ทฤษฎีที่เกี่ยวกับจุดจบของจักรวาล ทั้ง 5 แบบ

ตอบกลับโพส
siri
โพสต์: 1401
ลงทะเบียนเมื่อ: จันทร์ พ.ค. 25, 2020 9:57 am

ทฤษฎีที่เกี่ยวกับจุดจบของจักรวาล ทั้ง 5 แบบ

โพสต์ โดย siri » จันทร์ ก.ย. 06, 2021 1:20 pm

ทฤษฎีที่เกี่ยวกับจุดจบของจักรวาล ทั้ง 5 แบบ

เผยเเพร่โดย SCIWAYS ณ กันยายน 2, 2021

ทฤษฎีที่เกี่ยวกับจุดจบของจักรวาล ทั้ง 5 แบบ
บิกแบง ทำให้จักรวาลขยายตัวออกมาอย่างฉับพลัน และทุกวันนี้ก็ยังคงดำเนินต่อไปด้วยพลังงานลึกลับอะไรบางอย่างที่อยู่เบื้องหลังนี้



อนาคตของจักรวาลถูกกำหนดด้วยความหนาแน่น ซึ่งมีความสัมพันธ์กับอัตราการขยายตัวของจักรวาล หากจักรวาลยังคงขยายตัวต่อไปอย่างไม่มีกำหนด จุดจบของจักรวาลก็จะพบกับความหนาวเย็นแบบสถานการณ์ “บิกฟรีซ” (Big Freeze) อย่างไรก็ตามเรายังไม่สามารถสังเกตเห็นอะไรได้อย่างแน่ชัด เนื่องจากจุดสิ้นสุดของจักรวาลนั้นเป็นเรื่องของอนาคตที่ไกลเกินกว่าที่จะสามารถทำนายได้ ดังนั้นแบบการจำลองของจุดจบจักรวาลในสถานการณ์อื่นๆ ก็ยังคงมีความเป็นไปได้อยู่เสมอ ดังเช่นหัวข้อที่จะได้ศึกษาต่อไปนี้

บิกฟรีซ หรือ ฮีทเดธ

บิกฟรีซ (หรือ บิกชิลล์ – Big Chill) คือสถานการณ์ของจักรวาลที่มีผลลัพธ์ของการขยายตัวอย่างต่อเนื่อง จนอุณหภูมิจักรวาลเข้าใกล้กับศูนย์สัมบูรณ์ (หรือ -273.15 องศาเซลเซียส) และบ่อยครั้งสถานการณ์เช่นนี้ มักถูกนำไปเชื่อมโยงร่วมกับสถานการณ์ “บิก ริป” (Big Rip) จนเกิดเป็นสมมติฐานที่มีความสำคัญที่สุด แล้วมีการพูดถึงบ่อยที่สุดทุกครั้งเมื่อมีการพูดถึงจุดจบของจักรวาล

ในจักรวาลเช่นนี้ ดาวฤกษ์ต่างๆ จะเกิดขึ้นและดับสลายไปซ้ำๆ วนเวียนอยู่เช่นนี้เป็นเวลากว่า 1 – 100 ล้านล้านปี จนก๊าซที่เป็นทรัพยากรจำเป็นต่อการสร้างดาวฤกษ์หมดลง และเมื่อดาวฤกษ์ไร้เชื้อเพลิง ท้ายที่สุดแสงสว่างก็จะดับลงอย่างช้าๆ และในที่สุดหลุมดำก็จะเป็นผู้ครอบครองจักรวาล อย่างไรก็ตามเมื่อเวลาผ่านไปนานเข้า แม้แต่ตัวหลุมดำเองก็ต้องสลายไปเช่นกันเนื่องจากไร้ซึ่งสสารให้เขมือบ และมีปลดปล่อยพลังงานออกมาอยู่ตลอดจากการแผ่รังสีฮอว์กิง



