Transcript จักรวาลวิทยา - สำนักวิชาวิทยาศาสตร์

บุรนิ ทร์ กำจัดภัย
กำเนิดจักรวำล
A Course for Teacher
ภำควิชำฟิ สกิ ส์ มหำวิทยำลัยนเรศวร
สถำบันสำนักเรียนท่ำโพธิส์ ำหรับฟิ สกิ ส์ทฤษฎีและจักรวำลวิทยำ
ห้องปฏิบตั กิ ำรวิจยั จักรวำลวิทยำ ศูนย์ควำมเป็ นเลิศด้ำนฟิ สกิ ส์ของ สกอ.
1 พฤษภาคม 2553
การบรรยายรับเชิญ 3 ชัวโมง
่
ในโครงการอบรมครูวิทยาศาสตร์
“ความก้าวหน้ าวิทยาการด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี” (Frontier Science)
ณ ห้องประชุมสุรนารี มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสรุ นารี 29 เมษายน – 2 พฤษภาคม 2553
จัดโดย สวทช, กระทรวงวิทยาศาสตร์ฯ และ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสรุ นารี
Contents
แนวคิดหลัก
การค้นพบครัง้ สาคัญทีส่ นับสนุ นทฤษฎี Big Bang
โครงสร้างในเอกภพกับรังสีไมโครเวฟพืน้ หลัง
ทฤษฎีทไ่ี ด้รบั การยอมรับ
ประเด็นทีเ่ ป็ นคาถามในปจั จุบนั
 จักรวาลวิทยา : สาขาหนึ่ งของวิทยาศาสตร์กายภาพที่เกี่ยวข้องกับ
การศึกษากาเนิ ด ธรรมชาติ โครงสร้างระดับใหญ่ การวิวฒ
ั น์และชะตา
กรรมของเอกภพเชิงกายภาพ เป็ นวิทยาศาสตร์บริสุทธิ์ แต่เป็ นฟิ สิกส์
ประยุกต์
 จักรวาลวิทยาเชิงศาสนา : จักรวาลวิทยาเกี่ยวข้องกับเรื่ องราวเกี่ ยวกับ ที่
อยูข่ องมนุษย์ ตามความเชื่อในแต่ละศาสนา สภาพ การกาเนิ ดโลก และ
ภพ ภูมิ ชีวิตหลังความตาย การเวียนว่ายตามเกิด
คาถามที่เกี่ยวกับ พระผูส้ ร้าง และ ผูท้ าลายล้าง
จักรวาลวิทยาเป็ นศาสตร์ทก่ี ล่าวเกีย่ วกับภพทีเ่ ราอยู่
ในแง่ของ กาเนิด วิวฒ
ั นาการ องค์ประกอบและอนาคตของมันใน
สมัยโบราณมนุษย์ เชือ่ ว่าโลกแบนและดาวต่างๆถูกแปะไว้บนท้องฟ้า ถ้า
เดินไปถึงขอบโลกจึงอาจ“ตกโลก”ได้ดงั นัน้ จักรวาล ของเราใน
ความหมายนี้จงึ จากัดอยูท่ บ่ี นโลก
ในแนวพุทธเราเชือ่ ว่าจักรวาลของเราเป็ นไปตามทีก่ ล่าวไว้ในไตรภูมพิ ระ
ร่วง(หรือคัมภีรท์ เ่ี ก่ากว่านัน้ ) โดยมีเขาประสุเมรุอยู่ตรงกลาง โปรด
สังเกตว่าการสร้างวัด เจดีย์ ก็ยดึ ตามหลักการนี้อยู่
วัดใหญ่ พิษณุโลก
ในส่วนควำมรูท้ ำงตะวันตกภำยหลังเรำได้เชื่ อว่ำ
โลกกลมหมุนรอบดวงอำทิตย์ จักรวำลในควำมหมำยของเรำของเรำจึงเป็ นระบบสุริยะ
(Greg L. Bryan and Michael L. Norman,
Grand Challenge Cosmology Consortium)
ในตำรำล้ำสมัยจึงมีคำว่ำ “ระบบสุริยะจักรวำล”
ในปั จจุบนั คำว่ำ “ระบบสุริยะจักรวำล”
จึงเป็ นคำกล่ำวที่ไม่ถกู ต้องนัก
เพรำะปั จจุบนั เรำได้ทรำบว่ำ
ระบบสุริยะของเรำมีดวงอำทิตย์ซึ่งเป็ นดำวฤกษ์
อันเป็ นสมำชิกดวงหนึ่ งในบรรดำดำวฤกษ์
นับพันล้ำนดวงในกำแล็กซีทำงช้ำงเผือก
