ลองมาตั้งสมมุติฐานกัน
เวลาแตกต่างกันรึเปล่าในจักวาล หรือเป็นแค่ปรากฎการณ์ที่เกิดดับ
คำตอบแบบสั้นๆและตรงประเด็นคือ "เวลาในจักรวาลแตกต่างกันอย่างสิ้นเชิงในแต่ละสถานที่ มันไม่ใช่สิ่งสากลที่เดินเท่ากันทั่วทั้งจักรวาล" และในขณะเดียวกัน ในมุมมองของฟิสิกส์ขั้นสูง เวลาอาจจะเป็นเพียง "ปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นจากการเปลี่ยนแปลงของสิ่งต่างๆ (การเกิดดับ)" อย่างที่ตั้งข้อสังเกตจริงๆ
เพื่อความเข้าใจที่ชัดเจนและเห็นภาพง่ายขึ้น เราสามารถแยกออกเป็น 2 มุมมองหลักๆ ดังนี้:
1. เวลาแตกต่างกันจริงตาม "ทฤษฎีสัมพัทธภาพ" (Time Dilation)
อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) ได้พิสูจน์ไว้และนักวิทยาศาสตร์ในปัจจุบันก็ทดลองแล้วว่าเป็นเรื่องจริง คือ "เวลาเป็นสิ่งยืดหดได้" อัตราความเร็วของเวลาจะขึ้นอยู่กับ 2 ปัจจัยหลักในจักรวาล:
* ความเร็ว (Speed): ยิ่งคุณเคลื่อนที่เร็วเท่าไหร่ เวลาของคุณจะยิ่งเดิน ช้าลง เมื่อเทียบกับคนที่อยู่นิ่งๆ (จินตนาการว่าถ้าคุณขึ้นยานอวกาศที่วิ่งเร็วเข้าใกล้ความเร็วแสงไปท่องอวกาศสัก 1 ปี พอกลับมาโลก เพื่อนของคุณอาจจะแก่วัยเกษียณหรือผ่านไปแล้วหลายสิบปี)
* แรงโน้มถ่วง (Gravity): ยิ่งคุณอยู่ใกล้สิ่งที่มีแรงโน้มถ่วงมหาศาล (เช่น ดาวเคราะห์ขนาดใหญ่ หรือใกล้หลุมดำ) เวลาจะยิ่งเดิน ช้าลง อย่างรุนแรง
> ตัวอย่างที่เห็นภาพชัดที่สุด: ถ้านำนาฬิกาอะตอมที่มีความแม่นยำสูงมากดวงหนึ่งไว้บนโลก และอีกดวงไว้บนดาวเทียมอวกาศ (ซึ่งอยู่ห่างจากแรงดึงดูดของโลกและวิ่งด้วยความเร็วต่างกัน) นาฬิกาทั้งสองเรือนจะเดินไม่เท่ากันครับ ทุกวันนี้ระบบ GPS ในมือถือของเราต้องใช้สูตรคำนวณปรับเวลาให้ตรงกันตลอดเวลา ไม่งั้นแผนที่จะเพี้ยนไปเป็นสิบกิโลเมตรเลยทีเดียว
>
ดังนั้น "เวลาสากล" จึงไม่มีจริงในจักรวาล เวลาของแต่ละคน บนดาวแต่ละดวง หรือในแต่ละกาแลกซี เดินเร็ว-ช้าไม่เท่ากันเลย
2. หรือว่า "เวลา" เป็นแค่ปรากฏการณ์ของการเกิดดับ?
