หรือจะเป็น "บิกเบาซ์" ก่อน "บิกแบง"?!

เปิดผลวิจัยใหม่ และ 2 หลักฐานสนับสนุนการศึกษา สู่การตั้งคำถามว่า หรือจักรวาลของเราจะเป็น "บิกเบาซ์" ก่อนเกิด "บิกแบง"!?

วันที่ 19 มิถุนายน ค.ศ. 2024 คณะนักวิจัยนานาชาติ ตีพิมพ์รายงานในวารสาร Journal of Cosmology and Astroparticle Physics ผลการศึกษาวิจัยแบบจำลองใหม่ของจักรวาล พบว่า ก่อน "บิกแบง" (big bang) มีหลุมดำต้นกำเนิด (Primordial black hole) เกิดขึ้น เป็นผลจากการหดตัวของจักรวาลแบบ "เบาซ์" (bounce) หลังจากนั้นไม่นานจึงเกิดบิกแบงและการพองตัว (inflation) ของจักรวาล นำจักรวาลมาสู่สภาพปัจจุบัน

นอกเหนือไปจากนั้น คณะนักวิจัยเสนอว่า หลุมดำต้นกำเนิดนั้น เป็นส่วนสำคัญของ "สสารมืด" (dark matter) ที่ประกอบเป็น 80 เปอร์เซ็นต์ของสสารทั้งหมดของจักรวาล และพบว่า คลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดจากหลุมดำต้นกำเนิด อยู่ในระดับที่จะตรวจจับได้ โดยเทคโนโลยีในอนาคตไม่ไกลนัก

"เชื่อ คิด และทำอย่างวิทยาศาสตร์" วันนี้ ขอนำท่านผู้อ่านไปสำรวจอย่างเร็วๆ ทฤษฎีเกี่ยวกับจักรวาลหรือกำเนิดจักรวาลที่สำคัญ หลังจากนั้น ก็จะโฟกัสที่ผลการศึกษาวิจัยใหม่ และหาคำตอบที่เป็นชื่อเรื่องของเราวันนี้ ว่า "หรือจะเป็น 'บิกเบาซ์' ก่อน 'บิกแบง'?"

.........

จักรวาลแบบ 'บิกแบง' :

ในโลกดาราศาสตร์แห่งศตวรรษที่ยี่สิบถึงปัจจุบัน มีทฤษฎีเกี่ยวกับ 'สภาพ' หรือ 'กำเนิด' ของจักรวาลหลายแบบ ที่สำคัญคือ :-

• แบบบิกแบง

• แบบวัฏจักร (cyclic หรือ oscillatory)

• แบบสภาพคงที่ (steady state)

• แบบบิกเบาซ์ (big bounce)

.........

สำหรับทฤษฎีกำเนิดจักรวาลแบบบิกแบง มีต้นกำเนิดจากทฤษฎีสัมพัทธภาพภาคทั่วไป ที่ไอน์สไตน์ตั้งขึ้นมาในปี ค.ศ. 1915

ตามทฤษฎีกำเนิดจักรวาลแบบบิกแบง จักรวาลมีกำเนิดเมื่อประมาณหนึ่งหมื่นสามพันแปดร้อยล้านปีก่อน จากสรรพสิ่งที่เป็นเสมือนสารตั้งต้นของจักรวาล (ที่มนุษย์ยังไม่ทราบว่าคืออะไร) รวมอัดตัวอยู่ด้วยกันมีขนาดเล็กกว่าอะตอม แล้วก็เกิดการขยายตัวอย่างฉับพลัน คล้ายกับการระเบิดเป็น 'บิกแบง'

หลังจากนั้นไม่นานจึงเกิดอนุภาคมูลฐานจำพวกควาร์ก อิเล็กตรอน โปรตอน นิวตรอน และอนุภาคอื่นๆ ต่อมา ก็รวมตัวกันเป็นอะตอม เป็นโมเลกุล เป็นดวงดาว กาแล็กซี และสรรพสิ่งที่คุ้นเคยกันในปัจจุบัน รวมทั้งมนุษย์ด้วย โดยในปัจจุบัน จักรวาลก็กำลังมีสภาพการเคลื่อนไหวแบบการขยายตัวที่เร็วขึ้น

.........

