ฟิสิกส์ อายุจักรวาล

ย้อนอดีตไปเมื่อ 33 ปีก่อนนี้ วงการดาราศาสตร์ได้ถูกแบ่งแยกออกเป็นสองค่าย ค่ายหนึ่งเชื่อว่า จักรวาล (universe) ได้ถือกำเนิดมาเป็นเวลานานเสียจนไม่มีใครรู้ว่าจักรวาลมีอายุเท่าใด นักดาราศาสตร์ที่เชื่อเช่นนี้คือกลุ่มที่เชื่อในทฤษฎี steady state ที่แถลงว่า เวลาจักรวาลขยายตัว จักรวาลจะสร้างสสารเพิ่มเสริมตลอดเวลา ส่วนนักดาราศาสตร์อีกกลุ่มหนึ่ง กลับมีความเห็นว่า จักรวาลมีอายุที่สามารถนับได้ ทฤษฎีนี้แถลงว่าจักรวาลถือกำเนิดจากการระเบิดครั้งยิ่งใหญ่ (big bang) พลังระเบิดที่มากมหาศาลได้ผลักดันให้กาแล็กซีต่างๆ พุ่งหนีกระจัดกระจายจากกัน

ถึงแม้ว่าทฤษฎี steady state และ big bang จะให้ข้อสรุปที่เหมือนกันว่าจักรวาลขยายตัว แต่ทฤษฎีทั้งสองก็ให้คำทำนายที่แตกต่างกันในหลายประเด็นและคำทำนายนี้ นักวิทยาศาสตร์สามารถตรวจสอบและตัดสินใจความถูกต้องได้ เช่น ทฤษฎี big bang ทำนายว่า ถ้าจักรวาลระเบิดจริง ภายหลังการระเบิดเราควรจะเห็นรังสีความร้อนหลงเหลืออยู่และเมื่อเวลาผ่านไป นานๆ รังสีนี้ควรจะเย็นลงๆ และจะมีอุณหภูมิประมาณ -270 องศาเซลเซียส เมื่อเวลาผ่านไปประมาณ 10,000 ล้านปี ส่วนทฤษฎี steady state นั้นมิได้กล่าวถึงรังสีความร้อนที่ว่านี้เลย

ดังนั้นเมื่อ A. Penzias และ R. Wilson แห่ง Bell Laboratory ในสหรัฐอเมริกาได้รายงานว่า เขาพบรังสีความร้อนดังกล่าวในรูปของรังสีไมโครเวฟที่แผ่กระจายอยู่ทั่วในอวกาศ ทุกทิศทาง และรังสีความร้อนนี้มีอุณหภูมิประมาณ -270 องศาเซลเซียส ตรงตามที่ทฤษฎี big bang ได้ทำนายไว้ทุกประการ การยอมรับในความถูกต้อง ของทฤษฎี big bang จึงเป็นเรื่องที่หลีกเลี่ยงไม่ได้

การได้ยิน "เสียงจักรวาลระเบิด" นี้ นอกจากจะทำให้ Penzias และ Wilson ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์แล้ว ยังทำให้ทฤษฎี steady state ถูกทอดทิ้งอย่างไม่มีใครเชื่อต่อไปอีกด้วย

ทุกวันนี้นักวิทยาศาสตร์ส่วนมากปักใจเชื่อในความถูกต้องของทฤษฎี big bang เพราะ (1) เวลาทฤษฎีนี้ทำนายว่าจักรวาลขยายตัว E. Hubble ก็ได้พบเห็นว่ากาแล็กซีต่างๆ กำลังพุ่งหนีจากกันตลอดเวลาจริง (2) เวลาทฤษฎีนี้ทำนายว่า มีรังสีไมโครเวฟแผ่กระจายอยู่ทั้งจักรวาล A. Penzias และ R. Wilson ก็ได้พบเห็นรังสีดังกล่าวจริง และ (3) เวลาทฤษฎีนี้ทำนายตัวเลขความอุดมสมบูรณ์ของธาตุต่างๆ ในจักรวาล นักวิทยาศาสตร์ก็ได้พบว่า ปริมาณธาตุต่างๆ มีจริงตามทฤษฎี big bang ได้ทำนายไว้ทุกประการ

