ทฤษฎีสำคัญสำหรับศึกษาเอกภพ
ปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์ใช้ทฤษฎีพื้นฐาน 2 ทฤษฎีในการอธิบายเอกภพ คือ
1.1 ทฤษฎีสัมพัทธภาพ (Theory of Relativity )
1.2 ทฤษฎีควอนตัม (Quamtum Theory)
โดยทฤษฎีสัมพันธภาพจะอธิบายโครงสร้างของเอกภพในระดับมหภาคหรือระดับใหญ่จาก ขนาดความกว้างยาวไม่กี่ไมล์จนถึงขนาด 1 ล้านๆๆๆ ไมล์ ซึ่งเป็นขนาดของเอกภพที่เราสังเกตการณ์ได้ส่วนทฤษฎีควอนตัม จะศึกษาระดับจุลภาคที่เล็กจิ๋วที่สุด ได้แก่ อะตอม และอนุภาคต่างๆ
สำหรับการศึกษาสิ่งมีชีวิตต่างๆ ในเอกภพนั้น ทฤษฎีที่สำคัญที่สุดซึ่งเป็นที่ยอมรับอย่างกว้างขวางในปัจจุบันคือทฤษฎีวิวัฒนาการ
1.3 ทฤษฎีวิวัฒนาการ (Theory of Evolution)
เป็นทฤษฎีที่อธิบายว่าสรรพชีวิตทั้งหลายมิได้เกิดจากบัญชาของพระเจ้า แต่เกิดจากสรรพชีวิตเหล่านั้นมีการปรับตัวพัฒนาจากสิ่งที่มีชีวิตเดิมที่มีอยู่เก่าก่อนแล้ว
1.1 ทฤษฎีสัมพัทธภาพ
ทฤษฎีสัมพัทธภาพที่จะกล่าวในที่นี้ จะมุ่งกล่าวถึงผลของทฤษฎีเป็นหลัก ไม่เน้นอธิบายหลักการและความเป็นมาของตัวทฤษฎี เพราะเป็นเรื่องที่ซับซ้อน ซึ่งนักศึกษาไม่มีความจำเป็นต้องรู้รายละเอียดลึกถึงขนาดนั้น
คำว่า "สัมพัทธภาพ" มาจากภาษาอังกฤษว่า "Relativity" เป็นคำนามส่วนคำคุณศัพท์ของคำนี้คือ "Relativite" แปลว่าสัมพัทธ์ คือ ที่เทียบเคียงกัน หรือ ที่เปรียบเทียบกัน
คำว่า Relativity ซึ่งเป็นคำนามจึงต้องแปลว่าสัมพัทธภาพ ความเปรียบเทียบกันหรือ การเปรียบเทียบกันนั่นเอง
ทฤษฎีสัมพัทธภาพ มีหลักการสำคัญ คือ ผลของการวัดหรือการสังเกตปรากฏการณ์ทุกสิ่งทุกอย่าง จะมีผลโดยสมบูรณ์หรือมีความหมาย ก็ต้องเป็นการวัดหรือการสังเกตเปรียบเทียบกับการอ้างอิงเสมอ กล่าวง่ายๆ คือ ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพ การวัดอะไรก็ตาม ถ้าวัดกับตัวเองเท่านั้นก็ไม่มีความหมายอะไร ต้องเป็นการวัดเปรียบเทียบกับอะไรบางอย่างจึงจะมีความหมาย เช่น การกล่าวเพียงว่านาย ก.สูงที่สุด ไม่มีความหมาย เพราะไม่ได้ระบุว่าเปรียบเทียบกับอะไร แต่ถ้ากล่าวว่า นาย ก.สูงที่สุดในชั้นเรียนของเขา ก็จะมีความหมายสมบูรณ์เพราะแสดงให้เห็นชัดเจนว่า นาย ก.สูงกว่าคนอื่นๆ ทั้งหมดในชั้นเรียนของเขา แต่ไม่ได้หมายความว่า นาย ก.สูงที่สุดเมื่อนำไปเปรียบเทียบกับนักเรียนชั้นอื่นที่มีบางคนที่สูงกว่านาย ก.
