ทฤษฎีบิกแบง
The Big Bang
อัปเดตล่าสุด

เอกภพเริ่มจากสภาวะที่ร้อนและหนาแน่นมากเมื่อราว 13,800 ล้านปีก่อน และขยายตัวมาจนถึงทุกวันนี้
ทฤษฎีบิกแบงอธิบายว่าเอกภพในอดีตร้อนและหนาแน่นมาก แล้วขยายตัวและเย็นลงเรื่อย ๆ เป็นเวลาราว 13,800 ล้านปี จนกลายเป็นเอกภพที่มีดาราจักร ดาวฤกษ์ และดาวเคราะห์อย่างทุกวันนี้ ทฤษฎีนี้เป็นคำอธิบายหลักของจักรวาลวิทยาสมัยใหม่ เพราะสอดคล้องกับหลักฐานหลายด้านที่เป็นอิสระต่อกัน
ที่มาของแนวคิด
ในปี ค.ศ. 1927 ฌอร์ฌ เลอแมตร์ นักฟิสิกส์และบาทหลวงชาวเบลเยียม แสดงว่าสมการของไอน์สไตน์ยอมให้เอกภพขยายตัวได้ และเสนอว่าเอกภพอาจเริ่มจาก "อะตอมดึกดำบรรพ์" ต่อมาเอ็ดวิน ฮับเบิล ยืนยันว่าดาราจักรไกล ๆ กำลังเคลื่อนห่างออกไป ชื่อ "บิกแบง" ถูกใช้ครั้งแรกโดยเฟรด ฮอยล์ ในรายการวิทยุปี ค.ศ. 1949 ซึ่งตัวเขาเองสนับสนุนทฤษฎีคู่แข่งที่ว่าเอกภพคงที่ไม่เปลี่ยนแปลง
หลักฐานสำคัญ
- เอกภพกำลังขยายตัว ดาราจักรที่อยู่ไกลกว่าเคลื่อนห่างออกเร็วกว่า ตามกฎฮับเบิล ถ้าย้อนเวลากลับ ทุกอย่างต้องเคยอยู่ใกล้กันมาก
- รังสีไมโครเวฟพื้นหลังของเอกภพ แสงที่หลงเหลือจากยุคที่เอกภพร้อน ยังมาถึงเราจากทุกทิศในท้องฟ้า
- ปริมาณธาตุเบา ในช่วงไม่กี่นาทีแรก เอกภพร้อนพอจะหลอมนิวเคลียสธาตุเบาได้ ทฤษฎีทำนายว่าสสารปกติจะเป็นไฮโดรเจนราว 75% และฮีเลียมราว 25% โดยมวล ตรงกับที่วัดได้ในดาวและแก๊สที่เก่าแก่ที่สุด
- เอกภพยุคแรกต่างจากปัจจุบัน เมื่อมองไกลออกไป (ย้อนอดีต) จะเห็นดาราจักรอายุน้อยกว่าและเควซาร์มากกว่า แสดงว่าเอกภพเปลี่ยนแปลงตามเวลา ไม่ได้คงที่
ประมาณอายุเอกภพอย่างคร่าว ๆ
กฎของฮับเบิลบอกว่าดาราจักรที่อยู่ไกลออกไปเป็นระยะ
ถ้าความเร็วนี้คงที่ตลอดมา เวลาที่ทุกอย่างใช้แยกออกจากกันจนถึงระยะปัจจุบันคือ
กฎของฮับเบิลบอกว่าดาราจักรยิ่งไกลยิ่งถอยห่างเร็ว ทุก ๆ ระยะหนึ่งเมกะพาร์เซก (ราว 3.26 ล้านปีแสง) ความเร็วเพิ่มขึ้นราว 70 กิโลเมตรต่อวินาที ถ้าความเร็วเหล่านี้คงที่ตลอดมา เวลาที่ทุกอย่างใช้แยกออกจากกันจนถึงระยะปัจจุบันจะเป็นราว 14,000 ล้านปี
ใกล้เคียงกับอายุที่วัดได้อย่างละเอียดจากรังสีไมโครเวฟพื้นหลังโดยดาวเทียม Planck คือ 13,787 ล้านปี คลาดเคลื่อนเพียงราว 20 ล้านปี ความใกล้เคียงนี้ไม่ใช่เรื่องบังเอิญเสียทีเดียว เพราะช่วงแรกการขยายตัวช้าลงจากแรงโน้มถ่วง แล้วช่วงหลังเร่งขึ้นจากพลังงานมืด สองผลนี้หักล้างกันพอดี แต่ค่าคงที่ฮับเบิล
เอกภพยิ่งย้อนไปยิ่งร้อน
เมื่อเอกภพขยายตัว ความยาวคลื่นของแสงทุกอย่างถูกยืดออกไปด้วย อุณหภูมิของรังสีจึงลดลงตามสัดส่วน ที่ค่าการเลื่อนทางแดง
รังสีไมโครเวฟพื้นหลังถูกปล่อยออกมาตอนที่เอกภพเล็กกว่าปัจจุบันราว 1,100 เท่า (
ทำไมฮีเลียมราว 25%