แม้ว่าแนวคิดหลักๆ ของทฤษฎี big bang จะเป็นที่ยอมรับก็ตาม แต่ก็มีปัญหาๆ หนึ่ง ที่ทฤษฎี big bang ยังให้คำตอบไม่ชัดเจน คำถามนั้น คือ จักรวาลระเบิดเมื่อใด และอะไรทำให้จักรวาลระเบิดส่วนคำถามที่ว่าก่อนที่จักรวาลจะระเบิด จักรวาลมีสภาพอย่างไรนั้น ทฤษฎีฟิสิกส์ปัจจุบันแถลงว่า คำถามเช่นนั้นเป็นคำถามที่ไร้ความหมายเพราะก่อนที่จักรวาลจะระเบิดนั้น แม้แต่เวลาก็ไม่มีเพราะจักรวาลและเวลาถือกำเนิดมาพร้อมกัน ดังนั้น การถามหาสิ่งที่ ไม่มีทั้งรูปธรรม และนามธรรม จึงเป็นคำถามที่ไม่มีใครรู้ว่าหมายถึงอะไร

สำหรับคำถามที่ว่าจักรวาลระเบิดเมื่อใดนั้นก็เป็นคำถามที่นักดาราศาสตร์ได้พยายามแสวงหาคำตอบมานานแล้ว เมื่อ 4 ปีก่อนนี้วงการดาราศาสตร์ได้เผชิญภาวะวิกฤตทางปัญญาอย่างรุนแรง เมื่อนักดาราศาสตร์กลุ่มหนึ่งรายงานว่า ในการศึกษาการเคลื่อนที่ของกาแล็กซี เขาได้พบว่าจักรวาลมีอายุเพียง 8,000 ล้านปีเท่านั้นเอง ในขณะที่นักดาราศาสตร์อีกกลุ่มหนึ่งที่สนใจศึกษาอายุของดาวฤกษ์ กลับพบว่าดาวฤกษ์บางดวงมีอายุมากถึง 16,000 ล้านปี ตัวเลขเช่นนี้ นักดาราศาสตร์หลายคนเชื่อว่าเป็นตัวเลขเหลวไหล เพราะดาวฤกษ์เป็นองค์ประกอบหนึ่งของจักรวาลที่ต้องเกิดหลังที่จักรวาลเกิดแล้ว เสมือนลูกที่ต้องเกิดจากท้องแม่ ดังนั้น ลูกก็ต้องมีอายุน้อยกว่าแม่ แต่เมื่อตัวเลขอายุของดาวฤกษ์มากกว่าตัวเลขอายุของจักรวาลเช่นนี้ ความขัดแย้งจึงถือเป็นเรื่องที่รุนแรง นักวิทยาศาสตร์ได้แบ่งพวกโดยเชื่อข้อมูลแยกกัน แต่ก็มีนักวิทยาศาสตร์อีกหลายคนที่เชื่อว่า ตัวเลขอายุทั้งสองตัวนั้นผิดทั้งคู่

ในขณะที่ความขัดแย้งยังไม่มีการสรุปใดๆ มาเมื่อปีกลายนี้ องค์การอวกาศแห่งยุโรปได้รายงานว่าดาวเทียม Hipparcos ที่ถูกส่งขึ้นไปโคจรรอบโลก เมื่อปี พ.ศ. 2532 เพื่อวัดระยะทางที่ดาวฤกษ์ต่างๆ กว่า 1 แสนดวงอยู่ห่างจากโลก ได้ส่งข้อมูลที่แสดงให้เห็นว่า จักรวาลมีอายุมากกว่า 8,000 ล้านปี และดาวฤกษ์อายุมากที่สุด มีอายุน้อยกว่า 16,000 ล้านปี ความขัดแย้งจึงมีแนวโน้มจะลดลง

