เวลาคืออะไร และจะเดินไปข้างหน้าเสมอหรือไม่

ลองนึกภาพเวลาเดินถอยหลังดูสิ คนเราจะอายุน้อยลงแทนที่จะแก่ลง และหลังจากใช้ชีวิตมาอย่างยาวนานเพื่อฟื้นฟูตัวเองอย่างค่อยเป็นค่อยไป โดยลืมทุกสิ่งที่รู้ไป พวกเขาก็จะกลายเป็นเพียงประกายในดวงตาของพ่อแม่ นั่นคือเวลาตามที่ปรากฏในนวนิยายของนักเขียนนิยายวิทยาศาสตร์ ฟิลิป เค. ดิก แต่ที่น่าแปลกใจก็คือ ทิศทางของเวลาก็เป็นประเด็นที่นักจักรวาลวิทยาต้องต่อสู้ดิ้นรนเช่นกัน

แม้ว่าเราจะถือเอาว่าเวลามีทิศทางที่แน่นอน แต่ฟิสิกส์กลับไม่ถือเช่นนั้น กฎธรรมชาติส่วนใหญ่สามารถ “ย้อนเวลาได้” ซึ่งหมายความว่ากฎเหล่านี้จะใช้ได้เช่นเดียวกันหากเวลาถูกกำหนดให้เดินถอยหลัง แล้วทำไมเวลาจึงเดินไปข้างหน้าเสมอ และมันจะเดินไปข้างหน้าเสมอหรือไม่

เวลาต้องมีจุดเริ่มต้นใช่ไหม?

แนวคิดสากลเกี่ยวกับเวลาใดๆ ก็ตาม ท้ายที่สุดแล้วจะต้องอิงตามวิวัฒนาการของจักรวาลเอง เมื่อคุณมองขึ้นไปที่จักรวาล คุณจะเห็นเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นในอดีต ซึ่งต้องใช้เวลาแสงในการมาถึงเรา ในความเป็นจริง แม้แต่การสังเกตที่ง่ายที่สุดก็สามารถช่วยให้เราเข้าใจเวลาของจักรวาลได้ เช่น ความจริงที่ว่าท้องฟ้ายามค่ำคืนนั้นมืดมิด หากจักรวาลมีอดีตที่ไม่มีที่สิ้นสุดและมีพื้นที่ที่ไม่มีที่สิ้นสุด ท้องฟ้ายามค่ำคืนก็จะสว่างไสวอย่างสมบูรณ์ ซึ่งเต็มไปด้วยแสงจากดวงดาวจำนวนมากมายมหาศาลในจักรวาลที่ดำรงอยู่มาโดยตลอด

เป็นเวลานานแล้วที่นักวิทยาศาสตร์ รวมถึงอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ เคยคิดว่าจักรวาลหยุดนิ่งและไม่มีที่สิ้นสุด จากการสังเกตพบว่าจักรวาลกำลังขยายตัวและด้วยอัตราเร่งที่สูงขึ้น นั่นหมายความว่าจักรวาลต้องมีต้นกำเนิดมาจากสถานะที่กะทัดรัดกว่า ซึ่งเราเรียกว่าบิ๊กแบง ซึ่งหมายความว่าเวลาต้องมีจุดเริ่มต้น ที่จริงแล้ว หากเรามองหาแสงที่มีอายุมากพอ เราก็สามารถมองเห็นรังสีตกค้างจากบิ๊กแบงได้ ซึ่งก็คือไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล การเข้าใจเรื่องนี้ถือเป็นก้าวแรกในการกำหนดอายุของจักรวาล (ดูด้านล่าง)

แต่ทฤษฎีสัมพันธภาพพิเศษของไอน์สไตน์มีข้อติดขัดอยู่ประการหนึ่ง ซึ่งแสดงให้เห็นว่าเวลาเป็น... สัมพันธ์กัน ยิ่งคุณเคลื่อนที่เร็วเมื่อเทียบกับฉัน เวลาของคุณก็จะผ่านไปช้าลงเมื่อเทียบกับการรับรู้เวลาของฉัน ดังนั้นในจักรวาลของเราซึ่งมีกาแล็กซีที่ขยายตัว ดวงดาวที่หมุน และดาวเคราะห์ที่หมุนวน ประสบการณ์เกี่ยวกับเวลาจึงแตกต่างกันไป อดีต ปัจจุบัน และอนาคตของทุกสิ่งล้วนสัมพันธ์กัน

แล้วมีเวลาสากลที่เรา ทุกคน สามารถตกลงกันได้หรือไม่?

