เอกภพ

เอกภพ (Universe)

มีขนาดมหึมา รวมทุกสิ่งทุกอย่างเอาไว้ ทั้งโลกและสิ่งที่อยู่ในอวกาศ ไม่ว่าจะเป็น ดวงอาทิตย์ ดวงจันทร์ ดาวเคราะห์อื่นๆ ดาวฤกษ์ และกาแลกซี่ ซึ่งต้องอาศัยความรู้ด้านดาราศาสตร์ในการที่จะศึกษาสิ่งต่างๆ เหล่านี้ดาราศาสตร์เป็นเรื่องที่ว่าด้วย การสำรวจและความเข้าใจเกี่ยวกับเอกภพ ความรู้เรื่องจุดกำเนิดและวิวัฒนาการของดาวเคราะห์ ดวงดาว ระบบกาแลกซี่และเอกภพทั้งหมด ถึงแม้ความรู้จะก้าวหน้ามากในปัจจุบันแต่ความจริงยังคงมีความเร้นลับรอการเปิดเผย จากการวิจัยของนักค้นความอยู่อีกมาก

กำเนิดเอกภพ
ปัญาหาที่ได้รับการค้นหาคำตอบอยู่ตลอดมานับตั้งแต่มนุษย์เริ่มสงสัยต่อสภาพแวลล้อมที่มีอยู่รอบตัวเองมนุษย์เองได้แก่ ปัญหาที่ว่า เอกภพเกขึ้นมาได้อย่างไร? ปัจจุบันคำตอบต่อปัญหานี้นักดาราศาสตร์มีทฤษฎีด้วยกัน 3 ทฤษฎี มีดังนี้

1 ทฤษฎีการระเบิดครั้งใหญ่ (The Big Bang Theory )

ผู้ริเริ่มแนวคิดตามทฤษฎีนี้คือ เลอแมทร์ (Lemaitre) ตามทฤษฎีนี้ เอกภพของเรามีจุดเริ่มต้นจากการระเบิดครั้งใหญ่ เมื่อประมาณ 15,000 ล้านปีมาเเล้ว กลุ่มมวลสารที่เกิดจากการระเบิดครั้งรุนเเรงมหาศาล ครั้งนี้ถูกเหวี่ยงตัวออกไปแล้วรวมตัวเป็นกลุ่มดาว เรียกว่า กาแล็กซี จากการระเบิดในครั้งนั้น ทำให้กาแล็กซี ยังคงเคลื่อนที่ออกไปอยู่ตลอดเวลา เมื่อเอกภพมีอายุมาขึ้นสสารในกาแล็กซี ก็จะมีน้อยลงไป การขยายตัวของเอกภพ คงดำเนิน เรื่อยไปไม่มีสิ้นสุด

2 ทฤษฎีการออสซิลเวลของเอกภพ (The Oscillating Universe Theory)

ทฤษฎีนีเป็นทฤษฎีดัดแปลงไปจากทฤษฎีการระเบิดครั้งใหญ่ ทฤษฎีนี้กล่าวว่า การขยายตัวของเอกภพนั้นกาแลกซีที่กำลังวิ่งหนีเราออกไปด้วยความเร็วสูงอย่างที่เป็นอยู่ในปัจจุบัน ก็จะมีความเร็วช้าลง และหยุดการเคลื่อนที่ในที่สุด หลังจากนั้นกาแล็กซีก็จะกลับมายังจุดเริ่มต้นทำให้การระเบิดครั้งใหญ่ขึ้นมาอีกครั้งหนี่ง ดังนั้นเอกภพจึงมีวัฏจักรของการเกิดเอกภพที่มีความแตกต่างกันไป

3 ทฤษฎีสภาวะคงที่ (The Steady State Theory)

เป็นทฤษฎีที่ตั้งขึ้นมาโดยคณะนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ 3 คน คือ เฟรด ฮอย์ล (Fred Hoyle) เฮอร์แมน บอนได (Herman Bondi) และโธมัส โกลด์ (Thomas Gold) เมื่อ ค.ศ.1948 ทฤษฎีนี้กล่าวว่า เอกภพมิได้เกิดมาในขณะใดขณะหนึ่ง และเอกภพก็ไม่มีวันจุดอวสานตามทฤษฎีนี้เมื่อเอกภพขยายตัวออกไปก็จะมีสสาใหม่ถูกสร้างขึ้นมาแทนที่ในอวกาศในบริเวรที่กาแล็กซีเคลื่อนตัวออกไป ดังนั้นปรากฎการณ์ของ เอกภพจึงมีอยู่อย่างคงที่ตลอดไป

