บิ๊กแบงปะทุขึ้นจากความว่างเปล่าได้อย่างไร
17 ธันวาคม 2023
 
ที่สุดของคำถามคาใจทางฟิสิกส์และอภิปรัชญาของใครหลายคน น่าจะได้แก่ปริศนาที่ว่า เอกภพหรือจักรวาลที่เราอาศัยอยู่นั้นถือกำเนิดขึ้นมาจากอะไรกันแน่ และทฤษฎีที่ว่าการขยายตัวครั้งใหญ่หรือบิ๊กแบง (Big Bang) ซึ่งเป็นจุดต้นกำเนิดของสรรพสิ่ง จู่ ๆ ก็ผุดขึ้นหรือปะทุขึ้นมาจากความว่างเปล่าไม่มีอะไรเลยในอดีตกาลนั้น มันจะเป็นไปได้จริงหรือ ?

ไม่ว่าจะตีลังกาคิดกี่ตลบ เราก็ไม่อาจจะจินตนาการถึงต้นกำเนิดของสรรพสิ่งที่มาจากความว่างเปล่าได้ เพราะสามัญสำนึกของคนทั่วไปคอยย้ำเตือนว่า มันจะต้องมีอะไรบางอย่างที่เป็นพื้นฐานของการก่อกำเนิดแฝงอยู่ด้วยแน่ ๆ ทว่าบางสิ่งบางอย่างที่น่าจะมีอยู่ก่อนแล้วนั้นมาจากไหน ?

ก่อนที่จะต้องปวดหัวเพราะคิดวนเวียนหาทางออกไม่เจอ ศาสตราจารย์อะลาสแตร์ วิลสัน ผู้เชี่ยวชาญด้านปรัชญาวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยเบอร์มิงแฮมของสหราชอาณาจักร ได้อธิบายไขความเรื่องนี้ให้คนทั่วไปที่ไม่ใช่นักฟิสิกส์ได้เข้าใจง่าย ๆ ผ่านบทความที่เผยแพร่ทางเว็บไซต์ The Conversation ว่าดังนี้

เมื่อพูดถึงกำเนิดจักรวาล แทนที่เราจะคิดทบทวนโดยย้อนไปในอดีต เราอาจต้องจินตนาการไปข้างหน้าถึงจุดจบของสรรพสิ่งเสียก่อนเป็นอันดับแรก ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ในปัจจุบันเชื่อว่า เอกภพจะขยายตัวออกไปอย่างไม่สิ้นสุดจนดาราจักรต่าง ๆ แยกห่างออกจากกัน ปฏิสัมพันธ์ระหว่างมวลสารจะลดลงจนห้วงอวกาศไร้ความเคลื่อนไหว รวมทั้งมีอุณหภูมิหนาวเย็นกว่าเดิมและมืดมิดลงเรื่อย ๆ จนกระทั่งดาวฤกษ์ดวงสุดท้ายดับไป และหลุมดำยักษ์สุดท้ายที่กลืนกินสรรพสิ่งระเหยหมดไปด้วยเช่นกัน

ทว่าจุดจบในรูปของจักรวาลที่ไร้พลังงานและไร้ชีวิตนี้ จะกลายมาเป็นต้นกำเนิดให้กับบิ๊กแบงครั้งใหม่ได้กระนั้นหรือ ? เรื่องนี้ ศ.วิลสันบอกว่า ก่อนที่เราจะไปทำความเข้าใจถึงประเด็นดังกล่าว ควรเริ่มพิจารณาจากปัญหาที่ว่า “สสารแรก” (the first matter) เกิดขึ้นมาได้อย่างไรจะเป็นการดีกว่า

ในขณะที่เกิดเหตุการณ์บิ๊กแบงนั้น ไม่มีสสารทางกายภาพใด ๆ ที่มีความเสถียร อย่างเช่นอะตอมหรือโมเลกุลของธาตุถือกำเนิดขึ้นมาเลย และสสารที่มีความเสถียรคงตัวนี้ก็ยังคงไม่เกิดขึ้น แม้เวลาจะล่วงเลยไปหลายแสนปีหลังจากนั้นก็ตาม

