แสงแรกของเอกภพ

การขยายตัวของเอกภพหลังการระเบิดครั้งใหญ่
http://sunflowercosmos.org/gallery/new_gallery_7_images/big_bang_expansion.jpg

เอกภพมีจุดเริ่มต้นจากการระเบิดครั้งใหญ่ หลังจากการระเบิดพลังงานมหาศาลได้เปลี่ยนไปเป็นมวล กระจายออกทุกทิศทาง ทำให้เราเห็นกลุ่มกาแลกซี่กระจายตัวอยู่ทุกทิศทาง อย่างสม่ำเสมอ ตามทฤษฎีบิกแบงแล้วหลังจากการระเบิดเพียงเสี้ยววินาที (10−36วินาที)จะเกิดการพองตัว (Inflation) หรือการขยายตัวอย่างรวดเร็ว หลังจากนั้นเอกภพเริ่มเย็นตัวลง และอนุภาคมูลฐานเริ่มกำเนิดขึ้น ได้แก่ควาร์ก (Quark) อิเล็กตรอน (Electron) นิวทริโน (Neutrino) และโฟตอน (Photon) ซึ่งเป็นพลังงาน เมื่อเกิดอนุภาคก็จะเกิดปฏิอนุภาค (Anti-particle) ที่มีประจุไฟฟ้าตรงกันข้าม ยกเว้นนิวทริโนและแอนตินิวทริโน ไม่มีประจุไฟฟ้า เมื่อปฏิอนุภาคพบกับอนุภาคชนิดเดียวกัน จะหลอมรวมกันเนื้อสารเปลี่ยนไปเป็นพลังงานจนหมดสิ้น ถ้าเอกภพมีจำนวนอนุภาคเท่ากับปฏิอนุภาคพอดี เมื่อพบกันจะกลายเป็นพลังงานทั้งหมด ก็จะไม่เกิดกาแล็กซี ดาวฤกษ์และระบบสุริยะ โชคดีที่ในธรรมชาติ มีอนุภาคมากกว่าปฏิอนุภาค ดังนั้นเมื่อปฏิอนุภาคพบอนุภาค นอกจากจะได้พลังงานเกิดขึ้นแล้ว ยังมีอนุภาคเหลืออยู่ และนี่คืออนุภาคก่อกำเนิดเป็นสสารของเอกภพในปัจจุบัน

หลังบิกแบง 300,000ปี อุณหภูมิลดลงเหลือ 10,000 เคลวิน นิวเคลียสของไฮโดรเจนและฮีเลียมดึงอิเล็กตรอนเข้ามาอยู่ในวงโคจร เกิดเป็นอะตอมไฮโดรเจนและฮีเลียมตามลำดับ ซึ่งในการหลอมรวมนิวเคลียสจะมีพลังงานส่วนหนึ่งเกิดขึ้นในรูปของคลืนแม่เหล็กไฟฟ้า ในรูปของพลังงานแสงถือเป็นแสงแรกของเอกภพปัจจุบันนักดาราศาสตร์สามารถวัดหรือสังเกตการณ์คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เก่าแก่นี้ได้ เรียกว่า CMBหรือCosmic-microwaveBackgroundRadiation

หลังจากบิกแบง แล้วเอกภพก็ขยายตัวอย่างต่อเนื่อง ทำให้เราเกิดความสังสัยเกี่ยวกับขอบของจักรวาล เอกภพของเราในปัจจุบันกว้างขนาดไหน แต่เนื่องจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีความเร็วจำกัดที่3x108เมตรต่อวินาทีดังนั้นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากดาวฤกษ์ที่อยู่ห่างไกลนั้นต้องอาศัยเวลาในการเดินทางเราจึงเห็นภาพ ดาวในอดีตบนท้องฟ้ายกตัวอย่างเช่นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากดาวซิริอุสในกลุ่ม ดาวสุนัขใหญ่ที่เราเห็นคืออดีตของมันเมื่อ8ปีที่แล้วเนื่องจากดาวซิริอุสอยู่ห่างจากเราเป็นระยะทาง8ปีแสงเช่นเดียวกับกาแลกซี่แอนโดรเมดาที่อยู่ ห่างไปประมาณ2.9ล้านปีแสงก็คือภาพในอดีตเมื่อประมาณ2.9ล้านปีล่วงมาแล้วแม้แต่ดวงอาทิตย์เองก็เป็นภาพเมื่อ8นาทีก่อนจากความรู้นี้ประกอบกับ ทฤษฎีบิ๊กแบงที่กล่าวว่าเอกภพมีจุดเริ่มต้นและมีอายุจำกัดที่ ประมาณ14,000ล้านปีดังนั้นเวลาที่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าใช้ในการเดินทางมา ยังโลกจะต้องไม่มากไป กว่า14,000ล้านปีนักฟิสิกส์เรียกระยะทาง14,000ล้านปีแสงนี้ว่า "ขอบฟ้า ของจักรวาล (CosmicHorizon) 

แผนภาพแสดงการแตกตัวสมมาตร (Symmetric Breaking)

จากทฤษฎีสนามรวม (GrandUnificationTheory:GUT) ซึ่งกล่าวว่าเอกภพประกอบด้วย อันตรกริยาทั้งหมดสี่แรงคือแรงทางแม่เหล็กไฟฟ้า,แรงนิวเคลียร์แบบเข้ม, แรงนิวเคลียร์แบบอ่อนและแรงโน้มถ่วงโดยแรงทั้งสี่ชนิดจะเป็นอันตรกริยา รวมทั้งหมดที่พลังงานสูงมาก ๆ เรียกว่า Supergavity หลังจากที่พลังงานต่ำลง จาก"การขยายตัวออกอย่างรุนแรงของเอกภพ อันตรกริยารวมทั้งหมดได้แยกออกจากกันจนมาเป็นอันตรกริยาทั้งสี่เช่นในปัจจุบันดังรูป

