ทฤษฎีของสรรพสิ่ง...ความหวังหรือยังไม่ใช่?

โจทย์ใหญ่วิทยาศาสตร์วันนี้ การค้นหา “ทฤษฎีของสรรพสิ่ง”

ทำไมวิทยาศาสตร์จึงต้องการ ทฤษฎีของสรรพสิ่ง?

แล้วประชาชนคนธรรมดาจะได้อะไร จากทฤษฎีของสรรพสิ่ง?

เรื่องของเราวันนี้ มีจุดเริ่มต้นจริงๆ ตั้งแต่เมื่อมนุษย์เริ่มสังเกตท้องฟ้า ดูการเคลื่อนที่ของดวงดาว และปรากฏการณ์ต่างๆ บนโลก แล้วก็ “เชื่อ” ว่า ทุกสิ่งทุกอย่างล้วนมี “กฎกติกา” ที่ถูกสร้างขึ้นมาโดย “พระเจ้า”

แต่ก็ยังไม่ “กล้า” ตั้งคำถาม และค้นหา “กฎ” ของพระเจ้า

เวลาผ่านไปหลายหมื่นปี จนกระทั่งถึงศตวรรษที่ 17 จึงมีนักดาราศาสตร์ คือ โยฮานเนส เคปเลอร์ (Johannes Kepler) ที่ “กล้า” อ่านใจของพระเจ้า และตั้งกฎว่าด้วยการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์

แต่เคปเลอร์ ก็เพียงแต่พยายามอ่าน “กฎของพระเจ้า” โดยไม่พยายาม “อธิบาย”

ในยุคสมัยเดียวกับ เคปเลอร์ ก็มีนักดาราศาสตร์อิตาลีคนดัง กาลิเลโอ (Galileo) ผู้ก็ “เชื่อ” ในพระเจ้า แต่ก็ถูกจับขึ้น “ศาลพระ” เพราะเผยแพร่ความคิดที่ขัดแย้งกับทางศาสนา ว่า ดวงอาทิตย์ มิใช่โลก เป็นศูนย์กลางของจักรวาล

แต่ประเด็นในส่วนของเราที่เกี่ยวข้องกับ กาลิเลโอ คือ คำกล่าวที่โด่งดังของเขา ความว่า “พระเจ้าเขียนกฎของจักรวาล เป็นภาษาคณิตศาสตร์” ซึ่งก็คือ “สมการ”

ต่อๆ มา “สมการ” จึงเป็นส่วนสำคัญที่สุดของทฤษฎีความคิดวิทยาศาสตร์ โดยมีกาลิเลโอเอง และ นิวตัน เป็น หัวหอกสำคัญ กับสมการสำหรับการเคลื่อนที่ของวัตถุ (ของกาลิเลโอ) และกฎความโน้มถ่วง (ของนิวตัน)

แต่ทั้ง กาลิเลโอ และนิวตัน ก็เพียงพยายาม “อ่านใจ” ของพระเจ้า โดยไม่ตั้งคำถามว่า “ทำไม?”

จากนั้น จึงมาถึงวิทยาศาสตร์ยุคใหม่แห่งศตวรรษที่ 20 คือ ไอน์สไตน์ กับการตั้ง ทฤษฎีสัมพัทธภาพภาคพิเศษ (special theory of relativity) ในปี ค.ศ. 1905 (พ.ศ. 2448) และทฤษฎีสัมพัทธภาพภาคทั่วไป (general theory of relativity) ในปี ค.ศ. 1915 (พ.ศ. 2458 )

ทฤษฎีสัมพัทธภาพภาคพิเศษ เป็นทฤษฎีสัมพัทธภาพ ว่าด้วยการเคลื่อนที่ ซึ่งมีความเร็วสัมพัทธ์คงที่ ส่วนทฤษฎีสัมพัทธภาพภาคทั่วไป เป็นทฤษฎีสัมพัทธภาพที่เปิดกว้าง ไม่มีเงื่อนไขความเร็วสัมพัทธ์ที่เกี่ยวข้อง

ทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ทั้งสองภาค เริ่มต้นจาก “หลักการพื้นฐาน” ร่วมกันสองข้อ

ข้อแรก : ตำแหน่ง (space) และ เวลา (time) เป็นมิติที่แยกจากกันไม่ได้

ข้อที่สอง : ความเร็วของแสง มีค่าคงที่เสมอ ไม่ขึ้นอยู่กับสภาพการเคลื่อนที่ของต้นกำเนิดแสง และผู้สังเกต โดยที่แสงในสุญญากาศ จะมีค่าคงที่เสมอ คือ ประมาณ สามแสนกิโลเมตร ต่อ วินาที

ทฤษฎีสัมพัทธภาพภาคพิเศษ โดยสาระหลัก เป็นเรื่องของผลจากความเร็วสัมพัทธ์ต่อมวล , ขนาด และเวลา

อย่างสั้น ๆ วัตถุเคลื่อนที่เร็วขึ้น มวลจะเพิ่มมากขึ้น ขนาดเล็กลง และเวลาช้าลง แล้วก็ผลที่นำมาสู่ พลังงานนิวเคลียร์ และระเบิดนิวเคลียร์ คือ ความสัมพันธ์ระหว่างสสารกับพลังงาน เป็นสมการ E = mC²

ทฤษฎีสัมพัทธภาพภาคทั่วไป อย่างสั้นๆ จริง ๆ ก็คือ ทฤษฎีความโน้มถ่วง แบบเดียวกับของ นิวตัน แต่ทฤษฎีความโน้มถ่วงของไอน์สไตน์ ละเอียด ซับซ้อนกว่ามาก และทำให้เกิดผลแปลกๆ คือ ความโค้ง หรือบิดงอ ของอวกาศ (หรืออวกาศเวลา : spacetime) นำมาสู่เรื่องของหลุมดำ รูหนอนอวกาศ และเรื่องของผลของความโน้มถ่วงต่อเวลา

ตลอดช่วงศตวรรษที่ 20 ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั้งสองภาค ประสบความสำเร็จอย่างสูง โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ทฤษฎีสัมพัทธภาพภาคทั่วไป ที่โดดเด่นเป็นพิเศษในครึ่งหลังของศตวรรษที่ 20 จนกระทั่งกลายเป็นหนึ่งในสองเสาหลักของวิทยาศาสตร์ยุคใหม่ คู่กับ “ทฤษฎีควอนตัม” (quantum theory)

ทฤษฎีสัมพัทธภาพภาคทั่วไป กล่าวได้ว่า เป็นผลงานเดี่ยวๆ ของ ไอน์สไตน์คนเดียว เป็นหลัก แต่ทฤษฎีควอมตัม เป็นทฤษฎีของสุดยอดนักฟิสิกส์หลายคน

ทฤษฎีควอนตัม เป็นชื่อเรียกรวมๆ ของทฤษฎีที่ถูกใช้งานจริง เช่น กลศาสตร์ควอนตัม (quantum mechanics), ฟิสิกส์ควอนตัม (quantum physics), เคมีควอนตัม (quantum chemistry), ชีววิทยาควอนตัม (quantum biology), แสงควอนตัม (quantum optics) ฯลฯ ประกอบด้วย ทฤษฎีและหลักวิทยาศาสตร์หลายทฤษฎีและหลายหลัก ที่สำคัญคือ...