นักดาราศาสตร์รู้ว่า การจะรู้อายุของจักรวาลนั้นเกี่ยวข้องโดยตรงกับการวัดระยะทาง และการที่ดาวฤกษ์ส่วนใหญ่อยู่ไกลจากโลกมากเป็นระยะทางหลายล้านกิโลเมตร ดังนั้นความผิดพลาดในการวัดระยะทางจึงมีโอกาสเกิดได้มาก เทคนิคการวัดระยะทางที่นักดาราศาสตร์ปัจจุบันนิยมใช้กันมากคือการวัดความสว่างของดาวฤกษ์ เพราะถือว่าถ้าเรารู้ความสว่างที่แท้จริงของดาวฤกษ์ เราก็สามารถคำนวณหาระยะทางที่มันอยู่ห่างจากเราได้

คุณสมบัติของดาวและกาแล็กซีอีกประการหนึ่งที่นักดาราศาสตร์ให้ความสนใจคือ ความยาวคลื่นแสงที่ดาวและกาแล็กซีปลดปล่อยมา เพราะเวลาจักรวาลขยายตัวแสงจากกาแล็กซีที่เคลื่อนที่หนีจากเราจะมีความยาวคลื่นมากขึ้น เมื่อนักดาราศาสตร์คำนวณหาอัตราส่วนระหว่างความยาวคลื่นแสงที่เปลี่ยนไปกับระยะทางที่ดาวฤกษ์อยู่ห่างจากเรา เขาก็จะได้ตัวเลขๆ หนึ่ง ที่รู้จักกันในนามค่านิจของ Hubble ถ้าค่านิจนี้สูงแสดงว่าจักรวาลมีอายุน้อย แต่ถ้าค่านิจต่ำ จักรวาลจะมีอายุมาก โดยการใช้ข้อมูลจากดาวเทียม Hipparcos คำนวณอายุของจักรวาล W. Freedman แห่งหอดูดาว Carnegie ที่แคลิฟอร์เนีย ได้ผลการวัดค่านิจของ Hubble ว่าเท่ากับ 72 ซึ่งแสดงว่า จักรวาลมีอายุระหว่าง 9,000-12,000 ล้านปี ส่วน A. Sandage แห่งหอดูดาว Carnegie เดียวกัน วัดค่านิจของ Hubble ได้เท่ากับ 56 ซึ่งแสดงว่า จักรวาลมีอายุระหว่าง 12,000-16,000 ล้านปี

ในอีกไม่นาน Freedman และคณะก็จะใช้กล้องโทรทรรศน์ Hubble คำนวณหาค่านิจ Hubble ใหม่และนักดาราศาสตร์คนอื่นๆ ก็คาดหวังจะมีกล้องโทรทรรศน์ใหม่ๆ ที่มีประสิทธิภาพสูงกว่ากล้อง Hubble ใช้ในอนาคตซึ่งจะทำให้การวัดค่านิจของ Hubble ถูกต้องยิ่งขึ้น

จะยังไงๆ ก็ตาม เราก็จะเห็นแล้วว่า ถึงอายุของจักรวาลและของดาวฤกษ์จะถูกแก้ไขแล้วก็ตาม แต่วงการดาราศาสตร์ก็ยังไม่แฮปปี้นัก เพราะการที่ดาวฤกษ์ถือกำเนิดพร้อมๆ กับจักรวาลนั้น ดูๆ แล้วเหลือเชื่อ

ปัญหาที่เร่งด่วนของทฤษฎีจักรวาล ขณะนี้คือ การหาค่านิจ Hubble ให้ดีที่สุดเพื่อเราจะได้รู้อายุของจักรวาลที่ถูกต้องที่สุดครับ