พบว่าแรงทางแม่เหล็กไฟฟ้าเริ่มแยกตัวออกมาเมื่อประมาณ 10-10 วินาที หลังจากบิ๊กแบงแต่เอกภพที่มีอายุประมาณ 300,000 ปี หลังบิ๊กแบงนั้นมีความหนาแน่นมากจนกระทั่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีเส้นทางเดินอิสระเฉลี่ย (Meanfreepath) ต่ำมากดังรูปหมายความว่าก่อนหน้านั้น คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ายังไม่สามารถหลุดออกจากเอกภพในยุคนั้นได้เลย 

ทฤษฎี CMB มีการศึกษาครั้งแรกในปี 1948 โดยนักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียชื่อจอร์จกามอฟ (GeorgeGamow) ได้เสนอภาพของเอกภพในช่วงต้น (EarlyUniverse) มีอุณหภูมิ และความหนาแน่นสูงมากทำให้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าขณะนั้นอยู่ในช่วงรังสี คอสมิกแต่เนื่องจากเอกภพมีการขยายตัวทำให้ความยาวคลื่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่หลงเหลืออยู่ในปัจจุบันถูกยืดออกให้มีความยาวคลื่นในช่วง ไมโครเวฟซึ่งสอดคล้องกับการคำนวณอุณหภูมิของเอกภพโดยกามอฟได้ ประมาณ 2.7 เคลวิน

ดังนั้นเมื่อสังเกตการณ์จากโลกในปัจจุบัน ก็ควรจะตรวจพบคลื่นไมโครเวฟกระจายเต็มเอกภพในทุกทิศ ทุกทาง การสังเกตการณ์ CMB ได้เริ่มขึ้นในปี ค.ศ.1965 โดยอาร์โนเพนเซียส (ArnoPenzias) และโรเบิร์ตวิลสัน (RobertWilson) ได้สังเกตพบแหล่งกำเนิดคลื่นไมโครเวฟจากทุกทิศทุกทางโดยใช้สายอากาศขนาดใหญ่ติดกับดาวเทียมเพนเซียส และวิลสัน สามารถคำนวณอุณหภูมิของเอกภพในปัจจุบันได้ 2.73 เคลวิน ต่อมาในปี 1991 องค์การนาซาได้ส่งดาวเทียม COBE (Cosmic Background Explorer) ขึ้นไปวัด CRB ด้วยอุปกรณ์ที่ดีกว่าและคำนวณได้อุณหภูมิ 2.725 เคลวิน

ภาพถ่ายของเพนเซียสและวิลสัน ซึ่งได้ค้นพบแหล่งกำเนิดคลื่นไมโครเวฟจากทั่วทุกทิศ

สเปกตรัมของ CRB ที่ได้จากข้อมูลการสังเกตการณ์ของดาวเทียม COBE มีลักษณะเป็นเส้นโค้งการแผ่รังสีของวัตถุดำที่อุณหภูมิ 2.725 เคลวิน ซึ่งเกิดจากแหล่งกำเนิดแสงความยาวคลื่นในช่วงไมโครเวฟสอดคล้องกับการคำนวณที่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าถูกยืดออกจากความยาวคลื่นเดิมจากการขยายตัวของเอกภพไม่มีการขยายตัว

เส้นโค้งการแผ่รังสีของวัตถุดำที่สังเกตการณ์ได้ดังกล่าวจะไม่ถูกยืดออก และสามารถวัดอุณหภูมิของแหล่งกำเนิดแสงได้ค่ามากกว่า 3,000 เคลวินซึ่งสอดคล้องกับแหล่งกำเนิดแสง ความยาวคลื่นในช่วงรังสีคอสมิกทำให้นักฟิสิกส์สามารถทำนายได้ว่าเอกภพในช่วงรอยต่อที่เวลา 300,000 ปี หลังจากเกิดบิ๊กแบงมีการเปลี่ยนแปลงอย่างไร แม้ว่าจะไม่สามารถตรวจวัดแสงก่อนหน้ายุคนั้นได้เลย

แสดงสเปกตรัมของ CMB ซึ่งเป็นลักษณะสเปกตรัมการแผ่รังสีของวัตถุดำ

ภาพวาดแสดงการสังเกตุการณ์ของดาวเทียม COBE เพื่อค้นหาความลับของเอกภพ

แบบจำลองอันหนึ่ง ที่เป็นไปได้สำหรับเอกภพในช่วงก่อนหน้าเวลา 300,000 ปี หลังจากเกิดบิ๊กแบงคือแบบจำลองที่เอกภพในเวลานั้นประกอบไปด้วยก๊าซที่มีสถานะร้อนจัดจน อิเล็กตรอนแยกออกมาจากอะตอมไฮโดรเจนเรียกสถานะดังกล่าวว่าพลาสมา (Plasma) ซึ่งเป็นสถานะที่ไม่มีอะตอมที่เป็นกลางทางไฟฟ้ามีแต่ประจุของก๊าซไฮโดรเจนและ อิเล็กตรอนอิสระที่มีความหนาแน่นมากจนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าถูกดูดกลืนตลอดเวลา และมีเส้นทางเดินอิสระเฉลี่ยของโฟตอน (Meanfreepathofphoton) ต่ำมากแต่เมื่ออุณหภูมิของ

เอกภพต่ำลงเรื่อยๆจนมา ถึงช่วงรอยต่อที่เวลา 300,000 ปี หลังจากเกิดบิ๊กแบงแล้วทำให้พลังงานรวมของ เอกภพต่ำลงจนประจุของก๊าซไฮโดรเจนและอิเล็กตรอนอิสระฟอร์มตัวกันกลายเป็น อะตอมของก๊าซไฮโดรเจนที่เป็นกลางทางไฟฟ้าดังปฏิกริยา