• อนุภาค เช่น อิเล็กตรอน มีพลังงานมิใช่แบบต่อเนื่อง เริ่มต้นจากศูนย์ ดังฟิสิกส์เก่า แต่มีพลังงาน เป็น “ขั้นๆ” (level) หรือเป็น “ท่อนๆ” (discrete) แบบไม่ต่อเนื่อง และเริ่มต้นที่ระดับพลังงานต่ำสุด ที่ไม่ใช่ศูนย์

• คุณสมบัติทวิภาคของอนุภาคและคลื่น (particle – wave duality)

อนุภาคทุกชนิด รวมทั้งมนุษย์ด้วย มีมวลเป็นคุณสมบัติพื้นฐาน ในขณะเดียวกัน ก็มีคุณสมบัติเป็น คลื่น (มีความยาวคลื่น) ด้วย เช่นเดียวกับ แสง โดยปกติจะมีคุณสมบัติเป็น คลื่น (มีความยาวคลื่น) แต่ในขณะเดียวกัน แสง ก็มีความเป็น อนุภาค (มีมวล) ด้วย

• หลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก (Heisenberg uncertainty principle)

เราไม่สามารถจะวัด “ตำแหน่ง” และ “โมเมนตัม” ของอนุภาค ให้มีความแม่นยำตามใจชอบได้

• หลักการกีดกันของเพาลี (Pauli exclusion principle)

ห้ามมิให้อิเล็กตรอน ซึ่งมีสถานะควอนตัม (quantum state) เดียวกัน อยู่ในตำแหน่งเดียวกันรอบอะตอม

พัฒนาการของทฤษฎีควอนตัม เป็นผลงานของนักวิทยาศาสตร์หลายคน ที่สำคัญเป็นพิเศษ คือ มักซ์ พลางค์ (Max Planck ), นีลส์ บอร์ (Niels Bohr), หลุยส์ เดล บรอยล์ (Louis de Broglie), โวลฟ์กาง เพาลี (Wolfgang Pauli), เวิร์นเนอร์ ไฮเซนเบิร์ก (Werner Heisenberg) และ เออร์วิน ชโรดิงเจอ ( Erwin Schrodinger )

ไอน์สไตน์เอง ซึ่งมีจุดยืนไม่ชอบทฤษฎีควอนตัมนัก และเคยกล่าวเกี่ยวกับ ทฤษฎีควอนตัม ว่า “พระเจ้าไม่ทรงทอดลูกเต๋าหรอก” ก็มีบทบาทสำคัญช่วยในการพัฒนาทฤษฎีควอนตัม แถม รางวัลโนเบล ที่ไอน์สไตน์ได้รับ ก็มิใช่เพราะทฤษฎีสัมพัทธภาพ แต่เป็นปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กตริก (photoelectric effect) ซึ่งเป็นทฤษฎีควอนตัม

จากความสำเร็จของทฤษฎีสัมพัทธภาพ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ทฤษฎีสัมพัทธภาพภาคทั่วไป กับทฤษฎีควอนตัม ทำให้ทั้งสองทฤษฎี เป็นสองทฤษฎีเสาหลักของวิทยาศาสตร์ ยุคปัจจุบัน

แต่ในความสำเร็จของทั้งสองทฤษฎี ก็เป็นความสำเร็จบนเวทีต่างกันสุดขั้ว

ทฤษฎีสัมพัทธภาพภาคทั่วไป “เก่ง” เฉพาะกับปรากฏการณ์ใหญ่ และรุนแรงระดับจักรวาล ดังเช่น กำเนิดดวงดาว การขยายตัวของจักรวาล และหลุมดำ ที่มี “ความโน้มถ่วง” เป็นตัวจักรกลสำคัญ

ส่วนทฤษฎีควอนตัม ก็ “เก่ง” เฉพาะกับปรากฏการณ์ และความเปลี่ยนแปลงระดับ อะตอมและอนุภาค และเกี่ยวกับพลังงานที่ต่ำกว่าระดับเกิดขึ้นในดวงดาว

ดังนั้น จึงมีสถานการณ์ ที่ยังท้าทายทั้งทฤษฎี สัมพัทธภาพภาคทั่วไป และทฤษฎีควอนตัม ดังเช่น กำเนิดของจักรวาลแบบบิ๊กแบง (big bang) ซึ่งเข้าใจกันว่า เริ่มต้นจากสภาพของจักรวาล ที่มีขนาดเล็กกว่าอะตอม แล้วก็เกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วและรุนแรง เกิดการขยายตัวอย่างรวดเร็วแบบพองตัว (inflation) จนกระทั่งจักรวาลมีสภาพเป็นอยู่ดังปัจจุบัน

