จักรวาลวิทยา: ดึงออกมาจากสุญญากาศ

เรื่องราวของจักรวาล 

การขยายตัวของจักรวาล และพลังงานมืด Caleb Scharf จักรวาลจากความว่างเปล่า: เหตุใดจึงมีบางสิ่งมากกว่าความว่างเปล่า Lawrence M. Krauss กดฟรี: 2012 224 หน้า $24.99, 17.99 ปอนด์ 9781451624458 | ไอ: 978-1-4516-2445-8 ในเวลาน้อยกว่า 100 ปี มนุษยชาติได้เห็นการคาดการณ์ของฟิสิกส์พื้นฐานมาบรรจบกับการสังเกตธรรมชาติในระดับจักรวาล ผลที่ได้คือภาพที่น่าเชื่อมากขึ้นว่าเราและจักรวาลโดยรวมเป็นหนี้การดำรงอยู่ของเราเนื่องจากความไม่แน่นอนของพื้นที่ ‘ว่าง’ ในระดับควอนตัม ยิ่งไปกว่านั้น อวกาศและกฎของฟิสิกส์อาจเป็นเพียงตัวแปรเดียวจากหลาย ๆ วิธีที่เป็นไปได้ในการประกอบจักรวาล โดยแยกจากกันด้วยมิติหรือตามมาตราส่วน

นักฟิสิกส์คิดค้นแบบจำลองจักรวาลในปัจจุบันได้อย่างไรนั้นค่อนข้างเป็นเรื่องเป็นราว และเพื่อบอกเล่าในA Universe From Nothing อันสง่างามของเขา นักฟิสิกส์ Lawrence Krauss ได้เดินไปบนเส้นทางที่วางไว้อย่างระมัดระวัง จักรวาลแห่งยุคอันจำกัดที่พัฒนาขึ้นเรื่อยๆ ได้ผลักดันให้นักฟิสิกส์จัดการกับคำถามที่ลึกซึ้งและท้าทายยิ่งขึ้นโดยใช้เครื่องมือที่ล้ำสมัยที่สุดเท่าที่เคยมีมา

จักรวาลที่เย็นลงทำให้กาแล็กซีก่อตัวขึ้น ดังที่การจำลองนี้แสดงให้เห็น เครดิต: V. SPRINGEL, HITS, UNIV. ไฮเดลเบิร์ก

Krauss เริ่มต้นในปี 1916 เมื่อ Albert Einstein ปลอมแปลงสมการสนามในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของเขาเพื่อให้แน่ใจว่าพวกมันสร้างแบบจำลองจักรวาลคงที่ เมื่อต้องการทำเช่นนี้ เขาได้เพิ่มแรงผลักคงที่เล็กๆ น้อยๆ ซึ่งเทียบเท่ากับการมอบพลังงานให้กับพื้นที่ว่าง ภายในเวลาไม่กี่ปี เอ็ดวิน ฮับเบิลและนักดาราศาสตร์คนอื่นๆ ได้แสดงให้เห็นว่า อันที่จริง จักรวาลกำลังขยายตัวและมีพลวัต ไอน์สไตน์เอาแรงออกจากสมการของเขา ในทศวรรษต่อมาการรับรู้ว่าสสารส่วนใหญ่มืดและมีปฏิสัมพันธ์เพียงเล็กน้อยเท่านั้น และการผสมผสานองค์ประกอบแสงในจักรวาลที่สังเกตได้ เช่น ไฮโดรเจน ฮีเลียม และลิเธียม เป็นผลมาจากการสังเคราะห์นิวเคลียสในยุคแรกเริ่มในนาทีแรกหลังบิ๊กแบง เมื่อโปรตอนและนิวตรอนที่เสถียรใหม่รวมกันเป็นความตื่นเต้นของนิวเคลียร์ฟิวชั่น

เหตุการณ์สำคัญอีกประการหนึ่ง

ในเรื่องนี้คือการวัดในปี 1992 ของรอยปะร้อนและเย็นในทะเลของรังสีไมโครเวฟที่กระจัดกระจายเมื่อพลาสมาของจักรวาลอายุ 380,000 ปีเย็นลงพอที่จะก่อตัวเป็นอะตอม รูปแบบเหล่านี้เผยให้เห็นถึงเมล็ดพันธุ์ของโครงสร้างทางช้างเผือกในเอกภพในปัจจุบันและให้การยืนยันอย่างน่าทึ่งเกี่ยวกับทฤษฎีจักรวาลวิทยาในปัจจุบัน แต่ดูเหมือนว่าทุกอย่างจะเข้ากันได้ดี นักดาราศาสตร์ได้เปลี่ยนกล้องโทรทรรศน์ของตนไปยังซุปเปอร์โนวาที่มืดมิดและห่างไกลออกไป เห็นว่าการขยายตัวของช่องว่างระหว่างดาวฤกษ์นั้นเร่งขึ้นมากกว่าที่จะชะลอตัวลง เช่นเดียวกับไอน์สไตน์ นักฟิสิกส์กลับมาอีกครั้งเพื่อหาวิธีผูกปมเข้าด้วยกัน