หรือเมื่อไอน์สไตน์กล่าวว่า "ความเร็ว และ ความโน้มถ่วง" เป็นเหตุให้เวลาในเอกภพไม่เท่ากัน กล่าวคือ วัตถุที่เคลื่อนที่เร็วเวลาจะเดินช้า เมื่อเปรียบเทียบกับวัตถุที่เคลื่อนที่ช้ากว่าและตำแหน่งที่มีความโน้มถ่วงสูง เวลาจะเดินช้ากว่าตำแหน่งที่ความโน้มถ่วงต่ำกว่า จากที่กล่าวมานี้จะเห็นว่า คำพูดของไอน์สไตน์ที่ว่า "ความเร็ว และ ความโน้มถ่วง" เป็นเหตุให้เวลาในเอกภพไม่เท่ากันนั้น จะมีความหมายสมบูรณ์ก็ต่อเมื่อมีการเปรียบเทียบเท่านั้น
ไอน์สไตน์ไม่ได้ค้นพบทฤษฎีสัมพัทธภาพคนแรก แต่ทฤษฎีนี้วิวัฒนาการมาตั้งแต่สมัยของกาลิเลโอ ทว่าไอน์สไตน์เป็นผู้ขยายความให้ครอบคลุมมากกว่ากาลิเลโออีกหลายเท่าจนถึงกับปฏิวัติความเข้าใจทางฟิสิกส์ที่มีมาก่อน ทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์นั้นมีอยู่ 2 ทฤษฎีคือ ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ (Speial Theory of Relativity) และ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (General Theory of Relativity) แต่ละทฤษฎีมีรายละเอียดดังนี้
1.) ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ
ไอน์สไตน์ตั้งทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษขึ้นมาเมื่อปี ค.ศ.1905 (พ.ศ.2448) เป็นทฤษฎีที่ใช้กับกรอบอ้างอิงเฉื่อย หรือกรอบอ้างอิงที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่สม่ำเสมอ
กรอบอ้างอิง หมายถึง วัตถุหรือสิ่งใดสิ่งหนึ่งที่นำมาเปรียบเทียบกับการเคลื่อนที่ของอีกสิ่งหนึ่ง เช่น รถแล่นด้วยความเร็ว 100 กิโลเมตรต่อชั่วโมงเมื่อเปรียบเทียบกับโลก ในที่นี้โลกเป็นกรอบอ้างอิง เป็นต้น
กรอบอ้างอิงเฉื่อย หมายถึง กรอบอ้างอิงที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว คงที่สม่ำเสมอ ปราศจากการเร่งความเร็ว หรือ การชะลอความเร็ว เช่น โลกของเราถือได้ว่าเป็นกรอบอ้างอิงเฉื่อยประเภทหนึ่ง เพราะโลกเคลื่อนที่หรือโคจรรอบดวงอาทิตย์ด้วยความเร็ว คงที่สม่ำเสมอ คือ หนึ่งรอบใช้เวลานาน 365.253366 วัน ด้วยความเร็วประมาณ 100,000 กิโลเมตรต่อชั่วโมง
ความเป็นจริงอย่างหนึ่งที่เราต้องตระหนัก คือ ไม่มีสิ่งใดในเอกภพนี้ที่หยุดนิ่งอยู่กับที่เราอาจจะคิดว่าเรายืนนิ่งอยู่ที่บ้าน แต่ที่จริงแล้วบ้านตั้งอยู่บนโลกที่เคลื่อนที่รอบดวงอาทิตย์เราอาจคิดว่าดวงอาทิตย์อยู่นิ่งเป็นศูนย์กลางระบบสุริยะ แต่ที่จริงแล้วระบบสุริยะเคลื่อนไปรอบกาแล็กซีทางช้างเผือก และกาแล็กซีทางช้างเผือกรวมทั้งกาแล็กซีทั้งหลายในเอกภพกำลังเคลื่อนที่หนีห่างจากกันตลอดเวลา ดังนั้นทุกทุกสิ่งทุกอย่างในเอกภพจึงกำลังเคลื่อนที่ และทุกสิ่งทุกอย่างในเอกภพนี้สามารถนำมาใช้เป็นกรอบอ้างอิงได้ทั้งหมด
ผลของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ
ผลของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ ทำให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใจความจริงของโลกและชีวิตเปลี่ยนแปลงไปจากเดิมหลายประการ โดยเฉพาะเรื่องความสัมพันธ์ระหว่างสารกับพลังงาน, เรื่องความยาว, เรื่องเวลา และกาลอวกาศมี 4 มิติที่เป็นเนื้อเดียวกัน
ความสัมพันธ์ระหว่างสารกับพลังงาน
นักศึกษาหลายท่านคงจะรู้จักสมการ E=mc2 ซึ่งเป็นสมการที่แสดงความสัมพันธ์ระหว่างสารกับพลังงานอันโด่งดังของไอน์สไตน์ดี
E หมายถึง พลังงาน
m หมายถึง มวลของสาร
c หมายถึง ความเร็วของแสง ประมาณ 300,000 กิโลเมตรต่อวินาที
