8.6 ที่มามาตรฐานของพื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาล

หน้าแรก ／ บทที่ 8: ทฤษฎีกรอบคิดที่ทฤษฎีเส้นพลังงานจะท้าทาย

เป้าหมายสามส่วน

• ช่วยให้ผู้อ่านเข้าใจว่าแนวคิดมาตรฐานอธิบายที่มาและ “ลวดลาย” ของ พื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาล (CMB) อย่างไร และเหตุใดเรื่องเล่านี้จึงครองความนิยมยาวนาน
• ชี้ว่ารายละเอียดเชิงสังเกตใดที่ท้าทายซ้ำๆ เช่น ความผิดปกติในมุมกว้าง ระดับ “ความแรง” ของเลนส์โน้มถ่วงที่ค่าที่ชอบ และความตึงเครียดข้ามชุดข้อมูล
• เสนอการเรียบเรียงใหม่แบบเอกภาพบนฐานฟิสิกส์เดียวกัน: ใช้ สัญญาณรบกวนเฉพาะที่แบบเทนเซอร์ (TBN) เป็น “ฉากหลังที่ถูกทำให้เป็นความร้อน” และ แรงโน้มถ่วงเทนเซอร์เชิงสถิติ (STG) เป็น “ภาพซ้อนเชิงภูมิประเทศ” โดยแรงขับจุลภาคมาจาก อนุภาคไม่เสถียรเชิงทั่วไป (GUP) ตลอดทั้งเอกสาร หลังจากนิยามครั้งแรกแล้วจะใช้เฉพาะชื่อเต็มภาษาไทย และเมื่อกล่าวถึงกรอบ ทฤษฎีเส้นพลังงาน (EFT) ครั้งแรกแล้ว ต่อจากนั้นจะใช้เฉพาะคำว่า ทฤษฎีเส้นพลังงาน

I. แนวคิดกระแสหลักกล่าวว่าอย่างไร

1. แก่นของข้อเสนอ

• จักรวาลระยะต้นเป็นพลาสมาร้อนซึ่งโฟตอนเชื่อมต่ออย่างแรงกับสสารมีประจุ เมื่อเอกภพเย็นตัวและเจือจาง การรวมตัวใหม่–การแยกตัว (recombination–decoupling) ทำให้โฟตอนเป็นอิสระ ทิ้งฉากหลังที่ใกล้เคียงวัตถุดำอุณหภูมิประมาณ 2.7 K ซึ่งเรารู้จักกันว่าเป็นพื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาล
• ความไม่เป็นเอกพันธ์ของอุณหภูมิมาจากความปั่นป่วนปฐมภูมิ ช่วง “เสียงเชิงจักรวาล” ของระบบโฟตอน–แบริออนสร้างรูปแบบยอด–หุบเป็นจังหวะ ส่วนโหมด E ของโพลาไรเซชันยืนยันรูปแบบเดียวกันกับสเปกตรัมอุณหภูมิ
• โครงสร้างขนาดใหญ่ที่เกิดภายหลังปรับภาพของพื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาลเพียงเล็กน้อย: เลนส์โน้มถ่วงทำให้สเกลเล็กเรียบมน (พร้อมการรั่วไหล E→B) และการเปลี่ยนศักย์ตามเส้นทางเดินทางของแสง—เช่น เอฟเฟกต์ Sachs–Wolfe แบบอินทิเกรต (ISW)—มักถูกมองเป็นการแก้ไขลำดับสอง

2. เหตุผลที่กรอบนี้ได้รับความนิยม

• เข้มแข็งเชิงปริมาณ: ตำแหน่งยอดและสัดส่วนความสูงระหว่างยอดในสเปกตรัมกำลังของอุณหภูมิ–โพลาไรเซชันทำนายและฟิตได้แม่นยำสูง
• รวมข้อมูลได้ดี: กรอบเดียวกันผูกเงื่อนไขร่วมกันได้ทั้งอุณหภูมิ โพลาไรเซชัน เลนส์โน้มถ่วง และบรรทัดฐานเชิงมุม
• พารามิเตอร์น้อย: ใช้อิสระไม่กี่ตัวแต่สรุปค่าจักรวาลวิทยาได้แม่น ทำให้ง่ายต่อการเทียบและสื่อสาร

3. ควรอ่านอย่างไร

• นี่คือเรื่องเล่า “ประวัติศาสตร์ความร้อน + ความปั่นป่วนปฐมภูมิ” ที่เติม “การแต่งปลายทางเล็กน้อย” สำหรับความผิดปกติมุมกว้างและความตึงเครียดข้ามชุดข้อมูล มักตีความเป็นความบังเอิญเชิงสถิติหรือระบบคลาดเคลื่อนเพื่อคงความสอดคล้องโดยรวม