ข้อสังเกตที่ว่า "หรือเป็นแค่ปรากฏการณ์ที่เกิดดับ" นั้น ตรงกับแนวคิดในทาง ฟิสิกส์ควอนตัม (Quantum Physics) และ อุณหพลศาสตร์ (Thermodynamics) อย่างน่าทึ่งครับ นักฟิสิกส์หลายคนเริ่มมองว่า "เวลา" อาจไม่ได้เป็นสิ่งที่มีอยู่จริงด้วยตัวมันเอง แต่เป็นเพียง ผลพลอยได้ (Emergent Property) จากการเปลี่ยนแปลงของมวลสาร
* ลูกศรแห่งเวลา (Arrow of Time): ในทางฟิสิกส์ เราจะรู้ว่าเวลาเดินไปข้างหน้าก็ต่อเมื่อระบบต่างๆ เกิดความไร้ระเบียบมากขึ้น (เรียกว่าค่า เอนโทรปี - Entropy) เช่น แก้วน้ำตกแตก สลายจากชิ้นดีกลายเป็นเศษกระจก (เกิด-ดับ/แปรเปลี่ยน) แต่เราจะไม่เคยเห็นเศษกระจกกระโดดกลับมารวมกันเป็นแก้วได้เอง
* ถ้าทุกอย่างหยุดนิ่ง จะมีเวลาไหม?: หากจักรวาลนี้ไม่มีอนุภาคใดเคลื่อนที่เลย ไม่มีดาวเกิดใหม่ ไม่มีดาวดับสูญ ทุกสิ่งหยุดนิ่งอย่างสมบูรณ์แบบ "เวลา" ก็จะหมดความหมายและหายไปทันที
ดังนั้น เวลาจึงเปรียบเสมือน "มาตรวัดการเปลี่ยนแปลง" ของสรรพสิ่ง ถ้าไม่มีการเคลื่อนไหว ไม่มีการเกิดดับของพลังงานหรือสสาร เราก็จะไม่สามารถนิยามคำว่าเวลาได้เลย
> สรุป: เวลาในจักรวาลนั้น แตกต่างกันไปในแต่ละสถานที่ ขึ้นอยู่กับความเร็วและแรงโน้มถ่วงของจุดที่คุณอยู่ และในระดับลึกที่สุด มันคือ ปรากฏการณ์ที่สะท้อนถึงการแปรเปลี่ยนและการเกิดดับของมวลสาร หากจักรวาลหยุดนิ่งไร้การเกิดดับ เวลาก็จะไม่มีอยู่จริง
>
แบบนี้มันเหมือนกฎ ที่โลกและจักวาลหมุนตัวเร็วช้าต่างกันเลย
ความจริงที่ว่าโลก ดวงอาทิตย์ และกาแลกซีหมุนและเคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่ต่างกันลิบลับ (หลักพัน หลักแสน หลักล้านกิโลเมตรต่อชั่วโมง) มันส่งผลให้ "เวลา" ในแต่ละจุดของจักรวาลเหล่านั้นเดินเร็ว-ช้าต่างกันไปด้วย โดยอัตโนมัติ ตามกฎฟิสิกส์ที่ผูกกันไว้แน่นหนา
หากเรานำกฎความเร็วของจักรวาลที่เราคุยกันตอนแรก มาซ้อนทับกับกฎของเวลา เราจะเห็นภาพความมหัศจรรย์นี้ชัดขึ้น:
1. ยิ่งสเกลใหญ่ วิ่งเร็ว เวลาของสิ่งนั้นยิ่งเดินช้าลง
จากที่เราคุยกันว่า โครงสร้างที่ใหญ่ขึ้นจำเป็นต้องวิ่งเร็วขึ้นเพื่อสู้กับแรงโน้มถ่วง:
* บนพื้นโลก: วิ่งหมุนรอบตัวเอง "ช้าที่สุด" ในบรรดาทั้งหมด (ประมาณ 1,670 กม./ชม.) เวลาบนโลกจึงเดินในอัตราที่เราคุ้นเคย
* ในอวกาศแถบระบบสุริยะ: โลกวิ่งรอบดวงอาทิตย์เร็วขึ้น (107,000 กม./ชม.) เวลาในอวกาศแถบนี้จะเดินต่างจากระบบอื่นเล็กน้อย