ไทม์ไลน์ของจักรวาล ออกแบบโดย Alex Mittelmann, Coldcreation/wikimedia, CC BY-SA

ปรากฏว่าเนื่องจากจักรวาลมีลักษณะเหมือนกันทุกแห่งโดยเฉลี่ย และมีลักษณะเหมือนกันทุกทิศทุกทางโดยเฉลี่ย จึงมี “เวลาจักรวาล” อยู่จริง ในการวัดเวลา เราเพียงแค่วัดคุณสมบัติของไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล นักจักรวาลวิทยาใช้คุณสมบัตินี้เพื่อกำหนดอายุของจักรวาล อายุจักรวาล ปรากฏว่าจักรวาลมีอายุ 13,799 ล้านปี

ลูกศรแห่งกาลเวลา

เราทราบดีว่าเวลาเริ่มต้นขึ้นในช่วงบิ๊กแบง แต่ยังมีคำถามกวนใจข้อหนึ่งที่ยังคงค้างคาใจอยู่ นั่นคือ เวลา คือ อะไรกันแน่

ในการไขข้อข้องใจนี้ เราต้องพิจารณาคุณสมบัติพื้นฐานของอวกาศและเวลา ในมิติของอวกาศ คุณสามารถเคลื่อนที่ไปข้างหน้าและถอยหลังได้ ผู้เดินทางพบเจอสิ่งนี้ทุกวัน แต่เวลาแตกต่างกัน มันมีทิศทาง คุณจะเคลื่อนที่ไปข้างหน้าเสมอ ไม่เคยถอยหลัง แล้วทำไมมิติของเวลาจึงย้อนกลับไม่ได้ นี่เป็นหนึ่งในปัญหาหลักที่ยังไม่ได้รับการแก้ไขในฟิสิกส์

เพื่ออธิบายว่าเหตุใดเวลาจึงไม่สามารถย้อนกลับได้ เราจำเป็นต้องค้นหากระบวนการในธรรมชาติที่ไม่สามารถย้อนกลับได้เช่นกัน แนวคิดทางฟิสิกส์ (และชีวิต!) ประการหนึ่งระบุว่าสิ่งต่างๆ มีแนวโน้มที่จะ "เป็นระเบียบ" น้อยลงเมื่อเวลาผ่านไป เราอธิบายสิ่งนี้โดยใช้คุณสมบัติทางกายภาพที่เรียกว่าเอนโทรปี ซึ่งเข้ารหัสว่าสิ่งใดมีระเบียบ

ลองนึกภาพกล่องแก๊สที่อนุภาคทั้งหมดถูกวางไว้ในมุมใดมุมหนึ่งในตอนแรก (สถานะที่มีระเบียบ) เมื่อเวลาผ่านไป อนุภาคจะพยายามเติมเต็มกล่องทั้งหมดโดยธรรมชาติ (สถานะที่ไม่มีระเบียบ) และการใส่อนุภาคกลับเข้าสู่สถานะที่มีระเบียบจะต้องใช้พลังงาน ซึ่งไม่สามารถย้อนกลับได้ เหมือนกับการตอกไข่เพื่อทำออมเล็ต เมื่อไข่ขยายออกและเต็มกระทะแล้ว มันจะไม่กลับมาเป็นไข่อีกเลย เช่นเดียวกับจักรวาล เมื่อจักรวาลพัฒนา เอนโทรปีโดยรวมจะเพิ่มขึ้น

น่าเสียดายที่มันไม่สามารถทำความสะอาดตัวเองได้ Alex Dinovitser/wikimedia , CC BY-SA

