แรงโน้มถ่วงไม่มีจริง! ทฤษฎีความโน้มถ่วงที่อาจรื้อแนวคิดของ ‘นิวตัน’ กับ ‘ไอน์สไตน์’

Photo: Youtube

แรงโน้มถ่วงไม่มีอยู่จริง!

เอริก เวอร์ลินด์ (Erik P. Verlinde) นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีชาวดัตช์ได้สร้างทฤษฎีความโน้มถ่วงที่นักฟิสิกส์ทั่วโลกให้ความสนใจอย่างยิ่ง

เพราะทฤษฎีของเขาระบุว่า แรงโน้มถ่วงไม่มีจริง แต่เป็นผลมาจากการเปลี่ยนแปลงของข้อมูลในเชิงเทอร์โมไดนามิกส์และควอนตัมของระบบ

Photo: drawingimage.com

ราวๆ 300 ปีก่อน เซอร์ไอแซก นิวตัน (Sir Issac Newton) นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษอธิบายการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ได้ด้วยกฎความโน้มถ่วงที่เขาคิดค้นขึ้นมา

กฎความโน้มถ่วงของนิวตันไม่เพียงแต่ใช้อธิบายการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ต่างๆ ได้เป็นอย่างดี แต่ยังนำไปสู่การประยุกต์ใช้มากมาย เช่น ส่งดาวเทียมไปโคจรรอบโลก การส่งยานอวกาศไปยังดาวพลูโต จนถึงการส่งมนุษย์ไปยังดวงจันทร์ได้ด้วย

แต่กฎความโน้มถ่วงของนิวตันไม่สามารถอธิบายการโคจรของดาวพุธได้ เนื่องจากวงโคจรรูปวงรีของดาวพุธมีการบิดหมุนไปเรื่อยๆ

Photo: wikipedia.org

ต่อมา อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) นักฟิสิกส์ชื่อดังได้สร้างทฤษฎีความโน้มถ่วงที่มีชื่อว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ซึ่งใช้อธิบายการโคจรของดาวพุธ แสงที่เดินทางเป็นเส้นโค้งเมื่อผ่านความโน้มถ่วงสูงๆ หลุมดำ และปรากฏการณ์ต่างๆ ในเอกภพได้อย่างกว้างขวาง

ทว่าปัญหาใหญ่ๆ 2 ข้อเกี่ยวกับธรรมชาติของความโน้มถ่วงที่นักฟิสิกส์ในปัจจุบันยังไม่สามารถแก้ได้คือ

ทฤษฎีความโน้มถ่วงของเวอร์ลินด์เรียกแรงโน้มถ่วงว่า ‘แรงเอนโทรปิก’
ซึ่งไม่ใช่แรงพื้นฐานที่มีอยู่จริง แต่เป็นผลมาจากการเปลี่ยนแปลงของข้อมูล

1. แรงโน้มถ่วงไม่สามารถเข้ากับแรงพื้นฐานในธรรมชาติอื่นๆ ได้

แรงพื้นฐานในธรรมชาติมี 4 แรง ซึ่งแรงโน้มถ่วงเป็นแรงที่แปลกประหลาดที่สุด เพราะมันเป็นแรงที่มีค่าอ่อนที่สุดแตกต่างจากแรงอื่นๆ อย่างเห็นได้ชัด อีกทั้งนักฟิสิกส์ยังไม่สามารถตรวจหาอนุภาคที่ทำให้เกิดแรงโน้มถ่วงขึ้นมาได้อีกด้วย (ในขณะที่อนุภาคที่ทำให้เกิดอีก 3 แรงที่เหลือนั้น นักฟิสิกส์สามารถตรวจจับได้หมดแล้ว)

ปัญหาคือทฤษฎีความโน้มถ่วงในปัจจุบันอย่างทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปไม่สามารถเข้ากับทฤษฎีควอนตัมได้ การพยายามใช้ทฤษฎีควอนตัมศึกษาแรงโน้มถ่วงทำให้ได้ผลลัพธ์เป็นค่าอนันต์ออกมา ซึ่งมันบ่งชี้ถึงข้อจำกัดของทฤษฎี เนื่องจากไม่มีปรากฏการณ์ใดในธรรมชาติที่มีค่าเป็นอนันต์

2. ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ไม่สามารถอธิบายการเกิดและธรรมชาติของสสารมืด (Dark Matter) ในเอกภพได้อย่างชัดเจน

Photo: wikipedia.org

เมื่อหลายสิบปีก่อน นักดาราศาสตร์วัดการหมุนรอบตัวเองของกาแล็กซีแล้วพบว่าดาวฤกษ์ที่ขอบกาแล็กซีโคจรด้วยความเร็วสูงกว่าที่ควรจะเป็น มันบ่งชี้ว่ากาแล็กซีมีมวลสารที่มองไม่เห็นคอยส่งแรงโน้มถ่วงมาดึงดูดการโคจรของดาวฤกษ์ในกาแล็กซี ซึ่งนักฟิสิกส์เรียกมันว่า ‘สสารมืด’

ทว่าทฤษฎีความโน้มถ่วงของเวอร์ลินด์พยายามเข้ามาขจัดปัญหาเหล่านี้

ทฤษฎีความโน้มถ่วงของเวอร์ลินด์เรียกแรงโน้มถ่วงว่า ‘แรงเอนโทรปิก’ (Entropic Force) ซึ่งไม่ใช่แรงพื้นฐานที่มีอยู่จริง แต่เป็นผลมาจากการเปลี่ยนแปลงของข้อมูล (information) ที่เกี่ยวข้องกับเอนโทรปีในเทอร์โมไดนามิกส์ (เขาเปรียบเทียบว่าอุณหภูมิก็เฉกเช่นเดียวกัน คืออุณหภูมิไม่ใช่สมบัติพื้นฐานในฟิสิกส์ แต่เป็นสมบัติที่เกิดจากการเคลื่อนไหวของอนุภาคในระบบ)

เวอร์ลินด์แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่า ด้วยแนวคิดอันเรียบง่ายของเขาสามารถทำให้เกิดกฎแรงโน้มถ่วงของนิวตันและสมการสนามของไอน์สไตน์ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปได้

ล่าสุดต้นเดือนพฤศจิกายน 2016 เวอร์ลินด์ใช้ทฤษฎีแรงเอนโทรปิก ของเขาอธิบายการมีอยู่ของสสารมืดได้ โดยเขาอธิบายว่าแรงโน้มถ่วงของสสารมืดเป็นเพียงผลลัพธ์จากสสารทั่วไปที่เราสังเกตได้

พูดง่ายๆ ว่าแรงโน้มถ่วงของสสารมืดถูกคำนวณได้ด้วยสสารธรรมดา!

และล่าสุดกว่านั้น เมื่อเดือนธันวาคม 2016 นักดาราศาสตร์ทำการสังเกตเพื่อทดสอบทฤษฎีแรงเอนโทรปิก ด้วยการสังเกตปรากฏการณ์ เลนส์ความโน้มถ่วงอย่างอ่อน (Weak Gravitational Lensing) ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่แสงสามารถเดินทางเป็นเส้นโค้งได้เมื่อผ่านมวลค่ามากๆ โดยพวกเขาสังเกตกาแล็กซีกว่า 30,000 กาแล็กซี

ถ้าทฤษฎีนี้เป็นของจริงก็บอกได้เลยว่า
ความเข้าใจและภาพที่มนุษย์เรามีต่อเอกภพจะต้องเปลี่ยนแปลงไปอย่างมหาศาล

Photo: phys.org

ผลปรากฏว่าทฤษฎีของเวอร์ลินด์สอดคล้องกับการสังเกตเป็นอย่างดีโดยไม่ต้องการสมมติตัวแปรเพิ่มเติมแต่อย่างใด ในขณะที่ทฤษฎีของไอน์สไตน์ต้องมีการปรับมวลของสสารมืดให้ตรงกับการสังเกตจึงจะให้ผลที่แม่นยำ

แม้ผลการทดสอบจะน่าประทับใจ แต่อย่างไรก็ตาม ทฤษฎีของเวอร์ลินด์ยังต้องได้รับการตรวจสอบอีกมากมาย และในตอนนี้ก็มีนักฟิสิกส์จำนวนมากตั้งข้อสงสัยว่าทฤษฎีของเวอร์ลินด์เป็นของจริงหรือไม่

ถ้าทฤษฎีนี้เป็นของจริงก็บอกได้เลยว่า

ความเข้าใจและภาพที่มนุษย์เรามีต่อเอกภพจะต้องเปลี่ยนแปลงไปอย่างมหาศาล

ภาพประกอบ: Nisakorn Rittapai​

อ้างอิง:
– http://mnras.oxfordjournals.org/content/early/2016/12/09/mnras.stw3192
– http://www.sciencealert.com/a-controversial-new-gravity-hypothesis-has-passed-its-first-test
– http://phys.org/news/2016-12-verlinde-theory-gravity.html
– https://arxiv.org/abs/1611.02269
– https://www.technologyreview.com/s/425220/experiments-show-gravity-is-not-an-emergent-phenomenon/
– http://phys.org/news/2016-11-theory-gravity-dark.html#nRlv