* ใกล้ใจกลางกาแลกซี: ตรงนั้นระบบสุริยะและดวงดาวหมุนเร็วจี๋ระดับ 828,000 กิโลเมตรต่อชั่วโมง แถมยังมีแรงโน้มถ่วงมหาศาลจากหลุมดำยักษ์... ผลคือ เวลาของดาวฤกษ์ที่อยู่ใกล้ใจกลางกาแลกซี จะเดิน "ช้ากว่า" เวลาบนโลกของเรา
ถ้าส่งมนุษย์อวกาศไปอยู่บนดาวเคราะห์ที่โคจรรอบหลุมดำใจกลางกาแลกซี (เหมือนในภาพยนตร์เรื่อง Interstellar) เวลาของเขาแค่ไม่กี่ชั่วโมง อาจจะเท่ากับเวลาบนโลกผ่านไปเป็นสิบๆ ปีเลยทีเดียว
2. จักรวาลไม่มี "นาฬิกากลาง"
กฎข้อนี้บอกเราว่า จักรวาลไม่มีนาฬิกาเรือนใหญ่ที่คอยบอกเวลาเท่ากันหมด ทุกสิ่งสร้าง "กรอบเวลา" ของตัวเองขึ้นมาผ่าน:
* มวลสารที่มันมี (สร้างแรงโน้มถ่วง)
* ความเร็วที่มันหมุนหรือเคลื่อนที่
ดังนั้น ยิ่งโลกและจักรวาลหมุนตัวเร็วช้าต่างกันเท่าไหร่ "กระแสเวลา" ในแต่ละพิกัดของอวกาศก็ยิ่งบิดเบี้ยวและมีความเฉพาะตัวต่างกันมากเท่านั้น
3. สรุปภาพรวมที่เป็นหนึ่งเดียวกัน
สิ่งที่เราตั้งข้อสังเกตมาทั้งหมดตั้งแต่ต้น ผูกรวมกันเป็นกฎธรรมชาติได้งดงามมาก:
* มวลและแรงโน้มถ่วง บังคับให้วัตถุอวกาศต้อง หมุนและเคลื่อนที่ด้วยความเร็วต่างกัน เพื่อไม่ให้ร่วงหล่น
* ความเร็วและแรงโน้มถ่วง ที่ต่างกันเหล่านั้น ส่งผลให้ เวลาของแต่ละจุดยืดหดไม่เท่ากัน
* และทั้งหมดนี้แสดงผลออกมาผ่าน "ปรากฏการณ์เกิด-ดับ" และการเคลื่อนไหวของสสารมืดและพลังงานมืด
จักรวาลจึงไม่ใช่กล่องนิ่งๆ ที่มีเวลาเดินติ๊กๆ เท่ากันหมด แต่เป็นเหมือน "สายน้ำอันเชี่ยวกราก" ที่บางจุดน้ำไหลนิ่ง (เวลาเดินเร็ว) บางจุดเป็นน้ำวนหมุนเร็วจี๋ด้วยแรงดึงดูดมหาศาล (เวลาเดินช้าลง) ทุกสิ่งหมุนวนสัมพันธ์กันเป็นโครงข่ายขนาดใหญ่ที่น่าทึ่งแบบนี้เอง
ถ้างั้นพวกแสงหรือ ภาพที่เราเห็นจากกล้อง ในอวกาศ มันเดินผ่านเวลาที่แตกต่างกันการคำนวนจะไม่พลาดใช่ไหมมาดูกัน
คำถามนี้ถือเป็นหนึ่งในหัวใจสำคัญของดาราศาสตร์สมัยใหม่เลย เพราะคุณกำลังมองเห็นช่องโหว่ที่ใหญ่มากว่า "ถ้าเวลาและอวกาศในแต่ละจุดมันบิดเบี้ยวและเดินไม่เท่ากัน แสงที่เดินทางผ่านความต่างเหล่านั้นมานับล้านปีกว่าจะถึงกล้องของเรา ค่าคำนวณจะไม่เพี้ยนไปหมดหรือ?"
คำตอบคือ "ถ้าใช้ฟิสิกส์ธรรมดา (ของนิวตัน) คำนวณ... พลาดแน่นอน"
แต่นักดาราศาสตร์มีเครื่องมือและวิธีจัดการกับความบิดเบี้ยวเหล่านี้ เพื่อไม่ให้ผลคำนวณคลาดเคลื่อน ซึ่งทำได้ด้วย 3 วิธีการหลักๆ ดังนี้:
1. เราใช้ "ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป" เป็นสมการตั้งต้น