สมการ E=mc2 นี้บอกเราว่า มวลและพลังงานแปลงกลับไปกลับมาซึ่งกันและกันได้และเนื่องจากความเร็วของแสงมีค่าสูงมาก ยิ่งยกกำลังสองก็ยิ่งสูงมากขึ้นไปอีก ด้วยเหตุนี้มวลเพียงเล็กน้อยจึงสามารถเปลี่ยนเป็นพลังงานมหาศาลได้ ระเบิดลิตเติลบอย(The Little Boy) ที่ถูกนำไปทิ้งที่เมืองิโรชิมา ประเทศญี่ปุ่น มีความยาว 3 เมตร เส้นผ่าศูนย์กลาง 71 เซนติเมตรและบรรจุธาตุยูเรเนียมซึ่งจะถูกแปลงไปเป็นพลังงานระเบิดเพียง 64 กิโลกรัมเท่านั้น แต่ระเบิดลูกนี้เมื่อถูกนำไปทิ้งส่งผลให้มีผู้เสียชีวิตทันที 70,000 คน และคาดว่ายังมีผู้เสียชีวิตจากกัมมันตภาพรังสีของระเบิดดังกล่าวในเวลาต่อมาอีกไม่น้อยกว่า 100,000 คนส่วนผู้ที่รอดชีวิตก็อยู่อย่างทุกข์ทรมานแสนสาหัส
เมื่อมวลของสารเปลี่ยนเป็นพลังงานได้ พลังงานก็เปลี่ยนเป็นมวลของสารได้เช่นกัน โดยมวลของสารจะเพิ่มขึ้นเมื่อวัตถุเคลื่อนที่เร็วขึ้น และยิ่งเคลื่อนที่ใกล้ความเร็วแสงมากเท่าไรมวลยิ่งมากขึ้นไปอีก มวลเหล่านี้มาจากพลังงานที่เราป้อน เพื่อผลักดันวัตถุดังกล่าวให้เคลื่อนที่นั่นเองสิ่งนี้ได้รับการพิสูจน์มาแล้วหลายครั้งว่าเป็นจริง เช่น ศูนย์วิจัยนิวเคลียร์แห่งยุโรป(CERN) ได้ทดลองเร่งความเร็วอนุภาคภายในอะตอมได้จนถึง 99.99 % ของความเร็วแสง แต่หลังจากนั้นไม่ว่าจะเพิ่มพลังงานไปมากเท่าใด ก็ไม่อาจทำได้ เพราะ "พลังงาน" จะเปลี่ยนไปเป็น "มวลของสาร" ตามสมการ 2 ผลการทดลองนี้จึงยืนยันทฤษฎีของไอน์สไตน์ที่บอกว่า "แสงเดินทางเร็วที่สุดในโลก" นอกจากนี้ในปี ค.ศ. 1930 (พ.ศ.2473) นักวิทยาศาสตร์สองคนชื่อ ดิแรก(Paul Dirac) และแอนเดอร์สัน(Carl Anderson) ได้ทำการทดลองในเรื่องนี้เช่นเดียวกัน จากการทดลองคราวนั้น วงการวิทยาศาสตร์ก็ต้องตื่นเต้นเมื่อพบว่า พลังงานสามารถแปรกลับมาเป็นสารได้ มนุษย์สามารถสร้างสารขึ้นมาจากความว่างเปล่าได้ ผลการทดลองครั้งนี้ส่งผลให้ทั้งสองได้รับรางวัลโนเบลในเวลาต่อมา
ความยาวหดลงเมื่อความเร็วเพิ่มขึ้น
ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษระบุว่า ความยาวของวัตถุที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่เพิ่มขึ้นจะหดสั้นลงกว่าวัตถุขนาดเดียวกันที่หยุดนิ่ง หรือเคลื่อนที่ช้ากว่า เช่น ความยาวของไม้บรรทัดที่วางตามแนวนอนบนรถไฟที่จอดนิ่ง จะยาวเท่ากับไม้บรรทัดที่เราถือตามแนวนอนและยืนนิ่งอยู่กับที่บนชานชาลาสถานี แต่หากรถไฟคันดังกล่าวเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสม่ำเสมอ ขณะที่เรายังยืนนิ่งอยู่ที่ชานชาลาดังกล่าว เราจะเห็นไม้บรรทัดบนรถไฟหดสั้นกว่าของเรา ยิ่งรถไฟมีความเร็วใกล้ความเร็วแสงมากเท่าไร ไม้บรรทัดบนรถไฟก็จะยิ่งหดสั้นลงกว่าไม้บรรทัดที่เราถืออยู่ที่ชานชาลาไปตามส่วน และตัวขบวนรถไฟก็จะสั้นลงด้วย ถ้าสามารถเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่ากับแสง ความยาวของไม้บรรทัดและรถไฟก็จะไม่เหลือเลยคือกลายเป็นศูนย์
เวลาในเอกภพไม่เป็นหนึ่งเดียว
แต่เดิมนักวิทยาศาสตร์เข้าใจว่า เวลาเป็นหนึ่งเดียวและเท่ากันเสมอไม่ว่าจะเป็นสถานที่ใดในเอกภพ แต่ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษบอกว่า เวลาในเอกภพแตกต่างกันได้ โดยความเร็วที่ต่างกันทำให้เวลาต่างกัน ยิ่งวัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วมากเท่าไร เวลาก็จะเดินช้าลงเท่านั้นเมื่อเทียบกับวัตถุที่เคลื่อนที่ช้ากว่า ในชีวิตประจำวันเราจะสังเกตความแตกต่างของเวลาไม่ออก เพราะความแตกต่างของความเร็วในการเคลื่อนที่ของวัตถุมีน้อย แต่นักวิทยาศาสตร์สามารถทดลองความต่างกันของเวลาได้ โดยนักวิจัยชื่อเเฟลและคิทติงแห่งสหรัฐอเมริกา ได้นำนาฬิกาที่สร้างจากอะตอมของธาตุซีเซียม ซึ่งวัดได้ละเอียดถึงย่าน 1 ใน 1,000 ล้านล้านของวินาที มาติดตั้งบนเครื่องบินพาณิชย์แล้วบินไปรอบโลก และเปรียบเทียบเวลาของนาฬิกาดังกล่าวกับนาฬิกาที่เหมือนกัน ซึ่งวางอยู่บนพื้นผิวโลก พบว่า นาฬิกาบนเครื่องบินช้ากว่าบนผิวโลกทั้งสองได้เขียนรายงานลงในวารสารวิชาการชื่อ เมื่อ ค.ศ.1972 (พ.ศ.2515)