จักรวาลแบบ 'วัฏจักร' : 

จักรวาลแบบวัฏจักร เป็นสภาพของจักรวาลแบบต่อเนื่องจากจักรวาลแบบบิกแบง กล่าวคือ วันหนึ่งในอนาคต จักรวาลก็จะหยุดการขยายตัว แล้วก็เริ่มหดตัว

โดยสาเหตุตามแนวคิดในปัจจุบัน เกิดจากแรงผลักดันที่กำลังทำให้จักรวาลกำลังขยายตัว คือ บิกแบง เริ่ม 'แพ้' แรงดึงดูดโน้มถ่วงของสรรพสิ่งที่ประกอบเป็นจักรวาล ซึ่งกำลังดึงดูดสรรพสิ่งเข้าสู่ใจกลางของจักรวาล

จนกระทั่งในที่สุด สรรพสิ่งในจักรวาลจะกลับไปรวมตัวกันที่ 'จุดกำเนิด'

แล้วก็เกิด 'บิกแบง' ครั้งใหม่ เป็นจักรวาลใหม่แบบต่อเนื่องกันไป

.........

จักรวาลแบบ 'สภาพคงที่' :

โดยภาพรวมอย่างย่อ จักรวาลแบบสภาพคงที่ คือ จักรวาลมีสภาพโดยภาพรวมคงที่ ไม่มีจุดกำเนิด และไม่มีวันตาย แต่ถึงปัจจุบัน ความคิดเรื่องจักรวาลแบบสภาพคงที่ มี 2 แบบ เป็นแบบเก่าและแบบใหม่

แบบเก่า เป็นความคิดความเข้าใจตั้งแต่อดีตกาลโบราณ ที่มนุษย์เริ่มมองดูท้องฟ้าและดวงดาว เห็นเป็นความมั่นคงและถาวรของจักรวาล แล้วต่อมาจึงมีคำอธิบายจากทางศาสนาพราหมณ์ตามคัมภีร์พระเวท และคัมภีร์ฮิบรูจากทางศาสนายิว ต้นกำเนิดของศาสนาคริสต์ ว่า จักรวาลถูกสร้างขึ้นมาโดยเทพเจ้าหรือพระเจ้าให้มีสภาพคงที่ถาวรตลอดไป

สภาพคงที่ของจักรวาลแบบเก่านี้ นับเป็นรูปแบบของจักรวาลที่มีอายุยืนยาวนานนับหลายพันปี ถึงยุคบาบิโลนและอียิปต์ จนกระทั่งถึงการค้นพบว่า จักรวาลกำลังขยายตัวโดยเอ็ดวิน ฮับเบิลในปี ค.ศ. 1929 ทฤษฎีสภาพจักรวาลแบบคงที่จึงสะดุด เพราะไม่สามารถอธิบายได้ว่า การขยายตัวของจักรวาลเกิดขึ้นได้อย่างไร

แบบใหม่ เป็นทฤษฎีสภาพจักรวาลคงที่เสนอโดย เฮอร์มันน์ บอนดี (Hermann Bondi), โทมัส โกลด์ (Thomas Gold) และเฟรด ฮอยล์ (Fred Hoyle) ในปี ค.ศ. 1948 ซึ่งจริงๆ แล้ว ก็ยังรักษาสภาพจักรวาลคงที่แบบเก่าโดยภาพรวม และยังยึดว่า จักรวาลไม่มีกำเนิด และไม่มีวันตาย