นักดาราศาสตร์รู้ดีว่าอวกาศระหว่างทางไม่ได้ราบเรียบ แสงเดินทางผ่านสนามแรงโน้มถ่วงของกาแลกซีต่างๆ ซึ่งทำให้เวลาของแสงบิดเบี้ยวไปตามทาง ดังนั้น ในการคำนวณระยะทาง ความเร็ว หรืออายุของดาราจักร นักวิทยาศาสตร์จะไม่ใช้สูตรคำนวณความเร็วแบบธรรมดา (v = s/t) แต่จะใช้ สมการสนามของไอน์สไตน์ (Einstein's Field Equations)
สมการนี้จะคิดคำนวณล่วงหน้าเลยว่า แสงเดินทางผ่านมวลสาร (รวมถึง สสารมืด) มากแค่ไหน และเวลาในจุดเหล่านั้นช้ากว่าเราเท่าไหร่ แล้วจึง "หักลบกลบหนี้" ย้อนกลับมาเป็นค่าที่ถูกต้องบนโลก
2. การแก้ไขความบิดเบี้ยวจาก "เลนส์ความโน้มถ่วง" (Gravitational Lensing)
เมื่อแสงวิ่งผ่านกาแลกซีขนาดใหญ่ที่มีแรงโน้มถ่วงมหาศาล แรงโน้มถ่วงจะไม่เพียงทำให้เวลาเดินช้าลง แต่จะ "บิดเส้นทางเดินของแสงให้โค้งงอ" เหมือนแสงวิ่งผ่านเนื้อแก้วของแว่นขยาย ทำให้ภาพกาแลกซีที่อยู่เบื้องหลังบิดเบี้ยว ยืดออกเป็นเส้นโค้ง หรือแตกออกเป็น 4 ภาพ (Einstein's Cross)
* วิธีแก้ไม่ให้พลาด: นักดาราศาสตร์จะใช้คอมพิวเตอร์สร้างแบบจำลองมวลของกาแลกซีด้านหน้า แล้วทำการ "ย้อนกระบวนการบิดเบี้ยว" (De-lensing) เพื่อดัดภาพที่โค้งงอนั้นให้กลับมาเป็นรูปทรงตรงตามความเป็นจริง ทำให้เราคำนวณรูปร่างและตำแหน่งที่แท้จริงของดาราจักรลึกลงไปได้โดยไม่ผิดพลาด
3. แสงมี "ความเร็วคงที่เสมอ" (สิ่งยึดเหนี่ยวหนึ่งเดียวในจักรวาล)
แม้ว่า "เวลา" และ "ระยะทาง" ในจักรวาลจะยืดหดได้ตามใจชอบ แต่มีสิ่งหนึ่งที่ซื่อสัตย์ที่สุดและไม่เคยเปลี่ยนแปลงเลยคือ "ความเร็วแสงในสุญญากาศ" (c) ซึ่งคงที่เสมอที่ประมาณ 300,000 กิโลเมตรต่อวินาที
ไม่ว่าแสงจะวิ่งผ่านจุดที่เวลาเดินช้าหรือเร็ว เมื่อมันหลุดออกมาในอวกาศว่างเปล่าและเดินทางมาถึงกล้องโทรทรรศน์ของเรา มันจะวิ่งด้วยความเร็วนี้เสมอ ความคงที่ของความเร็วแสงนี่เองที่ทำหน้าที่เป็น "ไม้บรรทัดสากล" ช่วยให้นักดาราศาสตร์สามารถถอดรหัสระยะทางและย้อนเวลาหาอดีตของจักรวาลได้อย่างแม่นยำ
4. สิ่งที่เราเห็นคือ "ภาพอดีต" เสมอ
อีกหนึ่งประเด็นที่นักดาราศาสตร์ต้องเตือนตัวเองตลอดเวลาเพื่อไม่ให้คำนวณพลาดคือ เราไม่ได้เห็นจักรวาลในปัจจุบัน แต่เราเห็นจักรวาลในอดีต
* แสงจากดวงอาทิตย์ใช้เวลา 8 นาทีเดินทางมาถึงโลก (ภาพดวงอาทิตย์ที่เราเห็นคือดวงอาทิตย์เมื่อ 8 นาทีที่แล้ว)
* แสงจากกาแลกซีแอนโดรเมดาใช้เวลา 2.5 ล้านปี (ภาพที่เราเห็นคือแอนโดรเมดาในยุคที่โลกยังไม่มีมนุษย์โมเดิร์นด้วยซ้ำ)
