ทฤษฎีการกําเนิดเอกภพ มีอะไรบ้าง

ทฤษฎีการกำเนิดของเอกภพ

มีทฤษฎีที่เป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไป 2 ทฤษฎี คือ

ทฤษฎีบิกแบง (Big-Bang Theory)

เลอแมแทรด์ เชือว่าในอดีตกาลนานแสนนานมาแล้ว เอกภพมิได้กว้างใหญ่ไพศาลนัก มีลักษณะเป็นรูปทรงกลมเส้นผ่าศูนย์กลางประมาณ 4,000 ไมล์ เลอร์แมแทรด์เรีกทรงกลมที่เป็น จุดกำเนิดของสสารนี้ว่า “อะตอมแรกเริ่ม” (Primeval Atom) ซึ่งประกอบด้วยส่วนย่อยของ อะตอมอีกมากมายที่อยู่รวมกันอย่างหนาแน่นมากเป็นพิเศษ มีลักษณะเป็นทรงกลมใหญ่ หรือ อะตอมขนาดยักษ์ อะตอมแรกเริ่มมีนำหนักประมาณ 2 พันล้านตันต่อลูกบาศก์นิ้ว

ในปี พ.ศ.2472 ฮับเบิล (Edwin P.Hubble) ได้ศึกษาสเปกตรัมของดาราจักรต่างๆ 20 ดาราจักร ซึ่งอยู่ไกลที่สุดประมาณ 20 ล้านปีแสง พบว่าเส้นสเปกตรัมได้เคลื่อนไปทางแสงสีแดง ดาราจักรที่อยู่ห่างออกไปจะมีการเคลื่อนที่ไปทางแสงสีแดงมาก แสดงว่าดาราจักรต่างๆ กำลังคลื่นที่ห่างไกลออกไปจากโลกทุกทีทุกทีๆ พวกที่อยู่ไกลออกไปมากๆจะมีการเคลื่อนที่เร็วขึ้น ดาราจักรที่ห่างประมาณ2.5พันล้านปีแสง มีความเร็ว 38,000 ไมล์ต่อวินาที ส่วนพวกดาราจักร ที่อยู่ไกลกว่านี้มีควาเร็วมากขึ้นตามลำดับ ความสัมพันธ์ระหว่างระยะทางของดาราจักรและ ความเร็วแห่งการเคลื่อนที่ เรียกว่า “กฎฮับเบิล” ทฤษฎีนี้อาจเรียกว่า “การระเบิดของเอกภพ” (Exploding Universe) ก็ได้ แต่ปัจจุบันนี้ เรียกว่า ทฤษฎีบิกแบง

ยอร์จ กาโมว์ นักวิทยาศาสตร์อเมริกันสัญชาติรัสเซีย เป็นผู้ค้นคว้าเกี่ยวกับทฤษฎีบิกแบง โดยคำนวนว่าขณะที่ระเบิดนั้น อะตอมแรกเริ่มมีอุณหภูมิประมาณ 25,000 ฟาเรนไฮต์ เอกภพเป็นลูกไฟสว่างจ้า หลังจากนั้นอุณหภูมิลดลงอย่างรวดเร็วมาก ในขณะที่อากาศได้ขยายตัวออกชั่วเวลวเพียง4นาที อุณหภูมิของ เอกภพจะเหลือเพียง 1,000 ล้านองศาฟาเรนไฮต์ เมี่อเวลาผ่านไปถึง 250 ล้านปี อุณหภูมิของเอกภพ จะลดลงไปจากศูนย์ ประมาณ 200 องศา ในระยะหลังนี้เอกภพจะมืดมนจนกลุ่มเมฆของเอกภพแตกตัวเป็น “ดาราจักรแรกเริ่ม” ต่อมาจึงมีดาวเกิดขึ้นอยู่ภายในดาราจักรแรกเริ่มต่างๆเหล่านั้น เอกภพจึงสว่างอีกครั้งหนึ่ง

นักดาราศาสตร์บางคนเชื่อว่า “อะตอมแรกเริ่ม” ประกอบด้วยรังสีและส่วนย่อยๆของอะตอม ซึ่งมีอุณหภูมิสูงนับเป็นล้านๆองศา แต่มีบางคนเชื่อว่าอะตอมแรกเริ่มอาจประกอบด้วยพลังงาน แต่เพียงอย่างเดียว มีขนาดใกล้เคียงกับขนาดของระบบสุริยะ (80 A.U.) หลังจากระเบิดแล้ว ประมาณ 100 ชั่วโมง พลังงานมหาศาลได้เปลี่ยนรูปไปเป็นส่วนย่อยของอะตอม

