v กำเนิดเอกภพ
ในปัจจุบันยังไม่มีใครทราบจุดกำเนิดของเอกภพได้อย่างแน่ชัด แต่นักเอกภพวิทยาได้เสนอทฤษฎีจำนวนมากเพื่ออธิบายจุดกำเนิดของเอกภพ ในหัวข้อนี้เราจะได้เรียนรู้เกี่ยวกับทฤษฎีการกำเนิดเอกภพซึ่งเป็นที่ยอมรับกันอย่างกว้างขวางในปัจจุบัน ทฤษฎีนี้ชื่อว่า บิกแบง (Big Bang) เป็นจุดเริ่มต้นของเอกภพและเวลา
ทฤษฎีบิกแบงอธิบายว่าเอกภพเริ่มจากพลังงานเปลี่ยนเป็นสสาร จากขนาดเล็กเป็นขนาดใหญ่ จากอุณหภูมิสูงเป็นอุณหภูมิต่ำ ซึ่งเปรียบดังการระเบิดของจุดเล็ก ๆ ที่มีอุณหภูมิสูงอย่างมหาศาลสสารที่เกิดขึ้นครั้งแรกเป็นอนุภาคมูลฐานชนิดต่าง ๆจากนั้นอนุภาคเหล่านี้จึงรวมตัวกันกลายเป็นอะตอมของไฮโดรเจนและฮีเลียมซึ่งมีวิวัฒนาการต่อเนื่องจนเกิดเป็นกาแล็คซี เนบิวลา ดาวฤกษ์ ระบบสุริยะ โลก ดวงจันทร์ มนุษย์ และสิ่งมีชีวิตต่าง ๆ
เมื่อเกิดบิกแบงขึ้นเอกภพจะขยายตัวอย่างรวดเร็วและมีสสารเกิดขึ้นในรูปอนุภาคมูลฐานในกลุ่มควาร์ก (Quark) และอนุภาคในกลุ่มเลปตอน (Lepton)อิเล็คตรอน (Electron) และนิวทริโน (Neutrino) พร้อมกับเกิดปฏิอนุภาค (Antiparticle) ของอนุภาคเหล่านั้นซึ่งปฏิอนุภาคคืออนุภาคชนิดหนึ่งที่มีสมบัติอื่นเหมือนอนุภาคที่เป็นคู่แต่มีประจุไฟฟ้าตรงข้าม ส่วนพลังงานที่ยังไม่เปลี่ยนเป็นสสารจะอยู่ในรูปของโฟตอน เมื่ออนุภาคและปฏิอนุภาคที่เป็นคู่กันเดินทางพบกันจะกลายเป็นพลังงานโดยการประลัย (Annihilation) เอกภพจึงอยู่ในสภาพที่เป็นของผสม (บางทีเรียกกันว่าเป็น “ซุปร้อน ๆ”) ของอนุภาคและปฏิอนุภาคดังกล่าว หากอนุภาคและปฏิอนุภาคมีจำนวนเท่ากันคงไม่มีอนุภาคเหลือที่จะรวมกันเป็นอนุภาคโปรตอน และนิวตรอน แต่ในธรรมชาติมีอนุภาคมากกว่าปฏิอนุภาคจึงเหลืออนุภาคมูลฐานที่ประกอบกันขึ้นเป็นสสารในเอกภพ
ควาร์กคืออนุภาคที่มีขนาดเล็กกว่านิวเครียสของอะตอม มีอยู่ 6 ชนิด ได้แก่ อัพ (up) หรือบน ดาว์น (down) หรือล่าง ชาร์ม (charm) สเตรนจ์ (strange) ท็อป (top) และบ็อทท็อม (bottom)
หลังบิกแบงประมาณ 10-6 วินาที อุณหภูมิของเอกภพลดลงเหลือประมาณสิบล้านล้านเคลวินทำให้ ควาร์กเกิดการรวมตัวกันกลายเป็นนิวเคลียสของไฮโดรเจน (หรือโปรตอน) และนิวตรอน
หลังบิกแบงประมาณ 3 นาที อุณหภูมิของเอกภพลดลงเหลือประมาณร้อยล้านเคลวิน มีผลให้โปรตอนและนิวตรอนเกิดการรวมตัวเป็นนิวเคลียสของฮีเลียม