โปรตอน+อิเล็กตรอน<--->ไฮโดรเจนเรียกปฏิกริยาดังกล่าวว่ารีคอมบิเนชั่น (Recombination)

สถานะของก๊าซก่อนรีคอมบิเนชั่น

ภายหลังจากรีคอมบิเนชั่นแล้วมีการฟอร์มตัวเป็นอะตอม 

หลังจากประจุของ ก๊าซไฮโดรเจนและอิเล็กตรอนอิสระฟอร์มตัวจนกลายเป็นก๊าซไฮโดรเจนที่เป็นกลาง ทางไฟฟ้าทั่วไปในเอกภพแล้วจะทำให้อิเล็กตรอนอิสระมีจำนวนน้อยลงโฟตอนจึงมี เส้นทางเดินอิสระเฉลี่ยมากขึ้นเนื่องจากไม่ค่อยถูกอิเล็กตรอนอิสระดูดกลืน อีกเป็นเหตุให้มีโฟตอนหรือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าหลงเหลือมาในโลกปัจจุบันและ ถูกยืดความยาวคลื่นออก(เนื่องจากเอกภพมีการขยายตัว)จนกลายเป็นคลื่นแม่ เหล็กไฟฟ้าในช่วงคลื่นไมโครเวฟ

CMB ที่ถ่ายได้โดย WMAP จะสังเกตเห็นความสม่ำเสมอของอุณภูมิฉากหลัง
http://en.wikipedia.org/wiki/Cosmic_microwave_background#/media/File:Ilc_9yr_moll4096.png

ที่มา
http://www.atom.rmutphysics.com/charud/oldnews/0/278/cosmos/14.htm
http://www.chaiyatos.com/sky_lesson1.htm

เอกภพกำลังขยายตัว

ช่วงกลางศตวรรษที่ 20 (ราวๆห้าสิบปีก่อน) มีการต่อสู้ระหว่างสองแนวคิดหลักๆที่อธิบายว่าเอกภพเกิดขึ้นมาอย่างไรและเปลี่ยนแปลงไปอย่างไร

1.เอกภพแบบคงที่ (Steady State model) ที่เชื่อว่าเอกภพไม่มีจุดเริ่มต้นหรือจุดจบ

2.ทฤษฎีบิ๊กแบง (Big Bang model) ที่เชื่อว่าเอกภพมีจุดเริ่มต้น

เฟรด ฮอยล์ หนึ่งในผู้นำของแนวคิดเอกภพแบบคงที่เอ่ยคำว่าบิ๊กแบงขึ้นมาในรายการวิทยุ ซึ่งคำนี้กลายเป็นคำกล่าวที่ติดหูและทุกคนใช้เรียกต่อๆกันมาตลอด

เฟรด ฮอยล์

http://en.wikipedia.org/wiki/Fred_Hoyle#/media/File:Fred_Hoyle.jpg

ทุกวันนี้นักวิทยาศาสตร์เชื่อถือทฤษฎีบิ๊กแบงที่เชื่อว่าเอกภพกำลังขยายตัวมากกว่า คำถามคือทำไมนักวิทยาศาสตร์เชื่อล่ะ?

ในปี 1929 เอ็ดวิน ฮับเบิล (Edwin Hubble) ได้พิสูจน์ให้โลกเห็นว่ากาแล็กซียิ่งอยู่ไกลจากเราออกไปวิ่งหนีออกจากกาแล็กซีทางช้างเผือกของเราด้วยอัตราเร็วสูง ทำให้นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าเอกภพกำลังขยายตัวอยู่ทำให้กาแล็กซีที่กระจายตัวอยู่บนเอกภพขยายตัววิ่งหนีออกจากกันไปด้วย

เอ็ดวิน ฮับเบิล (Edwin Hubble) และการขยายตัวของเอกภพ

http://www.atnf.csiro.au/outreach/education/senior/cosmicengine/hubble.html

คนทั่วไปฟังแล้วมักคิดว่าในเมื่อเราอยู่บนโลก และเราเห็นกาแล็กซีไกลๆวิ่งหนีจากเราออกไปก็แปลว่า โลกเราเป็นจุดศูนย์กลางของการขยายตัว หมายความว่าโลกเราน่าจะอยู่เฉยๆไม่ได้วิ่งไปไหน แต่จริงๆแล้วต่อให้เราไปอยู่ในกาแล็กซีอื่นเราก็เห็นแบบเดิมอยู่ดี สิ่งนี้คือความสับสนพื้นฐานเกี่ยวกับทฤษฎีบิ๊กแบง

จริง ๆ แล้วบิ๊กแบงไม่ใช่การระเบิดออกมาสู่ที่ว่าง มันไม่ใช่การระเบิดอะไรทั้งสิ้น มันคือการขยายตัวของ space ออกไปอย่างรวดเร็วโดยไม่มีจุดใดเป็นจุดศูนย์กลางหรือจุดพิเศษ การขยายตัวที่ว่านี้เกิดขึ้นทุกหนทุกแห่งในเอกภพ

CMB รังสีไมโครเวฟพื้นหลังของเอกภพ เป็นร่องรอยที่หลงเหลือจาก Big Bang

http://en.wikipedia.org/wiki/Cosmic_microwave_background 

หลักฐานอื่นที่สนับสนุนว่าบิ๊กแบงเกิดขึ้นจริงคืออะไรนอกจากการเห็นกาแล็กซีวิ่งหนีออกจากกัน?

