จินตนาการในเรื่องพลังงานต้านแรงโน้มถ่วง หรือ Anti-Gravity force นั้นไม่ใช่ของใหม่
มนุษย์เราไฝ่ฝันถึงเรื่องนี้เกิดขึ้นมานานแล้ว ทั้งในนิยายวิทยาศาสตร์และโลกของวิชาการ
สำหรับในประวัติศาสตร์ของฟิสิกส์นั้น ความคิดเกี่ยวกับ Anti-Gravity ที่สำคัญที่สุด ได้ถูกประดิษฐ์เมื่อต้นศตวรรษที่ 20 โดยนักวิทยาศาสตร์ที่สำคัญที่สุดในศตวรรษที่แล้ว ซึ่งในเวลานั้นเป็นเพียงแค่เสมียนธรรมดาๆคนหนึ่งในสำนังงานจดลิกข์สิทธิ์ เขาผู้นั้นคือ
อัลเบอร์ต ไอน์สไตน์ นั่นเอง
ย้อนกลับไปยังปี ค.ศ. 1917 ในขณะที่โลกกำลังวุ่นวายจากผลของสงครามโลกครั้งที่๑ อัลเบอร์ต ไอน์สไตน์ ก็หลบความโกลาหลบนพื้นดิน จินตนาการถึงกลไกของจักรวาล ตัวของไอน์สไตน์ได้ค้นพบทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเมื่อประมาณ 2 ปีก่อนหน้านั้นแล้ว และเขาก็ได้พยายามที่จะประยุกต์ทฤษฎีนี้เพื่ออธิบายธรรมชาติของเอกภพทั้งหมด
อย่างไรก็ตามแม้ว่าไอน์สไตน์จะมีความคิดล้ำยุคกว่าผู้คนร่วมสมัยของเขาในหลายๆเรื่อง แต่ความคิดและจินตนาการเกี่ยวกับเอกภพของเขานั้น ไม่ได้แตกต่างจากคนอื่นๆมากนัก มุมมองของพวกเขาเกี่ยวกับเอกภพ ต่างยึดความคิดที่ว่าเอกภพมีลักษณะสถิต (static) กล่าวคือจักรวาลและสัพสิ่งทั้งหลายล้วนแต่มีอยู่ชั่วนิรันด์ ทุกๆอย่างมีอยู่ก่อนแล้ว ไม่มีจุดกำเนิด และไม่มีจุดจบ เอกภพไม่มีการเปลี่ยนแปลงและคงอยู่ตลอดไป
เมื่อไอน์สไตน์พยายามที่จะประยุกต์ทฤษฎีสัมพัทธภาพเพื่ออธิบายธรรมชาติของเอกภพ เขาก็พบว่าตามทฤษฎีของเขาเอกภพจะไม่มีเสถียรภาพ พลังงานและมวลสารต่างๆในจักรวาล ต่างก็ดึงดูดกันและกันเนื่องจากด้วยแรงโน้มถ่วงระหว่างมวล แรงดึงดูดระหว่างมวลนี้จะดึงให้ ดวงดาวและพลังงานต่างๆ มาเบียดชิดกันมากขึ้น เอกภพทั้งหมดก็จะมีขนาดเล็กลง จนในที่สุดเมื่อสสารทั้งหมดถูกบีบให้ใกล้กันมากจนเกินไป เอกภพก็จะมีความร้อนสูง และในที่สุดทุกๆสิ่งก็จะถูกเผาใหม้เป็นจุลในเปลวเพลิง
ตัวเขาเองไม่ค่อยจะพอใจกับผลการคำนวนที่ได้เท่าไหร่นัก เพราะในขณะนั้นไม่มีผลการทดลองที่จะมายืนยันว่าเอกภพหดตัว และถ้ามีการหดตัวของเอกภพเกิดขึ้นจริง โลกของเราก็น่าจะจมอยู่ในเปลวเพลิงเสียนานแล้ว และเป็นไปไม่ได้ว่าสิ่งมีชีวิตต่างๆ รวมทั้งมนุษย์ชาติจะอยู่รอดปลอดภัยมาได้จนถึงทุกวันนี้
ไอน์สไตน์ขบคิดปัญหานี้อยู่นานจนในที่สุดก็พบทางออกซึ่งถือกันว่าเป็นตำนานหน้าหนึ่งของฟิสิกส์ เขาแก้ปัญหาความไม่มีเสถียรภาพของเอกภพด้วยการประดิษฐ์"ค่าคงตัว"ค่าหนึ่งซึ่งเขาเรียกว่า "ค่าคงตัวของจักรวาล" หรือ Cosmological Constant ซึ่งมันจะทำหน้าที่พยุงไม่เอกภพถล่มลง
