3.19 การบิดเบนด้วยแรงโน้มถ่วง vs การหักเหในสสาร: เส้นแบ่งระหว่างเรขาคณิตพื้นหลังกับการตอบสนองของวัสดุ

หน้าแรก ／ บทที่ 3: จักรวาลในระดับมหภาค

I. แผนที่ภาพรวมสำหรับผู้อ่าน

• การบิดเบนด้วยแรงโน้มถ่วง: แสงเดินทางตามเส้นทางเรขาคณิตที่ยาวขึ้นใน “พื้นหลังที่แน่นกว่า” ใกล้วัตถุมวลมาก ความโค้งของพื้นหลังสูงขึ้น ทำให้ลำแสงโค้งเข้าหาด้านที่ “แน่นกว่า” ในเชิงเฉพาะที่ ขีดจำกัดการแพร่กระจายอาจสูงขึ้น แต่เพราะเส้นทางถูกยืดออก เวลารวมมักเพิ่มขึ้น ผลนี้ไม่ขึ้นกับสี และใช้ได้กับ “ผู้ส่งสาร” หลายชนิด เช่น โฟตอนและคลื่นความโน้มถ่วง
• การหักเหในสสาร: ภายในวัสดุ แสงจับคู่ซ้ำๆ กับประจุถูกยึด ทำให้ความเร็วเชิงประสิทธิผลลดลงและเกิดการกระจายตามความถี่ การเปลี่ยนเส้นทางเกิดเด่นที่ผิวรอยต่อและภายในตัววัสดุ พร้อมการดูดกลืน การกระเจิง และการกว้างพัลส์

II. ความแตกต่างหลัก (สี่ “การ์ดเส้นแบ่ง”)

1. มีการกระจายตามความถี่หรือไม่:
   • การบิดเบนด้วยแรงโน้มถ่วง: ไม่เกิดการกระจายตามความถี่; ทุกย่านคลื่นโค้งและหน่วงร่วมกัน
   • การหักเหในสสาร: เกิดการกระจายชัดเจน; มุมหักเหของแสงสีน้ำเงิน–สีแดงต่างกัน ลำดับเวลามาถึงของพัลส์ถูกดึงออก
2. ที่มาของเวลาหน่วง:
   • การบิดเบนด้วยแรงโน้มถ่วง: ในเชิงเฉพาะที่อาจ “เร็วกว่า” แต่เส้นทางโค้งที่ยาวกว่าครอบงำ ทำให้เวลาไป–กลับเพิ่มขึ้น
   • การหักเหในสสาร: ความเร็วเชิงประสิทธิผลลดลงจากการจับคู่–แผ่รังสีซ้ำๆ; การดูดกลืนและการกระเจิงหลายครั้งเพิ่มความล่าช้าได้
3. พลังงานและความเป็นเชิงสอดคล้อง:
   • การบิดเบนด้วยแรงโน้มถ่วง: การเปลี่ยนแปลงมีลักษณะเชิงเรขาคณิตเป็นหลัก; การสูญเสียพลังงานเล็กน้อย และความสอดคล้องมักคงอยู่
   • การหักเหในสสาร: มักมาคู่กับการดูดกลืน สัญญาณรบกวนความร้อน และการสูญเสียความสอดคล้อง; พัลส์และลายสอดแทรก “กว้างขึ้น”
4. สิ่งที่ได้รับผล:
   • การบิดเบนด้วยแรงโน้มถ่วง: โฟตอน คลื่นความโน้มถ่วง และนิวทริโน ปฏิบัติตามกฎเรขาคณิตเดียวกัน
   • การหักเหในสสาร: ส่งผลต่อคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่จับคู่กับสสาร; คลื่นความโน้มถ่วงแทบ “ไม่สนใจ” แก้ว

III. ภาพตัดขวางสองแบบ

1. การบิดเบนด้วยแรงโน้มถ่วง (เรขาคณิตพื้นหลัง):
   • ฉากสังเกต: ใกล้กาแล็กซี หลุมดำ กระจุกกาแล็กซี
   • ลักษณะภายนอก: ลำแสงโค้งเข้าหาด้านที่ “แน่นกว่า”; เลนส์ความโน้มถ่วงแบบแรงให้ภาพหลายภาพและโค้งแสง ส่วนแบบอ่อนให้แรงเฉือนและการรวมตัวเล็กน้อย
   • การจับเวลา: เส้นทางเรขาคณิตหลายเส้นจากแหล่งเดียวกันก่อให้เกิดความต่างเวลาหน่วงที่ไม่กระจายตามความถี่; ทุกย่านคลื่น “มาเร็ว–มาช้า” ร่วมกัน
   • การวินิจฉัย: เปรียบเทียบความต่างเวลาและมุมเบนข้ามย่านคลื่นและข้ามผู้ส่งสาร หากเลื่อนไปทิศเดียวกันและอัตราส่วนคงที่ ชี้ไปที่เรขาคณิตพื้นหลัง
2. การหักเหในสสาร (การตอบสนองของวัสดุ):
   • ฉากสังเกต: แก้ว น้ำ เมฆพลาสมา ชั้นฝุ่น
   • ลักษณะภายนอก: มุมหักเหเปลี่ยนตามความยาวคลื่น; มักมีการสะท้อน การกระเจิง และการดูดกลืนร่วม
   • การจับเวลา: พัลส์กว้างขึ้น; ในพลาสมา ความถี่ต่ำล่ามากกว่า เส้นโค้งการกระจายเห็นได้ชัดและวัดได้
   • การวินิจฉัย: เมื่อหักล้างสสารเบื้องหน้าเท่าที่ทราบแล้ว หากยังเหลือการกระจายอย่างมีนัย สำรวจสื่อที่ยังไม่ถูกรวมแบบจำลอง; หากการกระจายหายไปแต่ยังมีการเลื่อนร่วม กลับไปอธิบายด้วยเรขาคณิตพื้นหลัง

IV. เกณฑ์เชิงสังเกตและเช็กลิสต์ภาคสนาม

• การวัดร่วมหลายย่านคลื่น: หากช่วงแสงเชิงทัศน์–อินฟราเรดใกล้–วิทยุ ตามเส้นทางโค้งเดียวกันและมีเวลาหน่วงร่วม โดยไม่เกิดการกระจาย ให้จัดเป็นการบิดเบนด้วยแรงโน้มถ่วงก่อน
• การตรวจทานข้ามผู้ส่งสาร: หากแสงและคลื่นความโน้มถ่วง (หรือ นิวทริโน) แสดงความต่างเวลามาถึงในทิศเดียวกันและขนาดใกล้เคียง ให้ชี้ไปที่เรขาคณิตพื้นหลัง มากกว่าการกระจายในสสาร
• การหาผลต่างระหว่างหลายภาพ (เลนส์แบบแรง): หาผลต่างเส้นโค้งสว่างระหว่างภาพของแหล่งเดียวกันเพื่อหักล้างความแปรผันของแหล่ง; หากส่วนเหลือยัง ไม่กระจาย และยังสัมพันธ์กัน บ่งชี้ความต่างของเส้นทางเรขาคณิต
• เส้นโค้งการกว้างพัลส์: หากความล่าช้าเพิ่มอย่างเป็นระบบตามความถี่ พร้อมการลดลงของความสอดคล้อง ให้ระบุว่าเกิดจากการกระจายและการดูดกลืนของสื่อ

V. คำตอบสั้นต่อความเข้าใจผิดที่พบบ่อย

1. แสง “ช้าลง” ใกล้วัตถุมวลมากหรือไม่?
   • ในเชิงเฉพาะที่: ขีดจำกัดการแพร่กระจายอาจสูงขึ้น
   • ในมุมมองจากระยะไกล: เส้นทางยาวและโค้งกว่า จึงใช้เวลารวมมากขึ้น ข้อความทั้งสองอ้างถึงตัวชี้วัดคนละแบบ และไม่ขัดกัน
2. การหักเหในสสารปลอมตัวเป็นเลนส์ความโน้มถ่วงได้ไหม?
   ในย่านคลื่นกว้างและข้ามผู้ส่งสาร มีโอกาสต่ำ: สื่อวัสดุทำให้เกิดการกระจายและสูญเสียความสอดคล้อง ขณะที่เลนส์ความโน้มถ่วง ไม่กระจายตามความถี่ และใช้ได้กับผู้ส่งสารหลายชนิด
3. ดูเพียงย่านคลื่นเดียวพอจะแยกแยะไหม?
   เสี่ยงสูง วิธีที่มั่นคงคือผสานหลายย่านคลื่น + หลายผู้ส่งสาร + ผลต่างระหว่างหลายภาพ

VI. จุดเชื่อมกับส่วนอื่นของหนังสือ

• กับ §1.11 แรงโน้มถ่วงเทนเซอร์เชิงสถิติ (STG): การบิดเบนด้วยแรงโน้มถ่วงคือภาพตรงไปตรงมาของกฎ “ไหลไปตามความชัน” ของแรงโน้มถ่วงเทนเซอร์เชิงสถิติ
• กับ §1.12 สัญญาณรบกวนพื้นหลังแบบเทนเซอร์: เชิงสังเกตมักเห็นลำดับ “รบกวนมาก่อน แรงตามมา” — พื้นหลังรบกวนยกค่าฐาน แล้วเทอมเรขาคณิตจึงลึกขึ้น
• กับ §8.4 การทบทวนการเลื่อนสีแดง: การเลื่อนความถี่ที่ ไม่กระจายตามความถี่ และการเลื่อนเวลาเมื่อสะสมบนเส้นทางยาว เป็น “เทอมเส้นทาง” ของเรขาคณิตพื้นหลังและวิวัฒนาการของมัน
• กับ §8.6 การทบทวนพื้นหลังไมโครเวฟจักรวาล (CMB): แบบจำลอง “เนกาทีฟ + ล้างภาพ” ในเอกภพยุคแรกพึ่งพาผลพื้นหลังที่ ไม่กระจายตามความถี่; ต้องลอกสสารเบื้องหน้าอย่างเป็นระบบเพื่อเห็นพื้นหลังไมโครเวฟจักรวาลที่แท้จริง

VII. สรุป

• สั้นๆ หนึ่งบรรทัด: การบิดเบนด้วยแรงโน้มถ่วงเปลี่ยน “รูปทรงของเส้นทาง”; การหักเหในสสารเปลี่ยน “วิธีการเคลื่อนที่ภายในตัวสื่อ”
• สิ่งที่ต้องตรวจ: การกระจายตามความถี่ ความสอดคล้อง ผลต่างระหว่างหลายภาพ และความสอดคล้องกันข้ามผู้ส่งสาร
• วิธีจัดหมวด: จัด “การเลื่อนร่วม” เข้าสู่เรขาคณิตพื้นหลัง และจัด “การกว้างที่มีการกระจาย” เข้าสู่การตอบสนองของวัสดุ แล้ววางทั้งสองบนแผนที่ความโค้งพื้นหลังเดียวกัน