ตามทฤษฎีเอกภพของฟรีดมานน์ ซึ่งได้มาจากการประยุกต์ทฤษฎีสัมพัทธภาพจะบอกได้ว่า เอกภพมีจุดเริ่ม ซึ่งก็คือเงื่อนไขเบื้องต้นถึงทฤษฎี สัมพัทธภาพจะบอกไม่ได้ว่าเงื่อนไขข้างต้นนี้มาจากไหน แต่มันก็บอกให้เรารู้ว่า เอกภพเริ่มกำเนิดโดยมีเงื่อนไขเบื้องต้น แต่อย่างไรก็ตามทฤษฎีนี้ไม่ได้ บอกเราว่าเอกภพตอนเริ่มกำเนิดนั้นร้อนหรือเย็น แล้วทำไมกามอฟถึงคิดว่าเอกภพกำเนิดด้วยความร้อนสูง แต่เพื่อที่จะเข้าใจตรงนี้ก็ลองมาคิดกลับดู ว่าทำไมเอกภพที่เย็นจึงเป็นไปไม่ได้เช่นกัน ถึงแม้โลกจะมีธาตุมากมายหลายชนิด เมื่อดูทั้งเอกภพจะเห็นว่าเกือบทั้งหมดเป็นธาตุไฮโดรเจน เพราะว่า ไฮโดรเจนประกอบขึ้นจากโปรตอนและอิเลคตรอน เราก็จะบอกได้ว่าตอนที่เอกภพกำเนิดและมีขนาดเล็กมาก อิเลคตรอนจะรวมเข้าไปในโปรตอนกลาย เป็นนิวตรอน นั่นก็คือเอกภพที่เย็น ในช่วงแรกจะเต็มไปด้วยนิวตรอนและเมื่อเอกภพขยายตัวขึ้น นิวตรอนจะสลายตัวแบบเบต้า กลายเป็นโปรตอนและ อิเลคตรอน โปรตอนนั้นจะทำปฏิกิริยารวมตัวกับนิวตรอนกลายเป็นตัว ทีเรียม (ไฮโดรเจนหนัก) และดิวทีเรียมจะรวมตัวกับนิวตรอนเป็น ไตรเทียม ซึ่งจะสลายตัวแบบเบตา กลายเป็นฮีเลียม 3 และเมื่อนิวตรอนอีกตัวรวมกับฮีเลียม 3 ก็จะได้อะตอมฮีเลียม และปฏิกิริยานิวเคลียร์ก็จะเกิดต่อกันไป ธาตุหนักต่างๆ ก็จะเกิดขึ้นในเอกภพต่อๆ กันไปเช่นกัน แต่ในความเป็นจริงนั้นในเอกภพมีไฮโดรเจน 75% ฮีเลียม 24% และอีก 1% เป็นธาตุอื่นๆ นั่นก็คือเกือบทั้งหมดเป็นธาตุเบาสองธาตุ คือ ไฮโดรเจนและฮีเลียม ซึ่งขัดกับสมมติฐานของเอกภพเย็นข้างต้น เพราะฉะนั้นกามอฟจึงคิดว่าเพื่อให้ ขั้นตอนการเกิดธาตุหนักไม่ติดต่อกันไป จะต้องคิดว่าเอกภพเมื่อกำเนิดนั้นมีอุณหภูมิสูงมาก ถ้าเอกภพร้อนถึงจะเกิดปฏิกิริยารวมตัวกัน แต่เพราะร้อน กันออกอีกและก็อธิบายได้ว่าทำไมธาตุหนักจึงหยุดแค่ฮีเลียมเท่านั้น และนี่ก็คือที่มาของความคิดสมมติฐานเอกภพบิกแบงของกามอฟ โดยที่ขอเน้นว่า กามอฟไม่ได้บอกว่าบิกแบงเป็นต้นเหตุของการขยายตัวของเอกภพเลย เพียงแต่บอกว่าเพื่อที่จะอธิบายกำเนิด และปริมาณธาตุในเอกภพ เอกภพจะต้องเกิดด้วยบิกแบงเท่านั้น เอกภพบิกแบงได้กลายเป็นโมเดลมาตรฐานของเอกภพ สิ่งที่ตื่นเต้นล่าสุดกับการกำเนิดของเอกภพก็คือความรู้ที่ว่ากำเนิดที่แท้จริงของเอกภพไม่ใช่บิกแบง (การระเบิดใหญ่) แต่มีเหตุการณ์หลายขั้นตอนเกิดขึ้นก่อนหน้านั้น และเมื่อย้อนเวลาขึ้นไปอีกเราก็ได้รู้ว่าเอกภพเกิดขึ้นมาจาก ศูนย์ เมื่อคิดจากสามัญสำนึกธรรมดา ก็ไม่น่าจะแปลกอะไรเลย แต่เมื่อคิดย้อนกลับจากปัจจุบันไปสู่อดีตเราจะพบกับเอกภพที่มีทั้งสภาพ ที่มีความหนาแน่นและความร้อนสูงเป็นอนันต์ (ซึ่งฮอว์คิงและเพนโรสเรียกสภาพนี้ว่าจุดซิงกูลาริตี) ซึ่งในสภาพนั้นเราจะไม่สามารถบอกได้ (ทางทฤษฎี) เลยว่าก่อนหน้านั้นเอกภพมีความเป็นมาอย่างไร นั่นก็คือเท่าที่ผ่านมานักวิทยาศาสตร์ไม่สามารถบอกได้ได้ง่ายนักว่าเอกภพเกิดมาจาก ศูนย์ ตราบใดที่พิสูจน์ทางทฤษฎีไม่ได้ ถึงจะเชื่อก็บอกไม่ได้ แต่ในปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์สามารถบอกได้แล้ว นั่นก็แสดงว่า (มนุษย์) ได้สามารถตีผ่านจุดซิงกูลาริตีได้แล้ว ซึ่งนับเป็นความก้าวหน้าที่น่าตื่นเต้น ทฤษฎีเกี่ยวกับกำเนิดและความเป็นมาของเอกภพเป็นสาขาวิจัยสำคัญอันหนึ่งของดาราศาสตร์ ทฤษฎีเอกภพนั้นดั้งเดิมมีรากฐานมาจาก ทฤษฎีสัมพัทธภาพ ของไอน์สไตน์ ทฤษฎีนี้ช่วยให้ความรู้เกี่ยวกับเอกภพของเราก้าวหน้าอย่างมากก็จริง แต่ทางทฤษฎีนี้ก็มีจุดอ่อนที่สำคัญ จุดหนึ่งเกี่ยวกับกำเนิดของเอกภพ ตราบใดที่คิดจากฐานของทฤษฎีสัมพัทธภาพ เราจะไม่สามารถแก้ปัญหาเกี่ยวกับกำเนิดของเอกภพได้เลย เพราะฉะนั้นในสมัยก่อนถ้าเราถามนักวิทยศาสตร์ที่ศึกษาเกี่ยวกับเอกภพว่า เอกภพเกิดขึ้นมาได้อย่างไร ? ผู้ถูกถามมักจะกระอักกระอ่วนแล้วก็ตอบแบบห้ามถามต่อว่า มีแต่พระเจ้าเท่านั้นที่รู้ นั่นก็คือไม่มีใครตอบได้นั่นเอง แต่ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ทฤษฎีของอนุภาคพื้นฐานที่จำเป็นมากในการคิดเกี่ยวกับกำเนิดเอกภพ ได้พัฒนาก้าวหน้าอย่างรวดเร็ว ช่วยให้เราสามารถพบทางแก้ปริศนาของเอกภพแนวทางใหม่นี้ได้ เหตุผลที่ทฤษฎีของอนุภาคพื้นฐานเข้ามาเกี่ยวข้องก็เพราะเอกภพซึ่งปัจจุบัน กว้างใหญ่ไพศาลนั้น ตอนที่กำเนิดทุกสิ่งทุกอย่างยังรวมตัวอัดแน่น ทั้งความหนาแน่นและอุณหภูมิจะสูงเป็นอนันต์ ในสภาพเช่นนั้นสสารทั้งหลาย จะแยกตัวออกเป็นอนุภาคพื้นฐานที่สุดในระดับควาร์ก และนี่ก็คือเหตุผลที่ทฤษฎีอนุภาคพื้นฐานต้องเข้ามาเกี่ยวข้องในการศึกษาเกี่ยวกับกำเนิดของเอกภ