แต่เพิ่ม 'กระบวนการ' ที่จะอธิบายการขยายตัวของจักรวาลว่า เกิดจากการที่มี 'กำเนิด' หรือ 'การสร้าง' อนุภาคใหม่ขึ้นมาภายในจักรวาล และก็เป็นอนุภาคเกิดใหม่ที่ไปแทรก 'เนื้อที่' ของจักรวาล ทำให้จักรวาลยังมีสภาพการขยายตัว สอดคล้องตามหลักฐานข้อมูลที่ปฏิเสธไม่ได้ว่า จักรวาลกำลังขยายตัว

สำหรับสถานการณ์ถึงล่าสุด กล่าวได้ว่า ทฤษฎีจักรวาลสภาพคงที่แบบเก่า ได้ถูกแทนที่โดยทฤษฎีจักรวาลสภาพคงที่แบบใหม่ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ในช่วงทศวรรษหลังการเสนอทฤษฎีสภาพจักรวาลคงที่แบบใหม่

แต่หลังจากนั้นมา จนกระทั่งถึงปัจจุบัน ทฤษฎีสภาพจักรวาลคงที่แบบใหม่ ก็ได้รับความสนใจ 'น้อยลง' ในขณะที่ทฤษฎีจักรวาลแบบบิกแบง ได้รับการยอมรับ 'เพิ่มมากขึ้น' จนกระทั่งกลายเป็นทฤษฎีหลักกำเนิดและสภาพของจักรวาลถึงล่าสุด เพราะทฤษฎีจักรวาลคงที่แบบใหม่ ไม่สอดคล้องกับข้อมูลหลักฐานใหม่ทางดาราศาสตร์มากขึ้น

.........

จักรวาลแบบ 'บิกเบาซ์' :

'บิกเบาซ์' หรือ 'big bounce' ความหมายตรง ๆ ในภาษาไทย คือ 'เด้งใหญ่' ในลักษณะแบบคล้ายกับลูกบอลขนาดใหญ่ที่เด้งขึ้นจากพื้น

อย่างคร่าว ๆ จักรวาลแบบบิกเบาซ์ คือรูปแบบกำเนิดของจักรวาลหลังการขยายตัวของจักรวาล (จากบิกแบง) แล้วหดตัวกลับสภาพคล้ายการก่อกำเนิดของบิกแบง แล้วก็เปลี่ยนสภาพจากการหดตัวเป็นการขยายตัวอย่างรวดเร็ว เกิด 'บิกแบง' ใหม่

ในภาพรวมหนึ่ง จักรวาลแบบบิกเบาซ์ ก็คือจักรวาลแบบวัฏจักร ที่เกิด 'บิกแบง' ตามด้วยการขยายตัวของจักรวาล แล้วเกิดการหดตัวกลับสู่จุดรวมของสรรพสิ่ง แล้วก็เกิดบิกแบงใหม่

แต่ 'ลักษณะพิเศษ' อย่างหนึ่งของจักรวาลแบบบิกเบาซ์ คือ การพยายามแก้ไขปัญหาเกี่ยวเนื่องกับบิกแบง จากทฤษฎีสัมพัทธภาพภาคทั่วไปของไอน์สไตน์ ที่ย้อนกลับสู่ความเป็น 'ซิงกูลาริตี' (singularity: การมีขนาดเป็นศูนย์ แต่มีมวลเป็นอนันต์) ซึ่งเป็นเสมือนกับ 'ปัญหาใหญ่' ของทฤษฎีสัมพัทธภาพภาคทั่วไป ทว่า 'บิกเบาซ์' ก็ให้คำตอบได้ 'ไม่ชัดเจนพอ'

ทำให้ทฤษฎีจักรวาลแบบ 'บิกเบาซ์' สำหรับวงการฟิสิกส์ จึงยังไม่ใช่ทฤษฎีที่ 'แข็งแรงพอ'

แต่ในขณะเดียวกัน จากการที่บิกเบาซ์ยังมีช่องว่างท้าทายอยู่ ก็จึงทำให้จักรวาลแบบบิกเบาซ์ยัง 'เปิด' อยู่ ทั้งโดยตัวแบบ 'บิกเบาซ์' ตรง ๆ และแบบรวมกับรูปแบบอื่น ดังเช่น 'แบบวัฏจักร' รวมทั้งรูปแบบของจักรวาล จากผลการศึกษาใหม่ นำเรามาสู่ประเด็นวันนี้ หรือจะเป็น 'บิกเบาซ์' ก่อน 'บิกแบง'!?