ทฤษฎีสัมพัทธภาพภาคทั่วไป ใช้กับจุดกำเนิดแบบบิ๊กแบงของจักรวาลไม่ได้ เพราะเป็น ปรากฏการณ์ที่เล็กในระดับควอนตัม แต่ทฤษฎีควอนตัม ก็ใช้กับจุดกำเนิดจักรวาลแบบบิ๊กแบงไม่ได้ เพราะเป็นปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องกับ พลังงานระดับใหญ่ เกินขีดจำกัดการทำงานของทฤษฎีควอนตัม

จากขีดจำกัดของทั้งทฤษฎีสัมพัทธภาพภาคทั่วไป และทฤษฎีควอนตัม นักวิทยาศาสตร์จึงเรียกหา “ทฤษฎีใหม่” เป็น “หนึ่งทฤษฎี” ที่รวมทั้งทฤษฎีสัมพัทธภาพภาคทั่วไป และทฤษฎีควอนตัมเข้าด้วยกัน

คล้ายกับ “หนึ่งแหวน” (The One Ring) ใน “The Lord Of The Rings” ของ เจ.อาร์.อาร์ โทลคิน (J.R.R. Tolkin) ที่จะรวมพลังของแหวนทั้งหมด

แต่ “หนึ่งทฤษฎี” ของฟิสิกส์ที่เรียกกันเป็น “ทฤษฎีของสรรพสิ่ง” เป็นทฤษฎีเพื่อใช้ให้เกิดประโยชน์ ตรงกันข้ามกับ “หนึ่งแหวน” ใน The Lord Of The Rings ที่ พ่อมดเซารอน (Sauron) สร้างขึ้นมาเพื่อ “ครองพิภพ”

ทำไมนักวิทยาศาสตร์ จึงต้องการทฤษฎีของสรรพสิ่ง?

นอกเหนือไปจากการแก้ปัญหาของทั้งทฤษฎีสัมพัทธภาพภาคทั่วไป และทฤษฎีควอนตัมแล้ว ก็หวังกันว่า ทฤษฎีของสรรพสิ่งจะใช้กับ ทฤษฎีหรือหลักการวิทยาศาสตร์อื่นๆ ที่มีอยู่ทั้งหมด ไม่ว่าจะเป็น ฟิสิกส์, เคมี, ชีววิทยา, ชีวเคมี, ชีวฟิสิกส์ และทฤษฎีสัมพัทธภาพภาคพิเศษของไอน์สไตน์เอง และการประยุกต์ใช้วิทยาศาสตร์พื้นฐานต่าง ๆ เกิดเป็นนวัตกรรมและเทคโนโลยี ที่ยิ่ง “คาดกันไม่ถึง!”

แล้วประชาชนคนธรรมดา จะได้อะไรจากทฤษฎีของสรรพสิ่ง?

คำตอบตรงๆ ก็คือ จะได้ทั้งจากสิ่งที่กำลังได้อยู่แล้ว กับทฤษฎีสัมพัทธภาพภาคทั่วไป และทฤษฎีควอนตัม แล้วก็ “สิ่งใหม่ๆ” ที่จะมากับทฤษฎีของสรรพสิ่ง

ตัวอย่างสิ่งที่ประชาชนคนธรรมดากำลังได้มาอยู่แล้ว จากทฤษฎีสัมพัทธภาพภาคทั่วไป คือ การใช้ประโยชน์ของ ดาวเทียมระบบจีพีเอส (GPS) บอกตำแหน่งทุกขณะเวลาและทุกตำแหน่งบนโลก โดยโทรศัพท์มือถือ

ส่วนตัวอย่างสิ่งที่ประชาชนคนธรรมดา กำลังได้รับจากทฤษฎีควอนตัม ต้องกล่าวว่า มากมายมหาศาล

