จักรวาลวิทยาที่สถาบัน IF สนับสนุนโดยศูนย์ ThEP
20 ตุลาคม 2558
แบบจำลองมาตรฐานทางจักรวาลวิทยาในปัจจุบันคือแบบจำลอง CDM (อ่านว่า แลมบ์ด้าซีดีเอ็ม) ซึ่งให้การเฟ้อตัวซึ่งเป็นการขยายตัวแบบเร่งออกในเอกภพระยะแรกเริ่ม สนามสเกลาร์ซึ่งเป็นตัวการทำให้เอกภพเฟ้อตัวนี้เรียกว่า อินเฟลตอน (inflaton) ส่วนการขยายตัวออกแบบเร่งในยุคหลังจนถึงปัจจุบันนั้นเป็นผลมาจากพลังงานค่าคงที่จักรวาลซึ่งมีค่าคงที่และเพิ่งจะมีค่าโดดเด่นในเอกภพมาเมื่อราว 3,500 ล้านปีที่แล้ว แบบจำลองมาตรฐานนี้สร้างขึ้นบนพื้นฐานของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปและฟิสิกส์อนุภาค ถึงระดับพลังงานของแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาคและในระดับพลังงานของการขยายความไปสู่สมมาตรยิ่งยวด (supersymmetry) แบบจำลองนี้ได้ทำนายผลตรงกับผลการสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์ได้อย่างน่าทึ่ง โดยมีพารามิเตอร์ทางสถิติอยู่เพียงไม่กี่ตัวเท่านั้น ข้อมูลจากแหล่งข้อมูลการสังเกตการณ์ชนิดต่างๆโดยการสังเกตการณ์แต่ละชนิดนั้นเป็นอิสระที่ไม่เกี่ยวข้องกัน ได้ให้ผลการสังเกตการณ์ที่ตรงกันอย่างที่สุด การสังเกตการณ์ต่างๆนี้ได้แก่ ความไม่เป็นไอโซทรอปีของรังสีคอสมิกไมโครเวฟพื้นหลัง การสำรวจลักษณะการกระจายตัวของกระจุกดาราจักร และค่าความสว่างของซูเปอร์โนวา ดังใน รูปที่ 1 อย่างไรก็ตามที เราทราบว่าสัมพัทธภาพทั่วไปนั้นใช้ไม่ได้ที่ระดับพลังงานพลังค์คือประมาณ ขึ้นไป ดังนั้น CDM จึงเป็นเพียง low-energy limit ของทฤษฎีควอนตัมกราวิตี การเข้าใจถึงฟิสิกส์ที่เลยย่านพลังงานพลังค์ขึ้นไปจึงสำคัญอย่างยิ่งในการสร้างรากฐานให้กับการเฟ้อตัวและอาจเสนอแนวคิดใหม่ที่สามารถแทนที่การเฟ้อตัวได้ นอกจากปัญหาของเอกภพระยะแรกเริ่มที่พลังงานสูงแล้ว ยังมีปัญหาของเอกภพที่พลังงานต่ำในยุคปัจจุบันอีก คือการเร่งออกของเอกภพในยุคปัจจุบันนั้นมีสาเหตุมาจากอะไรกันแน่ ทั้งนี้เพราะค่าของค่าคงที่จักรวาล นั้นทำนายโดยฟิสิกส์อนุภาคนั้นเป็นพลังงานสุญญากาศซึ่งมีค่าถึงระดับ ในขณะที่ค่าคงที่จักรวาลที่เข้ากันได้กับการสังเกตการณ์นั้นควรมีค่าระดับ เท่านั้น ปัญหาเช่นนี้ทำให้มีการเสนอแบบจำลองอื่นๆขึ้นมาโดยต้องมีการวิวัฒน์ของค่าพลังงานที่ทำให้เกิดการเร่งออกในปัจจุบันจากที่เคยใช้ค่าคงที่จักรวาลมาเป็น พลังงานมืด (dark energy) ซึ่งเป็นสนามสเกลาร์ที่มีความหนาแน่นพลังงานวิวัฒน์ไปตามเวลาได้ นอกจากนี้ยังมีข้อเสนอทางเลือกอื่นๆอีกเช่นการเพิ่มมิติพิเศษ (extra-dimension) เข้าไปในทฤษฎีสัมพัทธภาพหรือการแก้ไขความหนาแน่นลากรางเจียนของแอ็กชันความโน้มถ่วงจากแบบไอน์สไตน์-ฮิลเบิร์ต (Einstein-Hilbert) ซึ่งเป็นแบบสัมพัทธภาพทั่วไปมาตรฐาน ไปเป็นความโน้มถ่วงแบบขยายความอื่นๆ เช่น แบบ แบบ Eddington หรือแบบ non-minimum coupling ซึ่งเป็นแบบหนึ่งของทฤษฎีความโน้มถ่วงแบบสเกลาร์-เท็นเซอร์ คณะวิจัยที่วิทยาลัยเพื่อการค้นคว้าระดับรากฐาน (The Institute for Fundamental Study หรือ สถาบัน IF) มหาวิทยาลัยนเรศวร ซึ่งได้รับการสนับสนุนจากศูนย์ความเป็นเลิศด้านฟิสิกส์ กำลังศึกษาและตรวจสอบแบบจำลองพลังงานมืดและความโน้มถ่วงแบบขยายความแบบต่างๆนี้ ว่าสามารถเข้ากันได้กับผลการสังเกตการณ์และกระบวนทัศน์ทางความคิดที่มีรากฐานแข็งแกร่งแต่เดิมได้หรือไม่ การศึกษาและตรวจสอบนี้ทำในหลายประเด็นย่อย ด้วยกระบวนวิธีทั้งทางคณิตศาสตร์เชิงวิเคราะห์และเชิงคำนวณ และการใช้ผลการสังเกตการณ์ต่างๆเข้าร่วมด้วย
รูปที่ 1 รูประนาบ ซึ่งแสดงว่าผลการสังเกตการณ์จากแหล่งข้อมูลสามแหล่ง ให้ข้อมูลที่สอดคล้องกัน [1]
เอกสารอ้างอิง
- R. A. Knop et al. [The Supernova Cosmology Project Collaboration], “New Constraints on and w from an Independent Set of Eleven High-Redshift Supernovae Observed with HST,” Astrophys. J. 598, 102 (2003) [arXiv:astro-ph/0309368].
รายงานโดย
รองศาสตราจารย์ ดร. บุรินทร์ กำจัดภัย
วิทยาลัยเพื่อการค้นคว้าระดับรากฐาน “สถาบันสำนักเรียนท่าโพธิ์ฯ”
ชั้น 2 อาคารมหาธรรมราชา A มหาวิทยาลัยนเรศวร
อ. เมือง จ. พิษณุโลก 65000
E-mail : buring@nu.ac.th