ดังนั้น เวลาคำนวณพิกัดการโคจรหรือการขยายตัวของจักรวาล นักวิทยาศาสตร์จะคำนวณโดยอิงจาก "ไทม์ไลน์ในอดีต" ของแสงดวงนั้นๆ ไม่ใช่ตำแหน่งที่มันควรจะอยู่ ณ วินาทีนี้บนโลก
> สรุป: การคำนวณจะไม่พลาดเพราะนักวิทยาศาสตร์ไม่ได้มองอวกาศเป็นเส้นตรงธรรมดา แต่พวกเขามี "สมการปรับค่าเวลา" และใช้ความเร็วแสงที่คงที่มาเป็นตัวหักล้างความบิดเบี้ยวของอวกาศระหว่างทาง ทำให้ภาพอดีตอันแสนไกลที่ส่งมาถึงกล้อง ถูกแปลผลออกมาได้อย่างถูกต้องแม่นยำ
>
เวลาแตกต่างกันรึเปล่าในจักวาล หรือเป็นแค่ปรากฎการณ์ที่เกิดดับ
เวลาแตกต่างกันรึเปล่าในจักวาล หรือเป็นแค่ปรากฎการณ์ที่เกิดดับ
คำตอบแบบสั้นๆและตรงประเด็นคือ "เวลาในจักรวาลแตกต่างกันอย่างสิ้นเชิงในแต่ละสถานที่ มันไม่ใช่สิ่งสากลที่เดินเท่ากันทั่วทั้งจักรวาล" และในขณะเดียวกัน ในมุมมองของฟิสิกส์ขั้นสูง เวลาอาจจะเป็นเพียง "ปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นจากการเปลี่ยนแปลงของสิ่งต่างๆ (การเกิดดับ)" อย่างที่ตั้งข้อสังเกตจริงๆ
เพื่อความเข้าใจที่ชัดเจนและเห็นภาพง่ายขึ้น เราสามารถแยกออกเป็น 2 มุมมองหลักๆ ดังนี้:
1. เวลาแตกต่างกันจริงตาม "ทฤษฎีสัมพัทธภาพ" (Time Dilation)
อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) ได้พิสูจน์ไว้และนักวิทยาศาสตร์ในปัจจุบันก็ทดลองแล้วว่าเป็นเรื่องจริง คือ "เวลาเป็นสิ่งยืดหดได้" อัตราความเร็วของเวลาจะขึ้นอยู่กับ 2 ปัจจัยหลักในจักรวาล:
* ความเร็ว (Speed): ยิ่งคุณเคลื่อนที่เร็วเท่าไหร่ เวลาของคุณจะยิ่งเดิน ช้าลง เมื่อเทียบกับคนที่อยู่นิ่งๆ (จินตนาการว่าถ้าคุณขึ้นยานอวกาศที่วิ่งเร็วเข้าใกล้ความเร็วแสงไปท่องอวกาศสัก 1 ปี พอกลับมาโลก เพื่อนของคุณอาจจะแก่วัยเกษียณหรือผ่านไปแล้วหลายสิบปี)
* แรงโน้มถ่วง (Gravity): ยิ่งคุณอยู่ใกล้สิ่งที่มีแรงโน้มถ่วงมหาศาล (เช่น ดาวเคราะห์ขนาดใหญ่ หรือใกล้หลุมดำ) เวลาจะยิ่งเดิน ช้าลง อย่างรุนแรง
> ตัวอย่างที่เห็นภาพชัดที่สุด: ถ้านำนาฬิกาอะตอมที่มีความแม่นยำสูงมากดวงหนึ่งไว้บนโลก และอีกดวงไว้บนดาวเทียมอวกาศ (ซึ่งอยู่ห่างจากแรงดึงดูดของโลกและวิ่งด้วยความเร็วต่างกัน) นาฬิกาทั้งสองเรือนจะเดินไม่เท่ากันครับ ทุกวันนี้ระบบ GPS ในมือถือของเราต้องใช้สูตรคำนวณปรับเวลาให้ตรงกันตลอดเวลา ไม่งั้นแผนที่จะเพี้ยนไปเป็นสิบกิโลเมตรเลยทีเดียว
>
ดังนั้น "เวลาสากล" จึงไม่มีจริงในจักรวาล เวลาของแต่ละคน บนดาวแต่ละดวง หรือในแต่ละกาแลกซี เดินเร็ว-ช้าไม่เท่ากันเลย
2. หรือว่า "เวลา" เป็นแค่ปรากฏการณ์ของการเกิดดับ?
