กำเนิดจักรวาล

Published มิถุนายน 13, 2012 by kritsada707

จักรวาล กำลังขยายตัว แต่อะไรทำให้จักรวาลขยายตัว สภาพบิกแบงเป็นแบบใด ยังเป็นปัญหาที่ท้าทายความพยายาม มีทฤษฎีมากมายที่เสนอฉากกำเนิดจักรวาล

ค.ศ. 1929 เอ็ดวิน ฮับเบิลพิมพ์แผนภาพที่มีชื่อเสียง แสดงดาราจักรเกือบทั้งหมดเคลื่อนที่ห่างจากดาราจักรของเรา ด้วยความเร็วถอยห่าง เป็นสัดส่วนกับระยะทางปัจจุบัน หรือดาราจักรไกลกว่าก็เคลื่อนที่เร็วกว่าดาราจักรใกล้ๆ แม้แต่ฮับเบิลเองตอนแรกก็ปฏิเสธความคิดเช่นนี้  ข้อมูลเหล่านี้ บอกว่า จักรวาลทั้งหมดกำลังขยายตัวจากการยืดของอวกาศระหว่างดาราจักร เมื่อจักรวาลขยายตัว มันหนาแน่นน้อยลงและเย็นตัวมากขึ้น การมองย้อนกลับไปในอดีตสรุปได้ว่าจักรวาลมีการเริ่มต้นแน่นอน ตอนนั้นมันอยู่ในสภาวะที่ถูกบีบอัดและร้อนมาก จากจุดเริ่มต้นหนาแน่น มีการบวมตัวที่รู้จักในสภาพบิกแบง (Big Bang)
จักรวาลขยายตัวยังไม่มีนิยามของจุดเริ่มต้นดีพอ มีแต่การขยายตัวตลอดเวลา ความหนาแน่นเฉลี่ยยังคงเหมือนเดิม เพราะมีการสร้างมวลต่อเนื่อง เฟรด ฮอยล์ , เฮอร์แมนน์ บอนดิ และ ทอมัส โกลด์ เสนอทฤษฎีสภาวะคงที่ (steady – state theory) ในค.ศ.1948 แม้มีความสุนทรีในสายตานักดาราศาสตร์บางคน  แต่ทฤษฎีสภาวะคงที่ก็ไม่ได้รับการสนับสนุนอย่างเดียวกับจักรวาลบิกแบง ในค.ศ. 1965 อาร์โน เพนเซียส์ และโรเบิร์ต วิลสัน ล้มทฤษฎีสภาวะคงที่จากการค้นพบรังสีฉากหลังไมโครเวฟคอสมิค (CMB: cosmic microwave backgroud) ที่เป็นรังสีเรืองจางหลงเหลือจากอดีตร้อนไกล ทฤษฎีสภาวะคงที่ไม่มีเหตุผลอธิบายรังสีแบบนี้ แต่แบบจำลองบิกแบงอธิบายได้ ยิ่งกว่านั้น ทฤษฎีสภาวะคงที่ไม่สามารถอธิบายจำนวนไฮโดรเจนธรรมดา (โปรตอน) ไฮโดรเจนหนัก (ดิวเธอเรียม) ฮีเลียม และลิเธียม ในก้อนกาซระหว่างดาราจักร ที่ไม่ได้รับผลใดๆจากขบวนการวิวัฒนาการในดาว ภายในไม่กี่นาทีแรกหลังบิกแบง ความหนาแน่นและอุณหภูมิของจักรวาล เป็นตัวทำให้เกิดธาตุเบาในก้อนกาซเริ่มแรก ที่สอดคล้องกับที่วัดในก้อนกาซดั้งเดิมเหล่านี้ นักวิทยาศาสตร์เกือบทั้งหมดเชื่อแล้วว่า ทฤษฎีสภาวะคงที่ไม่ถูกต้อง

ปัญหาของบิกแบง

แม้ทฤษฎีบิกแบงร้อนที่เป็น “มาตรฐาน” ต้นตอประสบความสำเร็จในการอธิบายลักษณะที่สังเกตการณ์ได้มากมาย แต่จักรวาลของเรามีลักษณะบางอย่างน่าฉงนที่ทฤษฎีอธิบายไม่ได้  โดยเฉพาะสภาวะเริ่มแรกที่ดูคล้ายเป็นไปไม่ได้และยังไม่ได้ตัดสินว่าเป็นแบบใดแน่