 ประวัติการศึกษาการกำเนิดของเอกภพ เริ่มจากไอน์สไตน์เราอาจกล่าวได้ว่าการศึกษาเอกภพปัจจุบันนั้นมีต้นกำเนิดรากฐานมาจาก ทฤษฎีสัมพัทธภาพ ของ ไอน์สไตน์ ไอน์สไตน์เป็นผู้ที่ทำให้เกิด การศึกษาเกี่ยวกับเอกภพนั้นเป็นวิทยาศาสตร์ แทนที่จะเป็นเพียงความเชื่อหรือศาสนา ซึ่งก่อนหน้านั้นเรามักจะคิดเพียงว่าเอกภพเป็นสถานที่ให้ดาว และกาแลกซี่อยู่ ไม่ได้เป็นจุดสำคัญของการศึกษาค้นคว้า ในปี 1917 ไอน์สไตน์ได้ใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพในการศึกษาเกี่ยวกับเอกภพ ที่จริงในปี 1917 เป็นเพียงปีเดียวให้หลังจากที่เขาประกาศทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของเขาเท่านั้น ซึ่งแสดงว่าเขาเริ่มสนใจการศึกษาเอกภพทันที่ที่ทฤษฎีของเขาเสร็จ นั่นเอง เขาคงอยากรู้เกี่ยวกับเอกภพอย่างแรงกล้าอยู่แล้วและอาจกล่าวได้ว่า เพราะความอยากรู้เกี่ยวกับเอกภพจึงทำให้เขาสามารถค้นพบและสร้าง ทฤษฎีสัมพัทธภาพได้ ในตอนแรกๆ ไอน์สไตน์ได้ใช้ทฤษฎีของเขากับโมเดลเอกภพที่หยุดนิ่ง สม่ำเสมอ เหมือนกันทุกทิศทาง ซึ่งก็คือโมเดลของเอกภพ ปิด สม่ำเสมอและเหมือนกันทุกทิศทาง ซึ่งหมายความว่าถ้าดูในบริเวณแคบๆ ของเอกภพอาจจะมีโลก มีดาวเสาร์ ฯลฯ แต่เมื่อดูในวงกว้างขวางแล้ว ไม่ว่าจะมองไปทิศทางไหน เอกภพจะเหมือนกันทั้งหมด ไม่มีที่ไหนที่จะพิเศษกว่าที่อื่น ปัจจุบันเราเรียกความคิดนี้ว่า กฎของเอกภพ ซึ่งเป็นความคิด พื้นฐานอันหนึ่งในการศึกษาเอกภพในปัจจุบัน แล้วผลของการคำนวณปรากฏออกมาตรงกันข้ามกับที่คาดไว้ ไอน์สไตน์พบว่าตามโมเดลเอกภพที่ปิดนี้ เอกภพจะหดตัว แทนที่จะหยุดนิ่งอย่างที่คิดไว้ ซึ่งที่จริงแล้วนี่เป็นสิ่งที่พอคาดคะเนได้ เพราะทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์นั้น ที่จริงก็คือการขยาย ทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของนิวตัน ถ้าในเอกภพมีมวลสารอยู่อย่างสม่ำเสมอ มันจะดึงดูดซึ่งกันและกันเข้าหากัน ซึ่งก็คือเอกภพจะหดตัวนั่นเองตามทฤษฎีเอกภพของไอน์สไตน์ เอกภพไม่มีกำเนิดเอกภพจะหดตัวและสลายไปไม่ได้ เพราะสมัยนั้นเชื่อกันว่า เอกภพเป็นสิ่งที่มีมาแต่ดึกดำบรรพ์และจะยั่งยืนตลอดไปในอนาคต ไอน์สไตน์เอง ก็เชื่อเช่นนั้น แต่เพื่อแก้ปัญหานี้ ไอน์สไตน์ได้เพิ่มตัวแปรเอกภพเข้าไปในทฤษฎีของเขา โดยหวังว่ามันจะช่วยให้ผลทางทฤษฎีที่ออกมาจะไม่ทำให้เอกภพ หดตัว เพราะตัวแปรเอกภพที่จะทำให้เกิดแรงต้านแรงโน้มถ่วงต่อแรงโน้มถ่วงของนิวตันและสมดุลกันไม่ให้เอกภพหดตัว แต่ไอน์สไตน์เพิ่มตัวแปร เอกภพนี้เข้าไปในทฤษฎีโดยที่เป็นเทคนิคทางทฤษฎีเท่านั้น และนี่ก็คือทฤษฎีโมเดลเอกภพหยุดนิ่ง ซึ่งไอน์สไตน์ประกาศในปี 1917 และเป็นทฤษฎีที่ เอกภพจะไม่ขยาย จะไม่หด แต่จะคงที่ ตามทฤษฎีเอกภพนี้เอกภพจะมีตั้งแต่ดึกดำบรรพ์และจะยั่งยืนต่อไปในอนาคต เพราะฉะนั้นจึงไม่จำเป็นต้องคิด ถึงกำเนิดของเอกภพ นั่นก็คือทฤษฎีอันแรกเกี่ยวกับกำเนิดของเอกภพก็คือทฤษฎีของของไอน์สไตน์ที่ว่าเอกภพไม่มีกำเนิด แต่ในปี 1922 นักคณิตศาสตร์และฟิสิกส์ทฤษฎีชาวรัสเชียชื่อ ฟรีดมานน์ ได้คำนวณเกี่ยวกับเอกภพโดยใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ พบว่าเอกภพจะไม่คงที่ แต่จะต้องขยายหรือไม่ก็หด อย่างใดอย่างหนึ่ง นั่นก็คือเขาได้แสดงให้เห็นว่า เมื่อใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพคำนวณเกี่ยวกับเอกภพที่เปลี่ยนแปลง ไม่ใช่เอกภพที่หยุดนิ่งและในปี 1929 นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ชาวอเมริกันชื่อ ฮับเบิล ได้สำรวจด้วยกล้องโทรทัศน์ที่หอดาราศาสตร์วิลสันแห่ง แคลิฟอร์เนียพบว่า เอกภพนั้นกำลังขยายตัวไม่ได้หยุดนิง