กำแล็กซีทำงช้ำงเผือกเองก็เป็ นสมำชิกของ
กลุ่มกำแล็กซีที่เรียกกันว่ำ local group
อันมีสมำชิกประมำณหลำยสิบ กำแล็กซี
เช่น The Andromeda Galaxy M31,
satellites M32 และ M110, Milky Way Galaxy ของเรำ,
the Large and the Small Magellanic Cloud (LMC and SMC)
Local group ของเราก็เป็ นเพียงสมาชิกเล็กในโครงสร้ างที่ใหญ่ กว่ านัน้ ของ Clusters และ Superclusters
ดังนัน้ จักรวาลในความหมายปั จจุบนั กินความในสเกลกว้ างกว่ าในอดีตมาก
มีคาอีกคาหนึ่งคือคาว่ าเอกภพซึ่งหมายถึงทุกหนทุกแห่ ง จักรวาลในปั จจุบันจึง
หมายความถึงเอกภพโดยรวมนั่นเอง
ในสมัยโบราณจักรวาลวิทยาเป็ นวิชาเชิงศาสนาและปรั ชญาและอยู่แยกจาก
วิชาดาราศาสตร์ จนกระทั่งเราเชื่อกันว่ าโลกกลมไม่ ได้ แบนดังนั น้ จักรวาล
วิทยาในยุคนัน้ จึงเกี่ยวข้ องการศึกษาการเคลื่อนที่ของเทหวัตถุบนท้ องฟ้า
และถือเป็ นดาราศาสตร์
จนในเมื่อไม่ นานมานีร้ าวปี ค.ศ. 1940
วิชานีจ้ งึ เริ่มแยกออกจากวิชาดาราศาสตร์ อีกครั ง้ หนึ่ง
ด้ วยเหตุผลที่ว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์ สไตน์ ได้ เข้ ามามีส่วน
ในการอธิบายเอกภพ
ในปั จจุบันจักรวาลวิทยาศึกษาในระดับสเกลระยะทางกว้ างมากถึงขนาด
ที่ว่ากาแล็กซีถูกถือว่ าเป็ นจุดมวลอนุภาคที่ปราศจากขนาดและโครงสร้ าง
ภายใน ส่ วนดาราศาสตร์ ศึกษาในสเกลความยาวที่สัน้ กว่ านี ้ จนต้ องสนใจ
โครงสร้ างของกาแล็กซี
ฟิ สิกส์ กับเหตุการณ์ ในเอกภพ
เรำจะพรรณนำเหตุกำรณ์ใดๆได้อย่ำงไร โดยทัว่ ไปเรำใช้ฟิสิกส์
พรรณนำเหตุกำรณ์ต่ำงๆที่เกิดขึ้น ทุกครัง้ ที่เรำใช้ฟิสิกส์
โดยเฉพำะพลศำสตร์ (ไม่ว่ำจะเป็ น กลศำสตร์คลำสสิค, ทฤษฎี
แม่เหล็กไฟฟ้ำ, กลศำสตร์ควอนตัม หรือกระทัง่ ทฤษฎีสมั พัทธ
ภำพ) เรำจำเป็ นต้องมี
ง
•.ระบบพิกดั สูหรื
อเรขำคณิต
วิถีการเคลื่อนที่อธิบายได้ดว้ ยฟิ สิ กส์
•.สสำร
ยาว
•.กฎทำงฟิ
สิกส์
กว้าง
เพื่อที่จะใช้อธิบำยเหตุกำรณ์ใดๆ ระบบพิกดั เปรียบเสมือนเวที
สสำรเปรียบเสมือนตัวละคร และกฎทำงฟิ สิกส์เปรียบเสมือนบท
แสดงของละคร
ฟิ สิกส์ ท่ เี รามีอยู่บนโลกของเราถูกเชื่อกันว่ า “เป็ นสากล” นั่น
คือเราเชื่อว่ าฟิ สิกส์ บนโลกก็คือฟิ สิกส์ อันเดียวกันกับฟิ สิกส์ บน
ดาวอังคาร หรือนอกกาแล็กซี่ หรือที่ใดๆ หลักการที่เชื่อว่ า
เราไม่ ได้ ครอบครองอาศัยอยู่ ณ ที่ท่ พ
ี เิ ศษหรื อต่ างจากสถานที่
อื่นๆในเอกภพเรียกว่ า หลักการโคเปอร์ นิคาน (Copernican
Principle) ซึ่งสอดคล้ องกับการที่เชื่อว่ าทุกแห่ งหนในเอกภพจะ
มีสภาพ เหมือนกันหมด (Homogeneity) สถานที่ต่างๆกันใน