II. จุดยากและประเด็นถกเถียงจากการสังเกต

1. ความ “ผิดฝูง” เล็กน้อยในสเกลมุมกว้าง

• การเรียงแนวของลำดับหลายขั้วต่ำ ความไม่สมมาตรระดับซีกฟ้า และ “จุดเย็น (Cold Spot)” เมื่อพิจารณาเดี่ยวๆ ไม่ใช่ปัญหาใหญ่ แต่เมื่อเกิดร่วมกันและคงอยู่ยาวนาน ก็ยากจะอธิบายว่าเป็นเพียงความบังเอิญ

2. แนวโน้มชอบเลนส์โน้มถ่วงที่แรงกว่า

• การฟิตพื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาลมักเอนเอียงไปที่การทำให้เรียบจากเลนส์โน้มถ่วงที่แรงกว่าเล็กน้อย ซึ่งไม่สอดคล้องระดับกับสิ่งที่อนุมานจากเลนส์โน้มถ่วงเชิงอ่อนและตัวชี้วัดการเติบโตของโครงสร้างเสมอไป

3. ความเงียบของคลื่นความโน้มถ่วงปฐมภูมิ

• สัญญาณโหมด B ที่คาดหวังยังไม่ถูกยืนยัน ทำให้ “เรื่องเล่าที่เรียบง่ายที่สุดของยุคต้นเอกภพ” ต้องอ่อนลงหรือซับซ้อนขึ้น

4. ความตึงเครียดเล็กๆ ข้ามชุดข้อมูล

• “ภาพปลายทาง” ที่อนุมานจากพื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาลเบี่ยงเบนอย่างเป็นระบบเล็กน้อยเมื่อเทียบกับเลนส์โน้มถ่วงเชิงอ่อน ความผิดรูปในปริภูมิแดง และการเติบโตของกระจุก ต้องอาศัยแบบจำลองป้อนกลับ ระบบคลาดเคลื่อน หรืออิสระเพิ่มเพื่อไกล่เกลี่ย

ข้อสรุปสั้น

• ที่มามาตรฐานประสบความสำเร็จมากในระดับลำดับหนึ่ง ทว่าในรายละเอียดอย่างความผิดปกติมุมกว้าง ความแรงเลนส์ และความสอดคล้องระหว่างชุดข้อมูล ยังเปิดช่องให้ตีความใหม่ได้

III. การเรียบเรียงใหม่ของทฤษฎีเส้นพลังงาน และสิ่งที่ผู้อ่าน “สัมผัสได้”

หนึ่งประโยคของทฤษฎีเส้นพลังงาน

• กระดูกสันหลัง 2.7 K ของพื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาลเกิดจากสัญญาณรบกวนเฉพาะที่แบบเทนเซอร์ที่ถูก “ทำให้ดำ” อย่างรวดเร็วภายใน “หม้อหนาแน่น” ยุคต้น (การเชื่อมต่อแรง การกระเจิงแรง และระยะวิถีอิสระเฉลี่ยสั้นมาก) จึงได้ฉากหลังที่ถูกทำให้เป็นความร้อนใกล้วัตถุดำ รายละเอียดลวดลายถูกตรึงด้วยภาพซ้อนเชิงภูมิประเทศจากแรงโน้มถ่วงเทนเซอร์เชิงสถิติร่วมกับจังหวะเชิงเสียง ระหว่างการเดินทางผ่านเอกภพ ภาพถูกปรับเล็กน้อยแบบไร้สีด้วยเลนส์และวิวัฒน์เส้นทางภายใต้แรงโน้มถ่วงเทนเซอร์เชิงสถิติ ในระดับจุลภาค อนุภาคไม่เสถียรเชิงทั่วไปคอยฉีดพลังงานและ “ดึง–กระเจิง” อย่างต่อเนื่อง

อุปมาเข้าใจง่าย

• มองพื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาลเป็นแผ่นฟิล์มเนกาทีฟที่ล้างเสร็จแล้ว:
  • ฉากหลัง ถูกตั้งสเกลเดียวกันโดย “น้ำซุป” ร้อนยุคต้นที่ถูกทำให้ดำอย่างรวดเร็ว
  • ลวดลาย คือผลรวมของ “จังหวะหน้ากลอง” (เสียง) กับ “เงาภูมิประเทศ” (ภูมิประเทศของเทนเซอร์)
  • แผ่นกระจก ระหว่างทางขรุขระเล็กน้อยและแปรรูปช้า (เลนส์ + วิวัฒน์เส้นทาง) ทำให้ภาพถูกนวดกลมและเลื่อนทั้งก้อนแบบไม่ขึ้นกับความถี่

