8.8 จักรวาลวิทยามาตรฐานสสารมืดเย็นและค่าคงที่จักรวาลวิทยา

หน้าแรก ／ บทที่ 8: ทฤษฎีกรอบคิดที่ทฤษฎีเส้นพลังงานจะท้าทาย

เป้าหมายแบบสามขั้น
อธิบายให้ผู้อ่านเข้าใจว่าเหตุใดแบบจำลอง สสารมืดเย็นและค่าคงที่จักรวาลวิทยา จึงถูกยอมรับเป็นกรอบมาตรฐานมาอย่างยาวนาน; แบบจำลองนี้ติดขัดตรงไหนบ้างทั้งในเชิงสังเกตและเชิงฟิสิกส์; และ ทฤษฎีเส้นพลังงาน (EFT) เสนอภาษารวมแบบ “ทะเลพลังงาน–ภูมิประเทศเชิงเทนเซอร์” เพื่อทดแทนสามชิ้นส่วน “อนุภาคมืด + ค่าคงที่ Λ + การขยายตัวตามเมตริก” พร้อมชี้เบาะแสที่ทดสอบได้ข้ามหลายตัวชี้วัด

I. กระบวนทัศน์ปัจจุบันกล่าวอะไร

1. แกนหลักของข้อเสนอ

• อาศัยหลักจักรวาลวิทยาแบบเข้มและเรขาคณิตฉากหลังของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป
• องค์ประกอบ: สสารมืดเย็น (CDM) ขับเคลื่อนการเติบโตของโครงสร้าง; สสารปกติให้แสงสว่างแก่เทหวัตถุ; ค่าคงที่จักรวาลวิทยา (Λ) ก่อให้เกิดความเร่งตัวในยุคปลาย
• ความสัมพันธ์แดงเลื่อน–ระยะทางและวิวัฒนาการจักรวาลถูกกำกับโดยตัวคูณสเกล (การขยายตัวตามเมตริก)
• เพียงพารามิเตอร์ระดับสากจำนวนน้อยก็เชื่อมโยงการปรับให้พอดีกับยอดเสียงของ รังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล (CMB), ซูเปอร์โนวา, การสั่นของแบริออนเชิงเสียง (BAO), เลนส์โน้มถ่วงเชิงอ่อน และโครงสร้างขนาดใหญ่

2. เหตุผลที่ได้รับความนิยม

• พารามิเตอร์น้อยแต่เชื่อมโยงข้อมูลหลายชุดได้แน่นหนา
• เสถียรภาพเชิงวิศวกรรม: โซ่เครื่องมือเชิงตัวเลขและกระบวนการวิเคราะห์สุกงอมแล้ว
• ถ่ายทอดง่าย: เส้นเรื่องชัด เข้าใจและสื่อสารได้รวดเร็ว

3. ควรทำความเข้าใจอย่างไร

• แบบจำลองนี้เป็นกรอบเชิงปรากฏการณ์ระดับแรก: ทั้ง “Λ” และ “อนุภาคของสสารมืดเย็น” ยังไม่ถูกยืนยันในระดับจุลภาค เมื่อความแม่นยำสูงขึ้นและข้อมูลครอบคลุมกว้างขึ้น มักต้องพึ่งอิทธิพลป้อนกลับ ระบบความคลาด หรือองศาอิสระเสริมเพื่อคงความสอดคล้องข้ามตัวชี้วัด

II. ความยากและข้อถกเถียงจากการสังเกต

1. “ความตึง” ใกล้–ไกล และความต่างระหว่างระยะทางกับการเติบโต

• บันไดระยะทางต่างเส้นทางให้ความชันสากที่ต่างกันอย่างเป็นระบบ
• ฉากหลังที่ได้จากตัวชี้วัดเชิงระยะทางมักมีความตึงเล็กน้อยกับแอมพลิจูด/อัตราการเติบโตที่อนุมานจากเลนส์โน้มถ่วงเชิงอ่อน การนับกระจุก และความบิดเบือนในอวกาศแดงเลื่อน

2. วิกฤตสเกลเล็กและปรากฏการณ์ “เร็วเกินไป หนักเกินไป”