ปัญหาแรกคือว่า จักรวาลมีความสม่ำเสมอหรือแบบเดียวกันอย่างเหลือเชื่อ เช่นอุณหภูมิชี้ให้เห็นถึงการแผ่รังสีหลังฉากจักรวาลที่เหมือนกันทุกทิศทุก ทาง ไม่รวม 2 สาเหต ุที่ไม่มีความเหมือนกันคือ การเคลื่อนที่ของดาราจักรผ่านจักรวาล และการแปรเปลี่ยนความหนาแน่นที่เกิดกระจุกดาราจักร จักรวาลเป็นเนื้อเดียวกันหรือเหมือนกันได้อย่างไร? บิกแบงอาจเริ่มต้นจาก “จุด” จึงมีอุณหภูมิเหมือนกันได้ แต่บิกแบงไม่ใช่เป็น”จุด”ที่แท้จริง สมการบิกแบงต้นตอที่ย้อนกลับไปในอดีต พบว่าจักรวาลใหญ่โตกว่าระยะทางที่สัญญานใดหรือแสงสามารถเดินทางได้ ภายในอายุจักรวาลนั้น สภาวะแรกเริ่ม ยังไม่มีเหตุผลสนับสนุน สภาพจักรวาลตอนกำเนิดที่เริ่มจากอุณหภูมิเท่ากัน

ปัญหาใหญ่ที่ 2 ที่มากับทฤษฎีบิกแบงต้นตอคือ ไม่มีวิธีที่จะอธิบายว่าทำไมเรขาคณิตของจักรวาลจึงใกล้เคียงกับยูคลิเดียน (นั่นคือมีความแบน หมายถึง มุมภายในของสามเหลี่ยมบวกกันได้ 180 องศา) ไม่นานมานี้ ได้วัดขนาดเชิงมุมของการแกว่งอุณหภูมิขึ้นลงในฉากหลังไมโครเวฟคอสมิคแสดงว่า เรขาคณิตจักรวาลแบนจริงๆ ที่เรียกกันว่า”ปัญหาความแบน” ทำไมตอนนี้จึงพากันประหลาดใจเรื่องจักรวาลแบน?  ตามสมการที่บรรยายวิวัฒนาการของจักรวาลในทฤษฎีบิกแบงต้นตอ จักรวาลต้องแบนมากอย่างยิ่งใกล้ตอนเริ่มเกิด มิฉะนั้นเมื่อจักรวาลมีอายุมากขึ้น จะมีความโค้งมาแทนที่ความแบนโดยเร็วเพราะขอบเขตมหาศาล เราไม่น่าวัดความแบนได้ในปัจจุบัน

การที่จะเข้าใจปัญหาความแบน ลองพิจารณากรณีที่ไม่น่าเกิดได้ เมื่อเดินเข้าไปในห้องและพบว่าดินสอตั้งตรง คุณอาจหวังจะเห็นตอนดินสอเริ่มอยู่ท่านี้สมดุลตั้งแต่ต้น มันไม่น่าจะเกิดอย่างบังเอิญได้ น่าจะมีเหตุผลทางฟิสิกส์ว่า ทำไมดินสอจึงตั้งตรงได้ บนจุดนี้ที่เราอยากเห็นตอนนั้น ทฤษฎีบิกแบงต้นตอไม่มีคำอธิบายที่เหมาะสมว่าทำไมจักรวาลจึงเริ่มจากความแบน มากได้