.........

หรือจะเป็น 'บิกเบาซ์' ก่อน 'บิกแบง'? :

ผลการศึกษาวิจัยใหม่เป็นผลงานของคณะนักวิจัยนานาชาติจากประเทศอิตาลี, กรีซ, จีน, อินเดีย และชิลี วิธีการที่คณะนักวิจัยใช้เป็นการศึกษาวิจัยเชิงทฤษฎีจากแบบจำลองสภาพการณ์ของจักรวาลแบบวัฏจักร แต่แตกต่างไปจากทฤษฎีแบบวัฏจักรในประเด็นใหญ่เกี่ยวกับ 'บิกเบาซ์' และ 'บิกแบง'

กล่าวคือ แล้วสรรพสิ่งของจักรวาลก็กลับทิศทางจากการขยายตัวเป็นหดตัว จนกระทั่งสรรพสิ่งที่ประกอบเป็นจักรวาลกลับมารวมตัวกันที่จุดศูนย์กลางของจักรวาล แล้วก็เกิดการขยายตัวอย่างทันทีทันใด ดังเช่นลูกบอลใหญ่ที่แตะทฤษฎีกำเนิดจักรวาลแบบบิกเบาซ์โดยทั่วไป เป็นแบบการหดตัวของจักรวาล หลังการขยายตัวจากบิกแบง พื้น แล้วก็ 'เด้ง' กลับสู่อากาศ เกิดเป็น 'บิกแบง' ครั้งใหม่

โดยทั่วไป กำเนิดจักรวาลแบบบิกเบาซ์ จะรวมทั้งส่วนการย้อนหดตัวเข้าสู่ใจกลางจักรวาลอย่างรุนแรง มีชื่อเรียกเป็น 'บิกครันช์' หรือ big crunch ที่ในพากย์ไทย ผู้เขียนขอเรียกเป็น 'กร้วมใหญ่' เหมือนยักษ์ใหญ่ที่กัดกินผลไม้หรือเนื้อชิ้นใหญ่อย่างแรง รวมกับส่วนการเกิด 'บิกแบง' ที่เกิดขึ้นทันทีหลัง 'บิกครันช์'

แต่สำหรับการศึกษาวิจัยใหม่ คณะนักวิจัยแยกส่วนเป็น 'บิกครันช์' กับ 'บิกแบง' ชัดเจน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง สภาพของจักรวาลในขณะที่กำลังหดตัวถึงจุดสุดท้าย ก่อนย้อนกลับทิศทางการเปลี่ยนแปลงใหม่ อาจมิได้มีการเกิดจุดพลิกกลับ การหดตัวแล้วขยายตัวอย่างรุนแรงแบบ 'บิกครันช์' แต่เป็นแบบที่สรรพสิ่งของจักรวาลซึ่งกำลังหดตัว พลันเกิดการเปลี่ยนแปลงใหญ่ขึ้นมา การเปลี่ยนแปลงใหญ่อะไร?