ค่าคงตัวของจักรวาลที่ไอน์สไตน์ใส่เข้าไปในสมการของเขานั้นก็เทียบได้กับ Anti-Gravity force เพราะว่ามันให้ผลเป็นแรงที่ต้านอิทธิพลของแรงโน้มถ่วงนั่นเอง ไอน์สไตน์พอใจกับแบบจำลองนี้มาก เพราะมันให้ภาพเอกภพที่สมเหตุสมผล อย่างน้อยก็ในความคิดของผู้คนสมัยนั้น
อย่างไรก็ดีในปัจจุบันยุคเริ่มต้นของศตวรรษที่ 21 ซึ่งเป็นเลาเกือบ 100ปีหลังจากยุคของไอนสไตน์ นักฟิสิกส์ต่างก็ทราบกันดีว่าเอกภพของเรานั้นไม่ได้มีขนาดคงที่ แต่มีการขยายตัวอยู่ตลอดเวลา ภาพของจักรวาลที่ไอสไตน์วาดเอาไว้จึงไม่ถูกต้องนัก
เมื่อไอน์สไตน์ได้เดินทางไปอเมริกาในอีกหลายปีให้หลัง และมีโอกาสได้พบกับ เอ็ดวิน ฮับเบิล ซึ่งแสดงให้เขาเห็นประจักด้วยตาตนเองว่าเอกภพนั้นขยายตัว ไอน์สไตน์จึงได้ยกเลิกความคิดเรื่อง Cosmological Constant และกล่าวถึงมันว่าเป็น "ความผิดพลาดครั้งใหญ่ในชีวิตของเขา" ( My Biggest bundle )
ไอน์สไตน์คิดผิดจริงหรือ?
เมื่อถามว่านักวิทยาศาสตร์คนไหนที่คิดว่ายิ่งใหญ่ที่สุด เราอาจจะได้คำตอบต่างๆกันมากมาย แต่แน่นอนว่าหนึ่งในสามชื่อที่ได้จะต้องมีอัลเบอร์ต ไอน์สไตน์ ติดมาในโพลสำรวจด้วยเสมอ
ในปลายปีค.ศ. 2000 นักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกต่างพากันเห็นพ้องต้องกันว่า อัลเบอร์ต ไอน์สไตน์คือนักวิทยาศาสตร์ที่ยิ่งใหญ่ตลอดกาล บางที่เรื่องราวของ Cosmological Constant อาจเป็นอีกเหตุผลหนึ่งที่ช่วยยืนยันความยิ่งใหญ่ของไอน์สไตน์ดังที่เราจะได้เห็นกันต่อไป
เพราะแม้แต่สิ่งที่ไอน์สไตน์คิดว่าเขาคิดผิด ยังกลับกลายเป็นถูกขึ้นมาได้อย่างมหัศจรรย์
ตามกฎของแรงโน้มถ่วงของนิวตัน แรงโน้มถ่วงดึงดูดวัตถุสองก้อนเข้าหากันจะขึ้นอยู่กับ ขนาดมวลสารของวัตถุทั้งสอง ยิ่งมวลมากเท่าไหร่แรงดึงดูดระหว่างกันก็ยิ่งมากขึ้นเท่านั้น อย่างไรก็ดีทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปอธิบายธรรมชาติของแรงโน้มถ่วงได้ขัดแจนกว่า ขนาดของแรงโน้มถ่วงนอกจากจะขึ้นกับขนาดของมวลสารแล้วยังขึ้นกับความดันอีกด้วย
หลังจากทฤษฎีสัมพัทธภาพถูกค้นพบได้ไม่นาน นักฟิสิกส์ชาวรัสเซียนามว่า อเล็กซานเดอร์ ฟรีดแมน (Alexander Friedmann) ได้ประยุกต์ทฤษฎีสัมพัทธภาพเพื่อสร้างแบบจำลอง ของเอกภพที่รู้จักกันในปัจจุบันในชื่อของ แบบจำลองของฟรีดแมน (Friedmann Model)
ซึ่งได้อธิบายการเปลี่ยนแปลงของอัตราขยายตัวของเอกภพไว้ดังนี้