หลังบิกแบงประมาณ 300,000 ปี อุณหภูมิลดลงเหลือประมาณ 10,000 เคลวินนิวเคลียสของไฮโดรเจนดึงอิเล็คตรอน 1อนภาค เข้ามาอยู่ในวงจรเกิดเป็นอะตอมไฮโดรเจนและนิวเคลียสฮีเลียม ดึงอิเล็คตรอน 2 อนุภาค เข้ามาอยู่ในวงโคจรเกิดเป็นอะตอมของฮีเลียม เอกภพไม่มีอิเล็คตรอนอิสระจึงไม่เป็นซุปอีกต่อไป แต่โปร่งแสงและแผ่รังสีคล้ายวัตถุดำที่มีอุณหภูมิประมาณ 10,000 เคลวิน
หลังบิกแบงประมาณ 1,000 ล้านปี เกิดกาเล็คซีที่มีธาตุไฮโดรเจนและฮีเลียมเป็นสารเบื้องต้นซึ่งใช้ก่อกำเนิดเป็นดาวฤกษ์รุ่นแรก ส่วนธาตุต่าง ๆ ที่มวลมากกว่าฮีเลียมนั้นจะเกิดจากกระบวนการวิวัฒนาการของดาวฤกษ์ขนาดใหญ่
มีข้อสังเกตใดหรือประจักษ์พยานใดที่สนับสนุนทฤษฎีบิกแบง
มีปรากฏการณ์ทางเอกภพวิทยาอย่างน้อย 2 ประการที่สนับสนุนทฤษฎีบิกแบง ปรากฏการณ์นั้นได้แก่ การขยายตัวของเอกภพ และการพบคลื่นไมโครเวฟพื้นหลังจักรวาล (Cosmic Microwave Background; CMB) ซึ่งสอดคล้องกับอุณหภูมิเฉลี่ยของอวกาศคือ 2.73 เคลวิน
ข้อสังเกตประการที่ 1 การขยายตัวของเอกภพ
เอ็ดวิน พาวเวลล์ ฮับเบิล (Edwin Powell Hubble, ค.ศ. 1889 - 1953) นักดาราศาสตร์ชาวอเมริกันคนแรกที่ค้นพบว่าเอกภพไม่ได้มีสภาพหยุดนิ่ง แต่กำลังขยายตัวอยู่ในปัจจุบัน
ฮับเบิลทราบได้อย่างไรว่าเอกภพกำลังขยายตัว
ในค.ศ. 1920 เอ็ดวิน ฮับเบิล ได้ข้อมูลจากการสังเกตกาเล็คซีต่าง ๆ จำนวนมากและพบว่ากาเล็คซีเหล่านั้นเกิดปรากฏการณ์เลื่อนทางแดง (Redshift) ของเส้นสเปกตรัม จากความรู้ฟิสิกส์พื้นฐานนักดาราศาสตร์รู้ดีว่า เมื่อพบปรากฏการณ์เลื่อนทางแดงของวัตถุท้องฟ้าใด แสดงว่าวัตถุบนท้องฟ้านั้นกำลังเคลื่อนที่ถอยห่างจากผู้สังเกตบนโลก ฮับเบิลได้วิเคราะห์ข้อมูลการเลื่อนทางแดงของกาเล็คซีทำให้ทราบความเร็วถอยห่างของกาเล็คซี ในขณะเดียวกันก็วัดระยะห่างของกาเล็คซีด้วย
แนวความคิดเบื้องต้นของบิกแบง
แนวคิดเบื้องต้นของบิกแบงเกิดจากการค้นพบว่าเอกภพกำลังขยายตัวอยู่ในปัจจุบันตามกฎของฮับเบิล นักดาราศาสตร์และนักเอกภพวิทยาจึงมีความเชื่อว่าในปัจจุบันเอกภพกำลังขยายตัวอยู่แสดงว่าเอกภพในอดีตจะต้องมีขนาดเล็กกว่าในปัจจุบัน รวมทั้งความหนแน่นเฉลี่ยของสสารทั้งหมดในเอกภพในอดีตจะต้องมีค่ามากกว่าความหนาแน่นเฉลี่ยในปัจจุบันด้วยเช่นกัน ดังนั้น ณ จุดเริ่มต้นเอกภพควรมีขนาดเล็กเป็นจุด (Infinitesimal) และมีความหนาแน่นเฉลี่ยมหาศาล ซึ่งเอกภพ ณ จุดกำเนิดนี้จะมีอุณหภูมิสูงมาก เงื่อนไขทั้งหมดมีความคล้ายคลึงกับสถานการณ์ของการระเบิด นักเอกภพวิทยาจึงเรียกสถานการณ์ ณ จุดกำเนิดของเอกภพนี้ว่าการระเบิดใหญ่หรือบิกแบงและให้บิกแบงเป็นจุเริ่มต้นของเอกภพ