ตามรายงานผลการศึกษาวิจัยใหม่ หลังจากที่จักรวาลหดตัวถึงขนาด 10 ยกกำลัง 50 เท่าของขนาดจักรวาลปัจจุบัน การหดตัวก็ยุติลง

แล้วด้วย กระบวนการทางควอนตัมความโน้มถ่วง (quantum gravitation) ก็เกิดกระบวนการกำเนิดของโฟตอน (อนุภาคแสง) และอนุภาคอื่นๆ แล้วจึงเกิด 'บิกแบง' และการขยายตัวอย่างพองตัวของจักรวาล จนกระทั่งเกิดเป็นจักรวาลในสภาพปัจจุบัน

ที่สำคัญ ก่อนเกิดบิกแบง ด้วยความหนาแน่นที่สูง และผลเชิงควอนตัม หลุมดำต้นกำเนิดจึงเกิดขึ้น ซึ่งคณะนักวิจัยเสนอว่า หลุมดำต้นกำเนิดที่เกิดขึ้นก่อนบิกแบงนี้เอง ที่เป็น 'สสารมืด' หลังการเกิดสสารมืด ซึ่งประกอบเป็น 80 เปอร์เซ็นต์ของส่วนประกอบทั้งหมดของจักรวาลในปัจจุบัน หลุมดำต้นกำเนิดที่มีมวลน้อยส่วนหนึ่ง ก็สลายตัวไปจาก 'การแผ่รังสีฮอว์คิง' (Hawking radiation) ที่ สตีเฟน ฮอว์คิง ได้เสนอเมื่อปี ค.ศ. 1974

.........

หลักฐานสนับสนุนผลการศึกษาใหม่ :

แล้วผลการศึกษาใหม่อิงหลักฐานอะไรสนับสนุน?

สองหลักฐานสำคัญที่คณะนักวิจัยยกขึ้นมาว่าสนับสนุน คือ :-

หนึ่ง : ความโค้งของอวกาศจากสภาพการเคลื่อนที่ของดวงดาวและกาแล็กซี

สอง : สภาพของ microwave background radiation หรือ รังสีไมโครเวฟฉากหลังของจักรวาล ค้นพบโดย อาร์โนลด์ เพนเซียส (Arno Penzias) และ โรเบิร์ต วิลสัน (Robert Wilson) ในปี ค.ศ. 1964 ผลงานทำให้ทั้งสองได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี ค.ศ. 1978 รังสีไมโครเวฟฉากหลังของจักรวาลเป็นเสมือนกับเสียงของ 'บิกแบง' ที่ยังหลงเหลืออยู่ถึงปัจจุบัน

.........

แล้ว 'บิกเบาซ์' เกิดก่อน 'บิกแบง' หรือไม่?

คณะนักวิจัยไม่เรียกเหตุการณ์สำคัญของช่วงการกลับตัวของจักรวาลจากการหดตัวเป็นการขยายตัวเป็น 'บิกเบาซ์' เพราะการเปลี่ยนแปลงของจักรวาลในช่วงเวลานั้นไม่ใช่เป็นแบบรุนแรงดังบิกแบง แต่เป็นกระบวนการเชิงควอนตัมที่ทำให้เกิดหลุมดำต้นกำเนิดเป็นสำคัญ

แต่สำหรับนักวิทยาศาสตร์โดยทั่วไป รวมทั้งผู้เขียนด้วย เห็นว่า จะเรียกเป็น 'บิกเบาซ์' ก็น่าจะได้ เพราะถึงจะไม่ใช่ 'การเด้งกลับใหญ่' แบบเสียงดัง แต่ก็เป็นการเด้งกลับใหญ่ที่สำคัญ

ดังนั้น บทสรุปที่ดูจะชัดเจนของผลการศึกษาใหม่ คือ จักรวาลของเรา ดูจะเป็นจักรวาลแบบวัฏจักรที่มี 'เบาซ์' หรือ 'บิกเบาซ์' เกิดขึ้นก่อน 'บิกแบง'

.........

'กล้องส่องจับใหม่' พิสูจน์ 'บิกเบาซ์' ก่อน 'บิกแบง'

ถึงแม้ผลการศึกษาใหม่จะสอดคล้องกับหลักฐานความโค้งของอวกาศ และรังสีไมโครเวฟฉากหลังของจักรวาล แต่ก็ยังมี 'คำขอ' ต่อว่า มีอะไรอีกหรือไม่ ที่จะพิสูจน์ความถูกต้องของผลการศึกษาใหม่?

