นักฟิสิกส์อธิบายวิธีจินตนาการถึงการขยายตัวอันน่าเหลือเชื่อของจักรวาล

เมื่อคุณอบขนมปังหนึ่งแถวหรือมัฟฟินชุดหนึ่ง คุณจะต้องใส่แป้งลงในกระทะ ขณะที่แป้งอบในเตาอบ แป้งจะขยายตัวเข้าไปในถาดอบ ช็อกโกแลตชิปหรือบลูเบอร์รี่ในแป้งมัฟฟินจะอยู่ห่างจากกันมากขึ้นเมื่อแป้งมัฟฟินขยายตัว

การขยายตัวของจักรวาลก็คล้ายกันในบางแง่ แต่การเปรียบเทียบนี้ทำให้มีสิ่งหนึ่งผิดไป ในขณะที่แป้งขยายเข้าไปในถาดอบ แต่จักรวาลก็ไม่มีอะไรให้ขยายเข้าไปอีก มันแค่ขยายเข้าไปในตัวมันเอง

อาจรู้สึกเหมือนเป็นเครื่องช่วยพัฒนาสมอง แต่จักรวาลถือเป็นทุกสิ่งในจักรวาล ในจักรวาลที่กำลังขยายตัวนั้นไม่มีกระทะ แค่แป้ง แม้ว่าจะมีกระทะ มันก็จะเป็นส่วนหนึ่งของจักรวาล ดังนั้นมันจึงขยายออกไปพร้อมกับกระทะ

แม้แต่สำหรับฉันกอาจารย์สอนวิชาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ผู้ศึกษาจักรวาลมานานหลายปี แนวคิดเหล่านี้ยากที่จะเข้าใจ คุณไม่พบอะไรเช่นนี้ในชีวิตประจำวันของคุณ เหมือนถามว่าทิศไหนไกลออกไปทางเหนือของขั้วโลกเหนือ

วิธีคิดอีกวิธีหนึ่งเกี่ยวกับการขยายตัวของเอกภพคือการคิดถึงว่ากาแลคซีอื่น ๆ กำลังเคลื่อนตัวออกจากกาแลคซีของเราซึ่งก็คือทางช้างเผือกอย่างไร

นักวิทยาศาสตร์รู้ว่าจักรวาลกำลังขยายตัวเนื่องจากสามารถติดตามกาแลคซีอื่นได้ในขณะที่พวกมันเคลื่อนตัวออกห่างจากเรา พวกมันกำหนดการขยายตัวโดยใช้อัตราที่กาแลคซีอื่นเคลื่อนตัวออกไปจากเรา คำจำกัดความนี้ทำให้พวกเขาจินตนาการถึงการขยายตัวโดยไม่จำเป็นต้องมีอะไรมาขยายเพิ่มเติม

จักรวาลที่กำลังขยายตัว

จักรวาลเริ่มต้นด้วย 13.8 พันล้านปีก่อน- บิ๊กแบงบรรยายถึงต้นกำเนิดของจักรวาลว่าเป็นเอกภาวะที่ร้อนแรงและหนาแน่นอย่างยิ่ง จุดเล็กๆ นี้เกิดการขยายตัวอย่างรวดเร็วที่เรียกว่าการพองตัว ซึ่งทุกแห่งในจักรวาลขยายออกไปด้านนอก

แต่ชื่อบิ๊กแบงทำให้เข้าใจผิดมันไม่ใช่การระเบิดขนาดยักษ์ดังชื่อบอกแต่เป็นยุคที่จักรวาลขยายตัวอย่างรวดเร็ว

จากนั้นจักรวาลก็ควบแน่นและเย็นลงอย่างรวดเร็ว และเริ่มสร้างสสารและแสงสว่าง ในที่สุดมันก็พัฒนาไปสู่สิ่งที่เรารู้จักในปัจจุบันว่าเป็นจักรวาลของเรา

แนวคิดที่ว่าจักรวาลของเราไม่คงที่และสามารถขยายตัวหรือหดตัวได้ตีพิมพ์ครั้งแรกโดยนักฟิสิกส์ Alexander Friedmanในปี พ.ศ. 2465 เขายืนยันทางคณิตศาสตร์ว่าจักรวาลกำลังขยายตัว

ในขณะที่ฟรีดแมนพิสูจน์ว่าเอกภพกำลังขยายตัว อย่างน้อยก็ในบางจุด เอ็ดวิน ฮับเบิลเป็นผู้ที่มองลึกลงไปถึงอัตราการขยายตัว นักวิทยาศาสตร์อีกหลายคนยืนยันว่ากาแลคซีอื่นกำลังเคลื่อนตัวออกจากทางช้างเผือก แต่ในปี 1929 ฮับเบิลตีพิมพ์บทความที่มีชื่อเสียงของเขาที่ยืนยันว่าจักรวาลทั้งหมดกำลังขยายตัว และอัตราการขยายตัวก็เพิ่มขึ้น

การค้นพบนี้ยังคงเป็นปริศนาให้กับนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ ปรากฏการณ์ใดที่ทำให้จักรวาลสามารถเอาชนะแรงโน้มถ่วงที่ทำให้มันรวมกันได้ในขณะเดียวกันก็ขยายตัวโดยการดึงวัตถุในจักรวาลออกจากกัน? และเหนือสิ่งอื่นใด อัตราการขยายตัวของมันก็เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเมื่อเวลาผ่านไป

นักวิทยาศาสตร์หลายคนใช้ภาพที่เรียกว่าช่องทางขยายตัวเพื่ออธิบายว่าการขยายตัวของจักรวาลเร่งความเร็วขึ้นตั้งแต่เกิดบิ๊กแบงได้อย่างไร ลองนึกภาพช่องทางลึกที่มีปีกกว้าง ด้านซ้ายของกรวย - ปลายแคบ - แสดงถึงจุดเริ่มต้นของจักรวาล เมื่อคุณเคลื่อนไปทางขวา คุณกำลังก้าวไปข้างหน้าทันเวลา การขยับขยายของกรวยแสดงถึงการขยายตัวของจักรวาล

นักวิทยาศาสตร์ยังไม่สามารถวัดได้โดยตรงว่าจุดใดพลังงานที่ทำให้เกิดการขยายตัวอย่างรวดเร็วนี้มาจาก. พวกเขาไม่สามารถตรวจจับหรือวัดได้ เนื่องจากไม่สามารถมองเห็นหรือวัดพลังงานประเภทนี้ได้โดยตรงจึงเรียกมันว่าพลังงานมืด-

ตามแบบจำลองของนักวิจัยจะต้องเป็นรูปแบบพลังงานที่พบได้ทั่วไปในจักรวาลร้อยละ 68 ของพลังงานทั้งหมดในจักรวาล- พลังงานจากสสารในชีวิตประจำวันซึ่งประกอบเป็นโลก ดวงอาทิตย์ และทุกสิ่งที่เรามองเห็น คิดเป็นสัดส่วนเพียงประมาณร้อยละ 5 ของพลังงานทั้งหมด

อยู่นอกช่องทางการขยาย

แล้วอะไรอยู่นอกช่องทางการขยาย?

นักวิทยาศาสตร์ไม่มีหลักฐานใดที่นอกเหนือไปจากเอกภพที่เรารู้จัก อย่างไรก็ตาม มีบางคนคาดการณ์ว่าอาจมีจักรวาลหลายแห่งได้- แบบจำลองที่มีจักรวาลหลายแห่งสามารถแก้ไขปัญหาบางอย่างที่นักวิทยาศาสตร์เผชิญกับแบบจำลองปัจจุบันของจักรวาลของเราได้

ปัญหาสำคัญประการหนึ่งเกี่ยวกับฟิสิกส์ปัจจุบันของเราก็คือนักวิจัยไม่สามารถบูรณาการได้ กลศาสตร์ควอนตัมซึ่งอธิบายว่าฟิสิกส์ทำงานอย่างไรในระดับที่เล็กมาก และแรงโน้มถ่วงซึ่งควบคุมฟิสิกส์ขนาดใหญ่-

กฎเกณฑ์ว่าสสารจะมีพฤติกรรมในระดับเล็กๆ อย่างไรนั้นขึ้นอยู่กับความน่าจะเป็นและปริมาณพลังงานหรือปริมาณคงที่ ในระดับนี้ วัตถุสามารถเข้าและออกจากการดำรงอยู่ได้สสารสามารถประพฤติตัวเป็นคลื่นได้- โลกควอนตัมแตกต่างจากวิธีที่เราเห็นโลกอย่างมาก

ในสเกลขนาดใหญ่ซึ่งนักฟิสิกส์เรียกว่ากลศาสตร์คลาสสิกวัตถุมีพฤติกรรมตามที่เราคาดหวังให้วัตถุมีพฤติกรรมในแต่ละวัน วัตถุไม่ได้รับการวัดปริมาณและสามารถมีพลังงานได้อย่างต่อเนื่อง วัตถุไม่เข้าและออกจากการดำรงอยู่

โลกควอนตัมมีพฤติกรรมเหมือนกับสวิตช์ไฟ โดยที่พลังงานมีเพียงตัวเลือกเปิด-ปิดเท่านั้น โลกที่เราเห็นและโต้ตอบด้วยพฤติกรรมเหมือนสวิตช์หรี่ไฟ ซึ่งช่วยให้พลังงานทุกระดับ

แต่นักวิจัยประสบปัญหาเมื่อพยายามศึกษาแรงโน้มถ่วงในระดับควอนตัม ในขนาดเล็ก นักฟิสิกส์จะต้องถือว่าแรงโน้มถ่วงถูกหาปริมาณ แต่งานวิจัยที่หลายคนได้ทำไม่สนับสนุนความคิดนั้น

วิธีหนึ่งที่จะทำให้ทฤษฎีเหล่านี้ทำงานร่วมกันได้คือทฤษฎีลิขสิทธิ์- มีหลายทฤษฎีที่มองข้ามเอกภพปัจจุบันของเราเพื่ออธิบายว่าแรงโน้มถ่วงและโลกควอนตัมทำงานร่วมกันอย่างไร ทฤษฎีชั้นนำบางส่วน ได้แก่ทฤษฎีสตริง-จักรวาลวิทยาเบรน-ทฤษฎีควอนตัมแบบวนซ้ำและอื่น ๆ อีกมากมาย

อย่างไรก็ตาม จักรวาลจะยังคงขยายตัวต่อไป โดยระยะห่างระหว่างทางช้างเผือกกับกาแลคซีอื่นๆ ส่วนใหญ่จะยาวขึ้นเรื่อยๆ เมื่อเวลาผ่านไป

นิโคล กรานุชชี่, อาจารย์ผู้สอนวิชาฟิสิกส์,มหาวิทยาลัยควินนิแพ็ก

บทความนี้เผยแพร่ซ้ำจากการสนทนาภายใต้ใบอนุญาตครีเอทีฟคอมมอนส์ อ่านบทความต้นฉบับ-