อะตอมแรกของเอกภพนั้นเกิดขึ้น เมื่อความปั่นป่วนวุ่นวายหลังเหตุการณ์บิ๊กแบงเริ่มสงบ จักรวาลเริ่มเย็นตัวลงมากพอที่จะทำให้สสารซึ่งมีความซับซ้อนเริ่มเสถียร จากนั้นอะตอมเหล่านี้ได้หลอมรวม จนกลายเป็นธาตุที่หนักขึ้นในใจกลางของดาวฤกษ์

แต่ถึงกระนั้นก็ตาม ความรู้เรื่องที่มาของอะตอมแรกนี้ก็ไม่ช่วยให้เราเข้าใจได้ว่า สรรพสิ่งถือกำเนิดขึ้นจากความว่างเปล่าได้อย่างไรอยู่ดี และหากพิจารณาย้อนไปถึงกำเนิดของอนุภาคมูลฐานที่เล็กกว่าอะตอม ซึ่งพอจะมีความเสถียรและสามารถคงตัวอยู่ได้นานพอสมควรอย่างเช่นโปรตอนและนิวตรอน อนุภาคเหล่านี้ก็เกิดขึ้นที่เสี้ยวของหนึ่งในหมื่นวินาทีหลังการปะทุของบิ๊กแบงเช่นกัน

ก่อนเกิดเหตุการณ์บิ๊กแบงนั้น ไม่มีสิ่งที่เรียกได้ว่าเป็นสสารตามความเข้าใจของคนทั่วไปอยู่เลย เพราะเรากำลังย้อนเวลาไปพูดถึง “ยุคแห่งเอกภาพอันใหญ่หลวง” (grand unified epoch) ที่มีเงื่อนไขพิเศษทางฟิสิกส์ซึ่งแตกต่างไปจากยุคปัจจุบันคอยกำกับควบคุมอยู่ นอกจากนี้ เรายังไม่สามารถสร้างเครื่องเร่งอนุภาคที่มีพลังงานสูงพอจะจำลองสภาพในยุคบรรพกาลดังกล่าวขึ้นได้ด้วย จึงเป็นอันว่าเรายังไม่อาจอธิบายถึงกระบวนการที่ให้กำเนิดสสารแรกก่อนบิ๊กแบงได้

ทว่านักฟิสิกส์ยังคงไม่หมดหวังเสียทีเดียว เพราะปัจจุบันมีสมมติฐานที่มีความเป็นไปได้สูงว่า โลกทางกายภาพ (physical world) ในรูปแบบใด ๆ ที่อาจดำรงอยู่ในยุคก่อนบิ๊กแบง น่าจะเป็นเหมือนกับน้ำซุปของบรรดาอนุภาคมูลฐานอายุสั้นที่เกิดดับอย่างรวดเร็ว รวมถึง “ควาร์ก” (quark) ซึ่งเป็นอนุภาคมูลฐานที่เล็กกว่าและเป็นองค์ประกอบของโปรตอนและนิวตรอนด้วย

ในยุคแห่งเอกภาพที่ยังแบ่งแยกไม่ได้นี้ สสารและปฏิสสารที่เป็นขั้วตรงข้ามน่าจะมีอยู่ในปริมาณที่ใกล้เคียงกันมาก ซึ่งอนุภาคทั้งสองชนิดจะหักล้างกันเสมอเมื่อมาพบกัน ทำให้พวกมันถูกทำลายและถูกสร้างขึ้นใหม่อย่างต่อเนื่อง

อนุภาคที่เกิดดับอย่างรวดเร็วในช่วงเวลานี้ เกิดขึ้นตั้งอยู่และดับไปในสภาพที่อาจจะเรียกได้ว่าเป็นความว่างเปล่า ทว่าทฤษฎีสนามควอนตัม (quantum field theory) บอกเราว่า ไม่มีความว่างเปล่าใดแม้แต่ในสุญญากาศที่จะว่างเปล่าอย่างแท้จริง