ข้อสังเกตประการที่ 2 การค้นพบคลื่นไมโครเวฟพื้นหลังอวกาศ ซึ่งสอดคล้องกับอุณหภูมิเฉลี่ยของอวกาศคือ 2.73 เคลวิน
การค้นพบคลื่นไมโครเวฟพื้นหลังอวกาศ เป็นการค้นพบโดยบังเอิญโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกัน คือ อาร์โน เพนเซียส และรอเบิร์ต วิลสัน ซึ่งประจำอยู่ที่ห้องปฏิบัติการโทรศัพท์เบลล์ ในปี ค.ศ. 1965 ขณะนั้นนักวิทยาศาสตร์ทั้งสองได้ทดสอบระบบเครื่องรับสัญญาณของกล้องโทรทรรศน์วิทยุ แต่ปรากฏว่ามีสัญญาณรบกวนสัญญาณวิทยุในช่วงของคลื่นไมโครเวฟตลอดเวลาไม่ว่าจะเป็นกลางวันหรือกลางคืน หรือในฤดูต่าง ๆ ถึงแม้ว่าจะเปลี่ยนทิศทางของเสาอากาศไปทางใดก็ยังมีสัญญาณรบกวนอยู่เช่นเดิม พวกเขาเขาทั้งสองจึงประหลาดใจและได้รายงานผลการสังเกตนี้ต่อที่ประชุมทางวิชาการ ต่อมาจึงทราบภายหลังว่าสัญญาณรบกวนที่ตรวจพบนั้นเป็นสัญญาณรบกวนที่มาจากอวกาศ ซึ่งมีสเปกตรัมคล้ายกับสเปกตรัมการแผ่รังสีของวัตถุดำ (Blackbody Radiation) ที่มีอุณหภูมิ 2.73 เคลวิน ในช่วงความยาวคลื่นประมาณ 1.9 มิลลิเมตร
ในช่วงเวลาเดียวกัน นั้น รอเบิร์ต คิก พี.เจ.อี.พีเบิลส์ เดวิด วิล คินสัน แห่งมหาลัยปรินซ์ตัน ประเทศสหรัฐอเมริกาได้ทำนายว่า ถ้าเอกภพมีจุดกำเนิดมาจากบิกแบงแล้วจะต้องพบการแผ่รังสีที่เหลือในอวกาศจากเอกภพที่มีอุณหภูมิประมาณ 10,000 เคลวิล ซึ่งเป็นอุณหภูมิขณะที่เอกภพโปร่งแสงและประกอบด้วยอะตอมไฮโดรเจนและฮีเลียมเป็นส่วนใหญ่ ขณะนั้นเอกภพจะแผ่พลังงานออกมาในรูบของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่สูงมาก จากนั้นเมื่อเวลาผ่านไปการแผ่รังสีของเอกภพนี้ก็จะมีความถี่ลดลงเหลือเป็นคลื่นไมโครเวฟในช่วงความถี่ประมาณ 160 กิโลเฮิรตซ์
เพื่อเป็นการยืนการค้นพบของ อาร์โน เพนเซียส และรอเบิร์ต วิลสัน นักวิทยาศาสตร์ได้ส่งดาวเทียมสำรวจอวกาศที่มีชื่อว่า โคบี (Cosmic Background Explorer, COBE) ขึ้นไปในอวกาศเมื่อตรวจสอบคลื่นไมโครเวฟในอวกาศนี้อีกครั้งใน ค.ศ. 1989 ผลการสำรวจของดาวเทียมโคบี พบว่าคลื่นไมโครเวฟพื้นหลังนี้มีการกระจายตัวสม่ำเสมอในทุกทิศทางจากอวกาศ และสอดคล้องกับการแผ่รังสีของวัตถุดำที่มีอุณหภูมิ 2.73 เคลวิล หรือพบคลื่นในช่วงความถี่ 160 กิโลเฮิรตซ์ สอดคล้องเป็นอย่างยิ่งกับการกำเนิดเอกภพตามทฤษฎีบิกแบง นักดาราศาสตร์และนักเอกภพวิทยาจึงสรุปว่าคลื่นไมโครเวฟพื้นหลังจากอวกาศนี้จากการแผ่พลังงานที่เหลือหลังบิกแบงประมาณ 300,000 ปี ดังนั้นคลื่นไมโครเวฟพื้นหลังจากอวกาศนี้จึงเป็นหลักฐานที่ยืนยันทฤษฎีบิกแบง