จากเรื่องความเร็วที่มีผลต่อเวลานี้ ไอน์สไตน์ได้จินตนาการถึงคู่แฝดคู่หนึ่ง ซึ่งเรียกว่า Twin Paradox โดย มมติว่าคู่แฝดคู่นี้มีอายุ 20 ปี ชื่อสมชายกับสมหญิง สมหญิงต้องการอยู่บนโลก แต่สมชายตัดสินใจเดินทางออกไปนอกโลกด้วยยานอวกาศที่มีความเร็ว 80 ของความเร็วแสงสมหญิงที่รออยู่บนโลกสามารถใช้คณิตศาสตร์คำนวณพบว่า จังหวะการทำงานของร่างกาย สมชายจะช้ากว่าเธอประมาณ 60 กล่าวคือ เมื่อหัวใจเธอเต้น 5 ครั้ง หัวใจของสมชายจะเต้น 3 ครั้ง เมื่อเธอหายใจ 5 ครั้ง สมชายจะหายใจ 3 ครั้ง เป็นต้น ในที่สุดเมื่อสมชายกลับคืนสู่โลกเรา ตอนที่ปฏิทินบนโลกของสมหญิงผ่านไป 50 ปี แต่สำหรับสมชายแล้วเวลาเพิ่งผ่านไปเพียง 30 ปี ฉะนั้นสมหญิงจึงมีอายุ 70 ปี ขณะที่สมชายมีอายุเพียง 50 ปีเท่านั้น
กาลอวกาศมี 4 มิติแต่เป็นเนื้อเดียวกัน
ไอน์สไตน์อธิบายทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของเขาด้วยสมการล้วนๆ จึงทำให้เป็นเรื่องเข้าใจยากสำหรับคนทั่วไป จนกระทั่งศาสตราจารย์เอร์มาน มินกาวสกี ซึ่งเคยเป็นอาจารย์ท่านหนึ่งของไอน์สไตน์ ได้ใช้เรขาคณิตพันาทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษออกมาเป็นภาพทำให้เขาพบว่า กาลอวกาศมี 4 มิติโดยเวลาเป็นมิติที่ 4 อวกาศและเวลา ซึ่งมี 4 มิตินี้จะกลมกลืนเป็นเนื้อเดียวกัน อวกาศและเวลาจะไม่แยกอิสระจากกัน เพราะตำแหน่งต่างๆ ในอวกาศจะมีเวลาไม่เท่ากัน ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับความเร็วในการเคลื่อนที่ในอวกาศของตำแหน่งนั้นๆ ตำเหน่ง จะมีเวลาเป็นของตำแหน่ง โดยเฉพาะส่วนตำแหน่ง จะมีเวลาเป็นของตำแหน่ง โดยเฉพาะซึ่งไม่ตรงกัน แต่มนุษย์จะสังเกตออกหรือไม่นั้นเป็นอีกเรื่องหนึ่ง เพราะบางตำแหน่งมีเวลาต่างกันน้อยมากเมื่อเทียบกับอีกตำแหน่งหนึ่ง เพราะความเร็วในการเคลื่อนที่ของตำแหน่งนั้นๆ ต่างกันน้อยมาก จนไม่อาจจะวัดความแตกต่างของเวลาออกมาให้เห็นอย่างชัดเจนได้ ด้วยเหตุที่อวกาศและเวลากลมกลืนเป็นหนึ่งเดียวกัน ไม่แยกอิสระจากกันนักวิทยาศาสตร์จึงเรียกทั้ง องอย่างนี้รวมกันเป็นหนึ่งเดียวว่า "อวกาศเวลา" หรือ "กาลอวกาศ"
2.) ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป
ไอน์สไตน์ตระหนักว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษที่เขาประกาศไปเมื่อปี ค.ศ.1905 (พ.ศ.2448) นั้น แม้จะปฏิวัติวงการฟิสิกส์โลกในหลายๆ เรื่องแต่เขายังไม่พอใจนักเพราะว่ายังมีจุดอ่อนอยู่อย่างน้อย 2 ประการคือ
(1) ทฤษฎียังวางอยู่บนพื้นฐานของความเร็วคงที่หรือกรอบอ้างอิงเฉื่อย แต่ในโลกความเป็นจริงแทบจะไม่มีอะไรที่จะรักษาความเร็วให้คงที่ได้ตลอด
(2) ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษยังไม่ได้กล่าวถึงเรื่องความโน้มถ่วง ซึ่งเป็นเรื่องสำคัญที่ปราฏอยู่ทั่วไปในโลกและในเอกภพไอน์สไตน์จึงตั้งทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปขึ้นมาในปี ค.ศ.1915 (พ.ศ.2458) เพื่อใช้อธิบายวัตถุที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วไม่คงที่ และอธิบายเรื่องแรงโน้มถ่วง
ผลของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป
ผลของทฤษฎีนี้ทำให้ไอน์สไตน์ได้ค้นพบปรากฏการณ์ความโน้มถ่วงที่สำคัญ 3 ประการ คือ ความโน้มถ่วงทำให้เวลาเดินช้าลง, ความโน้มถ่วงทำให้แสงเดินทางเป็นเส้นโค้ง และความโน้มถ่วงยืดความยาวของคลื่นแสง ผลทั้งสามประการนี้ ไอน์สไตน์สามารถอธิบายได้ทั้งเหตุผลในเชิงคุณภาพ และอธิบายด้วยตัวเลขการคำนวณทางคณิตศาสตร์
ความโน้มถ่วงทำให้เวลาเดินช้าลง
ความโน้มถ่วงยิ่งสูงขึ้นเท่าใด เวลาก็ยิ่งเคลื่อนหรือผ่านไปช้าลงเท่านั้น ดังนั้นนาฬิกาบนโลกกับนาฬิกาบนดวงจันทร์ จะเดินเร็วไม่เท่ากัน นาฬิกาบนโลกจะเดินช้ากว่า เพราะความโน้มถ่วงของโลกสูงกว่าของดวงจันทร์ ยิ่งดาวดวงใดมีมวลสูง ความโน้มถ่วงก็จะสูงตามไปด้วยเมื่อความโน้มถ่วงสูงเวลาก็จะเดินช้าลงไปด้วยเช่นกัน ปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์วัดความแตกต่างระหว่างเวลาบนดวงอาทิตย์และบนผิวโลกได้ว่า เป็นไปตามที่ไอน์สไตน์บอกไว้เมื่อ 100 ปีมาแล้วทุกประการ กล่าวคือ ในปี ค.ศ.1960 (พ.ศ.2503) นักวิทยาศาสตร์วัดได้ว่าเวลาบนดวงอาทิตย์ช้ากว่าบนโลกเรา 64 วินาทีในหนึ่งปี
ความโน้มถ่วงทำให้แสงเดินทางเป็นเส้นโค้ง
ผลของสนามความโน้มถ่วงทำให้ "กาลอวกาศ" รอบวัตถุใหญ่ๆ ดังเช่นดวงดาวมีภาพโค้งงอ ดังนั้นแสงที่เดินทางเข้าใกล้ดวงดาว เช่น ดวงอาทิตย์ จะเดินทางไม่เป็นเส้นตรง แต่จะเบนตามผิวโค้งของ "กาลอวกาศ" บริเวณใกล้ๆ ดวงอาทิตย์
หากเปรียบห้วง "กาลอวกาศ" ในจักรวาลหรือในเอกภพเป็นเหมือน "น้ำ" ที่ใส่ไว้ในอ่างใบใหญ่ และเปรียบดวงดาวต่างๆ เหมือน "ผลส้ม" ที่ใส่ลงไปในน้ำนั้น ตอนที่เรายังไม่ได้ใส่ผลส้มลงไปในอ่างน้ำ น้ำในอ่างจะมีสภาพราบเรียบเสมอเหมือนกันในทุกตำแหน่ง แต่เมื่อเราใส่ผลส้มลงไปแล้ว ผลส้มก็จะแทรกเข้าไปอยู่ในน้ำส่งผลให้น้ำบริเวณผลส้มความโค้งงอไปตามผิวของผลส้มซึ่งค่อนข้างกลม ความโค้งงอของกาลอวกาศก็มีลักษณะคล้ายๆ ที่กล่าวมานี้ เมื่อกาลอวกาศบริเวณใกล้ๆ กับดวงดาวต่างๆ โค้งงอ จึงส่งผลให้แสงที่เดินทางผ่านเข้ามาบริเวณนั้นโค้งงอไปตามความโค้งของกาลอวกาศในตำแหน่งนั้นด้วย
ความโน้มถ่วงยืดความยาวของคลื่นแสง
ความโน้มถ่วงยืดความยาวของคลื่นแสง หมายถึง ความโน้มถ่วงทำให้แสงเกิดเปลี่ยนแปลงความถี่ของคลื่นจากความถี่สูงไปสู่ความถี่ต่ำ เพราะคลื่นแสงที่มีความถี่สูงจะมีความยาวของช่วงคลื่นแต่ละคลื่นสั้นส่วนคลื่นที่มีความถี่ต่ำจะมีความยาวของช่วงคลื่นแต่ละคลื่นยาว แสงที่มีความถี่สูงจะมีสีม่วงส่วนแสงที่มีความถี่ต่ำจะมีสีแดง หากเราอยู่ในบริเวณที่มีความโน้มถ่วงต่ำแล้วมองไปยังตำแหน่งที่มีความโน้มถ่วงสูง แสงที่ส่งออกมาจากตำแหน่งที่ความโน้มถ่วงสูงจะปรากฏต่อเราว่า ความยาวคลื่นยืดขยายออกไป นั่นคือ หากแสงที่ส่งออก
มาเป็นสีม่วงแต่เราจะมองเห็นเป็นสีแดง เพราะอิทธิพลของแรงโน้มถ่วงที่ไปยืดขยายคลื่นแสงนั้น
1.2 ทฤษฎีควอนตัม
ควอนตัม (Quamtum) แปลว่า ก้อนพลังงาน เป็นคำที่ มักซ์ พลังค์ (Max Planck) นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันผู้ตั้งทฤษฎีควอนตัมขึ้นในปี ค.ศ.1900 (พ.ศ.2443)ใช้เรียกพลังงานของแสงที่ได้ออกมาจากการเผา "ของแข็ง" จนร้อนและสุกสว่าง มักซ์ พลังค์สังเกตเห็นว่า พลังงานของแสงที่ให้ออกมานั้นไม่ต่อเนื่องกัน แต่จะมีลักษณะเป็นช่วงๆ หรือ เป็นก้อนๆ เขาจึงเรียกพลังงานในปริมาณช่วงหนึ่งๆ หรือ ก้อนหนึ่งๆ ว่า "ควอนตัม"