เมื่อเวลาผ่านไปอย่างไม่มีที่สิ้นสุด ระดับ เอนโทรปี (entropy) อาจลดลงมาได้ ตามทฤษฎีบทการเกิดซ้ำของปวงกาเร (Poincaré recurrence theorem), ความผันผวนของความร้อน (thermal fluctuations) และ ทฤษฎีบทความผันผวน (the fluctuation theorem) ของกลศาสตร์สถิติ ที่กล่าวว่า ระบบพลวัตบางระบบสามารถที่จะกลับคืนสู่สถานะที่ใกล้เคียงหรือเหมือนกับสถานะเริ่มต้นโดยพลการได้ ภายหลังจากเวลาได้ล่วงเลยเข้าสู่อนันต์ แล้วเราจะเรียกสถานการณ์เช่นนี้ว่า “ฮีทเดธ” (Heat Death) เมื่อจักรวาลเข้าสู่สภาวะของเอนโทรปีสูงสุด ทุกอย่างจะมีการกระจายออกอย่างเท่าเทียมกัน และเกิดสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ (Thermodynamic equilibrium) อย่างแท้จริง

บิก ริป

ในปัจจุบันค่าคงที่ฮับเบิล (Hubble constant) เป็นตัวกำหนดอัตราเร่งความเร็วของเอกภพ แม้จะยังไม่มากพอที่จะสามารถทำลายโครงสร้างกาแล็กซีท้องถิ่นได้ (ที่กลุ่มของกาแล็กซีต่างๆ ยังคงยึดเหนี่ยวติดกันด้วยแรงโน้มถ่วง) แต่การเร่งนี้ก็มากพอที่จะไปเพิ่มช่องว่างระหว่างกลุ่มของกาแล็กซี่ในแต่ละแห่ง ให้แยกออกจากกัน และการเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องของค่าคงที่ฮับเบิลไปสู่ค่าอนันต์ ท้ายที่สุดเทหวัตถุทั้งหมดภายในจักรวาล โดยจะเริ่มต้นจากกาแล็กซี และรูปแบบของสสารทั้งหมดที่เรารู้จักไม่ว่าจะมีขนาดเล็กหรือใหญ่แค่ไหนก็ตาม ก็สลายตัวกลายเป็นอนุภาคมูลฐาน และการแผ่รังสีอื่นๆ

เมื่อความหนาแน่นของพลังงาน, ขนาดพื้นที่, เวลา และอัตราการขยายตัว เข้าสู่ค่าอนันต์ เอกภพจะสิ้นสุดลงเช่นเดียวกับภาวะเอกฐาน



แต่ในกรณีพิเศษ หากจักรวาลมีพลังงานมืดแฝงอยู่ (phantom dark energy) ซึ่งคาดว่าน่าจะเป็นพลังงานจลน์เชิงลบปริมาณมหาศาล ที่มีอัตราการเร่งที่สูงกว่าค่าคงที่ของจักรวาลอื่นๆ ที่เคยคาดการณ์เอาไว้ทั้งหมด ในสภาพเช่นนี้จักรวาลจะถูกฉีกออกจากกันอย่างกะทันหัน และเราเรียกสถานการณ์เช่นนี้ว่า “บิก ริป” (big rip)

บิกครันช์

บิกครันช์ (Big Crunch) คือสมมติฐานของจุดจบจักรวาลอีกแบบหนึ่ง ที่เผยให้เห็นถึงมุมมองความสมมาตรของภาวะความเป็นไปที่อาจเกิดขึ้นในอนาคต เช่นเดียวกับที่บิกแบงคือจุดเริ่มต้นของการขยายตัวของเอกภพ ขณะที่บิกครันช์ สันนิษฐานว่าความหนาแน่นเฉลี่ยของเอกภพ จะเพียงพอต่อการยับยั้งการขยายตัวของเอกภพและทำให้มันหดตัวกลับลงมาได้

