หากคุณคิดว่าทฤษฎีเกี่ยวกับเอกภพเป็นสิ่งที่บิดเบือน โปรดวางใจว่านักวิทยาศาสตร์หลายคนรู้สึกแบบเดียวกัน แต่คำถามไม่ใช่คำถามเชิงปรัชญา: มีแง่มุมที่อาจเป็นจริงและสามารถทดสอบได้
ในหลาย ๆ ด้าน เป็นเรื่องแปลกสำหรับมนุษย์อย่างเราที่จักรวาลควรจะมีอายุเท่าเดิม จักรวาล – ตามคำนิยาม ทุกสิ่งทุกอย่างที่มีอยู่จริง ควรมีอายุไม่สิ้นสุด หรือผูกติดอยู่กับอายุขัยของเผ่าพันธุ์มนุษย์อย่างใดที่ปรากฏในตำนานหลายเรื่อง อย่างไรก็ตาม ต้องขอบคุณการศึกษาเกี่ยวกับอัตราการขยายของจักรวาล และการนำความรู้นี้ไปใช้ในทางย้อนกลับ เราจึงทราบอายุของมัน ประมาณ 13.8 พันล้านปีก่อน ทั้งหมดที่เราสามารถสังเกตได้บนโลก ในระบบสุริยะของเรา ดาราจักรอื่น และทุกสิ่งในระหว่างนั้นขยายตัวอย่างรวดเร็วจากจุดเริ่มต้นที่เล็กกว่าอะตอมมาก ซึ่งเราเรียกว่าบิ๊กแบง
โมเดลบิ๊กแบงเป็นคำอธิบายที่ดีที่สุดว่าทำไมจักรวาลถึงปรากฏ อย่างไรก็ตาม มันไม่สามารถตอบคำถามที่ท้าทายกว่านี้ได้ รวมถึงอะไรจะเกิดขึ้นก่อนหน้านั้น แม้จะฟังดูเป็นอย่างไร แต่คำถามนี้ไม่ใช่คำถามเชิงปรัชญา: มีแง่มุมที่อาจเป็นจริงและสามารถทดสอบได้ แต่เพื่อให้เข้าใจคำตอบที่เป็นไปได้ เราต้องเข้าใจคำถามก่อน
อย่างแรกเลย ภาษาที่เราใช้เพื่ออธิบายสิ่งที่เรารู้และไม่รู้ในบางครั้งอาจดูคลุมเครือ ตัวอย่างเช่น จักรวาลอาจถูกกำหนดให้เป็นสิ่งที่มีอยู่ในแง่กายภาพ แต่เราสามารถสังเกตได้เพียงบางส่วนเท่านั้น ไม่มีใครที่เหมาะสมคิดว่าจักรวาลที่สังเกตได้คือทั้งหมดที่มีอยู่ กาแล็กซีในทุกทิศทุกทางดูคล้ายคลึงกัน ไม่มีทิศทางพิเศษที่ชัดเจนในอวกาศ หมายความว่าจักรวาลไม่มีขอบ (หรือจุดศูนย์กลาง) กล่าวอีกนัยหนึ่ง หากเราต้องย้ายไปยังกาแลคซีไกลโพ้นในทันที เราจะเห็นจักรวาลที่คล้ายกับที่เราสังเกตจากโลกมาก และมันจะมีรัศมีที่มีประสิทธิภาพ 46 พันล้านปีแสง เรามองไม่เห็นรัศมีนั้น ไม่ว่าเราจะอยู่ที่ใด
ด้วยเหตุผลหลายประการ นักจักรวาลวิทยาคิดว่าเอกภพยุคแรกได้รับอัตราเงินเฟ้อ: การขยายตัวอย่างรวดเร็วอย่างไม่น่าเชื่อหลังจากบิกแบง เมื่อเอกภพขยายตัว มันก็เย็นลงเช่นกัน ดังนั้นในอดีตอันไกลโพ้น มันร้อนขึ้น หนาแน่นขึ้น และทึบแสงต่อแสงทุกรูปแบบ เมื่อจักรวาลโปร่งใส ประมาณ 380,000 ปีหลังจากบิ๊กแบง มันทิ้งโฟตอนไว้เบื้องหลัง ซึ่งทุกวันนี้สามารถตรวจพบได้ว่าเป็นพื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาล (CMB) ในฐานะหอสังเกตการณ์อวกาศเช่น COBE, WMAP และ Planck . ล่าสุดแสดงให้เห็นว่า CMB นั้นราบรื่นอย่างน่าทึ่ง แต่ไม่เหมือนกันทีเดียว ภายในมีระลอกคลื่นเล็กๆ ที่แผ่ขยายออกเป็นขนาดมหึมาในช่วงเงินเฟ้อ และในทางกลับกัน สิ่งเหล่านี้ก็กลายเป็นเมล็ดพันธุ์ของวัตถุขนาดใหญ่ เช่น ดาราจักรและกระจุกดาราจักรที่เราเห็นในปัจจุบัน