ตัวอย่างเช่น เลเซอร์, คอมพิวเตอร์, เทคโนโลยีดิจิทัล, เครื่องมือการแพทย์ ฯลฯ

สำหรับสิ่งที่ประชาชนคนธรรมดา จะได้รับจากทฤษฎีของสรรพสิ่ง ก็จะเป็น “ทุกสิ่ง” นอกเหนือไปจากที่กำลังได้รับจากทฤษฎีสัมพัทธภาพภาคทั่วไป ทฤษฎีควอนตัม และ ทฤษฎีวิทยาศาสตร์อื่นๆ รวมทั้งทฤษฎีสัมพัทธภาพภาคพิเศษของ ไอน์สไตน์เองด้วย

ความหวัง หรือยังไม่ใช่?

“ทฤษฎีของสรรพสิ่ง” จึงเป็นเสมือนกับ “จอกศักดิ์สิทธิ์” ที่นักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกวันนี้ กำลังยายามค้นหา

วิธีการที่นักวิทยาศาสตร์กำลังค้นหา ทฤษฎีของสรรพสิ่ง อาจกล่าวได้ว่า มีสองวิธีใหญ่ๆ ....

หนึ่ง คือ รวมทฤษฎีสัมพัทธภาพภาคทั่วไป กับทฤษฎีควอนตัม ซึ่งอย่างเป็นรูปธรรม ก็คือ การรวมแรงโน้มถ่วง (ของทฤษฎีสัมพัทธภาพภาคทั่วไป) เข้ากับแรงพื้นฐานอีก 3 อย่าง (แรงแม่เหล็กไฟฟ้า, แรงนิวเคลียร์แบบอ่อน และแรงนิวเคลียร์แบบเข้ม ของทฤษฎีควอนตัม) เกิดเป็น ทฤษฎีความโน้มถ่วงควอนตัม (quantum gravity theory)

สอง คือ แนวคิดใหม่ทั้งหมด เริ่มต้น “อ่านใจของพระเจ้า” ในมุมมองใหม่ทั้งหมด

วิธีแรก การรวมทฤษฎีสัมพัทธภาพภาคทั่วไป กับทฤษฎีควอนตัม กล่าวได้ว่า เป็นวิธีการหลักของนักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกวันนี้ ความก้าวหน้าถึงล่าสุด คือ ทฤษฎีสตริง (string theory) และ ทฤษฎี-เอ็ม (M-theory) ที่เป็นเรื่องของอนุภาค 11 มิติ (1 มิติเวลา, 10 มิติตำแหน่ง)

วิธีที่สอง แนวคิดใหม่ทั้งหมด เป็นวิธีการที่ไม่ได้รับการกล่าวถึงมากนัก ในวงการวิทยาศาสตร์ แต่ก็ไม่เคยขาด และตามความคิดเห็นของนักวิทยาศาสตร์หลายคน รวมทั้งผู้เชียนด้วย ก็ “ไม่ควรมองข้าม!”

บทสรุป “ทฤษฎีของสรรพสิ่ง” ของเราถึงวันนี้ จึงพอจะสรุปรวบยอดได้ว่า “ทฤษฎีของสรรพสิ่ง” ที่กำลังดำเนินการกันอยู่ เป็น “ความหวัง” ที่นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่ เชื่อว่า เป็นทางหนึ่งที่ “น่าจะถูกทาง” แต่ก็มีเสียงที่ดังชัดเจน เช่นกันว่า “ยังไม่ใช่”

แล้วท่านผู้อ่านล่ะครับ คิดว่า ทฤษฎีหนึ่งเดียวที่จะใช้กับ “ทุกปัญหา” ในจักรวาล มีจริงหรือไม่? คิดว่า “ทฤษฎีของสรรพสิ่ง” ที่เป็นแนวคิดหลักของวิทยาศาสตร์วันนี้ เป็นทฤษฎีที่ “ใช่!” หรือว่า “ยังไม่ใช่ !”