การพองตัวมาช่วยแล้ว

ค.ศ. 1979 อลัน กูธ (Alan Guth) นักฟิสิกส์หนุ่มปรากฏตัวพร้อมกับคำเฉลยที่ชาญฉลาดในปัญหาเหล่านี้ เขาเสนอ อินฟลาชันหรือการพองตัว (Inflation) เพื่อแก้ไขทฤษฎีบิกแบงต้นตอ แม้ความคิดที่เสนอมีข้อบกพร่องสำคัญ แต่สมมุติฐานมีพื้นฐานน่าสนใจมาก รอยตำหนินั้นแก้ไขใน ค.ศ. 1981 โดยแอนเดรีย ลินเด ,ปอล สไตน์ฮาร์ดท์ และ แอนเดรียส์ อัลเบรชท์ แต่สูตรของกูธ และการแก้ไขจาก ลินเด สไตน์ฮาร์ดท์ และอัลเบรชท์ ยังมีหลักการจำเป็นมากมายที่คล้ายกัน กูธเสนอว่า สมมุติว่าจักรวาลเริ่มต้นเล็กกว่าขนาดที่มาจากสมการของทฤษฎีบิกแบงต้นตอ มันอาจพองตัว ขยายตัวเร็วมาก และมีแฟคเตอร์ที่มหึมาอาจเป็น 10 ยกกำลัง 50 หรือมากกว่านี้ การขยายตัวมหึมาได้จากจักรวาลที่เติบโต 2 เท่า ทุกๆเศษส่วนเล็กน้อยของหนึ่งวินาที ภายในช่วงเวลาหนึ่ง ตรงกันข้ามกับจักรวาลที่คงที่ หรือการขยายตัวที่มีความหน่วงในทฤษฎีบิกแบงต้นตอ การพองตัวเป็นการขยายตัวแบบเอกซโพเนลเชียล ก่อนการพองตัว จักรวาลแรกเกิดขนาดจิ๋วมีสมดุลความร้อน มันแตกต่างจากในทฤษฎีบิกแบงแรกต้นตอ จักรวาลก่อนพองตัวมีขนาดเล็กมาก จนส่งสัญญานเดินทางข้ามมันได้ การชนกันระหว่างอนุภาคและโฟตอน จะกระจายความร้อนสม่ำเสมอ จักรวาลมีความสม่ำเสมอจากการพองตัว จักรวาลที่สังเกตการณ์ในปัจจุบันมีความสม่ำเสมอ ยิ่งกว่านั้นการพองตัวจะทำให้ความโค้งเริ่มแรกแบนได้ เหมือนบัลลูนขยายตัวได้ขนาดใหญ่มาก จักรวาลใหญ่มากจนบริเวณทั้งหมดที่เราเห็นด้วยกล้องโทรทรรศน์มีประสิทธิภาพ มากสุด (ราว 10 ยกกำลัง -30 ของจักรวาลที่มีอยู่จริง)  ปรากฏแบนหรือเกือบแบนอย่างผิวโลกที่ปรากฏแบนต่อเราเมื่อมองในระยะทางใกล้ การพองตัวแก้ปัญหาความแบนได้แล้ว หลังการพองตัวสิ้นสุด จักรวาลจะยังคงขยายตัวด้วยอัตราที่สอดคล้องการขยายตัวในทฤษฎีบิกแบงต้นตอ ดังนั้นการพองตัว มีผลแค่ช่วงเวลาสั้นๆในชีวิตเริ่มต้นของจักรวาล  มันไม่ได้มาแทนทฤษฎีบิกแบง แต่เป็นการแก้ไขดัดแปลง การพองตัวสามารถเป็นกลไกที่จุดให้บิกแบงได้เกิด!   ในจักรวาลแห่งการพองตัว (inflationary universe) อวกาศขยายตัวเร็วกว่าความเร็วของแสง จักรวาลแรกเริ่มเล็กกว่าอะตอม แต่มันก็พองตัวเร็วมากและไปไกลได้หลายปีแสงในช่วงเวลาสั้น

ทฤษฎีการกำเนิดจักรวาล

1. ทฤษฎีการระเบิดครั้งยิ่งใหญ่หรือบิกแบง (big bang rheory) ประมาณ พ.ศ. 2470 อับเบ จอร์จ ลือเมตเทรจ (Abbe Georges Lemaitre) ได้เสนอแนวคิดไว้ว่า จักรวาลมีกำเนิดจากการระเบิดครั้งยิ่งใหญ่ของสสารที่อัดรวมกันแน่น แรงระเบิดทำให้ชิ้นส่วนที่แตกละเอียดเป็นก๊าซร้อนกระเด็นกระจายออกจากจุดระเบิดไปทุกทิศทาง ต่อมาเมื่อก๊าซเหล่านี้เย็นตัวลงได้เกาะรวมกัน เกิดเป็นกาแล็กซีและสิ่งอื่นๆ ซึ่งเป็นองค์ประกอบของจักรวาลในปัจจุบัน การระเบิดครั้งยิ่งใหญ่ดังกล่าวนี้คาดว่าเกิดขึ้นเมื่อประมาณ 15,000-20,000 ล้านปีมาแล้ว

2. ทฤษฎีสภาวะคงที่ (steady state theory) ประมาณ พ.ศ. 2491 เฟรด ฮอยล์ (Fred Hoyle) เฮอร์แมนน์ บอนได (Hermann Bondi) และทอมัส โกลด์ (Thomas Gold) ได้เสนอแนวคิดไว้ว่า จักรวาลไม่มีจุดกำเนิดและจะไม่มีวาระสุดท้าย จักรวาลมีสภาพดังที่เป็นอยู่ในปัจจุบันมานานแล้ว และจะมีสภาพเช่นนี้ตลอดไปชั่วกาลนาน

ปัจจุบันพบหลักฐานที่สนับสนุนทฤษฎีบิกแบงมากกว่าทฤษฎีสภาวะคงที่

About these ads

ใส่ความเห็น

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Connecting to %s

ติดตาม

Get every new post delivered to your Inbox.

%d bloggers like this: