นักฟิสิกส์พัฒนาแบบจำลองแรงโน้มถ่วงควอนตัมเพื่ออธิบายการขยายตัวเบื้องต้นของจักรวาล

ทีมนักวิจัยนานาชาติได้กำหนดส่วนขยายของทฤษฎีความโน้มถ่วงที่สามารถแก้ไขอุปสรรคทางประวัติศาสตร์เกี่ยวกับช่วงเวลาแรกของจักรวาลได้ แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่เรียกว่า Quadratic Quantum Gravity ได้สร้างสะพานเชื่อมทางเทคนิคระหว่างทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ Albert Einstein กับหลักการของกลศาสตร์ควอนตัมในช่วงเริ่มต้นของบิกแบง

การศึกษาที่ดำเนินการโดย Niayesh Afshordi นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยวอเตอร์ลูและสถาบันปริมณฑล ระบุว่าแรงโน้มถ่วงนั้นมีองค์ประกอบทางกายภาพที่จำเป็นในการขยายอวกาศในยุคแรกเริ่ม สูตรนี้ช่วยลดการใช้สนามสมมุติเพิ่มเติม โดยเปลี่ยนกระบวนทัศน์ที่กำหนดขึ้นโดยจักรวาลวิทยาแบบดั้งเดิมในเรื่องการก่อตัวของโครงสร้างพื้นฐานของจักรวาล

ข้อจำกัดของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปในจักรวาลยุคแรก

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป จัดพิมพ์โดยอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ในปี พ.ศ. 2458 นำเสนอความแม่นยำอย่างยิ่งในการอธิบายปรากฏการณ์ทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์ขนาดใหญ่ เช่น การเคลื่อนที่ของกาแลคซีและวงโคจรของดาวเคราะห์ อย่างไรก็ตาม กรอบทางคณิตศาสตร์ประสบกับการพังทลายของโครงสร้างเมื่อนักฟิสิกส์พยายามนำไปใช้กับสภาวะสุดขั้วที่เกิดขึ้นในช่วงมิลลิวินาทีแรกของบิกแบงหรือในแกนกลางที่หนาแน่นของหลุมดำ

ภายใต้สถานการณ์ที่มีความหนาแน่นสัมบูรณ์ อุณหภูมิที่คำนวณไม่ได้ และความโค้งสุดขีดของกาล-อวกาศ สมการคลาสสิกจะส่งผลให้เกิดภาวะเอกฐาน แนวคิดนี้กำหนดจุดทางคณิตศาสตร์ที่ปริมาณทางกายภาพถึงค่าอนันต์ ทำให้การคำนวณที่คาดเดาไม่ได้ ศาสตราจารย์ Niayesh Afshordi ชี้แจงว่าการมีอยู่ของอนันต์ในสมการแสดงให้เห็นว่าทฤษฎีนี้เกินขีดจำกัดความน่าเชื่อถือในการปฏิบัติงานแล้ว

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปสูญเสียฟังก์ชันการทำงานของระดับพลังงานที่สูงเท่ากับระดับที่บันทึกไว้เมื่อกำเนิดจักรวาล เพื่อหลีกเลี่ยงอุปสรรคทางเทคนิคนี้ ชุมชนวิทยาศาสตร์ได้ใช้เวลาหลายทศวรรษในการนำแนวทางการแก้ไขเชิงทฤษฎีมาใช้ วิธีมาตรฐานคือรักษาสมการของไอน์สไตน์ให้คงเดิมและเพิ่มชั้นทางคณิตศาสตร์เพิ่มเติม เช่น สนามเงินเฟ้อของจักรวาล เพื่ออธิบายการขยายตัวของอวกาศอย่างรวดเร็วหลังการระเบิดครั้งแรกไม่นาน

การพองตัวของจักรวาลกลายเป็นรูปแบบหลักในตำราฟิสิกส์ แต่มักแบกรับภาระในการเรียกองค์ประกอบต่างๆ ที่ไม่เคยพบเห็นโดยตรงในห้องปฏิบัติการหรือกล้องโทรทรรศน์มาก่อน ความจำเป็นในการตั้งสมมติฐานพลังงานที่ไม่รู้จักเพื่อทำให้งานคณิตศาสตร์สร้างความรู้สึกไม่สบายในหมู่นักทฤษฎี เป็นแรงจูงใจในการค้นหาวิธีแก้ปัญหาต้นกำเนิดของสสารที่หรูหราและเป็นเอกภาพมากขึ้น

กลศาสตร์ควอนตัมและการขยายตัวของอวกาศตามธรรมชาติ

ข้อเสนอใหม่นี้กลับตรงกันข้ามกับตรรกะการวิจัยที่แผนกฟิสิกส์นำมาใช้ในทศวรรษที่ผ่านมา แทนที่จะใส่ส่วนผสมภายนอกเพื่อแก้ไขข้อบกพร่องในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ทีมวิจัยได้ปรับเปลี่ยนโครงสร้างของทฤษฎีแรงโน้มถ่วงเอง วัตถุประสงค์หลักคือเพื่อให้แน่ใจว่าสมการยังคงความสอดคล้องและทำงานได้แม้ภายใต้ระดับพลังงานและแรงกดดันที่รุนแรง

ส่วนขยายทางทฤษฎีนี้ได้รับชื่อทางเทคนิคของความสมบูรณ์ของรังสีอัลตราไวโอเลตในศัพท์แสงของฟิสิกส์อนุภาค แนวทางนี้จะตรวจสอบว่าพฤติกรรมวุ่นวายของเอกภพยุคแรกเกิดขึ้นโดยตรงจากแรงโน้มถ่วงที่ปรับเปลี่ยน ซึ่งสามารถทำงานได้อย่างเสถียรในสภาพแวดล้อมที่มีพลังงานสูงหรือไม่ แบบจำลองแรงโน้มถ่วงควอนตัมกำลังสองจะรักษาพื้นฐานทางคณิตศาสตร์ของไอน์สไตน์ไว้ แต่รวมเอาคำศัพท์ใหม่ที่ทำให้การคำนวณมีความเสถียรในทุกขนาด

การใช้แรงโน้มถ่วงที่ขยายออกไปนี้กับสถานการณ์บิ๊กแบงทำให้เกิดผลลัพธ์ที่สร้างความประหลาดใจให้กับผู้เขียนการศึกษาด้วยตนเอง ระยะของการขยายตัวแบบเร่ง ซึ่งเหมือนกับการพองตัวของจักรวาล เกิดขึ้นตามธรรมชาติจากสมการใหม่ โดยไม่จำเป็นต้องแทรกพารามิเตอร์ที่กำหนดเองด้วยตนเอง พฤติกรรมที่กว้างขวางกลายเป็นคุณสมบัติที่แท้จริงของแรงโน้มถ่วงที่ปรับเปลี่ยน

Leia Tambem

Microsoft จะเลิกใช้ Office 2019 ไปจนถึง Mac และ iPhone ในเดือนกรกฎาคม 2026

คริสเตียโน โรนัลโด้ปรากฏตัวพร้อมกับลูกๆ ของเขาในตำแหน่งของจอร์จิน่า โรดริเกซก่อนฟุตบอลโลก

Ferrari Luce ทำให้ราคาหุ้นลดลง 3 พันล้านดอลลาร์สหรัฐ; สมเด็จพระสันตะปาปาลีโอที่ 14 ทรงตั้งคำถามเกี่ยวกับการออกแบบรถราง

นอกจากจะอธิบายการขยายแล้ว สูตรทางคณิตศาสตร์ยังช่วยลดความจำเป็นในการมีภาวะเอกภาวะเริ่มต้นอีกด้วย จุดความหนาแน่นอนันต์ซึ่งถือเป็นอุปสรรคที่ใหญ่ที่สุดประการหนึ่งในจักรวาลวิทยาสมัยใหม่ หายไปจากการคำนวณแรงโน้มถ่วงควอนตัมกำลังสอง ขณะนี้จักรวาลมีต้นกำเนิดที่สามารถอธิบายได้ด้วยกฎทางกายภาพที่สอดคล้องกัน โดยไม่มีการละเมิดทางคณิตศาสตร์ที่ทำให้กฎธรรมชาติที่ทราบกันดีต้องระงับไป

ค้นหาหลักฐานในพื้นหลังไมโครเวฟคอสมิก

การเปลี่ยนจากสมมติฐานทางคณิตศาสตร์ไปเป็นทฤษฎีทางวิทยาศาสตร์แบบรวมต้องอาศัยการพิสูจน์เชิงประจักษ์ที่เข้มงวด นักวิจัยได้กำหนดแนวทางที่ชัดเจนสำหรับการตรวจสอบในระยะต่อไป โดยมุ่งเน้นที่การรวบรวมข้อมูลที่สามารถตรวจสอบการคาดการณ์ของแบบจำลองใหม่เทียบกับทฤษฎีเงินเฟ้อแบบดั้งเดิม

แผนงานสำหรับการทดสอบเชิงสังเกตและการปรับปรุงทางทฤษฎีประกอบด้วยขั้นตอนพื้นฐานสำหรับฟิสิกส์ดาราศาสตร์ดังต่อไปนี้:

• ปรับปรุงพื้นฐานทางทฤษฎีของแบบจำลองทางคณิตศาสตร์เพื่อทดสอบความเสถียรในสถานการณ์ทางจักรวาลวิทยาที่ซับซ้อน
• กำหนดการคาดการณ์เชิงสังเกตการณ์ที่แม่นยำ ซึ่งจะทำให้แรงโน้มถ่วงใหม่แตกต่างจากแบบจำลองอัตราเงินเฟ้อทั่วไป
• ติดตามรูปแบบเฉพาะในการแพร่กระจายของคลื่นความโน้มถ่วงยุคแรกเริ่มที่เกิดขึ้น ณ เวลาเริ่มต้น
• สำรวจความผิดปกติเล็กๆ น้อยๆ ในพื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาล ซึ่งถือเป็นฟอสซิลเรืองแสงที่เก่าแก่ที่สุดในอวกาศ
• ประมวลผลข้อมูลจากกล้องโทรทรรศน์เจเนอเรชั่นใหม่เพื่อยืนยันหรือละทิ้งสมมติฐานที่เกิดขึ้น

ศาสตราจารย์ Niayesh Afshordi เน้นย้ำว่าเครื่องมือเหล่านี้เป็นเพียงเครื่องมือเดียวที่สามารถให้ข้อมูลโดยตรงเกี่ยวกับฟิสิกส์ในช่วงเวลาอันห่างไกลของประวัติศาสตร์จักรวาล การตรวจจับลายเซ็นเฉพาะในคลื่นความโน้มถ่วงหรือพื้นหลังไมโครเวฟคอสมิกจะทำหน้าที่เป็นข้อพิสูจน์ขั้นสุดท้ายสำหรับความถูกต้องของแรงโน้มถ่วงควอนตัมกำลังสอง

หอสังเกตการณ์ภาคพื้นดินและอวกาศทำแผนที่ท้องฟ้าเพื่อค้นหาความผันผวนในยุคแรกเริ่มเหล่านี้ พื้นหลังไมโครเวฟคอสมิกซึ่งแผ่กระจายไปทั่วเอกภพที่มองเห็นได้ด้วยอุณหภูมิสูงกว่าศูนย์สัมบูรณ์เพียงไม่กี่องศา มีการแปรผันของอุณหภูมิเล็กน้อยซึ่งทำหน้าที่เป็นแผนที่การกระจายตัวของสสารหลังจากบิกแบงไม่นาน รุ่นใหม่คาดการณ์รูปแบบเฉพาะในแผ่นระบายความร้อนเหล่านี้

ผลกระทบต่อแบบจำลองทางจักรวาลวิทยาร่วมสมัย

ประสิทธิภาพของสูตรทางคณิตศาสตร์ใหม่เทียบกับข้อมูลจักรวาลวิทยาในปัจจุบันนำเสนอผลลัพธ์ที่น่าหวังสำหรับชุมชนวิทยาศาสตร์ แรงโน้มถ่วงควอนตัมกำลังสองเหมาะกับการสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์ที่มีอยู่อย่างแม่นยำ ซึ่งเหนือกว่าประสิทธิภาพของแบบจำลองการพองตัวมาตรฐานหลายๆ แบบในการจำลองเฉพาะ แม้ว่าการปรับเปลี่ยนจะไม่ได้แสดงถึงข้อพิสูจน์ที่แน่ชัด แต่ก็เป็นการตรวจสอบความมีชีวิตของเส้นทางที่นักวิจัยเลือก

การกำหนดทฤษฎีการทำงานของแรงโน้มถ่วงควอนตัมยังคงเป็นเป้าหมายสูงสุดของฟิสิกส์ทฤษฎีสมัยใหม่ การรวมที่ประสบความสำเร็จระหว่างทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปและกลศาสตร์ควอนตัมจะช่วยแก้ไขความไม่ลงรอยกันขั้นพื้นฐานระหว่างจักรวาลมหภาคของกาแลคซีและพิภพเล็ก ๆ ของอนุภาคย่อยของอะตอม ปัจจุบันฟิสิกส์ทั้งสองสาขานี้ทำงานด้วยกฎทางคณิตศาสตร์ที่ไม่ได้สื่อสารระหว่างกัน

การยืนยันสมมติฐานที่เสนอโดยทีมงาน Perimeter Institute จะเปลี่ยนความเข้าใจของมนุษย์เกี่ยวกับโครงสร้างของกาล-อวกาศ งานวิจัยนี้แสดงให้เห็นว่าอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์มาถูกทางแล้ว และทฤษฎีของเขาต้องการเพียงส่วนขยายทางคณิตศาสตร์ตามธรรมชาติเท่านั้นจึงจะทำงานในระบบพลังงานสัมบูรณ์ได้ วิทยาศาสตร์ก้าวหน้าไปสู่สถานการณ์ที่การกำเนิดของเอกภพไม่จำเป็นต้องมีการสร้างพลังที่แปลกใหม่ โดยอาศัยธรรมชาติของแรงโน้มถ่วงนั่นเอง