ฮับเบิลพบว่า ความเร็ว แปรผันตามระยะทางยิ่งกาแลกซี่ที่ไกลอยู่มากขึ้น เราจะวัดได้ว่ามันวิ่งออกไปจากเราเร็วมากขึ้น V = kD, D = ระยะทาง, V = ความเร็ว
ค่าคงที่ k ไม่ได้คงที่นะครับ อดีต ปัจจุบัน และอนาคต ไม่เท่ากัน (จากข้างบนนะครับ เนื่องจากแรงดูด มันจะเคลื่อนช้าลงๆ)ที่เขาแบ่งๆกํนง่ายๆ ก็มี 3 แบบ
1. จักรวาลมีสสารเหลือเฟือ ศักย์มากกว่าจลน์ กาแลกซี่เคลื่อนเคลื่อนออกจากกัน จนถึงระยะหนึ่งแล้วหยุดแล้วจะเริ่มกลับเข้ามาหากันใหม

2.พอดีๆ เคลื่อนไปหยุดที่ระยะอนันต์

3.สสารน้อย เคลื่อนออกไปเรื่อยๆ

สิ่งที่จะทำให้เรารู้ได้ว่าจักรวาลนี้เป็นแบบไหนใน 3 แบบ ก็คือค่า Hubble Constant การวัดค่า Hubble Constant ก็ทำได้หลายแบบ แบบหนึ่งที่ตอนนี้น่าตื่นเต้น คือการวัดจาก CMB (cosmic mrcrowave background) ที่นี่มี VSA (very small array) ที่ใช้ศึกษา CMB โดยตรง

1. หากเรามองจากจุดๆหนึ่ง ในเอกภพแล้วมองไปยังทิศทางใดๆจะเห็นลักษณะเหมือนกันหมด

2.   ไม่ว่าจะมองจากจุดใดๆ ในเอกภพก็จะเห็นเหมือนกันหม

จากข้อสมมุติฐานก็แสดงว่าเอกภพไม่มีขอบ ไม่เช่นนั้นหากมองจากขอบก็จะเห็นความว่างเปล่าซึ่งไม่เหมือนกับการมองในบริเวณอื่น

        การสร้าง model ของเอกภพนั้นจะใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ซึ่งมวลจะกำหนดความโค้งของ space ในเอกภพส่งผลให้แสงเดินทางโค้งไปโค้งมาไม่สามารถหลุดออกไปจากเอกภพได้ จึงถือได้ว่า เอกภพนั้นจำกัด(แต่ไม่มีขอบ) และเนื่องจากแสงที่โค้งไปมานั้นเดินทางไปทั่วเอกภพนั้นจึงทำให้เรงมองเห็นเอกภพเหมือนกันทุกมุมมองแต่จะเป็นเช่นนี้ได้ก็ต่อเมื่อเอกภพเกิดมานานมากๆ ซึ่งปัจจุบันเราพบว่าเอ็กภพมีอายุไม่นานนัก model ข้างต้นจึงไม่สมบูรณ์ จึงได้มีการพัฒนา model ใหม่ๆ ให้สอดคล้องกับกับสังเกตุมากขึ้น แต่ model นี้ก็มีประโยชน์ในการทำความเข้าใจเป็นพื้นฐานสำหรับคุณ a ได้ครับเพราะในหลักการแล้วไม่ได้แตกต่างอะไร