzias กับ Wilson ได้ปาดหน้าเค้กแล้ว โดยเป็นบุคคลแรกที่ได้ “ยินเสียงระเบิด” ของ big bang
การค้นพบนี้ทำให้ Penzias กับ Wilson ได้รับครึ่งหนึ่งของรางวัลโนเบลฟิสิกส์ประจำปี 1978 รังสีไมโครเวฟภูมิหลัง (CMB) ได้ทำให้ทฤษฎี big bang เป็นที่ยอมรับว่าเป็นจริง คือภายในเศษเสี้ยววินาทีแรกของการระเบิดมีผลทำให้กาแล็กซีต่างๆ เคลื่อนที่หนีจากกัน และจากโลก ซึ่งก็เป็นไปตามที่ Edwin Hubble ได้สังเกตเห็นในปี 1929
ทฤษฎี big bang ยังสามารถอธิบายการถือกำเนิดของสสารในเอกภพได้ด้วยว่า เหตุใดเอกภพจึงมี helium มากเป็นอันดับสองรองจาก hydrogen และเหตุใดเหล็กในเอกภพจึงมีปริมาณน้อยกว่าทองคำ เป็นต้น และจากการสมมติว่า เอกภพมีรังสีที่หลงเหลืออยู่ ซึ่งมีอุณหภูมิสูงพอที่จะทำให้อะตอมของธาตุต่างๆ เริ่มถือกำเนิด ครั้นเมื่อเวลาผ่านไปนานๆ อุณหภูมิที่สูงมากของรังสีก็ได้ลดลงๆ คือเอกภพเย็นลง ในทฤษฎี big bang ของ George Gamow, Ralph Alpher และ Hans Bethe นั้น อุณหภูมิของรังสีมีค่าประมาณ 5 องศาสัมบูรณ์
หลังจากที่ Penzias กับ Wilson ได้พบรังสีไมโครเวฟภูมิหลังแล้ว การวัดอุณหภูมิของรังสีโดยอุปกรณ์ที่ไม่ค่อยดีนักทำให้นักฟิสิกส์ทั้งสองคิดว่า อุณหภูมิของรังสีมีค่าสม่ำเสมอ คือ คงตัวในทุกทิศทางตลอดเวลาและในทุกหนแห่ง แต่ Peebles กลับคิดว่ารังสี CMB จะต้องมีความหนาแน่น และอุณหภูมิที่ไม่สม่ำเสมอ คือ มีความแปรปรวน เช่น อาจจะมากบ้างหรือน้อยบ้าง แม้ความแปรปรวนจะมีค่าน้อยมาก แต่ก็มีความสำคัญมากพอที่จะทำให้เรารู้ว่า กาแล็กซีและดาวฤกษ์ต่างๆ ถือกำเนิดอย่างไร Peebles จึงเสนอทฤษฎีการขึ้นกับทิศทาง anisotropy ของรังสี CMB
ในปี 1989 ดาวเทียม COBE (Cosmic Background Explorer) ได้ถูก NASA ส่งขึ้นอวกาศเพื่อวัดความแตกต่างในรายละเอียดของอุณหภูมิรังสีภูมิหลัง และได้พบว่าความแตกต่างมีจริง คือ อุณหภูมิของรังสีมิได้มีค่าสม่ำเสมอ บางบริเวณมีอุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิเฉลี่ย (2.73 องศาสัมบูรณ์) ประมาณ 0.0003 องศาสัมบูรณ์ และบางบริเวณก็มีอุณหภูมิต่ำกว่าค่าเฉลี่ย 0.0003 องศาสัมบูรณ์ ความแปรปรวนของอุณหภูมิในลักษณะนี้สามารถอธิบายการกระจายตัวของพลังงานในเอกภพที่เกิดขึ้นเมื่อเอกภพมีอายุเพียง 3 แสนปี ข้อมูลนี้ยังสามารถอธิบายการถือกำเนิด (ก่อตัว) ของกาแล็กซีได้ด้วย ผลงานนี้ทำให้ George Smoot และ John C. Mather ได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ปี 2006
ลุถึงปี 1974 หลังจากที่ Peebles ได้ศึกษาผลงานของ Fritz Zwicky ซึ่งเป็นนักดาราศาสตร์ชาวสวิสที่ได้พบว่า กระจุกกาแล็กซี (คือกาแล็กซีที่อยู่ใกล้กันเป็นกระจุก) ไม่น่าจะคงสภาพอยู่ได้ ด้วยอิทธิพลของแรงโน้มถ่วงเพียงแรงเดียว จึงได้เสนอแนะว่า เอกภพน่าจะมีสสารที่มนุษย์มองไม่เห็นแฝงอยู่ในอวกาศระหว่างกาแล็กซีเหล่านั้นด้วย