สามแกนสำคัญของการเรียบเรียง

1. แยก “ฉากหลัง” ออกจาก “ลวดลาย” (กลไกชัดขึ้น)
   • ฉากหลัง (ส่วนหลัก): สัญญาณรบกวนเฉพาะที่แบบเทนเซอร์ถูกทำให้ดำเร็วในหม้อหนาแน่น ลบอคติ “ย่านความถี่ไหนสว่างกว่า” และกำหนดฉากหลังใกล้วัตถุดำ เมื่อช่องทางจุลภาคที่ “ผสมสี” ค่อยๆ แข็งตัว อุณหภูมิฉากหลังจึงถูก “ล็อก” เป็นมาตรฐาน 2.7 K
   • ลวดลาย (รายละเอียด):
     • สลักแบบเสียง: การอัด–ดีดของโฟตอน–แบริออนรวมเฟสกันได้เฉพาะในหน้าต่างความสอดคล้อง จึงเกิดช่วงห่างยอดที่จำแนกได้และความต่างระหว่างยอดคี่–คู่
     • ภาพซ้อนภูมิประเทศ: ภูมิประเทศของเทนเซอร์ (บ่อศักย์/สันศักย์) โปรยข้อมูล “ตรงไหนลึก/ตื้นกว่า” ลงบนฟิล์ม กำหนดโทนกว้างของมุมใหญ่
     • แกนหลักของโพลาไรเซชัน: การกระเจิงแบบไม่สมมาตรขณะการแยกตัวสร้างโหมด E ที่มีระเบียบ สอดรับกับจังหวะอุณหภูมิ
2. ความผิดปกติ = “รอยค้าง” (ไม่ใช่ถังทิ้งสัญญาณรบกวน)
   การเรียงแนวของลำดับหลายขั้วต่ำ ความต่างระหว่างซีกฟ้า และจุดเย็น อ่านได้ว่าเป็นลายนิ้วมือของรอยค้างระดับมุมมหึมาของเทนเซอร์ และควรมีก้องร่วมทิศในแผนที่การรวมตัวของเลนส์เชิงอ่อนและความคลาดเคลื่อนของระยะทาง แทนที่จะโยนให้เป็น “บังเอิญ/ระบบคลาดเคลื่อน” อย่างเดียว
3. แผนที่เดียว ใช้ได้หลายชุดข้อมูล
   • ใช้แผนที่ศักย์แบบเทนเซอร์แผนที่เดียวกันเพื่ออธิบายพร้อมกัน:
     • ทิศทางเด่นของลำดับหลายขั้วต่ำและการทำให้เรียบของสเกลเล็กในพื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาล
     • การรวมตัวและทิศทางเด่นในเลนส์เชิงอ่อน/การเฉือนจักรวาล
     • ความต่างระยะทางตามทิศในซูเปอร์โนวากับ การสั่นพ้องเชิงเสียงของแบริออน (BAO)
     • “แรงดึงพิเศษ” บริเวณขอบชั้นจานของดาราจักร
   • หากแต่ละชุดข้อมูลต้องการ “ผ้าปะ” คนละผืน แผนการเรียบเรียงแบบเอกภาพย่อมไม่ผ่านการสนับสนุน

เงื่อนงำที่ทดสอบได้ (ตัวอย่าง)

• ความสัมพันธ์ E/B–การรวมตัวที่เพิ่มขึ้นเมื่อสเกลเล็กลง: โหมด B ควรมีสหสัมพันธ์แรงขึ้นกับแผนที่การรวมตัว (หรือการเฉือนจักรวาล) ที่มุมเล็ก สอดคล้องกับกลไก “ดัดตามเส้นทางเดิน”
• ร่องรอยไร้สีของเส้นทาง: การเลื่อนทั้งก้อนของอุณหภูมิที่สัมพันธ์กับพื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาลควรเคลื่อนพร้อมกันทุกย่านความถี่ บ่งชี้การวิวัฒน์เส้นทางมากกว่าฝุ่นเบื้องหน้าที่มีสี
• บรรจบสู่แผนที่ฐานเดียวกัน: ใช้แผนที่ศักย์เทนเซอร์เดียวกันเพื่อลดส่วนเกินในเลนส์ของพื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาลและเลนส์ของดาราจักรพร้อมกัน หากต้องคนละแผนที่ การเรียบเรียงเอกภาพย่อมล้มเหลว
• เสียงก้องของรอยค้าง: ทิศของจุดเย็น/การเรียงแนวลำดับหลายขั้วต่ำควรปรากฏสหสัมพันธ์อ่อนๆ แต่สม่ำเสมอ ในความคลาดเคลื่อนของระยะทาง การซ้อนเอฟเฟกต์ Sachs–Wolfe แบบอินทิเกรต และแผนที่การรวมตัว
• “ไม้บรรทัดเดียว รายละเอียดเดียวกัน” ระหว่าง BAO–พื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาล: ไม้บรรทัดจากยอดเชิงเสียงควรตรงกับไม้บรรทัด BAO ใต้แผนที่ฐานเดียว ไม่ใช่ปรับจูนแยกกัน