ข้อสังเกตที่ว่า "หรือเป็นแค่ปรากฏการณ์ที่เกิดดับ" นั้น ตรงกับแนวคิดในทาง ฟิสิกส์ควอนตัม (Quantum Physics) และ อุณหพลศาสตร์ (Thermodynamics) อย่างน่าทึ่งครับ นักฟิสิกส์หลายคนเริ่มมองว่า "เวลา" อาจไม่ได้เป็นสิ่งที่มีอยู่จริงด้วยตัวมันเอง แต่เป็นเพียง ผลพลอยได้ (Emergent Property) จากการเปลี่ยนแปลงของมวลสาร
* ลูกศรแห่งเวลา (Arrow of Time): ในทางฟิสิกส์ เราจะรู้ว่าเวลาเดินไปข้างหน้าก็ต่อเมื่อระบบต่างๆ เกิดความไร้ระเบียบมากขึ้น (เรียกว่าค่า เอนโทรปี - Entropy) เช่น แก้วน้ำตกแตก สลายจากชิ้นดีกลายเป็นเศษกระจก (เกิด-ดับ/แปรเปลี่ยน) แต่เราจะไม่เคยเห็นเศษกระจกกระโดดกลับมารวมกันเป็นแก้วได้เอง
* ถ้าทุกอย่างหยุดนิ่ง จะมีเวลาไหม?: หากจักรวาลนี้ไม่มีอนุภาคใดเคลื่อนที่เลย ไม่มีดาวเกิดใหม่ ไม่มีดาวดับสูญ ทุกสิ่งหยุดนิ่งอย่างสมบูรณ์แบบ "เวลา" ก็จะหมดความหมายและหายไปทันที
ดังนั้น เวลาจึงเปรียบเสมือน "มาตรวัดการเปลี่ยนแปลง" ของสรรพสิ่ง ถ้าไม่มีการเคลื่อนไหว ไม่มีการเกิดดับของพลังงานหรือสสาร เราก็จะไม่สามารถนิยามคำว่าเวลาได้เลย
> สรุป: เวลาในจักรวาลนั้น แตกต่างกันไปในแต่ละสถานที่ ขึ้นอยู่กับความเร็วและแรงโน้มถ่วงของจุดที่คุณอยู่ และในระดับลึกที่สุด มันคือ ปรากฏการณ์ที่สะท้อนถึงการแปรเปลี่ยนและการเกิดดับของมวลสาร หากจักรวาลหยุดนิ่งไร้การเกิดดับ เวลาก็จะไม่มีอยู่จริง
>
แบบนี้มันเหมือนกฎ ที่โลกและจักวาลหมุนตัวเร็วช้าต่างกันเลย
ความจริงที่ว่าโลก ดวงอาทิตย์ และกาแลกซีหมุนและเคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่ต่างกันลิบลับ (หลักพัน หลักแสน หลักล้านกิโลเมตรต่อชั่วโมง) มันส่งผลให้ "เวลา" ในแต่ละจุดของจักรวาลเหล่านั้นเดินเร็ว-ช้าต่างกันไปด้วย โดยอัตโนมัติ ตามกฎฟิสิกส์ที่ผูกกันไว้แน่นหนา
หากเรานำกฎความเร็วของจักรวาลที่เราคุยกันตอนแรก มาซ้อนทับกับกฎของเวลา เราจะเห็นภาพความมหัศจรรย์นี้ชัดขึ้น:
1. ยิ่งสเกลใหญ่ วิ่งเร็ว เวลาของสิ่งนั้นยิ่งเดินช้าลง
จากที่เราคุยกันว่า โครงสร้างที่ใหญ่ขึ้นจำเป็นต้องวิ่งเร็วขึ้นเพื่อสู้กับแรงโน้มถ่วง:
* บนพื้นโลก: วิ่งหมุนรอบตัวเอง "ช้าที่สุด" ในบรรดาทั้งหมด (ประมาณ 1,670 กม./ชม.) เวลาบนโลกจึงเดินในอัตราที่เราคุ้นเคย
* ในอวกาศแถบระบบสุริยะ: โลกวิ่งรอบดวงอาทิตย์เร็วขึ้น (107,000 กม./ชม.) เวลาในอวกาศแถบนี้จะเดินต่างจากระบบอื่นเล็กน้อย
* ใกล้ใจกลางกาแลกซี: ตรงนั้นระบบสุริยะและดวงดาวหมุนเร็วจี๋ระดับ 828,000 กิโลเมตรต่อชั่วโมง แถมยังมีแรงโน้มถ่วงมหาศาลจากหลุมดำยักษ์... ผลคือ เวลาของดาวฤกษ์ที่อยู่ใกล้ใจกลางกาแลกซี จะเดิน "ช้ากว่า" เวลาบนโลกของเรา