ควอนตัม เป็นแขนงหนึ่งของวิชาฟิสิกส์ เรียกว่า ควอนตัมฟิสิกส์บ้าง (Quamtum Physics) เรียกว่า วิชากลศาสตร์ควอนตัมบ้าง (Quamtum mechanics) ซึ่งเป็นศาสตร์ที่ศึกษาเอกภพในระดับเล็กที่ตาเปล่ามองไม่เห็น คำว่า "ควอนตัม" เพิ่งเกิดขึ้นในศตวรรษที่ 20 นี้ก็จริง แต่การศึกษาในเรื่องนี้มีประวัติความเป็นมายาวนาน
ย้อนอดีตไปเมื่อ 2,500 ปีที่แล้ว นักปรัชญากรีกตั้งคำถามว่า โลกที่มนุษย์อาศัยอยู่นี้ประกอบด้วยอะไร ต่อมาลุยซิปปุ (Leucippus) และ เดโมคริตุ (Democritus) ได้จินตนาการว่า หากเขาเริ่มผ่าครึ่งผลแอปเปิลแล้วแบ่งจาก 2ส่วนเป็น 4 เป็น 8 เป็น 16... ไปเรื่อยๆ ในที่สุดเขาจะไม่อาจแบ่งแอปเปิลได้อีก ทั้ง องจึงเรียกส่วนที่เล็กที่สุดของแอปเปิลและของสารทุกชนิดว่า อะตอม (Atom) ซึ่งมาจากคำในภาษากรีก Atomos ที่แปลว่าแบ่งแยกไม่ได
เรื่องอะตอมจึงเป็นสิ่งที่ศึกษากันมายาวนาน จากยุคแรกที่ไม่อาจจะวัดขนาดอะตอมได้ ต่อมาเมื่อเครื่องมือวัดทันสมัยขึ้น ก็สามารถวัดขนาดอะตอมได้ แต่อะตอมมีขนาดเล็กมากจึงต้องหาหน่วยวัดความยาวแบบใหม่คือ หน่วยอังสตรอม ซึ่ง 100 ล้านอัง ตรอมจะเท่ากับ 1 เซนติเมตร แต่อะตอมต่างชนิดกันจะมีขนาดต่างกัน โดยทั่วไปแล้วอะตอมจะมีขนาด 1 หรือ 2 อังสตรอม2 หรือ มีขนาดเท่ากับ 1 หรือ 2 ใน 100 ล้านส่วนของ 1 เซนติเมตร
1 อังสตรอม = 1/100,000,000 ซม. = 0.00000001 ซม. = 1.0 x 10-8 ซม.
2 อังสตรอม = 2/100,000,000 ซม. = 0.00000002 ซม. = 2.0 x 10-8 ซม.
แต่เดิมนักฟิสิกส์คิดว่าสิ่งที่พวกเขาค้นพบนี้ ไม่อาจแบ่งแยกได้อีกต่อไปแล้วจึงเรียกว่า "อะตอม" ต่อมาเมื่อศึกษาเพิ่มมากขึ้นกลับพบว่าสารเหล่านี้ยังแบ่งแยกออกได้อีกโดยมีนิวเคลียสอยู่ศูนย์กลาง และมีอิเล็กตรอนโคจรอยู่รอบๆ นิวเคลียสนั้น และภายในนิวเคลียสยังมีโปรตอนและนิวตรอนบรรจุอยู่อีก ในช่วงที่มีการค้นพบอิเล็กตรอน, โปรตอน และนิวตรอนนี้เอง มักซ์ พลังค์ ก็ได้ตั้งทฤษฎีควอนตัมขึ้นมา ต่อมานีลส์ บอร์ (Niels Bohr) ได้พัฒนาทฤษฎีควอนตัมให้ก้าวหน้าไปมาก โดยบอร์ได้ใช้ทฤษฎีของ มักซ์ พลังค์ มาผสมกับโครงสร้างอะตอมที่รัทเธอร์ฟอร์ด ซึ่งเป็นครูของเขาได้จัดทำไว้ แล้วนำมาอธิบายสเปกตรัมจากอะตอมของไโดรเจนได้ถูกต้อง ต่อมาบอร์และเพื่อนนักฟิสิกส์ได้แสดงแบบจำลองของอะตอม ที่มีลักษณะเหมือนระบบสุริยะ โดยมีนิวเคลียสที่ประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนอยู่ตรงกลางกับอิเล็กตรอนโคจรอยู่รอบๆ นิวเคลียสในช่วงเวลานั้นนักฟิสิกส์เข้าใจว่า โปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอน ไม่อาจจะแบ่งแยกออกไปได้อีกแล้ว แต่ต่อมายังพบว่าโปรตรอนและนิวตรอนยังประกอบด้วยอนุภาคที่เล็กยิ่งกว่าเรียกว่า ควาร์ก (Quark) และภายหลังก็ยังพบอนุภาคที่เล็กยิ่งกว่านี้เพิ่มมากขึ้นเรื่อยๆ
ผลที่สำคัญของทฤษฎีควอนตัม
ทฤษฎีควอนตัมพบว่า ในโลกของสารที่มีขนาดเล็กไม่มีความคงที่สม่ำเสมอ ไม่มีกฎเกณฑ์ที่แน่นอนสิ่งที่เราสามารถพยากรณ์ได้ในโลกแห่งอนุภาค มีเพียงความน่าจะเป็นเท่านั้น แต่เดิมวิชาฟิสิกส์วางอยู่บนรากฐานที่ว่า จักรวาลนี้มีความเป็นระเบียบ มีกฎเกณฑ์ มีความคงที่สม่ำเสมอ แต่รากฐานนี้ไม่อาจจะนำมาอธิบายโลกแห่งอนุภาคได้อีกต่อไป แม้แต่ไอน์สไตน์เองก็ยังกังวลว่า ควอนตัมฟิสิกส์เติบโตโดยไม่เคารพกฎการเรียงลำดับเหตุ (Cause) ไปสู่ผล (Effect) นีลส์ บอร์ มักจะสร้างทฤษฎีที่ไม่สนใจการเรียงลำดับว่า ต้องมีเหตุก่อนแล้วจึงจะเกิดผล ขณะที่ไอน์สไตน์เชื่อว่าโดยธรรมชาติแล้ว เหตุต้องมาก่อนแล้วจึงจะมีผลตามมา ซึ่งทฤษฎีสัมพัทธภาพของเขาก็ยืนยันเช่นนั้น เพราะฉะนั้นทฤษฎีทั้งสองนี้จึงขัดแย้งซึ่งกันและกัน ทฤษฎีสัมพัทธภาพสามารถอธิบายโครงสร้างเอกภพได้ อธิบายจักรวาลได้ แต่ไม่สามารถอธิบายโครงสร้างระดับเล็กแบบทฤษฎีควอนตัมได้ ในขณะเดียวกันทฤษฎีควอนตัมก็ไม่สามารถอธิบายโครงสร้างเอกภพได้เช่นกัน
ในปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์จึงพยายามหาทฤษฎีใหม่ ที่สามารถอธิบายทุกสิ่งทุกอย่างได้ ภายใต้ชื่อว่า ทฤษฎีสรรพสิ่ง (Theory of Everything) โดยหลักการแล้วจะรวมทั้ง องทฤษฎีนี้เข้าด้วยกันเป็น "ทฤษฎีแรงโน้มถ่วงแบบควอนตัม"
1.3 ทฤษฎีวิวัฒนาการ
วิวัฒนาการ (Evolution) ในความหมายทั่วไป หมายถึง การเปลี่ยนแปลงของสิ่งมีชีวิตที่ปรากฎขึ้นในระหว่างชั่วรุ่น การเปลี่ยนแปลงจะเกิดขึ้นในทุกระดับตั้งแต่ระดับดีเอ็นเอไปจนถึงลักษณะรูปร่างสรีรวิทยา และพฤติกรรมของสิ่งมีชีวิตให้แตกต่างไปจากบรรพบุรุษ ทฤษฎีวิวัฒนาการจึงเป็นทฤษฎีที่ศึกษาเรื่องวิวันาการของสิ่งมีชีวิตว่า มีความเป็นมาอย่างไรมนุษย์และสัตว์ทั้งหลายในปัจจุบันมีพัฒนาการมาจากอดีตอย่างไร
ชาร์ลส์ ดาร์วิน (ค.ศ.1809-1882) ได้ชื่อว่าเป็น "บิดาแห่งทฤษฎีวิวัฒนาการ" เนื่องจากเป็นผู้ทำให้ทฤษฎีนี้เป็นที่ยอมรับของนักชีววิทยาและชาวโลกอย่างกว้างขวาง ดาร์วิน เป็นนักธรรมชาติวิทยาชาวอังกฤษ เขาได้แนวคิดเรื่องวิวันาการของสิ่งมีชีวิตหลังจากที่เขาเดินทางไปกับเรือรบหลวงบีเกิ้ลในปี ค.ศ.1831 (พ.ศ.2374) เพื่อสำรวจดินแดนหมู่เกาะกาลาปากอ ซึ่งตั้งอยู่ 600 ไมล์ไปทางตะวันตกของประเทศเอควาดอร์ในอเมริกาใต้
จากการสำรวจครั้งนั้นดาร์วินพบว่า นกฟินส์หรือนกกระจอกที่อยู่บนเกาะแต่ละเกาะมีลักษณะแตกต่างกัน เขาจึงตั้งข้อสันนิษฐานว่า นกเหล่านี้อาจมีวิวันาการมาจากนกชนิดหนึ่งที่เป็นบรรพบุรุษและอาศัยอยู่ในทวีปอเมริกาใต้ และสาเหตุสำคัญที่ทำให้ประชากรนกฟินส์มีความแตกต่างกันนั้น เป็นผลจากสภาพภูมิศาสตร์ของแต่ละเกาะ
ประกอบกับ ดาร์วิน ได้อ่านบทความของ ทอมัส มัลทัส นักเศรษฐศาสตร์ชาวอังกฤษที่บรรยายว่า การเพิ่มขึ้นของสิ่งมีชีวิตเป็นแบบเรขาคณิต (1, 2, 4, 8, 16,...) แต่ปริมาณอาหารเพิ่มขึ้นแบบเลขคณิต (1, 2, 3, 4, 5,...) ดังนั้นสิ่งมีชีวิตจึงต้องมีการต่อสู้เพื่อให้ได้มาซึ่งทรัพยากรที่มีอยู่อย่างจำกัด โดยตัวที่แข็งแรงและมีความเหมาะสมที่สุดในสภาวะแวดล้อมขณะนั้นจะสามารถมีชีวิตอยู่รอดได้ และถ่ายทอดลักษณะดังกล่าวไปยังลูกรุ่นต่อไป
ต่อมาดาร์วินและเพื่อนของเขาชื่อ อัลเฟรด รัสเซลล์ วอลเลซ ซึ่งมีความคิดเรื่องวิวัฒนาการดังกล่าวสอดคล้องกันได้ร่วมกันเสนอ "ทฤษฎีการคัดเลือกโดยธรรมชาติ" (Theory of Natural Selection) ที่สมาคมลินเนียน ประเทศอังกฤษ โดยมีประเด็นสำคัญดังนี้
(1) การเพิ่มพูนเกินพอ (Overproduction) กล่าวคือสิ่งมีชีวิตทั้งหลายมีความสามารถผลิตลูกได้มากกว่าที่จะมีชีวิตอยู่รอด
(2) ความแปรผัน (Variation) มาชิกของสิ่งมีชีวิตมีความแปรผัน ซึ่งรวมไปถึงการแปรผันของรูปร่างหรือพฤติกรรม ความแปรผันอาจจะเรียกว่า "การผ่าเหล่า" ก็ได้
(3) การต่อสู้เพื่อความอยู่รอด (Struggle for existance)
(4) สิ่งมีชีวิตที่เหมาะสมที่สุดเท่านั้นจึงมีชีวิตอยู่รอด (Survival of fitness)
(5) ถ่ายทอดลักษณะที่ดีเด่น (Inheritance of superior traits)
จากทฤษฎีการคัดเลือกโดยธรรมชาตินี้ ทำให้นักชีววิทยาส่วนใหญ่ยอมรับว่าสิ่งมีชีวิตมีการวิวัฒนาการ อย่างไรก็ตามทฤษฎีนี้ยังไม่สามารถอธิบายถึงสาเหตุที่ทำให้ มาชิกของสิ่งมีชีวิตมีความแปรผัน หรือผ่าเหล่าคือมีรูปร่างและพฤติกรรมต่างไปจากบรรพบุรุษ
มนุษย์วิวัฒนาการมาจากลิงใหญ่ ?