แม้ผลลัพธ์ของจุดจบยังไม่เป็นที่เข้าใจ แต่มีการประมาณการง่ายๆว่า สสารและกาลอวกาศในจักรวาลทั้งหมด จะยุบตัวลงมาสู่ภาวะเอกฐานที่ไร้ซึ่งมิติ ด้วยขนาดของจักรวาลระดับนี้ ฟิสิกส์ของโลกกายภาพขนาดใหญ่จะไม่สามารถใช้การได้ จึงทำให้การศึกษาผลกระทบในทางฟิสิกส์ควอนตัมถูกพิจารณา เพื่อมาอธิบายถึงจุดจบของจักรวาลที่มีขนาดเล็กจิ๋ว อย่างเช่นในการศึกษาเรื่องของแรงโน้มถ่วงควอนตัม (Quantum gravity) เป็นต้น

แม้หลักฐานล่าสุดบ่งชี้ว่าสถานการณ์ บิกครันช์ อาจไม่เกิดขึ้น แต่เราก็ไม่สามารถตัดสินอะไรได้มากมาย เนื่องจากจักรวาลในช่วงที่เราวัดค่าอยู่นี้ เป็นเพียงช่วงเวลาสั้นๆที่ยาวนานของอายุจักรวาลเท่านั้น และอนาคตอาจเป็นเรื่องที่ไม่แน่นอน

อีกทั้งจากการศึกษาสถานการณ์เช่นนี้บ่งบอกว่าจักรวาลของเราอาจถือกำเนิดขึ้นมาจากบิกครันช์ของจักรวาลก่อนหน้า หากเหตุการณ์นี้เคยเกิดขึ้นมาแล้วซ้ำๆ เราก็สามารถสร้างแบบจำลองของจักรวาลที่เป็นแบบวัฏจักรได้ (ศึกษาเพิ่มเติมได้จากหัวข้อ cyclic model หรือ oscillating universe)

วัฏจักรของจักรวาลเช่นนี้จะประกอบด้วยลำดับอนันต์ของจักรวาลที่มีขนาดจำกัด และในแต่ละจุดจบของจักรวาลก็คือ “บิกครันช์” ซึ่งจะนำไปสู่การเกิดเป็น “บิกแบง” ของจักรวาลถัดไป

อย่างไรก็ตามปัญหาของจักรวาลแบบวัฏจักรก็คือ มันไม่สอดคล้องกับกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ เนื่องจากเอนโทรปีที่ถูกสร้างขึ้นจากการความผันผวนสู่ความผันผวนนั้นจะนำไปสู่ความตายของจักรวาลแบบ ฮีทเดธ ในท้ายที่สุด



หลักฐานในปัจจุบันชี้ให้เห็นว่าเอกภพนั้นไม่ได้ปิด ทำให้นักจักรวาลวิทยาหลายท่านได้ละทิ้งแบบจำลองของจักรวาลวัฏจักรเช่นนี้ไป ขณะที่แนวคิดที่มีความคล้ายคลึงกันเริ่มเป็นที่น่าสนใจกว่าที่หลีกเลี่ยงความตายของจักรวาลแบบ ฮีทเดธ เพราะอนุญาตให้จักรวาลสามารถเพิ่มพูนเอนโทรปีที่เจือจางจากการแผ่ขยายของ “เบรน” (branes) ในวัฏจักรก่อนหน้าได้ และสร้างเป็นจุดของบิกแบงแห่งใหม่ขึ้นมา (ศึกษาเพิ่มเติมได้จากหัวข้อ Brane cosmology)


วงจรการเกิดจักรวาลตามแนวคิดของ บิกครันช์ (Big Crunch) และ บิก บ๊าวซ์ (Big Bounce)
บิก บ๊าวซ์