คำตอบคือ สิ่งที่เรียกว่ารังสีไมโครเวฟพื้นหลัง (cosmic microwave background)ซึ่งเรียกย่อๆว่า ซีเอ็มบี (CMB) นักวิทยาศาสตร์ค้นพบว่าเอกภพของเรามีคลื่นไมโครเวฟกระจายตัวอยู่ทั่วไปหมด โดยคลื่นดังกล่าวมีอุณหภูมิ 2.725 เคลวินเท่านั้น ซึ่ง นี่คือความร้อนจางๆที่หลงเหลืออยู่จากบิ๊กแบงทำให้เรามองเห็นรังสีไมโครเวฟ จากทุกทิศทุกทางด้วยอุณภูมิเท่ากันด้วยความสม่ำเสมอสูงมากๆ จะแตกต่างกันบ้างก็เพียงหนึ่งในหมื่นเท่านั้น นั่นแปลว่าในอดีตที่ผ่านมา space ทั้งหมดเชื่อมต่อกันมาก่อน

แล้วก่อนหน้าบิ๊กแบงล่ะมีอะไร?

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปบ่งชี้ว่าจุดเริ่มต้นของเวลาคือตอนเกิดบิ๊กแบง ซึ่งถ้าเชื่อตามนี้ทุกอย่างก็จบครับ ได้คำตอบเรียบร้อยว่าคำว่าก่อนหน้าบิ๊กแบงนั้นไม่มีความหมายอะไรในเมื่อเวลาเริ่มต้นจากบิ๊กแบง เอาเข้าจริงตอนเกิดบิ๊กแบงก็ไม่มีใครสามารถบอกได้แล้วว่าตอนนั้นเอกภพมีสภาพอย่างไรเพราะเอกภพมีสภาพร้อนและแน่นมากๆ สภาพเอกภพในตอนนั้นมีขนาดเล็กสุดๆซึ่งต้องการทฤษฎีในลักษณะควอนตัมมาอธิบาย แถมมวลสารมากมายขนาดนั้นทำให้เราต้องการทฤษฎีในลักษณะทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปมาอธิบาย แต่ในปัจจุบันเรายังไม่มีทฤษฎีที่มีสมบัติของทฤษฎีที่ยิ่งใหญ่ทั้งสองนี้รวมกันอยู่

อย่างไรก็ตามนักฟิสิกส์พบว่าหลังจากบิ๊กแบงเกิดขึ้นได้เพียงพริบตา ราวๆ 10−36วินาที เอกภพเกิดการขยายตัวแบบรุนแรงเป็นพิเศษเรียกว่า อินเฟลชัน (inflation) ซึ่งการขยายตัวอย่างรุนแรงนี้เกิดขึ้นเพียงชั่วระยะเวลาสั้นๆก็หยุดลง หลังจากเกิดบิ๊กแบงไปได้ราวๆ 10−33วินาที จากนั้นเอกภพก็ขยายตัวต่อมาด้วยอัตราที่ต่ำกว่าตอนเกิดอินเฟลชัน

ช่วงสีเทาคือช่วงที่เกิด อินเฟลชัน

http://www.oswego.edu/~kanbur/a100/lecture23.html

อินเฟลชันเป็นแนวคิดที่เกิดมาเพื่อตอบปัญหาต่างๆที่เกิดขึ้นเช่น ปัญหาที่ว่าทำไมเอกภพจึงดูสม่ำเสมอเหมือนกันไปหมดในภาพรวม สังเกตจากรังสีไมโครเวฟพื้นหลังก็พบว่ามันมีความสม่ำเสมอกันอย่างมากจนน่าตกใจทั้งๆที่เอกภพเราใหญ่โตมโหฬารขนาดนี้ รวมทั้งสามารถแก้ปัญหาได้ว่าทำไมทุกวันนี้เราไม่เคยเห็นแม่เหล็กขั้วเดี่ยวๆเลย รายละเอียดของเรื่องอินเฟลชันนั้นขอข้ามไปก่อนนะครับเพราะค่อนข้างเยอะและยืดยาวมาก

ทุกวันนี้นักฟิสิกส์พยายามมองหาว่าหลักฐานสนับสนุนการเกิดอินเฟลชันมากขึ้นๆ เช่น หากเอกภพเกิดการขยายตัวอย่างรุนแรงขนาดนั้นแม้ในช่วงสั้นๆ เราน่าจะตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วง (Gravitational wave) ที่เกิดขึ้นในช่วงนั้นบ้าง นักฟิสิกส์หลายคนเชื่อว่าคลื่นความโน้มถ่วงอาจส่งผลต่อรังสีไมโครเวฟพื้นหลังโดยทำให้มันเกิดการโพลาไรส์เล็กน้อย (โพลาไรส์อธิบายง่ายๆได้ว่ามันคือการสั่นของคลื่นในทิศทางบางทิศ ไม่ใช่สั่นแบบมั่วซั่วไปหมดทุกทิศทาง) เรียกแบบเฉพาะว่า B-mode polarization พูด ง่ายๆว่ามันน่าจะมีรูปแบบบางอย่างเกิดขึ้นซึ่งถ้าเราตรวจสอบมันได้มันจะน่า ทึ่งมากๆเพราะมะนเหมือนเรามองหาหลักฐานของปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในอดีตอัน ไกลโพ้น

คำถามต่อมาคือแล้วเราอยู่ที่จุดศูนย์กลางการขยายตัวของเอกภพหรือไม่?

นับตั้งแต่สมัยของโคเปอร์นิคัสเชื่อว่าโลกไม่ใช่ศูนย์กลางที่ทุกสิ่งในเอกภพต้องมาโคจรรอบ เราต้องหมั่นเตือนตัวเองว่าเวลาเรานึกว่าเราเป็นศูนย์กลางของอะไรสักอย่าง บางทีมันอาจไม่ใช่ความจริงแต่เกิดจากขีดจำกัดของการรับรู้และมุมมองของเรา เพื่อให้เข้าใจภาพการขยายตัวของเอกภพ เราอาจต้องลองลดมิติของเอกภพเราลงให้เหลือเพียงสองมิติ โดยมองว่า space ทั้งเอกภพเป็นเหมือนผิวลูกโป่งที่กำลังถูกเป่าจนพองออก

การขยายตัวของเอกภพ

http://www.ctc.cam.ac.uk/outreach/origins/inflation_zero.php

ดังนั้นทุก ๆ จุดบนแผ่นยางจึงยืดตัวออกไปพร้อมๆกันและเท่าๆกันหมด อย่าลืมนะครับว่าเอกภพเราคือผิวลูกโป่ง ดังนั้นด้านนอกลูกโป่ง หรือ ภายในลูกโป่งจึงไม่มีความหมายอะไรเพราะเอกภพเรากระจายอยู่บนผิวลูกโป่ง

แล้วเอกภพมีขอบหรือไม่?