ในขณะที่อัตราเงินเฟ้อมีอยู่ในหลายรูปแบบ ประเด็นสำคัญก็คือความผันผวนแบบสุ่มของอุณหภูมิและความหนาแน่นที่เกิดจากบิ๊กแบงถูกทำให้ราบรื่นโดยการขยายตัวอย่างรวดเร็ว เหมือนกับบอลลูนที่ไม่ยุบย่นเติบโตเป็นวัตถุที่เรียบเมื่อเติมอากาศ อัตราเงินเฟ้อเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว ในหลาย ๆ เวอร์ชันจักรวาลได้ตัดการเชื่อมต่อภูมิภาค – จักรวาลคู่ขนาน – ซึ่งอาจมีกฎทางกายภาพที่แตกต่างกัน อัตราเงินเฟ้อจะทำให้เกิดคลื่นความโน้มถ่วง จำนวนมาก – ความผันผวนในโครงสร้างของอวกาศและเวลา – ซึ่งจะทำให้เครื่องหมายของพวกเขาบน CMB คลื่นความโน้มถ่วงในเอกภพยุคแรกๆ ปั่นป่วนกาลอวกาศ ทำให้เกิดสภาพแวดล้อมที่บิดเบือนการเปล่งแสง
จักรวาลพ็อกเก็ต
อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้ไม่ได้บอกเราจริงๆ ว่าอะไรจะเกิดขึ้นก่อนบิ๊กแบง ในหลายแบบจำลองสำหรับอัตราเงินเฟ้อ เช่นเดียวกับในทฤษฎีบิ๊กแบงที่เก่ากว่าบางทฤษฎี นี่เป็นจักรวาลเดียวที่มีอยู่ – หรืออย่างน้อยที่สุด จักรวาลเดียวที่เราสามารถสังเกตได้
ข้อยกเว้นบางประการคือรูปแบบที่เรียกว่าการพองตัวชั่วนิรันดร์ ในโครงการนี้ จักรวาลที่สังเกตได้เป็นส่วนหนึ่งของ “จักรวาลกระเป๋า” ซึ่งเป็นฟองอากาศขนาดใหญ่ที่ขยายตัวอย่างต่อเนื่อง ในฟองสบู่ของเรา การพองตัวเริ่มต้นและสิ้นสุด แต่ในจักรวาลพ็อกเก็ตอื่นๆ ซึ่งไม่เชื่อมโยงกัน (“คู่ขนาน”) และด้วยเหตุนี้จึงไม่สามารถสังเกตได้สำหรับจักรวาลกระเป๋าของเรา การพองตัวอาจมีคุณสมบัติต่างกัน การพองตัวชั่วนิรันดร์ช่วยล้างพื้นที่นอกฟองสบู่ของสสารทั้งหมดอย่างมีประสิทธิภาพ สิ่งเหล่านี้จะไม่มีดาว กาแล็กซี หรือลักษณะเด่นอื่นๆ ที่คุ้นเคย
หากอัตราเงินเฟ้อนิรันดร์ถูกต้อง บิ๊กแบงก็เป็นต้นกำเนิดของจักรวาลพ็อกเก็ตของเรา แต่ไม่ใช่จุดเริ่มต้นของจักรวาลทั้งมวล ซึ่งอาจเริ่มต้นเร็วกว่านี้มาก หลักฐานสำหรับพหุภาคีจะเป็นทางอ้อมอย่างดีที่สุด แม้จะมีการยืนยันอัตราเงินเฟ้อจากพลังค์หรือการสังเกตอื่นๆ กล่าวอีกนัยหนึ่ง การพองตัวชั่วนิรันดร์สามารถตอบคำถามเกี่ยวกับสิ่งที่เกิดก่อนบิกแบง แต่ยังคงทิ้งคำถามเกี่ยวกับต้นกำเนิดสุดท้ายไว้ไม่ให้เอื้อมถึง
วัฏจักรล้านล้านปี