บิก บ๊าวซ์ (Big Bounce) คือแบบจำลองทางวิทยาศาสตร์ ที่เสนอมุมมองของบิกแบงใหม่ว่า คือวงจรการล่มสลายของจักรวาลที่เคยมีอยู่มาก่อนหน้า นอกจากนี้หากบิกแบงก่อให้เกิดเอกภพปิด ทฤษฎีนี้จะทำนายว่าจักรวาลจะยุบตัวลงมากลับสู่สภาวะของความหนาแน่นที่ไม่รู้จบ และมีขนาดเล็กจนคล้ายกับบิกแบง เมื่อถึงจุดๆ นี้จะไม่ต่างกับภาวะเอกฐานที่พบได้ในหลุมดำ และด้วยแรงตีกลับทางควอนตัมก็เป็นไปได้ที่จะส่งผลทำให้เกิดการขยายตัวของอวกาศและเวลา ด้วยแนวคิดง่ายๆ จึงสรุปว่า จักรวาลจะทำซ้ำเช่นนี้ต่อไปเรื่อยๆ ซึ่งก็คือวัฏจักรของบิกแบงที่เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องและตามด้วยบิกครันช์ ขณะที่จักรวาลของเราก็ตั้งอยู่ภายในวงจรที่ไม่รู้จะจบเช่นนี้ด้วย

บิก สเลิร์ป

ตามทฤษฎี “บิก สเลิร์ป” (Big Slurp) กล่าวว่า จักรวาลของเราในปัจจุบันกำลังอยู่ในสถานะของสุญญากาศเทียม (false vacuum) เพียงชั่วขณะ และพร้อมเข้าสู่สภาวะของสุญญากาศแท้ (true vacuum) ได้ทุกเมื่อ สภาพเช่นนี้อาจมองดูคล้ายกับน้ำที่ถูกกักไว้อยู่บนเขื่อนเพื่อรอวันปลดปล่อย ขณะที่ในโลกของฟิสิกส์ควอนตัมมองว่า อวกาศที่มีอยู่เป็นจำนวนมากในจักรวาลนั้นไม่ได้ว่างเปล่า (แม้จะพยายามทำให้มันว่างเปล่าที่สุดแล้วก็ตาม) แต่มันเต็มไปด้วยสนามฮิกส์ (Higgs field) ที่แทรกซึมอยู่ทั่วไปในพื้นที่ว่างเช่นเดียวกับสิ่งที่สนามแม่เหล็กไฟฟ้าทำ ความเข้มข้นของมันก็จะแตกต่างกันไปตามความต่างศักย์ที่มันเป็นอยู่ด้วย

สนามฮิกส์ให้มวลแก่อนุภาคที่เรารู้จักทั้งหมด ซึ่งกฏนี้ครอบคลุมอยู่ในทุกๆ ที่ของจักรวาล และมีค่าที่กึ่งเสถียร แต่ยังไม่เสถียรที่สุด หรือกำลังอยู่ในสภาวะของสุญญากาศเทียมนั่นเอง แต่จะเกิดอะไรขึ้นหากค่าพลังงานของมันลงมาอยู่ในระดับของสุญญากาศแท้


โดยสนามฮิกส์ของจักรวาลเราขณะนี้ยังไม่ได้อยู่ในระดับของพลังงานที่ต่ำที่สุดถ้าเทียบกับสุญญากาศแท้ อย่างไรก็ตามด้วยปรากฏการณ์ทางกลศาสตร์ควอนตัมก็อาจทำให้สนามฮิกส์ สามารถฝ่า “กำแพงศักย์” (potential barrier) ผ่าน “อุโมงค์ควอนตัม” (Quantum tunnelling) แล้วลงมาสู่ระดับพลังงานที่ต่ำกว่าได้ในที่สุด โดยกระบวนการทั้งหมดนี้เราจะเรียกว่า “การสลายตัวของสุญญากาศ” (vacuum decay) โดยผลที่ตามมาจากการปลดปล่อยพลังงานศักย์อันมหาศาลนี้ จะก่อให้เกิดหายนะที่รุนแรงอย่างไม่คาดคิด เช่นการเปลี่ยนให้ค่าคงที่ทางฟิสิกส์แตกต่างจากเดิมเพียงเล็กน้อย ก็จะส่งผลเสียหายต่อรากฐานของสสาร พลังงาน และกาลอวกาศ ในทันที ซึ่งนั่นก็หมายความว่าทุกสิ่งที่เป็นอยู่อย่างที่เราเห็น ไม่ว่าจะเป็น ผู้คน โลก ดวงอาทิตย์ หรือ กาแล็กซี ทุกสิ่งจะถูกทำลายและหายไปจนหมดสิ้น (แบบไม่มีการแจ้งเตือนใดๆ ล่วงหน้าให้เราได้เตรียมใจ) และในท้ายที่สุดจักรวาลก็จะเข้าสู่สภาวะของสุญญากาศแท้อย่างสมบูรณ์