( หมายเหตุ ในที่นี้ขอใช้คำว่าอัตราเร่งของเอกภพเพื่อที่จะเปรียบเทียบกับ กฎของนิวตัน ซึ่งเราคุ้นเคยกันดีว่าความเร่งของวัตถุซึ่งเกิดจากแรงโน้มถ่วงจะขึ้นอยู่มวลสารของวัตถุนั้น )
จากสมการของข้างบนนั้นเราจะเห็นว่าตราบใดก็ตามที่ค่าผลรวมระหว่างมวลและความดัน ในเอกภพมีค่าเป็นบวก ( มวล + 3 x ความดัน > 0 ) อัตราการเร่งของเอกภพจะมีค่าเป็นลบ ซึ่งจะส่งผลทำให้อัตราการขยายตัวของเอกภพมีค่าลดลง นั่นคือเอกภพยังคงขยายตัวอยู่ แต่ขยายตัวด้วยอัตราที่ช้าลง
ในทางตรงกันข้ามหากว่าผลรวมระหว่างมวลและความดันในจักรวาลมีเป็นจำนวนติดลบ หรือ ( มวล + 3 x ความดัน < 0 ) เราจะพบว่าอัตราเร่งของเอกภพมีค่าเป็นบวก นั่นหมายความว่าเอกภพจะขยายตัวด้วยอัตราที่เร็วที่เพิ่มขึ้นเรื่อยๆ หรือที่เรียกว่า Accelerating Universe ทฤษฎีของไอนส์ไตน์ซึ่งได้ใส่ค่าคงที่ของจักรวาล หรือ Cosmological Constant เข้าไปด้วย ก็จัดให้ได้ว่าอยู่ในประเภทนี้
ผู้อ่านอาจจินตนาการเปรียบเทียบกับอัตราเร่งและอัตราเร็วของรถยนต์ที่คุ้นเคยในชีวิตประจำวัน ถ้าอัตราเร่งมีค่าเป็นบวก เทียบได้กับการเหยียบคันเร่งซึ่งจะทำให้อัตราเร็วของรถมีค่าเพิ่มขึ้น ในทางกลับกันอัตราเร่งเป็นลบ เทียบได้กับการเหยียบเบรค ทำให้รถยนต์มีความเร็วช้าลงเรื่อยๆ
แต่จะมีความเป็นไปได้หรือ ที่ผลรวมระหว่างมวลสารกับความดันของเอกภพจะมีค่าติดลบ มวลของสสารนั้นจะมีค่าเป็นบวกเสมอ ในนิยายวิทยาศาสตร์อาจมีการกล่าวถึงมวลสารที่ติดลบ หรือ Anti-Gravity mass ซึ่งสามารถเทียบได้กับลูกโป่งสวรรค์ เพราะขณะที่วัตถุต่างๆตกลงพื้น ลูกโป่งสวรรค์กลับลอยขึ้นสู่ท้องฟ้า ในกรณีนี้เราจึงอาจจินตนาการว่าลูกโป่งนั้นมีค่ามวลที่เป็นลบ หรือมีสมบัติ Anti-Gravity แต่ในความเป็นจริงแล้วเราทราบกันดีว่าการที่ลูกโป่งสวรรค์ลอยได้นั้น เนื่องมาจากมันบรรจุด้วยก๊าซฮีเลียมซึ่งเบากว่าอากาศรอบข้าง ไม่ใช่เนื่องจากว่ามันมีมวลเป็นลบ ในปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์ยังไม่ค้นพบวัตถุที่มี Anti-Gravity mass ทั้งในทฤษฎีและการทดลอง
อย่างไรก็ตามผลการสังเกตุการระเบิดของซุปเปอร์โนว่าในปี ค.ศ. 1998 ได้แสดงให้เห็นว่าเอกภพขยายตัวออกด้วยอัตราเร่ง เป็นการยืนยันการมีอยู่ของแรงโน้มถ่วงที่ผลักมวลออกจากกัน แต่ในเมื่อมวลของทุกสิ่งในเอกภพมีค่าเป็นบวกเสมอ จึงเหลือสาเหตุที่เป็นไปได้เพียงกรณีเดียว นั่นคือความดันของเอกภพนั้นจะมีค่าเป็นลบ ซึ่งก็หมายถึงการมีอยู่ของค่าคงที่ของจักรวาลในความคิดของไอน์สไตน์นั่นเอง
http://www.vcharkarn.com/varticle/117/4