เอกภพอาจมีสสารต่ างๆกัน แต่ กฎทางฟิ สิกส์ จะต้ องเป็ นกฎ
อันเดียวกัน
เรขาคณิตก็เป็ นเรื่องสาคัญ บนโต๊ ะทางานของเรา เราอาจใช้
เรขาคณิตแบบยูคลิด (Euclidean geometry) นั่นคือเรามีพกิ ัด
(x, y, z) ที่ตัง้ ฉากกัน แต่ ในเอกภพที่แท้ จริงนัน้ ระบบพิกัด
เรขาคณิตแบบยูคลิดอาจ ไม่ ใช่ เรขาคณิตที่เอกภพมีกไ็ ด้ แต่
อาจเป็ นพิกัดเรขาคณิตแบบอื่น
-
Copernicus
published an early
description of his
"heliocentric" model
of the solar system
in Commentariolus
(1512).
เอกภพมีขนาด
ความเร็วแสงประมาณ = 1 พันล้านกิโลเมตรต่อชัวโมง
่
จากดวงอาทิตย์ถงึ ศูนย์กลางกาแล็คซีท่ างช้างเผือกของเรา = 30,000 ปีแสง
ระยะทางจากเราไปยัง กาแล็คซี่ อื่น = ล้าน ถึง หลายๆ พันล้าน ปีแสง
กาแล็กซีทางช้างเผือกของเรา
กว้ างประมาณ 100,000 ปี แสง
แต่ละ galaxy = ดาวฤกษ์หลายพันล้านดวง
และที่เราค้นพบแล้ว… มีหลายพันล้าน galaxies
Galaxies
Image of the spiral galaxy NGC 4414. Image Credit: Hubble Heritage Team (AURA/STScI/NASA)
โครงสร้างระด ับใหญ่
Distribution of the hydrodynamical baryonic density in a
cosmological simulation.
ทีม
่ า The COAST project (formerly SNOOPY project)
DAPNIA CEA/Saclay, France
Laboratory of research into the fundamental laws of the Universe
The Powers of
(1980s)
หล ักการ Cosmological
Principle


เอกภพ ราบเรียบ เหมือนกันหมด ไม่มีที่พิเศษ ไม่มีศนู ย์กลาง คือมี
ความเป็ น เอกพันธ์ (Homogeneity)
เอกภพ มีลกั ษณะเหมือนกันในทุกทิศทางที่เรามอง (Isotropy)
ที่ ทุกๆ หน แห่ง ต่างก็ เป็ น ตาแหน่งทีเ่ คยเป็ น big bang แม้แต่ในชาม
ก๋วยเตีย๋ วของเราก็เคยเกิด Big Bang มาก่อน
หลายคนมักเข้าใจ ผิด ว่ามี Big Bang เป็ นจุดอยูท่ ใ่ี ดทีห่ นึ่งบนฟ้า และ
เข้าใจผิดว่าถ้าส่องกล้องเห็นได้ไกลพอก็จะเห็น Big Bang
การเกิด Redshift ของ galaxies ที่อยู่ห่างไกล
 Cosmic Microwave Background
 การสังเคราะห์นิวเคลียสของธาตุเบาในยุคบรรพกาล
(Primordial Nucleosynthesis)

1. Redshifts
ความยาวคลื่นแสงที่ถกู ปลดจากดาวฤกษ์และกาแล็กซีมีการเลื่อนไปทางแถบแดงแบบดอปเปลอร์
ความยาวคลื่น
สเปคตัมของแสง
figures by Ned Wright, UCLA
การเกิดเรดชิฟท์ ของแสงทาให้ เราทราบว่ าอวกาศกาลัง
ขยายตัวออก
 กำรขยำยตัวของเอกภพ
ถ้ำ ภพ มี 2 มิต ิ
เคลือ่ นทีไ่ ด้เฉพำะบนผิวลูกโป่ง
ระยะรัศมีของลูกโป่งคือ
ระยะตำมแกนเวลำ
ภพผิวแบนราบในระดับมิติต่างๆ
โลกสมมติใน 0, 1, 2, 3 มิติ หรือ มิตทิ ส่ี งู ขึน้ ไป
ชีวติ จะมีอยูไ่ ด้ในอย่างน้อย 3 มิตขิ น้ึ ไป เพราะ ชีวติ ต้อง
มีปริมาตร !