การสำรวจทางคณิตศาสตร์ของโลกปรมาณูและโลกใต้อะตอมเป็นวิธีแก้ปัญหาที่สมเหตุสมผล ความเรียบโดยรวมและความสม่ำเสมอทางเรขาคณิตของจักรวาลอาจเป็นผลมาจากการพองตัวอย่างรวดเร็วจากมาตราส่วนควอนตัมในช่วงแรกสุด การขยายตัวที่เร็วขึ้นในภายหลังอาจขับเคลื่อนโดย ‘พลังงานมืด’ ของสุญญากาศเอง — มหาสมุทรที่เดือดพล่านของคู่อนุภาคเสมือนที่โผล่เข้าและออกจากการดำรงอยู่อันเป็นผลมาจากความไม่แน่นอนของควอนตัม

นอกจากนี้ Krauss ชี้ให้เห็นว่าจักรวาลของเราดูเหมือนจะมีพลังงานความโน้มถ่วงสุทธิที่ใกล้เคียงกับศูนย์อย่างน่าสงสัย: การดำรงอยู่ของมันอาจไม่เสียค่าใช้จ่ายใด ๆ โดยไม่ต้องป้อนพลังงาน สิ่งนี้ทำให้เกิดความเป็นไปได้ในการรับประทานอาหารกลางวันฟรีขั้นสุดยอด – ของจักรวาลที่เป็นเพียงชิ้นส่วนของสิ่งของที่ยืมมาซึ่งปรากฏขึ้นเองตามธรรมชาติเหมือนอนุภาคเสมือนจริงและเต็มไปด้วยสสารและการแผ่รังสีอันเป็นผลมาจากพลังงานของพื้นที่ว่าง ของเราอาจเป็นหนึ่งในสิ่งที่เหมือนเอกภพนับไม่ถ้วน เพียงหนึ่งตัวอย่างในลิขสิทธิ์

เรื่องราวอันน่าทึ่งนี้จะเป็นเรื่องง่ายสำหรับความยินดีในตัวเอง แต่ Krauss นำพาเรื่องนี้อย่างมีสติสัมปชัญญะและด้วยความสง่างาม โดยใช้เวลาเพื่อให้ผู้อ่านเข้าใจเนื้อหา การอภิปรายเรื่องลิขสิทธิ์ของเขาเป็นตัวอย่างที่ดี: เขาแสดงความเป็นไปได้และความหมายทางวิทยาศาสตร์และปรัชญาโดยไม่ต้องตีกลองสำหรับสมมติฐานข้อใดข้อหนึ่ง ความเห็นของเขาที่มีต่อวิทยาศาสตร์แต่ละชิ้นและโอกาสที่จะถูกวิทยาศาสตร์นั้นเป็นเรื่องที่ตรงไปตรงมา

เขาตั้งข้อสังเกตว่าการค้นพบเชิงประจักษ์ที่สำคัญจำนวนหนึ่งหายไปจากแบบจำลองจักรวาลของเราอย่างเป็นลางไม่ดี สสารมืดเป็นหนึ่ง แม้จะมีหลักฐานทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์หลายสิบปีสำหรับการมีอยู่ของมัน และทางเลือกที่เป็นไปได้สำหรับต้นกำเนิดของมัน นักฟิสิกส์ก็ยังไม่สามารถพูดอะไรมากเกี่ยวกับมันได้ เราไม่รู้ว่าองค์ประกอบมวลสำคัญของจักรวาลนี้คืออะไร ซึ่งเป็นสถานการณ์ที่ค่อนข้างลำบาก เรายังมีปัญหาในการบัญชีสำหรับทุกจุดของเรื่องปกติในจักรวาลท้องถิ่นของเรา นี่ไม่ได้หมายความว่ามีบางอย่างผิดปกติกับภาพปัจจุบัน แต่นักดาราศาสตร์อย่างพวกเราควรจะรู้สึกไม่สบายใจที่จะโอบรับปรากฏการณ์เช่นพลังงานมืดเมื่อเรายังมีระเบียบในที่อื่น

Krauss คลายความกังวลดังกล่าวโดยแสดงให้เห็นว่าการขยายตัวอย่างรวดเร็วของจักรวาลเข้ากันได้ดีกับคุณลักษณะอื่นๆ มากมายอย่างน่าอัศจรรย์ เขาแสดงให้เห็นว่าทฤษฎีของวิทยาศาสตร์กายภาพ – ตั้งแต่อะตอมย่อยไปจนถึงจักรวาลวิทยา – รวมกันอย่างยอดเยี่ยมได้อย่างไร