การสลายตัวของสุญญากาศสู่สุญญากาศแท้ ผ่านอุโมงค์ควอนตัม ภาพจาก https://www.frontiersin.org/articles/10 ... 00040/full
ความไม่แน่นอนของจักรวาล

ในแต่ละความเป็นไปได้ของจุดจบจักรวาล จะอิงบนพื้นฐานที่ว่า เรารู้อะไรเกี่ยวกับพลังงานมืดได้มากน้อยแค่ไหน จึงจะเห็นว่าเมื่อไม่มีใครรู้เกี่ยวกับฟิสิกส์ของพลังงานมืดที่แท้จริง จุดจบของจักรวาลก็ยังมีความไม่แน่นอนเสมอ ถ้าทฤษฎีการพองตัวของเอกภพ (inflation) เป็นจริง นั่นก็แสดงว่าเอกภพอาจเคยถูกครอบงำด้วยพลังงานมืดในรูปแบบต่างๆ มาแล้ว จนถึงหลังสิ้นสุดการพองตัว ซึ่งเราจะเห็นว่าสถานะของพลังงานมืดนั้นมีความซับซ้อนมากกว่าที่เราเข้าใจกันในทุกวันนี้ เมื่อความไม่แน่นอนเกิดขึ้นก็เป็นไปได้ที่พลังงานมืดจะสามารถเปลี่ยนแปลงสถานะของตัวเองได้อยู่ตลอด และจะส่งผลทำให้การทำนายความเป็นไปของจักรวาล หรือ การกำหนดค่าพารามิเตอร์ที่ชัดเจน จะไม่สามารถคาดเดาได้

และเนื่องจากธรรมชาติของพลังงานมืดและสสารมืดยังคงเป็นปริศนาอยู่ในทุกวันนี้ จึงทำให้ทฤษฎีบทของจุดจบจักรวาลต่างๆ ยังไม่สามารถชี้ได้อย่างชัดเจนว่าจะมีหน้าตาเป็นแบบไหน หรือจะสรุปปิดท้ายก็คือ ไม่มีจุดจบของจักรวาลในแบบไหนที่แน่นอนสำหรับจักรวาลแห่งนี้


แหล่งอ้างอิง

1-Einstein’s cosmological constant – https://en.wikipedia.org/wiki/Dark_ener ... l_constant

2-Cosmological constant – https://en.wikipedia.org/wiki/Cosmological_constant

3-Ultimate fate of the universe – https://en.wikipedia.org/wiki/Ultimate_ ... e_universe

4-Shape of the universe – https://en.wikipedia.org/wiki/Shape_of_the_universe

5-Dark Energy, Dark Matter – https://science.nasa.gov/astrophysics/f ... rk-energy/

6-The Most Efficient Way to Destroy the Universe – False Vacuum – https://youtu.be/ijFm6DxNVyI

7-False vacuum decay – https://en.wikipedia.org/wiki/False_vacuum_decay

8-Quantum tunnelling – https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_tunnelling



SCIWAYS

ตอบกลับโพส

ย้อนกลับไปยัง “ชีวะ เคมี ฟิสิกส์ จักรวาล ดาราศาสตร์ จานบิน และอวกาศ”