 เราคุน้ เคยกับ E3 ทีม่ ติ สิ งู กว่านี้เราไม่อาจเขียน
ภาพได้
 อาจมีชวี ติ ในมากกว่า 3 มิตไิ ด้ เช่น 4 มิติ แต่เรา
ต้องสามารถรับรูไ้ ด้ถงึ เงา (projection) บน
อวกาศ 3 มิตขิ องวัตถุนนั ้ ได้ เป็ นไปได้กระทัง่
ว่าเราอาจพบเห็นวัตถุ 4 มิตแิ ล้วแต่เราคิดว่ามัน
เป็ น 3 มิติ โดยทีแ่ ท้จริงแล้วมันเป็ นเงาของวัตถุ 4
ภพทรงกลม (sphere)
ในระดับมิติต่างๆ
 สาหรับทรงกลมแล้ว เราไม่อาจจินตนาการถึง ภพทรง
กลม 3 มิติ ได้
 หากเอกภพของเราเป็ นเอกภพแบบทรงกลมปิด S3 นี้
เราจะไม่มวี นั จินตนาการภาพของรัศมีของมันได้เลย
 จุดนี้เป็ นสิง่ ทีห่ ลายคนเข้าใจผิดๆ มาตลอดว่า Big Bang
เกิดจากจุดๆ หนึ่งบนอวกาศ หากแต่ทจ่ี ริงแล้วเกิดขึน้
พร้อมๆกันทุกแห่ง และขยายตัวจากจุดหนึ่ง (ถ้าเป็ น S3)
จุดศูนย์กลางของ S3
 ชีวติ ใน 4 มิตเิ ท่านัน้ ทีจ่ ะรับทราบถึงรัศมีของ S3 ได้
กาแล็คซี่ท้ งั หลายกาลังเคลื่อนที่ออกจากเราไป
… เอกภพของเรา กาลังขยายตัว !
กฎของฮับเบิล
v  Hd
เอกภพนั้นใหญ่
และกาลังใหญ่ ขนึ้ เรื่อยๆ
2. Cosmic microwave
background radiation
ค้นพบโดยบังเอิญในปี 1965 Penzias & Wilson
ี เี่ หลือจาก hot big bang
 รังสท
 2.7 K - ไม่กอ
ี่ งศาเหนือ 0 เคลวิน
 ถูกปลดออกมาเมือ
่ 13.7 พันล ้านปี ท ี่
แล ้ว
ิ เก็บข ้อมูลของเอกภพ
 เป็ น ฟอสซล
บรรพกาล
CoBE satellite
launched by NASA in 1990
2.7 K ทุกจุด
© NASA
+/- 3.3 mK redshift เนื่องจากการเคลื่อนที่ของกาแล็กซี (ความเร็ว 1.6 million km/h)
+/- 18 microK ความไม่เรี ยบ รังสี ในเอกภพไม่ราบเรี ยบ
COBE
ปล่อยในปี 1990
the surface of last scattering
© NASA
WMAP first data กุมภาพ ันธ์ 2003
3. Primordial
Nucleosynthesis
่
 ปริมาณนิวเคลียสของธาตุเบาเชน




deuterium (H-2 or D), helium
่ He-3 และ He-4 และ lithium isotopes Li-6 และ Li-7 และ
isotopes เชน
ธาตุเบาอืน
่ ๆ มีอยูม
่ ากเกินไป มากเกินกว่าทีก
่ ลไกของดาวฤกษ์ ทส
ี่ งั เคราะห์
นิวเคลียสของธาตุเหล่านีจ
้ ะผลิตได ้ คาถามคือแล ้วมันมาจากไหน
ทฤษฎี BIG BANG ซงึ่ กล่าวว่าเอกภพถูกสร ้างจากสภาวะร ้อนมาก เข ้ากันได ้
พอดีกบ
ั เรือ
่ งนี้
ปริมาณนิวเคลียสของธาตุเบาเหล่านีไ