แนวคิดของ Zwicky ได้รับการยืนยันโดย Vera Rubin ซึ่งได้ศึกษาการหมุนรอบตัวเองของกาแล็กซีเกลียว และพบว่า ดาวฤกษ์ที่อยู่ตรงบริเวณขอบๆ ของกาแล็กซีมีความเร็วพอๆ กับดาวฤกษ์ที่อยู่บริเวณศูนย์กลางของกาแล็กซี ซึ่งเป็นเรื่องที่น่าประหลาดใจมาก เพราะยิ่งอยู่ไกลจากจุดศูนย์กลาง ความเร็วของดาวจะยิ่งน้อย ดังเช่น ดาว Neptune มีความเร็วในการโคจรรอบดวงอาทิตย์น้อยกว่าดาวพุธ นั่นคือ Ruben ได้พบหลักฐานแรกที่แสดงว่า ในกาแล็กซีมีสิ่งที่มองไม่เห็น ซึ่งได้ทำให้ดาวฤกษ์ต่างๆ มีลักษณะการเคลื่อนที่เช่นนั้น
Peebles จึงเสนอทฤษฎีโครงสร้างของกาแล็กซีใหม่ โดยได้อธิบายว่า ความผิดปรกติต่างๆ ดังที่เห็นเกิดจากการที่กาแล็กซีมีสสารที่ไม่มีใครมองเห็น คือ สสารมืด (dark matter DM) ซึ่งมีมวลประมาณ 10 เท่าของกาแล็กซี โดยสสารมืดนี้แฝงอยู่รวมๆ กับกาแล็กซีที่ตามองเห็น
ข้อเสนอของ Peebles สามารถอธิบายเสถียรภาพของกาแล็กซีได้ดี และสามารถอธิบายได้อีกว่าสสารมืดมีอิทธิพลต่อการขยายตัวของเอกภพอย่างไรด้วย
ในปี 1998 Brian Schmidt กับ Adam Riess และ Saul Perlmutter ได้พยายามวัดอัตราเร็วในการขยายตัวของเอกภพ ซึ่งทุกคนคิดว่าน่าจะช้าลงๆ เพราะถูกแรงโน้มถ่วงจากกาแล็กซีต่างๆ ดึงไว้ แต่เมื่อคนทั้งสามศึกษาดาว supernova ชนิด 1a ซึ่งเกิดจากดาวแคระขาวที่ระเบิดตัวเอง หลังจากที่เชื้อเพลิงนิวเคลียร์บนดาวหมด เพราะความสว่างที่ดาวชนิดนี้ทุกดวงเปล่งออกมามีค่าคงตัว แล้วหลังจากนั้นความสว่างของแสงดาวก็จะจางลงๆ การวัดเวลาที่แสงจางลงทำให้รู้ความสว่างแท้จริง และเมื่อแสงนั้นเดินทางถึงโลก ความสว่างจะน้อยลงไปอีก คือ แปรผกผันกับระยะทางยกกำลังสอง การรู้ความสว่างปรากฏทำให้รู้ว่า supernova 1a ดวงนั้น อยู่ไกลจากโลกเพียงใด ดาวชนิดนี้จึงมีชื่อเรียกอีกชื่อหนึ่งว่า ตะเกียงมาตรฐาน (standard candle)
สำหรับเทคนิคการวัดความเร็วของ supernova นั้น นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ใช้วิธีวัดค่าเปลี่ยนแปลงของความยาวคลื่นแสง ถ้าเป็นกรณี supernova ที่เคลื่อนที่หนีโลก ความยาวคลื่นแสงจะเพิ่มขึ้น (redshift) แต่ถ้า supernova เคลื่อนที่เข้าหาโลก ความยาวคลื่นแสงจะน้อยลง (blueshift) การวัดค่าที่เปลี่ยนแปลงจะทำให้รู้ว่า supernova 1a ที่แฝงอยู่ในกาแล็กซีต่างๆ มีความเร็วมากหรือน้อยเพียงใด เมื่อรู้ค่าความเร็วและระยะทางแล้วนำความเร็วหารด้วยระยะทาง ก็จะได้ค่าคงตัว Hubble (H0) ที่ตราบจนวันนี้ก็ยังไม่มีใครรู้ชัด เพราะเป็นค่าที่วัดยากมาก