ถ้าส่งมนุษย์อวกาศไปอยู่บนดาวเคราะห์ที่โคจรรอบหลุมดำใจกลางกาแลกซี (เหมือนในภาพยนตร์เรื่อง Interstellar) เวลาของเขาแค่ไม่กี่ชั่วโมง อาจจะเท่ากับเวลาบนโลกผ่านไปเป็นสิบๆ ปีเลยทีเดียว
2. จักรวาลไม่มี "นาฬิกากลาง"
กฎข้อนี้บอกเราว่า จักรวาลไม่มีนาฬิกาเรือนใหญ่ที่คอยบอกเวลาเท่ากันหมด ทุกสิ่งสร้าง "กรอบเวลา" ของตัวเองขึ้นมาผ่าน:
* มวลสารที่มันมี (สร้างแรงโน้มถ่วง)
* ความเร็วที่มันหมุนหรือเคลื่อนที่
ดังนั้น ยิ่งโลกและจักรวาลหมุนตัวเร็วช้าต่างกันเท่าไหร่ "กระแสเวลา" ในแต่ละพิกัดของอวกาศก็ยิ่งบิดเบี้ยวและมีความเฉพาะตัวต่างกันมากเท่านั้น
3. สรุปภาพรวมที่เป็นหนึ่งเดียวกัน
สิ่งที่เราตั้งข้อสังเกตมาทั้งหมดตั้งแต่ต้น ผูกรวมกันเป็นกฎธรรมชาติได้งดงามมาก:
* มวลและแรงโน้มถ่วง บังคับให้วัตถุอวกาศต้อง หมุนและเคลื่อนที่ด้วยความเร็วต่างกัน เพื่อไม่ให้ร่วงหล่น
* ความเร็วและแรงโน้มถ่วง ที่ต่างกันเหล่านั้น ส่งผลให้ เวลาของแต่ละจุดยืดหดไม่เท่ากัน
* และทั้งหมดนี้แสดงผลออกมาผ่าน "ปรากฏการณ์เกิด-ดับ" และการเคลื่อนไหวของสสารมืดและพลังงานมืด
จักรวาลจึงไม่ใช่กล่องนิ่งๆ ที่มีเวลาเดินติ๊กๆ เท่ากันหมด แต่เป็นเหมือน "สายน้ำอันเชี่ยวกราก" ที่บางจุดน้ำไหลนิ่ง (เวลาเดินเร็ว) บางจุดเป็นน้ำวนหมุนเร็วจี๋ด้วยแรงดึงดูดมหาศาล (เวลาเดินช้าลง) ทุกสิ่งหมุนวนสัมพันธ์กันเป็นโครงข่ายขนาดใหญ่ที่น่าทึ่งแบบนี้เอง
ถ้างั้นพวกแสงหรือ ภาพที่เราเห็นจากกล้อง ในอวกาศ มันเดินผ่านเวลาที่แตกต่างกันการคำนวนจะไม่พลาดใช่ไหมมาดูกัน
คำถามนี้ถือเป็นหนึ่งในหัวใจสำคัญของดาราศาสตร์สมัยใหม่เลย เพราะคุณกำลังมองเห็นช่องโหว่ที่ใหญ่มากว่า "ถ้าเวลาและอวกาศในแต่ละจุดมันบิดเบี้ยวและเดินไม่เท่ากัน แสงที่เดินทางผ่านความต่างเหล่านั้นมานับล้านปีกว่าจะถึงกล้องของเรา ค่าคำนวณจะไม่เพี้ยนไปหมดหรือ?"
คำตอบคือ "ถ้าใช้ฟิสิกส์ธรรมดา (ของนิวตัน) คำนวณ... พลาดแน่นอน"
แต่นักดาราศาสตร์มีเครื่องมือและวิธีจัดการกับความบิดเบี้ยวเหล่านี้ เพื่อไม่ให้ผลคำนวณคลาดเคลื่อน ซึ่งทำได้ด้วย 3 วิธีการหลักๆ ดังนี้:
1. เราใช้ "ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป" เป็นสมการตั้งต้น
นักดาราศาสตร์รู้ดีว่าอวกาศระหว่างทางไม่ได้ราบเรียบ แสงเดินทางผ่านสนามแรงโน้มถ่วงของกาแลกซีต่างๆ ซึ่งทำให้เวลาของแสงบิดเบี้ยวไปตามทาง ดังนั้น ในการคำนวณระยะทาง ความเร็ว หรืออายุของดาราจักร นักวิทยาศาสตร์จะไม่ใช้สูตรคำนวณความเร็วแบบธรรมดา (v = s/t) แต่จะใช้ สมการสนามของไอน์สไตน์ (Einstein's Field Equations)