สิ่งที่ผู้อ่านจะรู้สึกได้

• ระดับแนวคิด: เปลี่ยนจาก “แสงเรืองหลงเหลือจากการระเบิด” เป็น “ฉากหลังที่ถูกทำให้เป็นความร้อนด้วยสัญญาณรบกวนเฉพาะที่แบบเทนเซอร์ + ลวดลายจากภาพซ้อนภูมิประเทศของเทนเซอร์” และยกระดับ “ความผิดปกติ” ให้เป็นรอยค้างที่ใช้สร้างภาพร่วม
• ระดับระเบียบวิธี: ใช้การถ่ายภาพส่วนเกินเพื่อ “วาดภูมิประเทศ” และต้องการให้พื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาล เลนส์เชิงอ่อน และความคลาดเคลื่อนของระยะทาง เรียงทิศ–เรียงสิ่งแวดล้อมสอดคล้องกัน
• ระดับความคาดหวัง: ไม่ฝากความหวังไว้กับโหมด B ที่แรง ให้จับตาอคติเล็กๆ ที่สอดทิศ การบรรจบของเลนส์กับระยะทางบนแผนที่ฐานเดียว และรอยเลื่อนทั้งภาพแบบไร้สีจากวิวัฒน์เส้นทาง

ชี้แจงความเข้าใจผิดที่พบบ่อย

• ปฏิเสธความเป็นวัตถุดำหรือไม่? ไม่ ปรากฏการณ์วัตถุดำเป็นผลโดยตรงของการทำให้ดำอย่างรวดเร็วโดยสัญญาณรบกวนเฉพาะที่แบบเทนเซอร์ในยุคต้น
• ยอดเชิงเสียงยังอยู่หรือไม่? ยังอยู่ ยอดคือโครงกระดูกของลวดลายและร่วมสร้างภาพกับภูมิประเทศของเทนเซอร์
• สัญญาณรบกวนในปัจจุบันรวมกันเป็นพื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาลได้ไหม? ไม่ได้ พื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาลคือฟิล์มที่ “ตรึงภาพ” ตั้งแต่ยุคต้น ต่อมามีเพียงการแต่งภาพเล็กน้อย
• ทุกอย่างถูกอธิบายเป็นผลกระทบจากสิ่งแวดล้อมหรือไม่? ไม่ เรานับเฉพาะม็อติฟทิศทาง/สิ่งแวดล้อมที่ทำซ้ำได้และจัดแนวได้เป็นหลักฐานของภูมิประเทศเทนเซอร์ ที่เหลือปฏิบัติตามวิธีจัดการระบบคลาดเคลื่อนมาตรฐาน

สรุปตอน

1. แนวคิดมาตรฐาน—“ประวัติศาสตร์ความร้อน + ความปั่นป่วนปฐมภูมิ”—บรรยายกระดูกสันหลังและจังหวะของพื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาลได้อย่างแม่นยำ แต่ยังดู “ปะติดปะต่อ” ในเรื่องความผิดปกติมุมกว้าง ความแรงเลนส์ และความสอดคล้องข้ามชุดข้อมูล
2. การเรียบเรียงแบบทะเลเส้นพลังงานของทฤษฎีเส้นพลังงานทำให้พื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาลเป็นหนึ่งเดียวว่า “ฉากหลังที่ถูกทำให้เป็นความร้อนด้วยสัญญาณรบกวนเฉพาะที่แบบเทนเซอร์ + ลวดลายจากภาพซ้อนภูมิประเทศของเทนเซอร์”:
   • ฉากหลัง ใกล้วัตถุดำและสม่ำเสมอสูงจากการทำให้ดำอย่างรวดเร็วในหม้อหนาแน่นยุคต้น
   • ลวดลาย ใช้จังหวะเชิงเสียงกำหนดไม้บรรทัด และภูมิประเทศของเทนเซอร์กำหนดทิศ
   • ตามเส้นทางเดินของแสง แรงโน้มถ่วงเทนเซอร์เชิงสถิติดัดและทำให้เรียบ ก่อโหมด B อ่อน และวิวัฒน์เส้นทางทิ้งการเลื่อนทั้งภาพแบบไร้สี
3. ผลเชิงระเบียบวิธี: ทำให้ “แผนที่เดียวใช้กับหลายชุดข้อมูล” เป็นจริงบนแผนที่ศักย์เทนเซอร์เดียว แปลง “ความผิดปกติ” ให้เป็นหลักฐานสำหรับการสร้างภาพร่วม ด้วยสมมติฐานที่น้อยลงและการทดสอบที่เข้มแข็งกว่า