คณะนักวิจัยตอบว่า มี!

อย่างหนึ่งคือ การเกิดขึ้นของหลุมดำต้นกำเนิดก่อนบิกแบง น่าจะมีผลทำให้เกิดคลื่นความโน้มถ่วง (gravitational wave) ที่คณะนักวิจัยยอมรับว่า 'อ่อนมาก' คือ อ่อนกว่าคลื่นความโน้มที่ถูกตรวจจับได้มาก่อน ซึ่งเป็นคลื่นความโน้มถ่วงจากการชนกันของหลุมดำขนาดใหญ่ (และการชนกันของดาวนิวตรอน) ในอดีตเก่าแก่ของจักรวาล

แต่ก็จะ 'แรงพอ' ที่ระบบหรือเครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงรุ่นใหม่จะตรวจจับได้ ดังเช่น หอดูดาวอวกาศลิซา (LISA: Laser Interferometer Space Antenna) และกล้องโทรทรรศน์ไอน์สไตน์ (Einstein Telescope)

หอดูดาวอวกาศลิซา เป็นหอดูดาวในอวกาศแรกที่มีเป้าหมายแรกเพื่อตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงโดยตรง เจ้าของโครงการคือองค์การอวกาศยุโรปอีซา (ESA) โดยความร่วมมือของนาซา (NASA) มีกำหนดจะถูกส่งขึ้นสู่อวกาศในปี ค.ศ. 2035

กล้องโทรทรรศน์ไอน์สไตน์ของสหภาพยุโรป กำลังอยู่ในระหว่างการศึกษาและเตรียมการ คาดว่า รายงานโครงการจะเสร็จสมบูรณ์ในปีหน้า (ค.ศ. 2025)

แผนการดำเนินการอย่างคร่าวๆ ของกล้องโทรทรรศน์ไอน์สไตน์ คือ การก่อสร้างจะเริ่มในปีค.ศ. 2026 และกล้องโทรทรรศน์ไอน์สไตน์จะเริ่มเปิดตัวทำงานในปีค.ศ. 2035 (ปีเดียวกับหอดูดาวอวกาศลิซา) ส่วนสถานที่การก่อสร้างกล้องโทรทรรศน์ไอน์สไตน์ ยังอยู่ในระหว่างการพิจารณา เพราะมีหลายประเทศในยุโรป (แย่งกัน) เสนอพื้นที่ในประเทศ เพื่อสร้างกล้องโทรทรรศน์ไอน์สไตน์ (อยู่ใต้ดิน)

.........

ผู้เขียนอยากอยู่ให้ถึงปี ค.ศ.2035 เพื่ออย่างน้อยจะได้เห็นการเริ่มต้นทำงานของหอดูดาวอวกาศลิซา และกล้องโทรทรรศน์ไอน์สไตน์

แต่ผู้เขียนเชื่อว่า คงไม่ต้องรอให้ถึงปี ค.ศ.2035 เพื่อจะได้เห็น 'ข้อพิสูจน์ที่ปฏิเสธได้ยาก' ว่า ผลการศึกษาใหม่ คือ จักรวาลแบบวัฏจักรที่มี 'เบาซ์' หรือ 'บิกเบาซ์' เกิดขึ้นก่อน 'บิกแบง' จะผ่านการทดสอบหรือไม่?

เพราะด้วยความก้าวหน้าของเทคโนโลยีในการเจาะสำรวจอวกาศและจักรวาล ที่กำลังเกิดขึ้นอย่างเข้มข้น
ก็น่าจะมี 'บทสรุป' เกี่ยวกับผลการศึกษาใหม่นี้อย่างชัดเจนขึ้นมาก!

แล้วท่านผู้อ่านล่ะครับ คิดอย่างไรกับผลการศึกษาใหม่นี้?