้ ด ้สนั บสนุนว่าในอดีตกาล เอกภพควรมี
อุณหภูมส
ิ งู มาก จนเกิดปฏิกริ ย
ิ าสงั เคราะห์นวิ เคลียสของธาตุเหล่านีไ
้ ด้
ี อีก นั่ นคือ
ก่อนทีจ
่ ะเกิดดาวฤกษ์ ขน
ึ้ เสย
คาถามทีว่ า่ แล ้วมันมาจากไหน ก็ มาจาก Big Bang นั่ นเอง
เราเรียกการสงั เคราะห์นวิ เคลียสธาตุเบาแบบนีว้ า่ Big Bang
Nucleosynthesis (BBN)
 คนทีเ่ ริม
่ คานวณปริมาณนิวเคลียสทีส
่ งั เคราะห์ในเอกภพระยะแรกเริม
่ คือ
Ralph Alpher และ George Gamow ในยุค 1940s พร ้อมกับ Hans
Bethe (แต่แปลกมากทีท
่ ัง้ สามไม่ได ้รับ Nobel Prize)
่ งปี 1970s มีปัญหาคือว่า ผลการคานวณปริมาณ มวลสารแบริออนใน
 ในชว
เอกภพจาก BBN มีคา่ น ้อยกว่าค่าทีไ่ ด ้จากการสงั เกตการณ์ทไี่ ด ้จากการหา
อัตราการขยายตัว
่ างออกโดยการเสนอว่า มี สสารมืด (dark matter)
 ปั ญหานีไ
้ ด ้นามาสูท
การสารวจตาแหน่งและการจัดวางตัวของโครงสร้างระดับใหญ่
เช่น galaxy cluster สอดคล้องกับลักษณะแบบลาย
ใน CMB อย่างไร
การสร้ างแผนที่จกั รวาล
ใช้การเกิดเรดชิฟจากกาแล็กซีอนั ไกลโพ้นสร้างแผนที่
จักรวาล
เทคโนโลยีระดับศาสตร์และศิลป์ :
• 2dF galaxy redshift survey
250,000 galaxies
•
Sloan Digital Sky Survey
1 ล้าน galaxies
เรากาลังมองไปสู่ อดีตเมื่อเรามองท้ องฟ้ า…
 เราเห็นภาพอดีตของกาแล็คซี่พน
ั ล้านปี ที่
แล้ว
เรามองเห็นได้ไกลแค่ไหนกัน
เอกภพมีอายุประมาณ 13.7 พันล้าน
ปี
• ไกลสุ ดที่เห็นได้คือ =
13.7 พันล้านปี แสงในอดีต
looking back in
history
ถ้ าเล่นเทปย้ อนกลับ…
• ดาวและอนุภาคทั้งหลาย เข้ าใกล้กนั เรื่อยๆ
• อุณหภูมสิ ู งขึน้
• ดาวและอะตอมของธาตุแตกตัว
เอกภพระยะแบเบาะคือต้มจืดพลาสมาร้อน
- แล้วโครงสร้ างต่ างๆในเอกภพเกิดขึน้ ได้ อย่ างไร?
 สสารในเอกภพมีการสั่นแกว่งในสมัยที่อะตอมตัวแรกถูกสร้างขึ้น (last-
scattering) (gravity vs. pressure)
 การสั่นแกว่งอันนี้เป็ นผลให้โครงสร้างในเอกภพมีสภาพรู ปร่ างที่เป็ นอยูใ่ นปั จจุบนั
 นักจักรวาลวิทยามีหน้าที่ถอดรหัส แผนที่อุณหภูมิน้ ีเพื่อหาสมบัติทางฟิ สิ กส์

“โบราณคดีจักรวาล”
CMB ฟอสซิล ลายนิ้วมือ ของ โบราณคดีจกั รวาล
รอยไม่ ราบเรียบของรังสี CMB บอกอะไร ?