ทฤษฎีทุกวันนี้ของเราบ่งว่าเอกภพไม่มีขอบ เอกภพเราอาจจะมีขนาดใหญ่โตไร้ที่สิ้นสุดหรือมีขนาดจำกัดค่าหนึ่งก็ได้แต่มันต้องไม่มีขอบ เอกภพอาจมีขนาดจำกัดแต่ไม่มีขอบได้นะครับ เปรียบได้กับผิวลูกโป่งเมื่อสักครู่ หากเราเป็นมดที่อยู่บนผิวลูกโป่ง พอเราวิ่งไปเรื่อยๆ(แต่เร็วกว่าอัตราการขยายตัวของลูกโป่ง) สักพักเราจะสามารถกลับมายังจุดเริ่มต้นได้ทั้งนี้เพราะผิวลูกโป่งมีขนาดจำกัดอยู่ค่าหนึ่งนั่นเอง (ลองนึกถึงเกมงูในมือถือรุ่นเก่าก็ได้ครับ พอวิ่งไปชนด้านหนึ่งมันจะโผล่ออกมาอีกด้านหนึ่ง กรณีนี้เอกภพของงูก็จะไม่มีขอบให้วิ่งชนแต่มีขนาดจำกัด มันเลยวิ่งกลับมาที่เดิมได้)แต่ถ้าเอกภพเรามีขนาดใหญ่เป็นอนันต์ ไม่ว่าเราจะวิ่งบนผิวลูกโป่งด้วยความเร็วแค่ไหนหรือนานแค่ไหนเราก็จะไม่กลับมายังจุดเริ่มต้น

อย่างไรก็ตามเอกภพเราอาจไม่ได้มีรูปทรงเป็นผิวแบบลูกโป่งก็ได้ นักฟิสิกส์หลายคนเชื่อว่าเอกภพเรามีรูปร่างแบนๆแบบแผ่นกระดาษ , บางคนเชื่อว่าเราเป็นมดที่ไต่อยู่บนผิวแบบโดนัท! และทุกวันนี้นักฟิสิกส์ยังไม่รู้ว่าเอกภพมีขนาดจำกัดหรือไม่

อันที่จริงแล้วเอกภพที่มนุษย์เราสามารถสังเกตได้มีขอบเขตจำกัดอยู่ สาเหตุมาจากแสงเดินทางด้วยความเร็วจำกัดทำให้เราไม่สามารถมองเห็นแสงหรือข้อมูลใดๆจากกาแล็กซีที่อยู่ไกลเกินกว่าระยะทางค่าหนึ่งได้

สมมติว่าเรามองไปยังกาแล็กซีที่อยู่ห่างจากเราออกไป 1 ปีแสงก็แปลว่าภาพกาแล็กซีที่เราเห็นในปัจจุบันจริงๆแล้วเป็นเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นเมื่อ 1 ปีมาแล้วเพราะแสงใช้เวลาในการเดินทาง ดังนั้นยิ่งเรามองกาแล็กซีที่อยู่ไกล เราก็ยิ่งเห็นเหตุการณ์ย้อนอดีตมากเท่านั้น แต่ถ้าเรามองออกไปไกลมากๆไกลสุดๆจนแสงจากกาแล็กซียังเดินทางมาไม่ถึงเรา! เราย่อมไม่สามารถสังเกตการณ์หรือล่วงรู้ข้อมูลของเอกภพของขอบเขตนี้ได้ เราเรียกขอบเขตเอกภพที่เราสามารถสังเกตได้นี้ว่า observable universe ซึ่งห่างจากเราออกไปทุกทิศทุกทางสี่หมื่นหกพันล้านปีแสงโดยประมาณ

ถึงแม้รัศมีการสังเกตเอกภพของเราจะไปไกลถึงระยะสี่หมื่นหกพันล้านปี แต่น่าแปลกที่เอกภพเราเกิดมาได้เพียงหนึ่งหมื่นสามพันล้านปีเท่านั้น (พูดแบบละเอียดๆคือ13.77 พันล้านปี) ทั้งนี้เพราะเอกภพมีการขยายตัวทำให้ space ยืดออกซึ่งจะอธิบายโอยละเอียดในครั้งต่อไปครับ

ข้อมูลจาก

http://www.narit.or.th/index.php/astronomy-article/549-2013-07-08-09-45-26

http://www.ctc.cam.ac.uk/outreach/origins/inflation_zero.php

http://www.oswego.edu/~kanbur/a100/lecture23.html

http://en.wikipedia.org/wiki/Cosmic_microwave_background

http://www.atnf.csiro.au/outreach/education/senior/cosmicengine/hubble.html

http://en.wikipedia.org/wiki/Fred_Hoyle#/media/File:Fred_Hoyle.jpg

วิวัฒนาการของเอกภพ (Evolution Of The Universe)

ภาพถ่ายกลุ่มกาแลกซีที่กระจายอยู่ทั่วเอกภพ
http://maconkidsmagazine.com/2014/05/08/creation-vs-evolution-special/