เนื้อหาสำคัญอีกส่วนหนึ่งในทฤษฎีของดาร์วินที่กล่าวไว้ในหนังสือ "บรรพบุรุษของมนุษย์" เขาอธิบายว่า "มนุษย์เป็นสัตว์โลก และที่สำคัญมีความเกี่ยวข้องกับลิงใหญ่ที่ยืนได้ด้วยสองขา" กล่าวคือ มนุษย์และลิงสองขามีรูปร่างและอวัยวะรับความรู้สึกที่คล้ายกัน เป็นโรคชนิดเดียวกันได้ มีการแ ดงออกทางอารมณ์ที่คล้ายกัน ตัวอ่อนมีพัฒนาการเช่นเดียวกัน คือทั้งสองชนิดจะมีหางอยู่ระยะหนึ่ง แต่หางที่เป็นสิ่งบ่งบอกว่าบรรพบุรุษของมนุษย์เป็นพวกสัตว์ 4 เท้านั้น ได้หายไปก่อนที่จะคลอดออกมา
การที่ดาร์วินกล่าวว่ามนุษย์วิวันาการมาจากลิงใหญ่นี้ ถือว่าเขากล้าหาญมาก เพราะขัดกับหลักคำสอนในศาสนาคริสต์ที่ว่า "พระเจ้าเป็นผู้สร้างมนุษย์ขึ้นมา" ครั้งหนึ่งในระหว่างวันประชุมพิจารณา "ทฤษฎีวิวัฒนาการ" ในปี ค.ศ.1860 (พ.ศ.2403) ซามูเอล วิลเบอร์ฟอร์ซ บาทหลวงแห่งอ๊อกฟอร์ด ได้เดินเข้ามาในที่ประชุมแล้วมองหน้า ศาตราจารย์สักซเลย์ ผู้สนับสนุนคนสำคัญของดาร์วิน พร้อมกับถามว่า "ญาติทางฝ่ายไหนของท่าน เป็นทางคุณปู่หรือคุณย่าของท่านที่สืบเชื้อสายมาจากลิง"
อย่างไรก็ตาม เมื่อกาลเวลาผ่านไปวงการต่างๆ ก็ให้การยอมรับทฤษฎีของชาร์ลส์ดาร์วินมากขึ้นเรื่อยๆ จนคริสตจักรคาทอลิกเองก็ต้องปรับเปลี่ยนท่าทีใหม่ จากการเผชิญหน้าหันมาเป็นแบ่งรับแบ่งสู้ พร้อมทั้งเริ่มนำทฤษฎีใหม่ๆ ทางวิทยาศาสตร์ไปศึกษาแล้วแสดงทรรศนะในเชิงเปรียบเทียบด้วยหลักเหตุผล
เมื่อต้นปี พ.ศ.2550 พระสันตะปาปาเบเนดิกต์ที่ 16 ออกมาแสดงทรรศนะต่อทฤษฎีวิวัฒนาการเป็นครั้งแรก โดยกล่าวชื่นชมความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์ แต่ก็กล่าวถึงทฤษฎีวิวัฒนาการว่ายังไม่สมบูรณ์เพราะไม่สามารถพิสูจน์ได้ เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรมตลอดระยะเวลาหลายล้านปีที่ผ่านมา ไม่สามารถจำลองขึ้นในห้องทดลองได้ อย่างไรก็ตามพระสันตะปาปายังได้กล่าวอีกว่า "พระเจ้าได้สร้างสรรค์สิ่งมีชีวิตผ่านกระบวนการวิวัฒนาการ" ทรรศนะของพระสันตะปาปาเบเนดิกต์นี้ ได้รับการตีพิมพ์เผยแพร่ที่ประเทศเยอรมนี
เป็นหนังสือชื่อว่า "การสร้างกับวิวัฒนาการ" (Creation and Evolution)
*----------------------------------------------------------------------------------------------------------*
หนังสือ GB 406 สรรพศาสตร์ในพระไตรปิฎก
กลุ่มวิชาความรู้ทั่วไปทางพระพุทธศาสนา