รู ปร่ างและน้าหนัก (มวล) และ อายุ ของเอกภพ
การสั งเกตการณ์ ได้ ว่า :
 เรขาคณิ ตของเอกภพนั้นเป็ นแบบง่ายๆ คือเกือบแบนเรี ยบ
 80% ของสสารนั้นไม่เปล่งแสง – dark matter
 มวลสสารไม่ใช่องค์ประกอบหลักของเอกภพ มันคือ vacuum energy (“dark energy”)
 เอกภพมีอายุ 13.7 พันล้านปี มาแล้ว
เกิดอะไรขึน้ กับ
ความไม่ ราบเรียบ
มันคือ seeds ที่ทาที่ให้เกิดการ
โครงสร่างเช่น ดาวดวงแรก
และ galaxies!
billions of years
Alan G
หากเดินทางย้ อนคืนวันเวลาได้ ละก็
 Big Bang (เก่า)
 Big Bang ผนวกกับ Inflation (การพองตัว)
แล้ วทั้งหมดนี่มาจากไหน?
• ดาวนับพันล้านดวงและกาแล็กซีนบั พันล้านอัน
• การขยายตัวของเอกภพ
ต้ องการทฤษฎีเพือ่ อธิบาย…
 ต้องเข้าใจธรรมชาติของความโน้มถ่วง
 ต้องเข้าใจพฤติกรรมของสสารในเอกภพ
ทฤษฎีสมั พัทธภาพทัว่ ไป
+
ฟิ สิ กส์อนุภาค
ทฤษฎีความโน้ มถ่ วงของไอน์ สไตน์
กาลอวกาศบอกสสารว่า
ต ้องเคลือ
่ นทีอ
่ ย่างไร
&
สสารบอกกาลอวกาศว่า
จะต ้องโค ้งแบบไหน
G
 8G 
  4  T
 c 
เอกภพที่กาลังขยายตัวออกของ Friedmann
ทุกขณะเวลาหนึ่งๆ = 3D space
Friedmann equation
อัตราการขยายตัว = สสารหรือรังสี + ความโค้ง + Dark Energy
เราจะวัดค่ าปริมาณเหล่านีไ้ ด้ อย่ างไร
8G
K 
H 
 2 
3
a
3
2
เรขาคณิตของอวกาศโค้ ง (ไม่ใช่แค่พกิ ดั ทรงกลม)
Riemannian geometry
flat มุมภายในสามเหลี่ยมรวมกัน = 180o
spherical (closed)
มุมภายในสามเหลี่ยมรวมกัน > 180o
hyperbolic (open)
มุมภายในสามเหลี่ยม
รวมกัน < 180o
เรขาคณิ ตของเอกภพ กับ CMB
http://map.gsfc.nasa.gov/
© NASA
ฟิ สิ กส์ พลังงานสู งกับจักรวาลวิทยา
 เอกภพกาเนิดมาจากการระเบิดครั ง้ ใหญ่ ท่ เี รี ยกว่ าบิก๊ แบง เอกภพขณะเริ่ มแรกมี
ขนาดเล็กมากและมีอุณหภูมสิ ูงมาก (ที่อายุ 10-43 วินาที, มีอุณหภูมปิ ระมาณ 1032
K) ที่ความร้ อนระดับนีส้ สารทุกชนิดจะมีสภาพเป็ นอนุภาคมูลฐานและ
แรงรากฐานทัง้ สี่คือ แรงนิวเคลียร์ แบบเข้ ม, แรงนิวเคลียร์ แบบอ่ อน,
แรงแม่ เหล็กไฟฟ้าและแรงโน้ มถ่ วง จะเริ่มสามารถรวมเป็ นแรงเดียวกัน
 ดังนัน้ การศึกษาจักรวาลวิทยาจึงหลีกเลี่ยงการศึกษา
ฟิ สิกส์ ทฤษฎีพลังงานสูง (มาก ๆ)ไม่ ได้
 สิ่งที่เล็กที่สุดในเอกภพ (อนุภาค) ในตอนเริ่มแรกจึงมีผลต่ อการวิวัฒนาการของ
สิ่งที่ใหญ่ ท่ สี ุดในเอกภพ (คือตัวเอกภพเอง) ในระยะหลัง
 ในปลายศตวรรษ 1800 แมกเวลส์ ได้ ประสบผลสาเร็จในการรวมแรงแม่ เหล็กและแรงไฟฟ้าที่
เคยถูกคิดว่ าแยกกันเข้ าด้ วยกัน กลายเป็ น แรงแม่ เหล็กไฟฟ้า (เขียนติดกัน)
ELECTROMAGNETIC FORCE