เอกภพ หรือ จักรวาล (Universe) เป็นระบบที่ใหญ่ที่สุดและไร้ขอบเขต และเป็นห้วงอวกาศที่เต็มไปด้วยดวงดาวจำนวนมหาศาล ซึ่งเราจะเรียกดวงดาวที่เกาะกันเป็นกลุ่มว่า กาแล็กซี และในแต่ละกาแล็กซี ก็จะมีระบบของดาวฤกษ์ กระจุกดาว เนบิวลา หลุมดำ อุกกาบาต ฝุ่นผง กลุ่มก๊าซ และที่ว่างอยู่รวมกันอยู่ ซึ่งก็โลกอยู่ในกาแล็กซีหนึ่ง ที่เรียกกันว่า กาแล็กซีทางช้างเผือก นั่นเอง

สำหรับต้นกำเนิดที่แท้จริงของเอกภพนั้น ที่จริงมีอยู่หลายทฤษฎี แต่ทฤษฎีที่ได้รับการยอมรับจากนักดาราศาสตร์มากที่สุดในปัจจุบัน ก็คือ ทฤษฎีบิ๊กแบง (Big Bang Theory) ของ จอร์จ เลอแมตร์ ที่เชื่อกันว่า เอกภพเริ่มต้นจากความเป็นศูนย์ ไม่มีเวลา ไม่มีแม้แต่ความว่างเปล่า และเอกภพกำเนิดขึ้นโดยการระเบิด ซึ่งหลังจากการระเบิดนั้นเอกภพก็ เริ่มขยายตัวออกไป ก่อนที่จะเกิดอนุภาคมูลฐาน อะตอม และโมเลกุล ต่าง ๆ ขึ้นตามมาหลังจากนั้น ทั้งแรงระเบิดดังกล่าว ยังทำให้เกิดแรงดันระหว่างกาแล็กซีต่าง ๆ ให้ห่างกันออกไปเรื่อย ๆ ซึ่งแรงดันที่ถือว่าเป็นวิวัฒนาการของเอกภพมีอยู่แรง 2 แรง คือ แรงดันออกหลังจากการระเบิดครั้งใหญ่ และแรงโน้มถ่วงดึงดูดให้เอกภพเข้ามารวมตัวกัน ซึ่งทั้ง 2 แรงดังกล่าวเป็นปัจจัยสำคัญที่กำหนดลักษณะของเอกภพ

วิวัฒนาการของเอกภพ
http://en.wikipedia.org/wiki/Universe

วิวัฒนาการของเอกภพ

จากหลักฐานทางดาราศาสตร์ในปัจจุบัน คาดกันว่าเอกภพน่าจะมีอายุประมาณ 15000 ล้านปี โดยมีกำเนิด ณ จุดเริ่มต้น เรียกว่า บิ๊กแบง (Big Bang) ซึ่งเป็นจุดกำเนิดของอวกาศและเวลา!

ขณะนี้เรียกได้ว่า เรากำลังอยู่ในระหว่าง “ขาขึ้น” คือ ขนาดของเอกภพใหญ่ขึ้นเรื่อย ๆ แต่ในที่สุดเอกภพจะมี “จุดจบ” ได้ 3 แบบ ใหญ่ ๆ ขึ้นอยู่กับความหนาแน่นโดยรวมของเอกภพ (the universe’s overall density) ซึ่งนักดาราศาสตร์ใช้สัญลักษณ์ว่า

ค่านี้มีความสำคัญมาก เนื่องจากเป็นปัจจัยสำคัญที่กำหนดลักษณะของเอกภพ ดังนี้

- เอกภพปิด (Closed Universe): ถ้าค่านั่นคือ เอกภพมีความหนาแน่นของมวลสารและพลังงาน มากเพียงพอ จนแรงโน้มถ่วงสามารถเอาชนะการขยายตัวได้ ในที่สุดเอกภพจะหดตัวกลับ และถึงจุดจบที่เรียกว่า บิ๊กครันช์ (Big Crunch) (คำว่า crunch หมายถึง บดเคี้ยว)

- เอกภพแบน (Flat Universe)

- เอกภพเปิด (Open Universe)

แสดงกราฟลักษณะวิวัฒนาการของเอกภพทั้งสามแบบ

http://topicstock.pantip.com/wahkor/topicstock/2010/03/X8962620/X8962620.html

ค่าความหนาแน่น ?0 นี้ แม้ว่าในปัจจุบันยังไม่สามารถวัดได้อย่างแน่นอน แต่ก็มีหลักฐานบางประการชี้ให้เห็นว่า อาจมีค่าประมาณ 0.2 ถึง 0.3 ซึ่งถ้าเป็นเช่นนั้นจริง ก็หมายความว่า เรากำลังอยู่ในเอกภพแบบเปิด แต่ถ้าหากมีหลักฐานใหม่ ๆ ที่ขัดแย้งข้อมูลนี้ ข้อสรุปที่ได้ก็อาจเปลี่ยนแปลงได้ เช่น ถ้าหากพบว่านิวตริโน หรือ ดาวแคระสีน้ำตาลทั้งหมดมีมวลรวมกันมากพอ หรือ พบสสารมืด (dark matter) ในรูปแบบอื่น เอกภพก็อาจจะเป็นเอกภพปิดก็เป็นได้

ภาพ เอกภพเปิด (Open Universe) และ เอกภพปิด (Closed Universe)

ยุคต่าง ๆ ของเอกภพแบบเปิด

ในที่นี้ เราจะลองพิจารณาความเป็นไปได้ของเหตุการณ์ต่าง ๆ ที่อาจจะเกิดขึ้นต่อจากนี้ ภายใต้สมมติฐานว่า เอกภพเป็นแบบเปิด (open universe) ทั้งนี้ เนื่องจากเอกภพเปิดมีช่วงอายุขัยยาวนานเพียงพอที่จะเกิดเหตุการณ์ทางดาราศาสตร์ที่น่าสนใจจำนวนมาก