อย่างไรก็ตามเมื่อ Schmidt Riess และ Perlmutter วัดความเร็วของกาแล็กซีต่างๆ ก็ได้พบว่า กาแล็กซีเหล่านั้นมีความเร่ง คือ เคลื่อนที่เร็วขึ้นๆ ตลอดเวลา นั่นแสดงว่า เอกภพกำลังขยายตัวแบบมีความเร่ง อันเป็นเรื่องที่น่าตกใจมาก ยิ่งเมื่อไม่มีใครรู้ว่า อะไรคือสาเหตุที่ทำให้มันมีความเร่ง และแรงชนิดใหม่ที่ต่อต้านแรงโน้มถ่วงเป็นแรงผลัก การค้นพบนี้ทำให้นักดาราศาสตร์ทั้งสามคนได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ประจำปี 2011
โดยสิ่งที่ทำให้เอกภพมีความเร่งนั้น ปัจจุบันเราเรียก พลังงานมืด (dark energy) ซึ่งยังเป็นสิ่งที่ไม่มีใครรู้ว่ามีสมบัติเช่นไร เมื่อมีหลักฐานมากมายที่ได้จากการทดลองมาสนับสนุน Peebles จึงเสนอแบบจำลองของเอกภพซึ่งรู้จักในนาม CDM (Lambda cold dark matter) ที่ใช้อธิบายโครงสร้างและวิวิฒนาการของเอกภพว่ามี parameter หลักๆ 3 ตัวคือ
(1) ค่าคงตัวเอกภพ (cosmological constant) ซึ่งแทนได้ด้วยตัว lambda ( ) และใช้แทนพลังงานมืด
(2) สสารมืดที่มีอุณหภูมิต่ำ (cold dark matter CDM)
กับ (3) สสารทั่วไป ที่ทุกคนรู้จักแล้ว
แบบจำลอง CDM ของ Peebles สามารถอธิบายสมบัติดังต่อไปนี้ของเอกภพได้ดี เช่น อธิบายที่มาของรังสีไมโครเวฟภูมิหลังได้ อธิบายการกระจายตัวของกาแล็กซีต่างๆ ในเอกภพได้ อธิบายความอุดมสมบูรณ์ของ hydrogen, helium และ lithium ที่มีในเอกภพได้ อีกทั้งอธิบายสาเหตุที่ทำให้เอกภพมีความเร่งก็ได้ด้วย
แต่ก็ยังไม่สามารถอธิบายได้ว่า dark matter ประกอบด้วยอนุภาคอะไร มีสมบัติเช่นไร และอะไรคือสิ่งที่ทำให้เกิด dark energy และ dark energy ขึ้นกับค่าคงตัว cosmological constant อย่างไร และจะเปลี่ยนแปลงตามกาลเวลาหรือไม่
เหล่านี้คือปัญหาที่กำลังเป็นประเด็นร้อนจัดในวงการดาราศาสตร์ฟิสิกส์ และบุคคลผู้ให้กำเนิดทฤษฎีอธิบายปัญหาเหล่านี้ คือ James Peebles
วงการภาพยนตร์มีการมอบรางวัลออสการ์ (oscar) ให้แก่นักแสดงที่มีผลงานโดดเด่นมากอย่างสม่ำเสมอติดต่อกันเป็นเวลานาน แต่ไม่เคยได้ตุ๊กตาทอง oscar บุคคลดังกล่าว ได้แก่ Peter O’Toole และ Deborah Kerr เป็นต้น
ในวงการฟิสิกส์ก็มีคนที่ทำงานสำคัญมากหลายคน แต่ไม่เคยได้รับรางวัลโนเบลเช่นกัน เช่น Stephen Hawking และ Lise Meitner เป็นต้น จนใครๆ ก็คิดว่า Peebles คงเป็นหนึ่งในบรรดาผู้โชคไม่ดีเหล่านั้น
แต่แล้วเรื่องที่ผิดหวังก็กลายเป็นสมหวัง เพราะในวันที่ 10 ธันวาคมศกนี้ Peebles จะเข้ารับครึ่งหนึ่งของรางวัลโนเบลฟิสิกส์ประจำปี
อ่านเพิ่มเติมจาก The Dark Matter Problem โดย Robert H. Sanders จัดพิมพ์โดย Cambridge University Press ปี 2010
สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" จาก "ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน" ได้ทุกวันศุกร์