ปรากฏว่าเอนโทรปีเป็นวิธีที่ดีในการอธิบายลูกศรแห่งเวลา และแม้ว่าจักรวาลจะดูเหมือนมีระเบียบมากขึ้นแทนที่จะน้อยลง จากทะเลอันกว้างใหญ่ที่เต็มไปด้วยก๊าซร้อนที่กระจายตัวอย่างสม่ำเสมอในช่วงแรกเริ่ม ไปสู่ดวงดาว ดาวเคราะห์ มนุษย์ และสิ่งของเกี่ยวกับเวลา อย่างไรก็ตาม จักรวาลอาจกำลังมีความไม่เป็นระเบียบเพิ่มมากขึ้น นั่นเป็นเพราะแรงโน้มถ่วงที่เกี่ยวข้องกับมวลขนาดใหญ่อาจดึงสสารเข้าสู่สถานะที่ดูเหมือนจะมีระเบียบ โดยการเพิ่มขึ้นของความไม่เป็นระเบียบที่เราคิดว่าต้องเกิดขึ้นนั้นซ่อนอยู่โดยวิธีใดวิธีหนึ่งภายในสนามโน้มถ่วง ดังนั้น ความไม่เป็นระเบียบจึงอาจเพิ่มขึ้นแม้ว่าเราจะมองไม่เห็นก็ตาม

แต่เนื่องจากธรรมชาติมีแนวโน้มที่จะชอบความไม่เป็นระเบียบ เหตุใดจักรวาลจึงเริ่มต้นในสถานะที่มีระเบียบเช่นนี้ตั้งแต่แรก เรื่องนี้ยังคงเป็นปริศนา นักวิจัยบางคนโต้แย้งว่าบิ๊กแบงอาจไม่ใช่จุดเริ่มต้นด้วยซ้ำ อาจมี “จักรวาลคู่ขนาน” ที่เวลาเคลื่อนไปในทิศทางที่ต่างกัน

เวลาจะสิ้นสุดไหม?

เวลามีจุดเริ่มต้น แต่จะมีจุดสิ้นสุดหรือไม่นั้นขึ้นอยู่กับลักษณะของพลังงานมืดที่ทำให้มันขยายตัวด้วยอัตราเร่งที่เพิ่มขึ้น อัตราการขยายตัวนี้อาจทำลายจักรวาลจนแตกสลายในที่สุด ส่งผลให้จักรวาลสิ้นสุดลงด้วยการแตกสลายครั้งใหญ่ หรืออีกทางหนึ่ง พลังงานมืดอาจสลายตัว ทำให้เกิดการย้อนกลับของบิ๊กแบงและทำให้จักรวาลสิ้นสุดลงด้วยการแตกสลายครั้งใหญ่ หรือจักรวาลอาจขยายตัวไปตลอดกาลก็ได้

แต่สถานการณ์ในอนาคตเหล่านี้จะมีจุดสิ้นสุดของเวลาหรือไม่? ตามกฎที่แปลกประหลาดของกลศาสตร์ควอนตัม อนุภาคขนาดเล็กแบบสุ่มสามารถโผล่ออกมาจากสุญญากาศชั่วขณะ ซึ่งเป็นสิ่งที่พบเห็นได้บ่อยครั้งในการทดลองฟิสิกส์ของอนุภาค บางคนโต้แย้งว่าพลังงานมืดอาจทำให้เกิด "ความผันผวนของควอนตัม" ดังกล่าว ทำให้เกิดบิ๊กแบงครั้งใหม่ ซึ่งจะยุติเส้นเวลาของเราและเริ่มต้นเส้นเวลาใหม่ แม้ว่าเรื่องนี้จะเป็นเพียงการคาดเดาและไม่น่าจะเกิดขึ้นได้ แต่สิ่งที่เรารู้ก็คือ เมื่อเราเข้าใจพลังงานมืดแล้วเท่านั้น เราจึงจะรู้ชะตากรรมของจักรวาล

ผลลัพธ์ที่เป็นไปได้มากที่สุดคืออะไร? เวลาเท่านั้นที่จะบอกได้