นักดาราศาสตร์ได้นำเอาการคาดคะเนของแต่ละทฤษฎีมาเปรียบเทียบกลับหลักฐานที่นักดาราศาสตร์ค้นพบ ทำให้นักดาราศาสตร์ตัดสินใจว่า ทฤษฎีใดเป็นทฤษฎีที่ถูกต้อง ในบรรดาทั้ง 3 ทฤษฎีการระเบิดครั้งใหญ่ซึ่งเป็นทฤษฎีที่ง่ายที่สุด เป็นทฤษฎีที่นักดาราศาสตร์ส่วนใหญ่เชื่อว่าถูกต้องมากที่สุด อย่างไรก็ดีความรู้ทีจะได้รับเพิ่มเข้ามาอีกในอนาคตทำให้ทฤษฎีนี้หมดความหมายไปก็ได้ สำหรับคนรุ่นหลังในรุ่นต่อๆไป อาจจะมองเห็นว่าแนวความคิดในเรื่องเอกภพของมนุษย์รุ่นปัจจุบันช่างไร้สาระ เหมือนอย่างที่เราในปัจจุบันมีความคิดเช่นนี้อยู่ เมื่อมองดูเเนวความคิดในเรื่องโครงสร้างของเอกภพของชาวกรีซในสมัยโบราณ
สรรพสิ่งทั้งปวงเกิดจากสาเหตุเริ่มต้นเดียวกันว่า บิกแบง หรือการระเบิดครั้งใหญ่ เราคิดว่า ณ จุดระเบิดใหญ่เอกภพมีขนาดเป็นศูนย์และอุณหภูมิเป็นอนันต์ แต่เมื่อเอกภพขยายตัวอุณหภูมิของการแผ่รังสีลดลง ณ จุดเริ่มต้นเอกภพแต่มี พลังงานภายหลังการระเบิดครั้งใหญ่จึงสสาร
ขณะเกบิกแบง มีเนื้อสารเกิดขึ้นในรูปของอนุภาคพื้นฐาน ชื่อ ควาร์ก (Quark) อิเล็กตรอน (Electron)นิวทริโน (Neutrino)และโฟตอน (Photon)ซึ่งเป็นพลังงาน เมื่อเกิดอนุภาคก็จะเกิดปฏิอนุภาค ที่มีประจุไฟฟ้าตรงข้าม ทำให้ประจุไฟฟ้ารวมของเอกภพเป็นศูนย์ เมื่อเกิดปฏิอนุภาคพบกับอนุภาคชนิดเดียวกันจะหลอมรวมกัน เนื้อสารหายไปเป็นพลังงานจนหมดสิ้น ถ้าเอกภพมีจำนวนอนุภาคเท่ากับปฏิอนุภาคพอดี เมื่อพบกัรจะกลายเป็นพลังงานทั้งหมด ก็จะไม่เกิดกาแล็กซี ดาวฤกษ์ และระบบสุริยะ แต่ในธรรมชาติมีอนุภาคมากกว่าปฏิอนุภาค ดังนั้นเมื่อปฏิอนุภาคพบกับอนุภาคนอกจากจะได้รับพลังงานเกิดขึ้นเเล้ว ยังมีอนุภาคเหลืออยู่ และนี่คือ อนุภาคที่ก่อกำเนิดเป็นสสารของเอกภพในปัจจุบัน

หลังบิกแบง เพียง 0.0000001วินาที อุณหภูมิของเอกภพลดลงเป็น สิบล้านเคลวิน ทำให้ควาร์กเกิดการรวมตัวกันกลายเป็นโปรตอน และนิวตรอน