ช่วงวินาทีแรก ๆ โปรตอนกับนิวตรอนเปลี่ยนกลับไปมาได้ เมื่อเอกภพเย็นลง นิวตรอนซึ่งหนักกว่าเล็กน้อยเหลือน้อยกว่า และบางส่วนสลายตัวไประหว่างรอ ตอนที่นิวเคลียสเริ่มรวมตัวได้ในราวนาทีที่สามจึงมีนิวตรอนราว 1 ตัวต่อโปรตอน 7 ตัว นิวตรอนเกือบทั้งหมดไปรวมอยู่ในฮีเลียม-4 ซึ่งมีโปรตอนและนิวตรอนอย่างละสองตัว สัดส่วนมวลของฮีเลียมจึงเป็นเมื่อนับเป็นมวล ฮีเลียมจึงมีราวหนึ่งในสี่ของสสารปกติทั้งหมด
ตรงกับที่วัดได้ในแก๊สที่เก่าแก่ที่สุดในเอกภพ การทำนายที่ตรงกันจากฟิสิกส์นิวเคลียร์ล้วน ๆ นี้เป็นหลักฐานที่แข็งแรงที่สุดข้อหนึ่งของทฤษฎีบิกแบง
ลำดับเหตุการณ์โดยย่อ
- เสี้ยววินาทีแรก แนวคิดเรื่องการพองตัว (inflation) เสนอว่าเอกภพขยายตัวเร็วมหาศาลในช่วงสั้นมาก อธิบายได้ว่าทำไมเอกภพจึงเรียบสม่ำเสมอและแบน
- ราว 3 นาทีแรก โปรตอนและนิวตรอนรวมกันเป็นนิวเคลียสของไฮโดรเจน ฮีเลียม และลิเทียมเล็กน้อย
- ราว 380,000 ปี เอกภพเย็นพอให้อิเล็กตรอนจับกับนิวเคลียสเป็นอะตอม แสงจึงเดินทางได้อย่างอิสระเป็นครั้งแรก กลายเป็นรังสีไมโครเวฟพื้นหลัง
- ยุคมืด ยังไม่มีดาวฤกษ์ มีเพียงแก๊สที่ค่อย ๆ รวมตัวด้วยแรงโน้มถ่วง
- ราวหนึ่งร้อยถึงสองร้อยล้านปี ดาวฤกษ์รุ่นแรกเกิดขึ้น ตามด้วยดาราจักรแรก ๆ ซึ่งกล้องเจมส์ เว็บบ์กำลังศึกษาอยู่
- ราว 9,200 ล้านปี ดวงอาทิตย์และระบบสุริยะเกิดขึ้น
เอกภพที่มองเห็นได้กว้างแค่ไหน
แม้เอกภพมีอายุ 13,800 ล้านปี ขอบของส่วนที่เรามองเห็นได้กลับอยู่ห่างราว 46,500 ล้านปีแสงในทุกทิศ เพราะระหว่างที่แสงเดินทางมาหาเรา อวกาศก็ขยายตัวพาต้นกำเนิดของแสงออกไปไกลขึ้นด้วย ส่วนเอกภพทั้งหมดอาจใหญ่กว่านี้มาก หรืออาจไม่มีขอบเขตเลย เราแค่มองไม่เห็นส่วนที่แสงยังมาไม่ถึง
สิ่งที่ยังไม่รู้
ทฤษฎีบิกแบงอธิบายว่าเอกภพวิวัฒนาการมาอย่างไรหลังจากช่วงเริ่มต้น แต่ยังตอบไม่ได้ว่าอะไรเกิดขึ้น "ก่อน" หรือ "ตอน" เริ่มต้นจริง ๆ ซึ่งต้องการทฤษฎีที่รวมแรงโน้มถ่วงกับกลศาสตร์ควอนตัม และยังไม่มีใครทำสำเร็จ ส่วนองค์ประกอบส่วนใหญ่ของเอกภพ คือสสารมืดและพลังงานมืด ก็ยังไม่รู้ว่าคืออะไร
คำศัพท์ในบทความนี้
- Big Bangบิกแบง
- inflationการพองตัวของเอกภพ
- nucleosynthesisการสังเคราะห์นิวเคลียส
- recombinationยุครวมตัวของอะตอม
- flatness problemปัญหาความแบน
- horizon problemปัญหาขอบฟ้า
บทความที่เกี่ยวข้อง
- รังสีไมโครเวฟพื้นหลังของเอกภพแสงที่เก่าแก่ที่สุดในเอกภพ ปล่อยออกมาเมื่อเอกภพอายุราว 380,000 ปี และยังมาถึงเราจากทุกทิศทุกเวลา
- เอกภพขยายตัวและกฎของฮับเบิลดาราจักรที่อยู่ไกลกว่าเคลื่อนห่างจากเราเร็วกว่า เพราะอวกาศระหว่างดาราจักรกำลังยืดออก
- สสารมืดสสารที่มองไม่เห็นแต่มีมวลมากกว่าสสารปกติราวห้าเท่า รู้ว่ามีอยู่จากแรงโน้มถ่วงที่ส่งผลต่อดาราจักร แต่ยังไม่มีใครรู้ว่าคืออะไร
- พลังงานมืดสิ่งลึกลับที่ทำให้การขยายตัวของเอกภพเร่งขึ้น และเป็นองค์ประกอบใหญ่ที่สุดของเอกภพ ราวสองในสาม
- ปฏิทรรศน์ของโอลเบอร์ส: ทำไมท้องฟ้ากลางคืนจึงมืดถ้าเอกภพไม่มีที่สิ้นสุดและมีดาวอยู่ทุกทิศ ท้องฟ้ากลางคืนควรสว่างจ้าเท่าผิวดวงอาทิตย์ แต่ทำไมจึงมืด