• จำนวนดวงบริวาร รูปร่างความหนาแน่นแกน–ซอง และดาราจักรแคระหนาแน่นยิ่งยวด มักต้องใช้อิทธิพลป้อนกลับที่แรงพร้อมการปรับจูน
• การปรากฏของดาราจักรมวลมากและมีความ “สุกงอม” สูงตั้งแต่ยุคต้น กดดันคำอธิบายเชิงประสิทธิภาพ

3. ความผิดปกติมุมใหญ่ในรังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาลและข้อกำหนด “ความแรงของเลนส์”

• การเรียงตัวที่ลำดับเชิงมุมน้อย ความไม่สมมาตรระหว่างสองซีกฟ้า และจุดเย็น ปรากฏร่วมกันเป็นชุด
• ความแรงของเลนส์ที่รังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาลพึงใจ ไม่ได้สอดคล้องกับอนุมานจากเลนส์โน้มถ่วงเชิงอ่อน/ตัวชี้วัดการเติบโตเสมอไป

4. ภาวะมีอยู่จริงและความเป็นธรรมชาติ

• แหล่งกำเนิดระดับจุลภาคของ ค่าคงที่จักรวาลวิทยา อธิบายให้เป็นธรรมชาติได้ยาก (ช่องว่างพลังงานสุญญากาศและปัญหาความบังเอิญ)
• สสารมืดเย็น ยังไม่ถูกยืนยันทั้งในห้องปฏิบัติการและการตรวจจับโดยตรง

ข้อสรุปสั้น
แบบจำลองนี้ประสบความสำเร็จมากในระดับแรก แต่เมื่อพิจารณาความพึ่งพาทิศ/สภาพแวดล้อม ตัวชี้วัดการเติบโต และพลวัตสเกลเล็กพร้อมกัน ยิ่งต้องพึ่ง “แผ่นปะ” หลายชั้น เพื่อคงความสอดคล้องระหว่างตัวชี้วัด

III. การเรียบเรียงใหม่ด้วยทฤษฎีเส้นพลังงาน และสิ่งที่ผู้อ่านจะสัมผัสได้

สรุปหนึ่งประโยค
ทฤษฎีเส้นพลังงานใช้แผนที่เดียวของทะเลพลังงานและภูมิประเทศเชิงเทนเซอร์แทน “Λ + อนุภาคสสารมืดเย็น + การขยายตัวตามเมตริก”:

• ความแดงเลื่อนเกิดจากสองผลเชิงเทนเซอร์เท่านั้น: ความแดงเลื่อนจากศักย์เชิงเทนเซอร์ (ความต่างฐานระหว่างแหล่งกำเนิดและผู้สังเกต) และ ความแดงเลื่อนตามเส้นทางแบบวิวัฒน์ (การเลื่อนความถี่สุทธิแบบไร้การกระจายที่สะสมเมื่อสัญญาณพาดผ่านภูมิประเทศเทนเซอร์ที่กำลังเปลี่ยนแปลง)
• แรงดึงเสริมมาจาก แรงโน้มถ่วงเชิงเทนเซอร์เชิงสถิติ (STG) ไม่ใช่นั่งร้านของอนุภาคมืด
• ภาพรวม “เร่งตัวช่วงปลาย” เกิดจากวิวัฒน์ช้า ๆ ของฉากหลังเชิงเทนเซอร์ ซึ่งปรากฏทั้งใน “บัญชีระยะทาง” และ “บัญชีการเคลื่อนที่” (ดูหัวข้อ 8.5)
• ความสอดประสานและเมล็ดพันธุ์ในยุคต้นมาจาก การไหลลงช้าในสภาพเทนเซอร์สูง และ การหยุดนิ่งแบบคัดเลือกในพื้นหลังเทนเซอร์ (TBN) (ดูหัวข้อ 8.3 และ 8.6)

อุปมาเข้าใจง่าย
จินตนาการว่าจักรวาลคือผิวน้ำทะเลที่ค่อย ๆ คลายตัว:

• การคลายตัวทำให้รอยย่นเรียบลงและปรับจูนทั้งระบบอย่างอ่อน (สองชนิดความแดงเลื่อนเชิงเทนเซอร์)
• ลวดลายผิวน้ำ (ภูมิประเทศเชิงเทนเซอร์) จัดระเบียบการรวมตัว–แยกตัวของสสาร เป็น “รางนำทางที่มองไม่เห็น” สำหรับการเติบโตของโครงสร้าง (แรงโน้มถ่วงเชิงเทนเซอร์เชิงสถิติ)
• การสังเกตหลายชนิดกำลังอ่านด้านต่าง ๆ ของ “แผนที่ผิวน้ำ” เดียวกัน (แผนที่ศักย์เชิงเทนเซอร์)

สามหัวใจของการเรียบเรียงใหม่

1. ตัวตนน้อยลง แผนที่เดียวกัน

• ไม่ต้องสมมติ “สสารของ Λ” หรือ “อนุภาคสสารมืดเย็น”
• ใช้แผนที่ศักย์เชิงเทนเซอร์เดียวกันอธิบายตัวชี้วัดระยะทาง เลนส์โน้มถ่วง เส้นโค้งการหมุน และรายละเอียดของการเติบโตของโครงสร้าง

2. คลายเงื่อนระหว่างระยะทางกับการเติบโต

• รูปลักษณ์ด้านระยะทางถูกครอบงำโดยผลรวมตามเวลา củaสองชนิดความแดงเลื่อนเชิงเทนเซอร์
• รูปลักษณ์ด้านการเติบโตถูกปรับอย่างอ่อนโดย แรงโน้มถ่วงเชิงเทนเซอร์เชิงสถิติ
  → เปิดทางให้ความต่างเล็ก ๆ ที่คาดได้ระหว่างข้อสรุปจากระยะทางกับจากการเติบโต จึงบรรเทาความตึงที่พบเดิม

3. ทำภาพส่วนเกิน แทนการกลบส่วนเกิน

• ความเบี่ยงเบนเล็กที่สอดคล้องตามทิศและตามสภาพแวดล้อม ไม่ถูกกวาดลง “ถังความผิดพลาด” แต่ถูกรวมเป็นพิกเซลของภูมิประเทศเชิงเทนเซอร์บนแผนที่เดียวกัน
• หากข้อมูลแต่ละชุดต้องใช้ “แผนที่ปะเฉพาะ” ของตน การเรียบเรียงแบบรวมของทฤษฎีเส้นพลังงานย่อมไม่ผ่านเกณฑ์

เบาะแสที่ตรวจสอบได้ (ตัวอย่าง)

• เงื่อนไขไร้การกระจาย: ความเลื่อนของแดงเลื่อนเคลื่อนพร้อมกันข้ามย่านแสงเชิงทัศน์ ใกล้อินฟราเรด และวิทยุ; หากพบการลื่นไถลที่ขึ้นกับสีอย่างชัด นั่นไม่สอดคล้องกับ ความแดงเลื่อนตามเส้นทางแบบวิวัฒน์
• การชี้ทิศทางสอดกัน: ส่วนเกินของฮับเบิลจากซูเปอร์โนวา ความต่างเล็กของไม้บรรทัด การสั่นของแบริออนเชิงเสียง การบรรจบกันสเกลใหญ่ของเลนส์โน้มถ่วงเชิงอ่อน และโหมดมุมน้อยของ รังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล เอียงไปในทิศเดียวกัน
• แผนที่เดียว ใช้ได้หลายงาน: แผนที่ศักย์เชิงเทนเซอร์เดียวกันลดทั้ง (i) ส่วนเกินของเลนส์ รังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล และเลนส์โน้มถ่วงเชิงอ่อน; (ii) แรงดึงบริเวณขอบนอกของเส้นโค้งการหมุนและแอมพลิจูดของเลนส์โน้มถ่วงเชิงอ่อน; (iii) เวลาหน่วงในเลนส์แรงและส่วนเกินแดงเลื่อนที่พ่วงกัน
• การตามสภาพแวดล้อม: แนวการมองที่ตัดผ่านโครงสร้างยักษ์ซับซ้อนให้ส่วนเกินของระยะทางและเลนส์มากขึ้นเล็กน้อย; ความต่างระดับต่ำกว่าเปอร์เซ็นต์ระหว่างสองซีกฟ้าสอดแนวกับทิศของแผนที่ฉากหลัง
• การ “เร่งสุก” ในยุคต้น: อัตราการพบดาราจักรหนาแน่นมวลมากที่แดงเลื่อนสูง เข้ากันได้กับแอมพลิจูดและช่วงเวลาที่อนุมานสำหรับ การไหลลงช้าในสภาพเทนเซอร์สูง

สิ่งที่ผู้อ่านจะรู้สึกถึงการเปลี่ยนแปลง

• ระดับแนวคิด: จาก “อนุภาคมืด + Λ + การยืดของปริภูมิ” สู่ “แผนที่ศักย์เชิงเทนเซอร์เดียว + ความแดงเลื่อนเชิงเทนเซอร์สองชนิด + แรงโน้มถ่วงเชิงเทนเซอร์เชิงสถิติ”
• ระดับวิธีวิทยา: เลิกบีบแบนส่วนเกิน แต่สร้างภูมิประเทศเทนเซอร์จากภาพส่วนเกิน และทดสอบหลัก “แผนที่เดียวใช้ได้หลายตัวชี้วัด”
• ระดับความคาดหวัง: ใส่ใจลวดลายเล็กที่สอดทิศและตามสภาพแวดล้อม รวมถึงลักษณะไร้การกระจาย แทนการพึ่งพาพารามิเตอร์สากเพื่อ “มัด” ข้อมูลทั้งหมดเข้าด้วยกัน

ชี้แจงสั้น ๆ ต่อความเข้าใจผิดที่พบบ่อย

• ทฤษฎีเส้นพลังงานปฏิเสธความสำเร็จของแบบจำลองมาตรฐานหรือไม่? ไม่ ทฤษฎีเส้นพลังงานคงรูปลักษณ์ที่เข้ากับข้อมูลไว้ แต่เรียบเรียงเหตุด้วยสมมติน้อยลงและแผนที่เดียว
• นี่เหมือนแรงโน้มถ่วงดัดแปลงหรือ MOND หรือไม่? ต่าง แรงดึงเสริมมาจาก แรงโน้มถ่วงเชิงเทนเซอร์เชิงสถิติ และเกณฑ์หลักคือความสอดคล้องข้ามตัวชี้วัดบนแผนที่เดียว
• ไม่มีการขยายตัวตามเมตริก ยังได้กฎของฮับเบิลโดยประมาณหรือไม่? ได้ เพราะความแดงเลื่อนเชิงเทนเซอร์สองชนิดรวมกันใกล้เชิงเส้นที่แดงเลื่อนต่ำ จึงได้ความสัมพันธ์คุ้นเคย
• ไม่มีอนุภาคสสารมืดเย็นแล้วโครงสร้างขนาดใหญ่ก่อรูปอย่างไร? นั่งร้านมาจาก ภูมิประเทศเชิงเทนเซอร์ ร่วมกับ แรงโน้มถ่วงเชิงเทนเซอร์เชิงสถิติ ซึ่งยังอธิบายสเกลของเส้นโค้งการหมุนและการเทียบสเกลของเลนส์โน้มถ่วงได้ด้วย

สรุป
แบบจำลองมาตรฐานนี้เป็นกรอบระดับศูนย์ที่สำเร็จที่สุด ใช้พารามิเตอร์น้อยเพื่ออธิบายการสังเกตมากชนิด ทว่าเมื่อพิจารณาส่วนเกินตามทิศ/สภาพแวดล้อม ตัวชี้วัดการเติบโต และพลวัตสเกลเล็กพร้อมกัน ก็ยิ่งต้องพึ่งแผ่นปะ ทฤษฎีเส้นพลังงานเสนอภาวะมีตัวตนน้อยลงและแผนที่ศักย์เชิงเทนเซอร์เพียงแผ่นเดียว:

• ด้านระยะทางอธิบายด้วย ความแดงเลื่อนจากศักย์เชิงเทนเซอร์ รวมกับ ความแดงเลื่อนตามเส้นทางแบบวิวัฒน์
• แรงดึงเสริมมาจาก แรงโน้มถ่วงเชิงเทนเซอร์เชิงสถิติ
• รังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล, เลนส์โน้มถ่วง, เส้นโค้งการหมุน และการเติบโตของโครงสร้าง ถูกจัดให้อยู่ในแนวเดียวกันผ่านหลัก “แผนที่เดียวใช้ได้หลายตัวชี้วัด”

ดังนั้น “จักรวาลวิทยามาตรฐานสสารมืดเย็นและค่าคงที่จักรวาลวิทยา” จึงเปลี่ยนจาก “คำอธิบายเพียงหนึ่งเดียว” มาเป็นการสรุปลักษณะปรากฏที่ รวมเป็นหนึ่งและเรียบเรียงใหม่ได้ ความรู้สึกถึง “ความจำเป็น” ของมันจึงจางลงอย่างเป็นธรรมชาติ