ในปริภูมิ-เวลา (space-time) ที่ดูเหมือนกับไม่มีอะไรเลยนั้น กลับมีความเคลื่อนไหวในรูปของการกระเพื่อมหรือความผันผวนแปรปรวนของพลังงานอยู่เสมอ ซึ่งความเคลื่อนไหวนี้สามารถให้กำเนิดอนุภาคต่าง ๆ ขึ้นมาได้ โดยหลักการนี้ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเป็นจริงจากการทดลองทางฟิสิกส์หลายครั้ง

ด้วยเหตุนี้ เราจึงไม่อาจจะกล่าวได้เต็มปากว่า มีบางสิ่งเกิดขึ้นมาได้จากความว่างเปล่า เพราะสภาพสุญญากาศทางควอนตัมดังข้างต้น ก็ยังมีพลังงานบางอย่างแอบแฝงอยู่

ส่วนที่ตั้งของความว่างเปล่า หรือปริภูมิ-เวลาที่ไม่มีอะไรเลย เกิดขึ้นมาได้อย่างไรนั้น เราต้องย้อนเวลากลับไปหาคำตอบในยุคที่เก่าแก่โบราณขึ้นไปอีก ซึ่งเรียกกันว่า “ยุคพลังก์” (Planck epoch) ที่กฎฟิสิกส์ต่าง ๆ ในปัจจุบันใช้ไม่ได้อีกต่อไป

ยุคพลังก์นั้นเกิดขึ้นเพียงชั่วพริบตา ในเสี้ยวที่ 10 ล้านล้านล้านล้านล้านล้านล้านของหนึ่งวินาทีหลังเกิดบิ๊กแบง ซึ่งในจุดนี้แม้แต่ปริภูมิ-เวลาเอง ก็ยังเกิดขึ้นและดับไปเพราะความแปรปรวนทางควอนตัม

หากเราต้องการจะเข้าใจสภาพการณ์ของยุคพลังก์ให้กระจ่าง นักฟิสิกส์จะต้องบรรลุถึงการรวมทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปซึ่งให้คำอธิบายเอกภพในระดับมหภาค เข้ากับทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัมซึ่งให้คำอธิบายเอกภพจากมุมมองของอนุภาค ดังนั้นทฤษฎีใหม่ว่าด้วย “ความโน้มถ่วงควอนตัม” (quantum gravity theory) จึงจะเป็นคำตอบสำหรับประเด็นนี้อย่างแท้จริง

ปัจจุบันทฤษฎีฟิสิกส์ที่เข้าใกล้การรวมแนวคิดข้างต้นมากที่สุด ได้แก่ทฤษฎีสตริง (string theory) และทฤษฎี loop quantum gravity ซึ่งมองว่าปริภูมิ-เวลานั้นไม่ได้ดำรงอยู่อย่างถาวร แต่เป็นการผุดเกิดขึ้นชั่วคราวเหมือนระลอกคลื่นที่ผิวน้ำในมหาสมุทร

อย่างไรก็ตาม แนวคิดนี้ก็ยังคงทำให้เกิดคำถามต่อไปได้อีกว่า ปัจจัยพื้นฐานทางควอนตัมที่ทำให้เกิดการกระเพื่อมของพลังงาน จนก่อกำเนิดอนุภาคและปริภูมิ-เวลาขึ้นได้นั้น มาจากไหน ?

 มาถึงตรงนี้เหล่านักฟิสิกส์ในปัจจุบันยอมรับว่า พวกเขายังคงไม่มีหลักฐานชิ้นใดเลย ที่จะใช้ยืนยันรับรองว่ามีบางสิ่งเกิดขึ้นจากความว่างเปล่าได้ มนุษยชาติยังคงต้องรอคอยจนกว่าจะถึงวันที่มี “ทฤษฎีแห่งสรรพสิ่ง” (Theory of Everything) ออกมาเสียก่อน วงการฟิสิกส์จึงจะให้คำตอบที่ชัดเจนได้