 จากนัน้ ก็ได้ มีการค้ นพบแรงนิวเคลียร์ แบบเข้ มและแรงนิวเคลียร์ แบบอ่ อน ในช่ วงกลางศตวรรษ
ที่1900
 ต่ อมาไม่ นานนักแรงนิวเคลียร์ แบบอ่ อนและแรงแม่ เหล็กไฟฟ้าได้ ถูกรวมกันสาเร็จและเรียกว่ า
แรงอิเล็กโทรวีค
 ต่ อมาแรงนิวเคลียร์ แบบเข้ มก็ได้ ถูกรวมเข้ ากับแรงอิเล็กโทรวีค กลายเป็ น Grand
Unified Theory (GUT) (ทฤษฎีเอกภาพที่ย่งิ ใหญ่ ) ปั ญหาทีเ่ หลือก็คือแรงโน้ ม
ถ่ วงซึง่ เป็ นแรงทีย่ ากที่สุด แรงต่ างๆจะรวมกันได้ ทอี่ ุณหภูมสิ ูงมากทีเ่ อกภพระยะแรกเริ่ม
•เป้าหมายสูงสุดของฟิ สิกส์ บริสุทธิ์ในปั จจุบนั ก็คือการสร้ างทฤษฎีท่ สี ามารถอธิบาย
ปรากฎการณ์ ทุกสิ่งในเอกภพได้ ด้วยสมการเพียงสมการเดียว นั่นคือธรรมชาติมีเอกภาพ
ดังนัน้ ฟิ สิกส์ จงึ ควรมีเอกภาพทฤษฎีนีถ้ ูกเรียกว่ าทฤษฎีแห่ งสรรพสิ่ง (The Theory of
Everything)
•ซึ่งแน่ นอนว่ าต้ องเป็ นทฤษฎีท่ สี ามารถรวมเอาแรงโน้ มถ่ วงและแรงอีกสามแรงไว้ ด้วยกันได้
ทัง้ หมด
•ทฤษฎีแห่ งสรรพสิ่งได้ ถูกเสนอขึน้ มาหลายรู ปแบบ โดยมากจะเป็ นทฤษฎีท่ กี ล่ าวถึงการควอน
ไทซ์ ความโน้ มถ่ วง (Quantum Gravity) เช่ นทฤษฎีเอ็มและทฤษฎีเส้ นเชือก นอกจากนัน้ ยังมี
ทฤษฎีลูปควอนตัมกราวิตี และทฤษฎีทวิสเตอร์
การรวมทฤษฎีแรงเป็ นงานของนักฟิ สิกส์บริสุทธิ์ ที่จะเข้าใจ
“How does nature work?” or “How GOD sets the rule for the
universe” ในระดับ ‘เปิ ดพรมแดนความรู’้ คือทาสงความกับสิ่งที่มนุ ษย์ยงั ไม่รู ้
แม่เหล็ก
GUTs
?
นิวเคลียร์ เข้ ม
แม่เหล็กไฟฟ้ า
Electroweak
ไฟฟ้ า
นิวเคลียร์อ่อน
โน้มถ่วง
Theory of
Everything
Quantum
Gravity
(Superstrings et. al)
???
เนื่องจากว่ าทฤษฎี M และทฤษฎี Strings ได้ รับความนิยม
จากนักทฤษฎีมากกว่ าอันอื่นด้ วยเหตุผล บางประการทาง
ฟิ สิกส์
ทฤษฎี M และทฤษฎี Strings ต้ องการให้ มิตมิ ีมากกว่ า 4 มิติ
ดังนัน้ จึงเกิดแนวความคิดนีใ้ นแบบจาลองจักรวาลเช่ นกัน
เช่ นทฤษฎีภพแผ่ น (Braneworlds) ที่มีมิตทิ ่ ี 5 อยู่ด้วยเป็ นต้ น
การศึกษาจักรวาลวิทยาในปั จจุบันจะช่ วยตอบ
ปั ญหาการสร้ างทฤษฎีแห่ งสรรพสิ่งได้ เช่ นกัน
ภพแผ่น (braneworld) (ผลจากทฤษฎี M)
 ภพแผ่น 4 มิติลอยในมิติที่ 5
 กราวิตอนรั ่วไปในมิติที่ 5 ได้เนื่ องจาก
เป็ น เส้นเชือกปิด (closed string) แต่
สสารและโฟตอนยังอยู่บนแผ่น
 ภพแผ่นได้ทานายพลวัตรของเอกภพ
ในระยะเริ่มแรกและระยะหลังๆ ต่างไป
จากพลวัตรตามแบบจาลองมาตรฐาน
ซึ่งจะมีผลต่อแบบลวดลายของ รังสี
คอสมิคไมโครพืน้ หลังซึ่งสามารถ
ตรวจวัดจากดาวเทียมเช่น
WMAP(2003)
BIG BANG Cosmology
วิชาประวัติศาสตร์ของแท้ !