1 วินาที หลังบิกแบง อุณหภูมิ จะลดลงประมาณหนึ่งหมื่นล้าน องศาสเซลเซียส หรือพันเท่า ของอุณหภูมิใจกลางดวงอาทิตย์สถานที่ซึ่งมีอุณหภูมิสูงขนาดนี้ คือ ใจกลางของระเบิดไฮโดรเจน วินาทีหลังการระเบิดใหญ่ เอกภพมีองค์ประกอบส่วนใหญ่เป็นโฟตอน อิเล็กตรอนเเละนิวทริโน รวมทั้งปฏิอนุภาคทั้งสามและโปรตอน กับนิวตรอนอีกจำนวนหนึ่ง
หลังบิกแบง 3 นาที อุณภูมิของเอกภพลดลงเป็นร้อยล้านเคลวินมีผลให้โปรตอนและนิวครอนเกิดการรวมตัวเป็นนิวเคลียสของฮีเลียม ในช่วงแรกๆนี้ เอกภพขยายตัวอย่าง รวดเร็วมาก

ขณะที่เอกภพขยายตัวต่อไปอุณหภูมิลดต่ำลง อัตราการผลิตคู่ของอิเล็กตรอน-แอนติ้อิเล็กตรอน จากการชนกันจะลดต่ำกว่าอัตาการทำลายโดยการรวมตัว ดังนั้นอิเล็กตรอนและแอนติ้อิเล็กตรอนส่วนมากจะรวมตัวได้โพตอนออกมามากขึ้น เหนืออิเล็กตรอนไว้จำนวนน้อยเท่านั้น เเต่นิวทิรโน จะไม่รวมกัน เพราะอนุภาคทั้งสองมีปฏิกิริยาต่อกันและต่ออนุภาคอื่นๆอย่างอ่อนมาก ดังนั้นจึงยังคงเหลืออยู่จนถึงทุกวันนี้
ประมาณ 100 วินาที หลังบิกแบง อุณหภูมิจะลดลงเป็นหนึ่งพันล้านองศาหรือเท่ากับอุณหภูมิภายในดาวฤกษ์ ที่ร้อนที่สุด ณ อุณหภูมินี้โปรตอนและนิวตรอนจะไม่มีพลังงานมากพอที่จะหลุกพ้นจากเเรงดึงดูดแบบนิวเคลียร์ที่รุนแรงได้จึงเพริ่มยึดกันกลายเป็นนิวเคลียสดิวทีเรียม ซึ่งประกอบด้วยไนโตรเจน 1 อนุภาค นอกจากนี้ยังเกิดธาตุหนักอีก สอง ธาตุ คือ ลิเทียมและเบริเลียม
หละงบิกแบง 300000 ปี อุณหภูมิลดลงเหลือ 10000 เคลวิน นิวเคลียสของไฮโดรเจนและฮีเลียมดึง อิเล็กตรอนเข้ามาอยู่ในวงโคจร เกิดเป็นอะตอมไฮโดรเจน และฮีเลียมตามลำดับ
เอกภพจะขยายตังต่อไปอีกและเย็นตัวลงด้วย แต่ในบริเวณที่มีความหนาแน่นมากกว่าความหนาแน่นเฉลี่ย การขยายตัวจะช้าลงโดยเเรงโน้มถ่วงจากภายนอกจะทำให้ส่วนที่กำลังยุบหมุนตัวเล้กน้อย เมื่อบริเวณที่ยุบมีขนาดเล็กลงการหมุนจะเร็วขึ้น เหมือนกับนักเล่นสเก็ตน้ำแข็งจุหมุนตัวเร็วขึ้นถ้าหดแขนขดขาเข้ากาตัว ในที่สุดจะหมุนเร็วจนทำให้เกิดความสมดุลย์กับเเรงโน้มถ่วง นี่คือ กำเนิดของกาแล็กซี่ที่มีรุปร่างเหมือนจานที่กำลังหมุน บริเวณอื่นที่ไม่หมุนจะกลายเป็นกาแล็กซี่รูปไข่
เมื่อเวลาผ่านไปหลังลิกแบง 1000 ล้านปี แก๊สไฮโดรเจนและฮีเลียมภายในกาแล็กซีจะแยกกันเป็นกลุ่ม แต่ละกลุ่มจะหดตัวเพราะแรงโน้มถ่วง ขณะหดตัวอะตอมของแก๊สจะชนกันทำให้อุณหภูมิสูงขึ้น จนสูงมากพอที่จะทำให้เกิดปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ซึ่งเปลี่ยนไฮโดรเจรเป็นฮีเลียม และแผ่รังสีในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า คือ ความร้อนและแสงสว่าง
ดังนั้นปฐมสสาร ซึ่งเป็นส่วนประกอบของกาแล็กซี และดวงดาวดวงแรกๆ ของเอกภพ จึกประกอบด้วยแก๊สฮีเลียม ร้อยละ 25 แก๊สไฮโดรเจนหนักน้อยละ 75 โดยน้ำหนัก เมื่อธาตุอื่นๆ มีอยู่ ซึ่งมีอยู่เล็กน้อยออกไป