แม้ขณะนี้เรื่องของช่วงเวลาแรกเริ่มในยุคพลังก์ยังคงเป็นปริศนาอยู่ แต่ก็มีผู้พยายามเสนอคำอธิบายว่า บิ๊กแบงเกิดขึ้นจากสภาพการณ์ที่เกือบจะว่างเปล่าได้อย่างไรในหลายแนวทาง บ้างก็ใช้คำอธิบายทางศาสนาว่ามีผู้สร้างเอกภพหรือพระเจ้า ส่วนนักฟิสิกส์บางกลุ่มเสนอคำอธิบายว่ามีพหุภพ (multiverse) ที่จะเกิดขึ้นเป็นเอกภพคู่ขนานอยู่เสมอ

แต่คำอธิบายล่าสุดที่น่าสนใจมากสมมติฐานหนึ่ง คือทฤษฎีเอกภพที่หมุนเวียนเป็นวัฏจักร (cyclical universe theory) ของศ.โรเจอร์ เพนโรส นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษเจ้าของรางวัลโนเบลปี 2020 ซึ่งเป็นแบบจำลองทางจักรวาลวิทยาที่แสดงให้เห็นว่า เอกภพสามารถเกิดดับและเกิดขึ้นใหม่ได้อีกนับครั้งไม่ถ้วนตลอดชั่วกัลปาวสาน

ศ.เพนโรส พบความเชื่อมโยงทางคณิตศาสตร์ที่แปลกประหลาด ระหว่างสภาพการณ์ในขณะที่เกิดบิ๊กแบง ซึ่งเป็นสถานะที่ต้นกำเนิดของสรรพสิ่งรวมอยู่ในจุดที่เล็กมากโดยมีความร้อนและความหนาแน่นสูง กับสภาพการณ์ในช่วงอวสานของจักรวาลซึ่งสรรพสิ่งเยือกเย็น มืดมิด และแทบจะว่างเปล่า ทำให้เรา

อาจมองได้ว่า สภาพการณ์สุดขั้วทั้งสองที่ย้อนแย้งกันนั้น โดยเนื้อแท้แล้วเป็นสิ่งเดียวกัน และความว่างเปล่าที่แทบจะไม่มีสิ่งใดเลย ก็อาจให้กำเนิดเอกภพที่เต็มไปด้วยสรรพสิ่งอย่างที่เรารู้จักในทุกวันนี้ได้

กระบวนการทางคณิตศาสตร์ดังกล่าว สามารถทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเชิงเรขาคณิตกับวัตถุ จนเกิดเป็นสิ่งใหม่ที่อยู่ในสภาพเดิมแต่จะมีขนาดและมิติเวลาเปลี่ยนแปลงไปได้ ซึ่งก็คือเอกภพเก่าที่กว้างใหญ่และหนาวเย็น ได้ให้กำเนิดเอกภพใหม่อายุน้อยที่ยังมีขนาดเล็กแต่ทว่าร้อนแรงนั่นเอง

อย่างไรก็ตามทฤษฎีของศ.เพนโรส ระบุว่า ในวัฏจักรนี้เอกภพทั้งสองต่างตั้งอยู่บนเส้นเวลาคนละเส้นกัน ดังนั้นเอกภพเก่าที่ว่างเปล่าจะยังคงดำรงอยู่ต่อไปเรื่อย ๆ ในสายตาของผู้สังเกตการณ์บนเส้นเวลานั้น ในขณะที่เอกภพกำเนิดใหม่จะมีเส้นเวลาที่แยกเป็นอิสระออกไปเป็นของตนเองโดยเฉพาะ

ปัจจุบันศ.เพนโรสและคณะ ค้นพบร่องรอยบางอย่างที่เป็นหลักฐานของการดำรงอยู่ของเอกภพในอดีต โดยชี้ว่ามีหลุมดำที่ปลดปล่อยพลังงานจากเอกภพดังกล่าว ซึ่งเคยมีอยู่ก่อนจุดกำเนิดแห่งเอกภพของเราในทุกวันนี้ แต่การค้นพบหลักฐานที่ว่าและทฤษฎีเอกภพที่หมุนเวียนเป็นวัฏจักรของเขา ยังคงมีผู้โต้แย้งและยังตกเป็นหัวข้อการอภิปรายถกเถียงที่ดุเดือดในแวดวงฟิสิกส์ต่อไป
https://www.bbc.com/thai/articles/cj5gjjljz04o