เราจะลองมองอนาคตไปข้างหน้าไกลแสนไกลราว 10100 ปี นับจากจุดเริ่มต้น แต่เพื่อให้ได้ภาพที่ครบถ้วนสมบูรณ์ จะขอเริ่ม ณ จุดตั้งต้น คือ บิ๊กแบง ผ่านยุคต่าง ๆ ได้แก่ ยุคอินเฟลชัน ยุครังสี ยุคดวงดาว ยุคดีเจนเนอเรต ยุคหลุมดำ และสุดท้ายคือ ยุคมืด

- ยุคอินเฟลชัน (The Inflation Era)

เชื่อกันว่าจุดกำเนิดของเอกภพ หรือ บิ๊กแบง (Big Bang) เริ่มต้น ณ เวลาเศษเสี้ยวของวินาทีที่ 10-43 วินาที ซึ่งเรียกว่า เวลาของแพลงค์ (Planck’s time) จากนั้นในช่วงเวลา 10-37 ถึง 10-32 วินาที เอกภพได้เกิดการพองตัวอย่างรวดเร็ว เรียกว่า อินเฟลชัน (inflation) ทฤษฎีอินเฟลชันสามารถใช้อธิบายว่า ทำไมเอกภพที่เราเห็นอยู่ในปัจจุบันถึงได้มีขนาดใหญ่โตมโหฬาร และดูเหมือนว่า จะมี ความหนาแน่นพอ ๆ กันในทุก ๆ ตำแหน่ง (homogeneous) และทุก ๆ ทิศทาง (isotropic) รวมทั้งลักษณะทางกายภาพอื่น ๆ เช่น “ความแบน” ของเอกภพ

ในช่วงเวลาอันแสนสั้นแต่น่ามหัศจรรย์นี่เอง ณ บางตำแหน่ง อาจมีการกระจายของความหนาแน่นของพลังงานสูงกว่า บริเวณอื่น ๆ เล็กน้อย บริเวณเหล่านี้ คือ บริเวณที่จะเกิดเป็นดวงดาวและกาแลกซีในอนาคต

- ยุครังสี (The Radiation-dominated Era)

ในช่วงเวลาถัดมา ตั้งแต่ 10-32 วินาที ถึงราว 10,000 ปี เป็นยุคที่เอกภพเต็มไปด้วยรังสีอย่างหนาแน่นทุกหนทุกแห่ง แต่ในช่วงนี้ยังไม่มีอะตอม!

สสารและปฏิสสารจะเกิดการทำลายล้างกัน (annihilation) อย่างต่อเนื่อง แต่เนื่องจากในเอกภพ มีสสารมากกว่าปฏิสสาร อยู่เล็กน้อย ทำให้เหลือเป็นสสารอย่างที่เห็นในปัจจุบัน ต่อจากนั้นได้เกิดนิวเคลียสของธาตุที่ง่ายที่สุด คือ นิวเคลียสของไฮโดรเจน (โปรตอนตัวเดียว) และดิวทีเรียม (โปรตอน 1 ตัว + นิวตรอน 1 ตัว)

ในช่วงรอยต่อระหว่างยุครังสีนี้กับยุคถัดไป มีเหตุการณ์ที่สำคัญอย่างมากเกิดขึ้นได้แก่ การเกิดไฮโดรเจนอะตอมแรกของเอกภพ เมื่อเอกภพมีอายุได้ประมาณ 300,000 ปี ก่อนหน้านี้ ไม่มีอะตอมใด ๆ เกิดขึ้นได้ เพราะเอกภพมีอุณหภูมิสูงมาก ทำให้อิเล็กตรอน ไม่สามารถอยู่ร่วมกับโปรตอนกลายเป็นอะตอมของไฮโดรเจนได้

วิวัฒนาการของเอกภพจากบิ๊กแบงจนถึงยุคดวงดาว

- ยุคแห่งดวงดาว (The Stelliferous Era)

คำว่า stelliferous แปลว่า เต็มไปด้วยดวงดาว ในยุคแห่งดวงดาวนี้ ดาวฤกษ์ทั้งหลายเกิดขึ้นและเปลี่ยนแปลงไป ตามขั้นตอน ต่าง ๆ ตามทฤษฎีวิวัฒนาการของดวงดาว (stellar evolution) ใครสนใจ โปรดดูกล่องอธิบาย “วิวัฒนาการของดวงดาว”

วิวัฒนาการของดวงดาว

ถ้าเริ่มนับจากดาวฤกษ์ (star) ในภาพ เมื่อเชื้อเพลิงไฮโดรเจนถูกใช้ไปเรื่อย ๆ จนหมด ดาวฤกษ์จะขยายใหญ่ขึ้นกลายเป็นดาวยักษ์แดง (red giant)

ถ้าหากดาวฤกษ์นั้นมีมวลน้อยกว่า 1.4 ของมวลของดวงอาทิตย์ มันก็จะเปลี่ยนแปลง ไปตามเส้นทาง 1 คือ กลายไปเป็นเนบิวลา (planetary nebula) ดาวแคระขาว (white dwarf) และ ดาวแคระดำ (black dwarf) ตามลำดับ

แต่ถ้าหากดาวฤกษ์มีขนาดใหญ่ คือมีมวลมากกว่า 1.4 เท่าของดวงอาทิตย์ มันก็จะเดินตามเส้นทาง 2 กลายไปเป็นอภิมหาดาวยักษ์แดง (super red giant) ซึ่งอาจ ระเบิดทั้งหมดกลายเป็นซูเปอร์โนวา (supernova) (เส้นทาง 3) โดยจากซูเปอร์โนวา ถ้าหากมวลต่ำกว่า 3 เท่าของดวงอาทิตย์ ก็จะกลายไปเป็นดาวนิวตรอน (neutron star) แต่ถ้าหากมวลมากกว่า 3 เท่าของดวงอาทิตย์ ก็จะกลายไปเป็นหลุมดำ (black hole) แต่ถ้าอภิมหาดาวยักษ์แดง ระเบิดเฉพาะที่ผิวจะเรียกว่า โนวา (nova) (เส้นทาง 4)