หลักฐานที่สนับสนุนทฤษฎีบิกแบง

1 การขยายตัวของเอกภพ

ในปีค.ศ.1920 เอ็นวิน พีฮับเบิล นักดาราศาสตร์ชามอเมริกัน ได้ตีพิมพ์รายงานการค้นพบเรื่อง แสง สเปกตรัมของกาแล็กซี่ที่อยู่ไกลออกไปว่า ลำแสงเปลียนความถี่ หมายความว่า ความถี่ของแสงจากกาแล็กซีที่อยู่ไกลออกไปเปลี่ยนเป็นคลื่อน มีความยาวคลื่นมากยิ่งขึ้น จากการวัดความยาวคลื่นที่เปลี่ยนแปลงไปแสดงให้เห็นว่า กาแล็กซีกำลังเคลื่อนตัวออกไปจากกาแล็กซีทางช้างเผือก ด้วยความเร็วเป็นสัดส่วนกัยระยะทางที่อยู่ไกลออกไป คือ ความเร็วของการเคลื่อนตัวออกไปเท่ากับ ระยะทางหารด้วยปริมาณเวลา เป็นอย่างเดียวกันหมดทุกกาแล็กซี กฏนี้เรียกว่า กฏของฮับเบิล และ T ซึ่งเป็นมิติของเวลาเรียกว่า “เวลาฮับเบิล” หากกฏนี้ใช้ได้กับทุกกาแล็กซี ก็หมายความว่า กาแล็กซีทั้งหมดที่มี อยู่ใน เอกภพ จะอยู่ในตำแหน่งเดียวกันหมดเมื่อเวลาผ่านไปหลายปีมาเเล้ว

กฏของฮับเบิล
เอ็ดเว็ด พี ฮับเบิล (ค.ศ. 1889 – 1953 )นักดาราศาสตร์ผู้ยิ่งใหญ่ที่สุดคนหนึ่งในศตวรรษ ที่20 ศึกษารายละเอียดของดาวฤกษ์แต่ละดวงในกาแล็กซี M33 ซึ่งเป็นกาแล็กซีเพื่อน บ้าน พบว่าดาวฤกษ์หล่าวนี้ อยู่นอกกาแล็กซีของเราออกไป หลังจากที่ฮับเบิลได้พิสูจน์ว่า มีกาแล็กซีอีกเป็นจำนวนมากเขายังได้พิสูจน์อีกว่า กาแล็กซีเหล่านี้กำลังเคลื่อนที่ออกไป
เมื่อกาแล็กซีอื่นเคลื่อนที่ห่างออกไปหรือเคลื่อนที่เข้าหากาแล็กซีของเรา แสงที่สังเกตเห็นจากกาแบ็กซีเหล่านี้จะเป็นสีอื่นที่แตกต่างไปจากตอนที่ยังไม่ได้เคลื่อนที่ ถ้ากาแล็กซีเคลื่อนที่ออกไปจะปรากฏมีสีแดงขึ้นเรียกว่า กาแล็กซีมีการเขยื้อนไปทางสีแดง หรือ เรดชิพต์ ถ้าเคลื่อนที่เข้าหาเรา กาแล็กซีเคลื่อนเข้าหาเรา กาแล็กซีจะปรากฏมีสีน้ำเงิน เรียกว่า เขยื้อนไปทางสีน้ำเงิน หรือ บลูชิฟต์ ปรากฏการณ์เปลี่ยนสีนี้เรียกว่า ปรากฏการณ์ดอปเปลอร์
ฮับเบิลได้ใช้ปรากฏการาดอปเปลอร์วัดความเร็วของกาแล็กซีต่างๆ และค้นพบความสัมพัทธ์เหลือเชื่อที่ว่ากาแล็กซีที่อยู่ไกลยิ่งเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูง นั้นคือเขาค้นพบว่า อัตราเร็วของกาแล็กซีเป็นปฏิภาคโดยตรงกับระยะห่าง และได้พบว่ากราฟมีความสัมพันธ์เชิงเส้นตรง ปัจจุบันเรียกว่า กฎของฮับเบิล กฎนี้แสดงว่าเอกภพทั้งหมดกำลังมีขนาดโตขึ้น
ก่อนการค้นพบกฎของฮับเบิล การวักระยะห่างของกาแล็กซีจำกัดอยู่ที่ระยะห่างมากที่สุด ประมาณ 10 ล้านปีแสง เท่านั้นเพราะ การหาระยะห่างจำเป็นต้องจับเวลาหาคาบของดาว แปรแสงแบบเซฟิด และที่ระยะ 10 ล้านปีแสง เป็นระยะห่างไกลเกิน กว่า ที่กล้องที่ดีที่สุด จะสามารถแยกภาพดาวแปร แสงในกาแล็กซี ออกเป็นดวงๆ ได้
กฎของ ฮับเบิล ได้ ขยายขอบเขตการวัดระยะห่าง ของกาแล็กซี ออกไปจนถึง สุดขีดความสามารถของกล้องโทรทรรศน์ที่ดีที่สุดในปัจจุบัน เพราะเพียงกล้องโทรทรรศน์สามารถส่องเห็นกาแล็กซีและถ่ายภาพสเปกตรัมได้ นักดาราศาสตร์ก็สามารถคำนวณหาระยะห่างของกาแล็กซี ได้ทันที
ปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ ค้นพบใน ปี ค.ศ. 1866 โดยคริสเตียน ดอปเปลอร์ นักฟิสิกส์ชาวเนเธอร์แลนด์ ที่ได้ ศึกษา การเพิ่มและลดความถี่ของเสียงจากแหล่งกำเนิด ที่กำลังเคลื่อนที่
นอกจากคลื่นเสียง ปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ยังพบได้ในคลื่นอื่นๆ ทุกชนิด อาทิเช่น คลื่นน้ำ และคลื่อนแสง โดยความถี่ จะสูงขึ้น หรือ ลดลงมากน้อยเพียงใดจะขึ้นอยู่กับความเร็วที่แหล่งกำเนิดคลื่นเคลื่อนที่เข้าหาหรือออก ห่างจากผู้สังเกต ตัวอย่างที่สังเกตได้ง่าย คือ หากเรายืนอยู่บนชานชาลาสถานีรถไฟเสียงหวูดของรถไฟขณะกำลังแล่นเข้าสู่สถานีจะเป็นเสียงที่แหลมกว่าเสียงที่จะได้ยินหากรถจอดอยู่เฉยๆ เนื่องจากความถี่ของเสียงเพิ่มขึ้น โดยยิ่งรถไฟแล่นเข้าหา สถานีด้วยความเร็วสูงเสียงก็จะยิ่งแหลมกว่าปกติมากในทางตรงกันข้าม หากรถไปกำลังแล่นออกจากสถานี ผู้ที่ยืนรออยู่บนชานชาลา ก็จะได้ยินเสียงทุ้มกว่าปกติ เนื่องจากความถี่ของเสียงลดลง หากรถไฟแล่นจากไปด้วยความเร็วสูงเสียงก็จะทุ้มลงมากเช่นกัน

                      

