เหตุใดเอกภพจึงไม่ขยายตัวอย่างสม่ำเสมอในทุกทิศทาง และเกี่ยวข้องอย่างไรกับเรขาคณิตของกาลอวกาศ
นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่เชื่อว่าอวกาศนั้นแบบนและโค้งงอ เพราะการมีอยู่ของสสาร (ซึ่งส่งผลให้เกิดแรงโน้มถ่วง) ทฤษฎีจักรวาลทอรอยด์เสนอว่าเอกภพอาจไม่ได้ขยายตัวจริงๆ อาจเป็นเพราะกาลอวกาศไหลแบบไดนามิกตามรูปทรงเรขาคณิตของทอรัส ดังนั้นจักรวาลอาจขยายตัวและหดตัวพร้อมๆกันในวงปิด ที่ยืดออกด้านบนซึ่งเป็นจุดที่กาลอวกาศโผล่ออกมาจากศูนย์กลางของทอรัส และหดตัวที่ด้านล่างซึ่งเป็นจุดที่กาลอวกาศไหลกลับเข้าสู่ศูนย์กลาง ทฤษฎีจักรวาลทอรอยด์ยังอธิบายด้วยว่า ทำไมเวลาจึงไหลไปในทิศทางเดียวเท่านั้น นั่นคือ ไปข้างหน้า!
บิ๊กแบงไม่ใช่การระเบิดครั้งเดียวที่เกิดขึ้นเมื่อ 14,000 ล้านปีก่อน แต่เป็นการขยายตัวอย่างรวดเร็วของอวกาศ และเนื่องจากอวกาศยังคงขยายตัว บิ๊กแบงจึงยังคงเกิดขึ้นอยู่ โดยทั่วไปแล้วเชื่อกันว่าบิ๊กแบงมีต้นกำเนิดจากจุดเดียวที่เรียกว่า "ภาวะเอกฐาน" แต่ก็ไม่มีหลักฐานโดยตรงที่ยืนยันเรื่องนี้ หากติดตามการขยายตัวของเอกภพย้อนจากอดีตมากถึงปัจจุบัน ก็จะเห็นว่ามันเริ่มต้นที่ขนาดเล็กกว่าปัจจุบันมาก แต่การสันนิษฐานว่าจักรวาลเกิดขึ้นจากภาวะเอกฐานนั้นเป็นเพียงการประมาณแนวโน้มนั้นเท่านั้น ในความเป็นจริง สมการที่ดูเหมือนจะบอกว่า การขยายตัวของเอกภพสามารถติดตามกลับไปยังภาวะเอกฐานได้นั้น ไม่สอดคล้องกับกลศาสตร์ควอนตัม ดังนั้นสมการเหล่านี้จึงอาจไม่ถูกต้อง ความจริงก็คือ "นักวิทยาศาสตร์ไม่ทราบว่าจักรวาลเริ่มต้นขึ้นได้อย่างไร หรือ...มีจุดเริ่มต้นหรือไม่"
วัฏจักรจักรวาล
ทฤษฎีใหม่ที่น่าสนใจเกี่ยวกับ “วัฏจักรจักรวาล” ได้รับการเสนอโดย Anna Ijjas แห่งสถาบัน Max Planck และ Paul Steinhardt แห่งมหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน วัฏจักรจักรวาลมีช่วงเวลาของการขยายตัวจะสลับกับช่วงเวลาของการหดตัว จักรวาลจะไม่มีจุดเริ่มต้นและไม่มีจุดสิ้นสุด แอนนาและพอลเสนอว่า การขยายตัวของจักรวาลในปัจจุบันถูกขับเคลื่อนโดยสนามพลังงานที่ปรากฎอยู่ทุกหนทุกแห่ง (ซึ่งพฤติกรรมปัจจุบันเกิดจากพลังงานมืด) เมื่อสนามพลังงานอ่อนลง จักรวาลจะเริ่มยุบลงอย่างช้าๆ แต่ไม่ถึงขั้นเอกฐาน เนื่องจากการหดตัวจะได้รับชาร์จสนามพลังงานใหม่ และการขยายตัวก็เริ่มต้นขึ้นอีกครั้ง
แอนนา อิจจาส นักฟิสิกส์ทฤษฎี สถาบัน Max Planck ได้สัมผัสภาพด้านบนนี้ขณะนั่งสมาธิ และสัมผัสกับสนามพลังงานรูปทอรัส (วีดีโอด้านล่าง) ระหว่างการทําสมาธิเชื่อมต่อกับโลกภายในของตนเองเป็นเวลาหลายสัปดาห์
จักรวาลมีรูปทรงวงแหวน แรงบิด (สนามพลังงานบิด) ภายในกระแสน้ำวนใจกลางของทอรัสจะป้องกันไม่ให้สสารพลังงานที่ไหลเข้ามาก่อตัวเป็นเอกฐาน ดังนั้นจึงสามารถโผล่ขึ้นมาใหม่จากด้านบนของทอรัสในวัฏจักรนิรันดร์ของการสร้างสรรค์ การดำรงอยู่ และการสลายไป
นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่มักเชื่อว่าจักรวาลแบนและเปิด ไม่โค้งและปิด (เช่นทอรัส) ท้ายที่สุดแล้วโลกดูเหมือนจะแบนราบจากมุมมองในชีวิตของเรา แม้ว่าจริง ๆ แล้วโลกจะเป็นทรงกลมโค้งมนขนาดยักษ์ก็ตาม ดังนั้น จักรวาลที่สังเกตได้อาจเป็นเพียงพื้นที่เล็ก ๆ ที่โผล่ออกมาจากด้านบนของทอรัส แต่เพื่อให้เป็นจริง ต้องมีหลักฐานบางอย่างที่บ่งชี้ว่าจักรวาลโค้งและปิด และเหตุผลอื่นอีกมากมาย
จักรวาลปิดและโค้ง
บทความในเว็บไซต์ ScienceAlert.com อธิบายว่าข้อมูลจากดาวเทียมพลังค์ ของสำนักงานอวกาศยุโรปบ่งชี้ว่าจักรวาลนั้น “โค้งงอและปิดเหมือนทรงกลมที่พองออก” แต่ไม่ได้ระบุว่าจักรวาลนั้นเป็นทรงกลม ดังนั้นจักรวาลอาจจะเป็นทรงกลมหรือทอรัสก็ได้ เนื่องจากทั้งสองนั้นโค้งและปิด แบบจำลองโค้ง/ปิดนั้นโดยทั่วไปถือว่าเป็นไฮเปอร์สเฟียร์ ซึ่งมีปริมาตรพื้นผิว 2π 2 r 3ที่น่าสนใจคือ ปริมาตรพื้นผิวของทอรัสนั้นก็คือ 2π 2 r 3 เช่นกัน ดังนั้นเรขาคณิตเชิงพื้นที่ของจักรวาลโค้ง/ปิด จึงอาจเป็นแบบทอรอยด์ หากจักรวาลเป็นทรงกลม จักรวาลก็จะขยายตัวอย่างสม่ำเสมอในทุกทิศทาง แต่ถ้าเป็นทอรอยด์ จักรวาลก็จะขยายตัวต่างกันไปในทิศทางต่างๆ เนื่องมาจากเรขาคณิตที่ซับซ้อนกว่า
การขยายตัวที่ไม่สม่ำเสมอ
อัตราการขยายตัวของจักรวาลเรียกว่า “ค่าคงที่ฮับเบิล” มีการวัดค่านี้หลายครั้งแต่ไม่มีการวัดใดที่ตรงกัน ซึ่งอาจหมายความว่าจักรวาลกำลังขยายตัวต่างกันไปในทิศทางต่างๆ บทความล่าสุดใน ESA.int (เว็บไซต์ของสำนักงานอวกาศยุโรป) แสดงให้เห็นว่า การขยายตัวของจักรวาลไม่ได้เกิดขึ้นแบบไอโซทรอปิก กล่าวคือ ไม่เหมือนกันในทุกทิศทาง การวิเคราะห์รังสีเอ็กซ์ของกระจุกดาราจักรที่อยู่ห่างไกลชี้ให้เห็นว่า จักรวาลอาจกำลังขยายตัวในอัตราที่แตกต่างกันในทิศทางที่แตกต่างกัน นี่ไม่ใช่ครั้งแรกที่นักวิจัยค้นพบหลักฐานการขยายตัวที่ไม่เท่ากันของจักรวาล แต่ถือเป็นหลักฐานที่น่าเชื่อถือที่สุดเท่าที่มีมาจนถึงขณะนี้
คําอธิบายที่เป็นที่ยอมรับโดยทั่วไปคือพลังงานมืด (แรงขับเคลื่อนที่สันนิษฐานว่าอยู่เบื้องหลังการขยายตัวของจักรวาล) พลังงานมืดนั้นไม่สม่ำเสมอ สร้างสนามพลังที่แข็งแกร่งในบางส่วนของจักรวาล ส่งผลให้จักรวาลเกิดอัตราการขยายตัวที่แตกต่างกัน แต่พลังงานมืดเป็นเพียงสมมติฐานเท่านั้น ไม่เคยถูกค้นพบ เป็นสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์ใช้เพื่อเติมเต็มช่องว่างในความเข้าใจเกี่ยวกับจักรวาล การขยายตัวที่ไม่เท่ากันของจักรวาลอธิบายได้ด้วยเรขาคณิตแบบวงแหวน
ทฤษฎีจักรวาลวงแหวน
เรขาคณิตทอรอยด์ของทฤษฎีจักรวาลวงแหวน สามารถอธิบายถึงลักษณะโค้งของกาลอวกาศ ทิศทางไปข้างหน้าของเวลา ลักษณะปิดของจักรวาล และการขยายตัวที่ไม่สม่ำเสมอ และทฤษฎีนี้สามารถอธิบายทั้งหมดได้ โดยไม่ต้องใช้พลังงานมืดที่เป็นสมมติฐานที่เข้าใจยากและลึกลับ หรืออีกวิธีหนึ่งในการมองทฤษฎีนี้ก็คือ "สนามพลังงานวงแหวนเหล่านี้เป็นพลังงานมืด"
Toruses ขนาดเล็กกว่า
สนามพลังงานรูปทรงทอรัสนั้นไม่เพียงแต่มีอยู่ในระดับจักรวาลเท่านั้น แต่ยังมีอยู่ในทุกระดับของความเป็นจริงอีกด้วย
เรขาคณิตกาแล็กซีแบบวงแหวนคู่ (Dual-Torus Galactic Geometry)
ทฤษฎีเรขาคณิตขกาแล็กซีแบบทอรอยด์ เสนอว่าการหมุนของกาแล็กซีถูกขับเคลื่อนโดยสนามพลังงานที่ไหลเวียนแบบไดนามิก ซึ่งมีรูปทรงเรขาคณิตแบบวงแหวนคู่ สร้างการก่อตัวของจานกาแล็กซีแบนที่มีแขนแบบก้นหอย
ดาวเคราะห์หมุนรอบดวงอาทิตย์ตามที่ฟิสิกส์ทั่วไปคาดการณ์ไว้ กล่าวคือ ยิ่งอยู่ใกล้ศูนย์กลางของระบบสุริยะ (ดวงอาทิตย์) มากเท่าไร ดาวเคราะห์ก็จะเคลื่อนที่เร็วขึ้นเท่านั้น ดาวพุธหมุน 48 กม./วินาที ดาวศุกร์หมุน 35 กม./วินาที โลกหมุน 30 กม./วินาที ดาวอังคารหมุน 24 กม./วินาที ดาวพฤหัสหมุน 13 กม./วินาที ดาวเสาร์หมุน 10 กม./วินาที ดาวยูเรนัสหมุน 7 กม./วินาที และดาวเนปจูนหมุน 5 กม./วินาที ในทางกลับกัน กาแล็กซีไม่หมุนตามที่ฟิสิกส์ทั่วไปคาดการณ์ เนื่องจากดาวดวงนอกสุดมีความเร็วใกล้เคียงกับดาวดวงใน ดังที่แสดงในกราฟด้านล่าง :
ความหนาแน่นของสสารที่ส่องสว่าง ลดลงตั้งแต่ใจกลางกาแล็กซีไปจนถึงขอบนอก หากสสารที่ส่องสว่างนี้เป็นสสารเดียวที่มีอยู่ กฎข้อที่สองของเคปเลอร์คาดการณ์ว่า ความเร็วในการหมุนจะลดลงเมื่อระยะห่างจากศูนย์กลางเพิ่มขึ้น (ตามเส้นสีน้ำเงินบนกราฟ) แต่นี่ไม่ใช่สิ่งที่เกิดขึ้นจริง ความเร็วในการหมุนจริงของกาแล็กซีส่วนใหญ่ยังคงค่อนข้างคงที่ เมื่อระยะห่างจากศูนย์กลางเพิ่มขึ้น (ตามเส้นสีแดงบนกราฟ) ดังนั้นกฎข้อที่สองของเคปเลอร์จึงสามารถอธิบายความเร็วของดาวเคราะห์ที่โคจรรอบดวงอาทิตย์ได้อย่างถูกต้อง แต่ไม่สามารถอธิบายความเร็วของดาวฤกษ์ที่โคจรรอบกาแล็กซีได้ ซึ่งหมายความว่ามีบางอย่างที่แตกต่างอย่างชัดเจนในระดับกาแล็กซีเมื่อเทียบกับในระดับสุริยะ
สสารมืด
นักวิทยาศาสตร์จะอธิบายความคลาดเคลื่อนที่สําคัญระหว่างสองเส้นของกราฟโดยตั้งทฤษฎีว่ามี "สสารมืด" (สสารที่ไม่ส่องสว่าง) ในรัศมีกาแล็กซีขนาดใหญ่
รัศมีของกาแล็กซีเป็นพื้นที่ขนาดใหญ่ มีลักษณะเกือบเป็นทรงกลมซึ่งประกอบด้วยดวงดาวและก๊าซที่กระจัดกระจายอยู่รอบ ๆ ผืนกาแล็กซี รัศมีของกาแล็กซีทางช้างเผือกทอดยาวออกไปอย่างน้อย 300,000 ปีแสงจากศูนย์กลางกาแล็กซี ดังที่แสดงด้านล่าง และมีมวลมากกว่าจานกาแล็กซีที่มองเห็นได้หลายเท่า
ประมาณกันว่า สสารมืดมีอยู่ประมาณ 85% ในจักรวาล แต่หลังจากการค้นหามานานหลายทศวรรษก็ยังไม่เคยค้นพบเลยแม้แต่ครั้งเดียว และไม่สมเหตุสมผลเลยที่สสารมืดจะส่งผลต่อการหมุนของกาแล็กซี แต่ไม่ส่งผลต่อวงโคจรของดาวเคราะห์ซึ่งอยู่ภายในกาแล็กซี
ความสัมพันธ์ของเรขาคณิตทอรอยด์กับจักรวาล
กาแล็กซีชนิดก้นหอย
มองภาพกาแล็กซีชนิดก้นหอย (ด้านล่าง) จะเห็นว่ามันเป็นกระแสน้ำวนที่แบนราบ เช่น กระแสน้ำวนหรือพายุเฮอริเคน ทอรัสมีกระแสน้ำวนวิ่งผ่านจุดศูนย์กลาง อาจมีบางอย่างซ่อนอยู่ในแนวคิดเรขาคณิตทอรอยด์
แกนกลางของทอรัสเป็นกระแสน้ำวนที่หมุน และพื้นผิวด้านนอกของทอรัสก็หมุนเช่นกัน แต่แรงกดดันในการหมุนภายในตัวที่กลวงของทอรัสอาจไม่เพียงพอต่อการอธิบายการหมุนของกาแล็กซีที่สังเกตได้ ดังนั้นทฤษฎีทอรัสอาจต้องมีการปรับแก้เล็กน้อย ต้องพิจารณาด้วยว่ารูปทรงเรขาคณิตของทอรัสจะส่งผลให้เกิดจานกาแล็กซีแบนที่มีแขนก้นหอยได้อย่างไร
เรขาคณิตกาแล็กซีแบบทอรัสคู่
ปัญหาทั้งสองข้อข้างต้นสามารถแก้ไขได้ด้วยการปรับทฤษฎีทอรัส เป็นทฤษฎีทอรัสคู่ - ดูด้านล่าง
ทฤษฎีวงแหวนคู่ อธิบายรูปแบบและการไหลของกาแล็กซี :
- พื้นผิวด้านนอกของทอรัสคู่มีรัศมีของกาแล็กซีอยู่
- ดวงดาวส่วนใหญ่ ฯลฯ อยู่ระหว่างซีกโลกทั้งสองของทอรัสคู่ เพื่อสร้างและรักษาจานกาแล็กซีที่แบนราบ
- การเคลื่อนที่แบบเกลียวของซีกโลกทั้งสองที่หมุน ทำให้จานดาราจักรหมุนในลักษณะที่สอดคล้องกับการหมุนของกาแลคซีที่สังเกตได้
- การเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยของกระแสน้ำวนในแต่ละซีกโลก ทำให้เกิดริ้วคลื่นในโครงสร้างของกาลอวกาศระหว่างซีกโลกที่ประกอบด้วยจานกาแล็กซี ซึ่งอธิบายถึง :
- วงโคจรที่เป็นคลื่นของดวงดาวรอบกาแล็กซี (ซ้ายล่าง)
- การก่อตัวของแขนเกลียวก้นหอยคล้ายคลื่นในสระน้ำ (ล่างขวา)
ดังนั้นลักษณะสำคัญทั้งหมดของการหมุนของกาแล็กซี สามารถอธิบายได้ด้วยทฤษฎีเรขาคณิตของกาแล็กซีแบบทอรัสคู่ (Dual-Torus)
นาฬิกากาแล็กซี่
นักดาราศาสตร์จากศูนย์วิจัยดาราศาสตร์วิทยุนานาชาติ (ICRAR) ค้นพบว่ากาแล็กซีทั้งหมดตั้งแต่กาแล็กซีแคระขนาดเล็กไปจนถึงกาแล็กซีก้นหอยที่ใหญ่ที่สุด ต่างหมุนรอบตัวเองหนึ่งครั้งทุกประมาณ 1,000 ล้านปี
อัตราการหมุนทั่วไปนี้หมายความว่า การหมุนของกาแล็กซีไม่ได้ถูกขับเคลื่อนโดย ขนาด มวล หรือแรงสุ่ม กาแล็กซีทั้งหมดมีปัจจัยร่วมกันบางประการอย่างชัดเจนที่ความเข้าใจทางวิทยาศาสตร์ในปัจจุบันไม่สามารถอธิบายได้ ปัจจัยร่วมกันดังกล่าวอาจเป็นการไหลของพลังงานทอรัส
ทีม ICRAR ยังได้แสดงให้เห็นว่า กาแลคซีทั้งหมดที่มีขนาดเท่ากันจะมีความหนาแน่นภายในเฉลี่ยเท่ากัน ความสอดคล้องนี้ชี้ให้เห็นถึงปัจจัยร่วมอธิบายได้ด้วยรูปทรงเรขาคณิตทอรัสคู่ กาแล็กซีไม่ได้ก่อตัวขึ้นตามแรงโน้มถ่วงเท่านั้น แต่ยังเกิดขึ้นตามรูปแบบพลังงานซึ่งอาจมีรูปทรงเรขาคณิตแบบทอรัสคู่ (หรืออาจเป็นทอรัสเดี่ยวสำหรับกาแล็กซีแคระ)