อย่างดวงอาทิตย์ของเรานี่ซึ่งตอนนี้มีอายุประมาณ 4.5 พันล้านปีแล้ว แต่ในอีกราว 1.1 พันล้านปีข้างหน้า เมื่อเชื้อเพลิง ไฮโดรเจนถูกใช้ไปเรื่อย ๆ จนหมด ดวงอาทิตย์จะขยายใหญ่ขึ้น ถึงตอนนั้น โลกที่แสนจะน่าอยู่ของเรา ก็คงจะอยู่ไม่ได้อีกต่อไป เพราะร้อนจัด และอีกราว 7 พันล้านปีก็จะกลายเป็นดาวยักษ์แดง (red giant)

ในยุคแห่งดวงดาวนี้ มีเหตุการณ์ที่น่าสนใจหลายอย่าง เช่น กาแลกซีต่าง ๆ จะมากระจุกรวมตัวกัน อย่างกาแลกซีทางช้างเผือก ของเรานั้น คาดว่าน่าจะรวมกับกาแลกซีแอนโดรเมดาในอีก 6 พันล้านปีข้างหน้านู่น!

ยุคแห่งดวงดาวสิ้นสุดลงเมื่อดาวแคระแดง (red dwarf) หมดลง ถึงตอนนี้เอกภพมีอายุราว 1014 ปี

ยุคดีเจนเนอเรต (The Degenerate Era)

ในยุคนี้ เอกภพจะประกอบไปด้วยดาวแคระน้ำตาล (brown dwarf) ดาวแคระขาว (white dwarf) และดาวนิวตรอน (neutron star) รวมทั้งหลุมดำจำนวนมาก

ยุคนี้เอกภพจะมืดและแสนเยือกเย็น เพราะไม่มีดาวฤกษ์ใด ๆ เหลือส่องแสงอีกต่อไป หลุมดำแต่ละหลุมจะมีมวลเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ เพราะเที่ยวไปเก็บมวลสารที่เหลืออยู่โดยรอบ

ในช่วงนี้นี่เองที่ อนุภาคอย่างโปรตอนซึ่งเดิมเชื่อกันว่ามีอายุยืนยาวไม่มีวันตายนั้นก็จะเริ่มสลายตัว บางทฤษฎีในปัจจุบัน ประมาณอายุของโปรตอนไปไว้ที่ 1030 ปี ถึง 1040 ปี โปรตอนสลายตัวกลายเป็นโพสิตรอน นิวตริโน พายออน และรังสีแกมมา

ยุคดีเจนเนอเรตสิ้นสุดลงเมื่อโปรตอนตัวสุดท้ายสลายไป ถึงตอนนี้ดาวแคระประเภทต่าง ๆ ก็หมดไปเหลือแต่หลุมดำ

ยุคหลุมดำ (The Black Hole Era)

ในยุคนี้เรียกได้ว่ามองไปทางไหนก็จะ “เห็น” แต่หลุมดำ หลุมดำ และหลุมดำ แต่หลุมดำก็ไม่จีรังครับ เพราะในนี่สุดแล้ว มันก็จะระเหย (evaporate) ไปได้เหมือนกัน ตามทฤษฎีของฮอว์กิ้งที่เรียกว่า การแผ่รังสีฮอว์กิ้ง (Hawking radiation)

จากการคำนวณ ประมาณกันว่า หลุมดำที่มีมวลพอ ๆ กับดวงอาทิตย์ของเรานั้น จะมีอายุขัยยาวนานราว 1065 ปี ส่วนหลุมที่มีมวลพอ ๆ กับกาแลกซี จะมีอายุยืนยาวกว่านั้นคือราว 1098 ถึง 10100 ปี และเมื่อหลุมดำขนาดใหญ่หลุมสุดท้ายสลายตัวไป ก็สิ้นสุดยุคหลุมดำ

ยุคมืด (The Dark Era)

ยุคสุดท้าย หรือ ยุคมืดนี่ ฟังเผิน ๆ แล้วเหมือนกับบ้านเราตอนนี้เลยนะครับ (อุ๊บ! ห้ามวิจารณ์การเมืองเดี๋ยว วารสาร MTEC ถูกสั่งปิด!)

ในยุคนี้ แม้แต่หลุมดำก็ไม่อยู่เสียแล้ว จะมีเพียงแต่โฟตอน และอนุภาคอย่างนิวตริโน โพสิตรอน และอิเล็กตรอน ซึ่งแต่ละตัว อยู่ห่างกันไกลแสนไกล เพราะเอกภพขยายตัวไปเรื่อย ๆ ตามสมมติฐานตั้งต้น

นักฟิสิกส์บางท่านจินตนาการไปไกลขนาดว่า เป็นไปได้ที่อิเล็กตรอนและโพสิตรอนจะมากจับคู่กัน (ชั่วคราว) เรียกว่า โพสิโทรเนียม (positronium) แต่ระยะห่างเหลือเชื่อครับคือ ไกลกว่าขนาดของเอกภพในปัจจุบัน! (ผมอดสงสัยไม่ได้จริง ๆ ว่า ไกลขนาดนั้นแล้ว จะใช้แรงอะไรดึงดูดกัน?)

แต่ในที่สุดทั้งอิเล็กตรอนและโพสิตรอนก็จะดูดเข้าใกล้กันและทำลายล้างกันไปหมดไม่เหลือครับ!

ที่มา:

https://adescience.wordpress.com

http://www.rmutphysics.com/charud/naturemystery/sci3/universe/universe_infinity.htm

http://en.wikipedia.org/wiki/Universe

http://topicstock.pantip.com/wahkor/topicstock/2010/03/X8962620/X8962620.html