2 การค้นพบอุณหภูมิหรือพลังงานพื้นหลังของเอกภพ

ในปี พ.ศ.2491 นักฟิสิกส์ 3 คน คือ ราฟ แอลเฟอร์ จอร์จ กาโมว์และโรเบิร์ต เฮอร์แมน ได้พยากรณ์ว่า มีพลังงานเบื้อหลังในอวกาศ โดยใช้กล้องโทรทรรศน์วิทยุ ผลการคำนวณของพวกเขาชี้ให้เห็นว่า ถ้าเอกภพเริ่มด้วย บิกเเบง เมื่อหลายพันล้านปีมาแล้ว ปัจจุบันจะต้องมีพลังงานความร้อนหลงเหลืออยู่จากการระเบิด และพลังงานส่วนนี้วัดได้ในช่วงคลื่นวิทยุ ตัวเลขชี้ให้เห็นว่าอุณหภูมิพื้นหลังเท่ากับอุณหภูมิ 2-3 องศาเหนือ 0 เคลวิน หรือ 2 – 3 องศา สูงกว่า -273.15 องศาเซลเซียส อุณหภูมิพื้นหลังของอวกาศตรวจพบครั้งเเรกอย่างบังเอิญ โดยนักฟิสิกส์ด้านโซลิดสเตท 2 คน คือ อาร์โน เพนเซียสและโรเบิร์ต วิลสัน ที่นิวเจอร์ซี ในปีพ.ศ. 2508 พวกเขาได้ยินเสียงรบกวน ซึ่งรับได้โดยเสาอากาศของกล้องโทรทรรศน์วิทยุ สำหรับรับคลื่นไมโครเวฟ ไม่ว่าเสาอากาศซึ่งมีลักษณะรูปเขาวัวมีนกพิราบเข้าไปทำรังอยู่ แม้ว่าจะเอารังนกออกแล้วทำความสะอาดเสาอากาศอย่างดีก็ยังได้ยินเสียงในเครื่องรับวิทยุเช่นเดิม
เพนเซียสและวิลสันได้นำเรื่องนี้ไปพูดคุยกับนักเอกภพวิทยาของมหาลัยปรินซ์ตัน จึงได้รู้ว่าตัวเองได้ค้นพบเสียงที่เกิดจากอุณหภูมิพื้นหลังของอวกาศที่เกิดจากระเบิดครั้งใหญ่ซึ่งเป็นสัญญาณที่เหลืออยู่ในอวกาศ เทียบได้กับพลังงานของการแผ่รังสีของวัตถุมีอุณภูมิ 3 เคลวิน หรือ ประมาณ -270 องศาเซลเซียส
จากหลักฐานสนับสนุนดังกล่าวพอสรุปได้ว่า เอกภพ เกิด จากปรากฎการณ์บิกแบง ตอนแรกมีขนาดเล็กและร้อนมาก แต่ขยายตัวอย่างรวดเร็ว ขณะที่เอกภพ โตขึ้น อุณหภูมิจะต่ำลง พลังงานกลายเป็นสสาร หลังจากนั้นระยะหนึ่งสสารส่วนใหญ่รวมตัวกันเป็นแก๊สไฮโดรเจน และฮีเลียม เกิดเมฆแก๊สเป็นก้อนๆ ที่ถูกดังเข้าหากันโดยแรงโน้มถ่วงดาวฤกษ์กลุ่มแรกในเอกภพ เกิดภายในก้อนแก๊สซึ่งรวมตัวกันเป็นกาแล็กซี กาแล็กซีบางแห่งยุบตัวจนกลายเป็นกาแล็กซีที่มีรูปร่างเนแบบสไปรัล จุดบิกแบงจึงเป็นจุดที่พลังงานเริ่มเปลี่ยนเป็นสสารครั้งแรก เป็นจุดเริ่มต้นของเวลาและเอกภพ
ภายหลังการค้นพบพลังงานเบื้องหลังของอวกาศ เมื่อปี พ.ศ.2508 นักดาราศาสตร์วิทยุก็ได้ติดตั้งเครื่องมือในเครื่องบิน จรวด และบอนลูน เพื่อวัดพลังงานพื้นหลังของอวกาศหลายครั้ง นักเอกภพวิทยา สามารถตรวจสอบความถูกต้องของทฤษฎีบิกแบงโดยเปรียบเทียบอุณหภูมิพิ้นหลังของอวกาศที่วัดไว้กับค่า ที่ควรจะเป็นไปตามทฤษฎี ถ้าทั้งสองอย่างตรงกัน แสดงว่า ผลการสังเกตสนับสนุนหรือเป็นไปตามทฤษฎี

Advertisement