โฟตอนสามตัวพิสูจน์ให้เห็นว่ากาลอวกาศเรียบกว่าที่นักฟิสิกส์คิด

By: terminus
Writer
on Tue, 04/09/2012 - 14:37

หลายคนคงรู้กันดีว่าฟิสิกส์ในยุคปัจจุบันตั้งอยู่บนฐานของทฤษฎี 2 ชุดที่เข้ากันไม่ได้ ทฤษฎีแรกคือทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ (Einstein's theory of relativity) ซึ่งมองว่ากาลอวกาศนั้นถักทอกันเป็นโครงสร้างที่ราบเรียบสวยงาม ส่วนทฤษฎีอีกชุดคือกลศาสตร์ควอนตัม (quantum mechanics) ที่เต็มไปด้วยความยุ่งเหยิงแห่งความน่าจะเป็นของอนุภาค

ทฤษฎีสัมพัทธภาพอธิบายสิ่งใหญ่ๆ เช่น ดาวฤกษ์ ดาวเคราะห์ ได้อย่างลงตัว แต่พอจะอธิบายพฤติกรรมของพวกอนุภาคขนาดเล็กๆ เช่น อะตอม อิเล็กตรอน ควาร์ก ฯลฯ ผลจากคำนวณด้วยสมการของทฤษฎีสัมพัทธภาพก็ใช้การไม่ได้ในบัดดล นักฟิสิกส์ต้องเปลี่ยนไปใช้กลศาสตร์ควอนตัม

นักฟิสิกส์ทุกวันนี้นี้จึงดิ้นรนหาทางรวมทฤษฎีสัมพัทธภาพเข้ากับกลศาสตร์ควอนตัมให้ได้ และเชื่อกันว่าหากรวมสำเร็จ มันก็จะเป็น "ทฤษฎีของสรรพสิ่ง" (Theory of Everything)

สำหรับตอนนี้สิ่งที่นักฟิสิกส์ถือว่าเข้าใกล้การเป็นทฤษฎีของสรรพสิ่งมากที่สุดคือสิ่งที่เรียกรวมๆ กันว่า "quantum gravity" ซึ่งเกือบทุกทฤษฎีที่อธิบาย quantum gravity ตั้งอยู่บนพื้นฐานเดียวกันที่มองว่ากาลอวกาศไม่ได้ราบเรียบ แต่ว่ามันมีสภาพเหมือนกับเป็นพิกเซลบนจอคอมพิวเตอร์ที่ละเอียดมากๆ ละเอียดจนเกิดเป็นสภาพราบเรียบอย่างที่เราสังเกตเห็น นักฟิสิกส์เปรียบกาลอวกาศแบบนี้ว่าเป็นเหมือนโฟม ดังนั้นเราจึงเรียกว่า "spacetime foam" (เพื่อให้เข้าใจง่ายๆ ในบทความนี้ผมขอใช้คำว่า "พิกเซล" แทนหน่วยความละเอียดของ spacetime foam ไปเลยแล้วกัน)

จุดอ่อนของสมมติฐาน spacetime foam คือ เราไม่มีเทคโนโลยีใดๆ ที่จะมองเห็นหรือวัดมันได้ เพราะพิกเซลของ spacetime foam นั้นมีขนาดเล็กมาก เล็กจนต้องวัดด้วยหน่วยที่เรียกว่า Planck length หรือ 1.616199 × 10-35 เมตร (เพื่อเปรียบเทียบ รัศมีของอะตอมไฮโดรเจนมีความยาว 5.29 × 10-11 เมตร)

แต่ความความหวังก็ไม่ได้มืดบอดไปเสียทีเดียว เมื่อปี 1998 มีทีมนักฟิสิกส์ที่นำโดย Giovanni Amelino-Camelia แห่ง Sapienza University เสนอไว้ว่าเราสามารถที่จะอ้างอิงถึงการมีอยู่ของ spacetime foam ได้จากการสังเกตอนุภาคโฟตอนของรังสีแกมมาที่ปลดปล่อยออกมาจากการระเบิดของดาวฤกษ์หรือใจกลางกาแล็กซี่ อนุภาคโฟตอนรังสีแกมมาที่มีความยาวคลื่นต่างกันจะถูกหักเหโดย spacetime foam ให้กระเจิงไปในทิศทางต่างกันเล็กน้อย หากเราสามารถที่จะตรวจวัดการกระเจิงของอนุภาคโฟตอนชุดใดสักชุด เราก็จะสร้างโครงร่างของ spacetime foam ขึ้นมาได้ (Nature 393:763-765)

ผ่านไป 14 ปีกว่าๆ นักฟิสิกส์ก็แสดงให้เห็นว่าข้อเสนอของ Giovanni Amelino-Camelia สามารถทำได้จริงในทางปฏิบัติ แต่ผลที่ออกมานั้นกลับตาลปัตรจากที่วงการฟิสิกส์คาดไว้!

ทีมวิจัยที่นำโดย Robert Nemiroff แห่ง Michigan Technological University ได้วิเคราะห์ตรวจสอบข้อมูลรังสีแกมมาที่กล้องโทรทรรศน์ Fermi Gamma-ray Space Telescope ของ NASA ตรวจจับได้ในเดือนพฤษภาคม 2009 (กล้องโทรทรรศน์ Fermi Gamma-ray Space Telescope ถูกยิงขึ้นไปสู่วงโคจรตั้งแต่ปี 2008) พวกเขาพบว่ามีเส้นกราฟข้อมูลชุดหนึ่งมีลักษณะแปลกๆ โฟตอนรังสีแกมมาที่มีพลังงานสูงสุดสองตัวโผล่ขึ้นมาบนกราฟในเวลาที่ห่างกันเพียงประมาณหนึ่งมิลลิวินาที (หนึ่งส่วนพันวินาที) และเมื่อมองรอบๆ ก็ยังมีโฟตอนรังสีแกมมาอีกตัวที่ห่างจากสองตัวแรกเพียงหนึ่งมิลลิวินาที

ผลจากการวิเคราะห์สรุปได้ว่าโฟตอนทั้งสามตัวนี้น่าจะเกิดมาจากการระเบิดครั้งเดียวกันที่ไหนสักที่ในจักรวาลที่ห่างจากเราไป 7 พันล้านปีแสง มันมีโอกาสน้อยมากที่โฟตอนทั้งสามจะเกิดจากที่ต่างกันแล้ววิ่งมารวมกันพอดิบพอดี

คำถามที่ตามมาทันทีจากข้อสรุปดังกล่าว คือ มันเป็นไปได้อย่างไร? โฟตอนรังสีแกมมาที่มีพลังงานต่างกันก็ย่อมมีความยาวคลื่นต่างกัน และถ้ามันมีความยาวคลื่นต่างกัน มันก็ควรที่จะถูก spacetime foam หักเหให้กระเจิงออกไปในทิศทางที่ต่างกัน แต่นี่มันกลับพุ่งตรงมาที่โลกเกือบจะพร้อมกันราวกับว่ามันอยู่ด้วยกันมาตลอดตั้งแต่เกิด ไม่เคยพรากจากกันไปไหน

แบบจำลองในคอมพิวเตอร์แสดงให้เห็นว่า หากพิกเซลของ spacetime foam มีขนาดประมาณ Planck length อย่างที่เราเชื่อ มันแทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่โฟตอนสามตัวนี้จะไม่โดนหักเหแยกออกจากกัน ดังนั้นผลจากการศึกษานี้จึงระบุให้เห็นว่า spacetime นั้นราบเรียบสมบูรณ์แบบอย่างที่ไอน์สไตน์คิด หรือมิฉะนั้น spacetime foam ก็ต้องละเอียดกว่าที่เราคาดไว้เสียอีก เราต้องมองหาในสิ่งที่เล็กละเอียดกว่า Planck length ซึ่งแทบจะเป็นไปไม่ได้เลยทั้งในทางปฏิบัติหรือแม้แต่ในทางทฤษฎี

อย่างไรก็ตาม Giovanni Amelino-Camelia คนต้นคิดเรื่องการเล็งความละเอียดของ spacetime ด้วยโฟตอนรังสีแกมมา ก็ยังไม่อยากรีบร้อนสรุปมากนัก เขายังไม่กล้าละเลยความเป็นไปได้อีกหลายอย่างๆ เช่น spacetime อาจจะหักเหโฟตอนในแบบที่ซับซ้อนกว่าแบบที่เราคุ้นเคย, หรือมันอาจจะมีผลของ birefringence เข้ามาเกี่ยวข้อง (birefringence หมายถึงการที่แสงที่มีโพลาไรเซชันต่างกันถูกหักเหในมุมที่ต่างกัน ดูคำอธิบายได้จาก Sixty Symbols www.youtube.com/watch?v=k1oh3lXR5PE) เป็นต้น สมมติฐานเรื่อง spacetime foam ยังคงเป็นเรื่องที่ต้องหาหลักฐานมาพิสูจน์ต่อไป ไม่ว่ามันจะเป็นการพิสูจน์ถึงการมีอยู่หรือในทางตรงกันข้ามก็ตาม

งานวิจัยของทีมวิจัย Robert Nemiroff ตีพิมพ์ลงใน Physical Review Letters DOI:10.1103/PhysRevLett.108.231103, arXiv:1109.5191

ที่มา - Life's Little Mysteries

5 Comments

terminus's picture

เป็นมิลลิวินาทีแหละครับ แต่ผมใส่วงเล็บผิด มันต้องเป็น >> หนึ่งส่วนพันวินาที

ขอบคุณที่ชี้จุดครับ

hisoft's picture

ห่างขนาดนั้นยังอุตส่าห์วิ่งมาให้จับได้อีกนะ - -" สุดยอดจริง ๆ แหละครับ พักหลังอ่านเว็บนี้จนติดฟิสิกส์แล้ว

The Phantom Thief

dangsystem's picture

จริงๆ ไม่ได้เป็นการระเบิดออกมาจากดาวฤกษ์หลอกครับ มันเป็นการยิงอนุภาคมาจาก ดาวที่มีสิ่งมีชีวิต ที่วิวัฒนาการสูงกว่าเรา (ไปได้แบบนิยายวิทยาศาสตร์)

virusfowl's picture
  • นักฟิสิกส์ทุกวันนี้นี้จึงดิ้นรนหาทางรวมทฤษฎีสัมพัทธภาพเข้ากับกลศาสตร์ควอนตัมให้ได้ << นี้เกินมาคำนึงครับ
  • แต่ความความหวังก็ไม่ได้มืดบอดไปเสียทีเดียว > คาดหวัง