Big Bang + Inflation
ขนาด เป็ น เมตร
ประวัตศิ ำสตร์ด้ำนขนำดและอำยุของเอกภพ
อำยุ เป็ น วินำที
ปัจจุบนั
… และก่ อน การพองตัวนี?้
เราต้ องศึกษาทฤษฎีทเี่ หนือกว่า Einstein’s theory
… คือ เอกภพแบบแผ่ นเบรน
สสารธรรมดาและคนอยูบ่ น 4D brane
ความโน้มถ่วงรั่วออกไปในมิติพิเศษ
bulk spacetime
1. Dark energy & present acceleration
2. Dark Matter
3. Physics beyond Planck Scale and Physics beyond Black
Hole horizon-Quantum Gravities and Black Hole
Thermodynamics
4. Gravitational wave
5. Fate of the Universe
6. Anisotropy and Inflationary mapping
Will discuss briefly only on Dark Energy
รูไ้ ด้อย่ำงไร?

supernovae ที่
ไกลโพ้นมันจางมืดกว่าที่
ควรจะเป็ น

ไม่ใช่แค่ขยำยตัวออกธรรมดำ หำกแต่ เร่ง ขึน้ เรือ่ ยๆ !
… อนาคตของเอกภพ?
“Dark force is getting strong and stronger...”
You should join the
dark side . . .ehhh...
จะมีชะตากรรมอย่ างไรหนอ
ปัจจุบัน เส้ นแดง สอดคล้ องกับ ผลการสั งเกตการณ์ มากที่สุด
์ ฤษฎี
ิ สท
การวิจ ัยทางจ ักรวาลวิทยาและฟิ สก
ทีส
่ ถาบ ันสาน ักเรียนท่าโพธิฯ์
มหาวิทยาล ัยนเรศวร




คณาจารย์ 2 คน (2550)
นิสติ ปริญญาเอก ปร.ด. 1 คน (2553)
นิสติ ปริญญาโท วท.ม. 2 คน (2553)
นิสติ ปริญญาตรีปีละ 1-2 คน
เป็ นห้องปฏิบตั ิ การวิจยั จักรวาลวิทยา ภายใต้ศนู ย์ความเป็ นเป็ นเลิศด้านฟิสิกส์ของ
สกอ. และมีการสนับสนุนด้วยทุน วุฒิเมธีวิจยั สกว. งานวิจยั ได้รบั การคัดเลือก
ตีพิมพ์ในวารสารวิจยั ชัน้ นาระดับนานาชาติตปี ละ 2-3 ชิ้น โดยถือเป็ นเงื่อนไขการ
สาเร็จการศึกษาระดับ ปริญญาโทและ ปริญญาเอก
•พลังงานมืด (dark energy)
Collaborations:
•ภพแผ่นทางเลือกของ QG เช่น extended Einstein theory
Portsmouth, Sussex, DAMTP Cambridge, Gunma (Japan), Athens (Greece), Victoria Univ. (Canada),
Jamia and IUCAA (India)
would like to thank...
1.
2.
3.
4.
5.
6.
สกว.-สกอ. (ทุนนักวิจัยรุน
่ ใหม่, ทุนเมธีวจิ ัย สกว. และทุนวุฒเิ มธีวจิ ัย สกว.)
ิ ส ์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยนเรศวร
ภาควิชาฟิ สก
NASA, Hubble ST, CEA-Saclay และ Anglo-Australion Observatory สาหรับรูปสวยๆ
ิ ส์
ศูนย์ความเป็ นเลิศด ้านฟิ สก
สภาวิจัยแห่งชาติ (วช.)
สถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ
งึม....งึม
24
ไม่ใช่ฟิสิ กส์หรอกที่สาคัญที่สุด
ไม่ใช่อะไรหรอก
หากแต่คือ ความรัก ที่สาคัญที่สุด
7