สมการนี้จะคิดคำนวณล่วงหน้าเลยว่า แสงเดินทางผ่านมวลสาร (รวมถึง สสารมืด) มากแค่ไหน และเวลาในจุดเหล่านั้นช้ากว่าเราเท่าไหร่ แล้วจึง "หักลบกลบหนี้" ย้อนกลับมาเป็นค่าที่ถูกต้องบนโลก
2. การแก้ไขความบิดเบี้ยวจาก "เลนส์ความโน้มถ่วง" (Gravitational Lensing)
เมื่อแสงวิ่งผ่านกาแลกซีขนาดใหญ่ที่มีแรงโน้มถ่วงมหาศาล แรงโน้มถ่วงจะไม่เพียงทำให้เวลาเดินช้าลง แต่จะ "บิดเส้นทางเดินของแสงให้โค้งงอ" เหมือนแสงวิ่งผ่านเนื้อแก้วของแว่นขยาย ทำให้ภาพกาแลกซีที่อยู่เบื้องหลังบิดเบี้ยว ยืดออกเป็นเส้นโค้ง หรือแตกออกเป็น 4 ภาพ (Einstein's Cross)
* วิธีแก้ไม่ให้พลาด: นักดาราศาสตร์จะใช้คอมพิวเตอร์สร้างแบบจำลองมวลของกาแลกซีด้านหน้า แล้วทำการ "ย้อนกระบวนการบิดเบี้ยว" (De-lensing) เพื่อดัดภาพที่โค้งงอนั้นให้กลับมาเป็นรูปทรงตรงตามความเป็นจริง ทำให้เราคำนวณรูปร่างและตำแหน่งที่แท้จริงของดาราจักรลึกลงไปได้โดยไม่ผิดพลาด
3. แสงมี "ความเร็วคงที่เสมอ" (สิ่งยึดเหนี่ยวหนึ่งเดียวในจักรวาล)
แม้ว่า "เวลา" และ "ระยะทาง" ในจักรวาลจะยืดหดได้ตามใจชอบ แต่มีสิ่งหนึ่งที่ซื่อสัตย์ที่สุดและไม่เคยเปลี่ยนแปลงเลยคือ "ความเร็วแสงในสุญญากาศ" (c) ซึ่งคงที่เสมอที่ประมาณ 300,000 กิโลเมตรต่อวินาที
ไม่ว่าแสงจะวิ่งผ่านจุดที่เวลาเดินช้าหรือเร็ว เมื่อมันหลุดออกมาในอวกาศว่างเปล่าและเดินทางมาถึงกล้องโทรทรรศน์ของเรา มันจะวิ่งด้วยความเร็วนี้เสมอ ความคงที่ของความเร็วแสงนี่เองที่ทำหน้าที่เป็น "ไม้บรรทัดสากล" ช่วยให้นักดาราศาสตร์สามารถถอดรหัสระยะทางและย้อนเวลาหาอดีตของจักรวาลได้อย่างแม่นยำ
4. สิ่งที่เราเห็นคือ "ภาพอดีต" เสมอ
อีกหนึ่งประเด็นที่นักดาราศาสตร์ต้องเตือนตัวเองตลอดเวลาเพื่อไม่ให้คำนวณพลาดคือ เราไม่ได้เห็นจักรวาลในปัจจุบัน แต่เราเห็นจักรวาลในอดีต
* แสงจากดวงอาทิตย์ใช้เวลา 8 นาทีเดินทางมาถึงโลก (ภาพดวงอาทิตย์ที่เราเห็นคือดวงอาทิตย์เมื่อ 8 นาทีที่แล้ว)
* แสงจากกาแลกซีแอนโดรเมดาใช้เวลา 2.5 ล้านปี (ภาพที่เราเห็นคือแอนโดรเมดาในยุคที่โลกยังไม่มีมนุษย์โมเดิร์นด้วยซ้ำ)
ดังนั้น เวลาคำนวณพิกัดการโคจรหรือการขยายตัวของจักรวาล นักวิทยาศาสตร์จะคำนวณโดยอิงจาก "ไทม์ไลน์ในอดีต" ของแสงดวงนั้นๆ ไม่ใช่ตำแหน่งที่มันควรจะอยู่ ณ วินาทีนี้บนโลก
> สรุป: การคำนวณจะไม่พลาดเพราะนักวิทยาศาสตร์ไม่ได้มองอวกาศเป็นเส้นตรงธรรมดา แต่พวกเขามี "สมการปรับค่าเวลา" และใช้ความเร็วแสงที่คงที่มาเป็นตัวหักล้างความบิดเบี้ยวของอวกาศระหว่างทาง ทำให้ภาพอดีตอันแสนไกลที่ส่งมาถึงกล้อง ถูกแปลผลออกมาได้อย่างถูกต้องแม่นยำ
>