นักจักรวาลวิทยาหลายคนมองว่าเงินเฟ้อเป็นรูปแบบที่เลวร้ายที่สุดที่เรามี ยกเว้นทางเลือกทั้งหมด คุณสมบัติทั่วไปของอัตราเงินเฟ้อค่อนข้างดี เนื่องจากมีประโยชน์ในการแก้ปัญหาที่ยากลำบากในจักรวาลวิทยา แต่ลักษณะเฉพาะนั้นลื่น อะไรทำให้เกิดภาวะเงินเฟ้อ? มันเริ่มต้นอย่างไรและสิ้นสุดเมื่อไหร่? หากอัตราเงินเฟ้อนิรันดร์ถูกต้อง จะมีจักรวาลกระเป๋ากี่อันที่มีคุณสมบัติคล้ายกับของเรา? มีบิ๊กแบงที่เริ่มต้นลิขสิทธิ์หรือไม่? สุดท้ายนี้ เนื่องจากเราเป็นนักวิทยาศาสตร์และไม่ใช่นักปรัชญา เราจะแยกแยะตัวเลือกทั้งหมดเหล่านี้ออกจากกันได้อย่างไร เราจะทดสอบพวกมันได้ไหม
มีทางเลือกหนึ่งที่เป็นไปได้สำหรับภาวะเงินเฟ้อ ซึ่งจะข้ามคำถามเหล่านี้ไปและระหว่างทางแก้ไขสิ่งที่เกิดก่อนบิกแบง ในแบบจำลองจักรวาลวัฏจักรของ Paul Steinhardt และ Neil Turok จักรวาลที่สังเกตได้นั้นอาศัยอยู่ในช่องว่างมิติที่สูงกว่า ควบคู่ไปกับจักรวาลของเราเป็นจักรวาลเงาคู่ขนานที่เราไม่สามารถสังเกตได้โดยตรง แต่เชื่อมต่อด้วยแรงโน้มถ่วง บิ๊กแบงไม่ใช่จุดเริ่มต้น แต่เป็นช่วงเวลาที่ “branes” ทั้งสอง (ย่อมาจาก “membrane”) ชนกัน จักรวาลในรูปแบบวัฏจักรจะอยู่ระหว่างช่วงที่กระดูกเคลื่อนออกจากกัน การขยายตัวแบบเร่ง และบิ๊กแบงใหม่เมื่อเบรนชนกันอีกครั้ง ในขณะที่แต่ละวัฏจักรจะใช้เวลาประมาณหนึ่งล้านล้านปีจึงจะเสร็จสมบูรณ์ จักรวาลทั้งหมดอาจมีความเก่าแก่อย่างไม่สิ้นสุด โดยข้ามปัญหาทางปรัชญาด้วยแบบจำลองเงินเฟ้อ
จักรวาลที่เป็นวัฏจักรไม่ใช่แบบจำลองที่ได้รับความนิยมในหมู่นักจักรวาลวิทยาที่ทำงาน แต่อย่างน้อยก็สามารถตัดออกได้โดยการสังเกตจากการทดลอง: หากพบลายเซ็นคลื่นโน้มถ่วงของอัตราเงินเฟ้อ แบบจำลองวัฏจักรนั้นตายแล้ว แบบจำลองวัฏจักรยังไม่สมบูรณ์: มันไม่ได้อธิบายว่ามีพลังงานมืดในจักรวาลมากน้อยเพียงใด ตัวอย่างเช่น จักรวาลวิทยาทั่วไป กล่าวอีกนัยหนึ่ง แบบจำลองวัฏจักรยังไม่สมบูรณ์ ดังนั้นในปัจจุบันจึงไม่มีหลักฐานทางกายภาพที่จะแยกความแตกต่างจากแบบจำลองอัตราเงินเฟ้อ
หากคุณคิดว่าตัวเลือกทั้งหมดเหล่านี้ค่อนข้างหักโหม โปรดวางใจว่านักวิทยาศาสตร์มืออาชีพก็รู้สึกแบบเดียวกัน เนื่องจากจักรวาลที่สังเกตได้กำลังเร่งขึ้นโดยไม่มีสัญญาณของการยุบอีกแม้แต่ในอนาคตอันไกล ทำไมจึงควรมีจักรวาลที่มีจุดเริ่มต้นแต่ไม่มีจุดสิ้นสุดที่คล้ายคลึงกัน ถ้าเงินเฟ้อหรือบิ๊กแบงลบข้อมูลของสิ่งที่ (ถ้ามี) เกิดขึ้นก่อนหน้านี้ เรายังคงถกเถียงกันเรื่องจำนวนนางฟ้าที่เต้นกังนัมสไตล์บนหัวเข็มหมุดอยู่หรือเปล่า? แม้ว่าการพองตัวชั่วนิรันดร์หรือแบบจำลองวัฏจักรจะถูกต้อง แต่ก็ผลักดันให้คำถามเกี่ยวกับแหล่งกำเนิดสุดท้ายเข้าสู่ขอบเขตแห่งความไม่สามารถทดสอบได้
ในอีกทศวรรษหรือศตวรรษ คำถามและวิธีการที่เราใช้ตอบคำถามเหล่านี้มีแนวโน้มว่าจะพัฒนาขึ้น แต่สำหรับตอนนี้ ยังไม่ชัดเจนว่าเราจะรู้ได้อย่างไรว่าอะไรเกิดขึ้นก่อนบิ๊กแบง
