หน้าหลัก › บทความดาราศาสตร์ › ทฤษฎีและแนวคิด
ทฤษฎีและแนวคิด

ทฤษฎีบิกแบง

The Big Bang

อัปเดตล่าสุด

ภาพห้วงลึกของฮับเบิล แทบทุกจุดคือดาราจักรที่อยู่ไกลมาก
ภาพห้วงลึกของฮับเบิล แทบทุกจุดคือดาราจักรที่อยู่ไกลมากภาพ: NASA; ESA; G. Illingworth, D. Magee, and P. Oesch, University of California, Santa Cruz; R. Bouwens, Leiden University; and the HUDF09 Team, Public domain (ย่อขนาดจากต้นฉบับ)

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

ประมาณอายุเอกภพอย่างคร่าว ๆ

กฎของฮับเบิลบอกว่าดาราจักรที่อยู่ไกลออกไปเป็นระยะ d ถอยห่างด้วยความเร็ว

v = H_0\, d, \qquad H_0 \approx 70\ \text{km/s/Mpc}

ถ้าความเร็วนี้คงที่ตลอดมา เวลาที่ทุกอย่างใช้แยกออกจากกันจนถึงระยะปัจจุบันคือ

t \approx \frac{1}{H_0} = \frac{3.09\times10^{19}\ \text{km}}{70\ \text{km/s}} \approx 4.4\times10^{17}\ \text{s} \approx 14\ \text{พันล้านปี}

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 H_0 เองที่วัดด้วยวิธีต่างกันได้ไม่ตรงกัน ซึ่งเป็นปริศนาที่เรียกว่าความตึงของค่าคงที่ฮับเบิล

เอกภพยิ่งย้อนไปยิ่งร้อน

เมื่อเอกภพขยายตัว ความยาวคลื่นของแสงทุกอย่างถูกยืดออกไปด้วย อุณหภูมิของรังสีจึงลดลงตามสัดส่วน ที่ค่าการเลื่อนทางแดง z

T(z) = T_0\,(1 + z), \qquad T_0 = 2.725\ \text{K}

รังสีไมโครเวฟพื้นหลังถูกปล่อยออกมาตอนที่เอกภพเล็กกว่าปัจจุบันราว 1,100 เท่า (z \approx 1100) ตอนนั้นเอกภพร้อนราว 3,000 เคลวิน ร้อนพอ ๆ กับผิวดาวสีส้มแดง แสงที่ตอนนั้นเป็นสีส้มถูกยืดจนวันนี้กลายเป็นคลื่นไมโครเวฟ

ทำไมฮีเลียมราว 25%

ช่วงวินาทีแรก ๆ โปรตอนกับนิวตรอนเปลี่ยนกลับไปมาได้ เมื่อเอกภพเย็นลง นิวตรอนซึ่งหนักกว่าเล็กน้อยเหลือน้อยกว่า และบางส่วนสลายตัวไประหว่างรอ ตอนที่นิวเคลียสเริ่มรวมตัวได้ในราวนาทีที่สามจึงมีนิวตรอนราว 1 ตัวต่อโปรตอน 7 ตัว นิวตรอนเกือบทั้งหมดไปรวมอยู่ในฮีเลียม-4 ซึ่งมีโปรตอนและนิวตรอนอย่างละสองตัว สัดส่วนมวลของฮีเลียมจึงเป็นเมื่อนับเป็นมวล ฮีเลียมจึงมีราวหนึ่งในสี่ของสสารปกติทั้งหมด

Y \approx \frac{2\,(n/p)}{1 + n/p} = \frac{2 \times \frac{1}{7}}{1 + \frac{1}{7}} = 0.25

ตรงกับที่วัดได้ในแก๊สที่เก่าแก่ที่สุดในเอกภพ การทำนายที่ตรงกันจากฟิสิกส์นิวเคลียร์ล้วน ๆ นี้เป็นหลักฐานที่แข็งแรงที่สุดข้อหนึ่งของทฤษฎีบิกแบง

ลำดับเหตุการณ์โดยย่อ

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

ความเข้าใจผิดที่พบบ่อยบิกแบงไม่ใช่การระเบิดที่จุดหนึ่งแล้วสสารพุ่งออกไปในอวกาศว่างเปล่า แต่เป็นการขยายตัวของอวกาศเองที่เกิดขึ้นทุกที่พร้อมกัน จึงไม่มี "จุดศูนย์กลาง" ของบิกแบงให้ชี้ได้
เปิดในเว็บไซต์ NewTutorAstronomy ›

คำศัพท์ในบทความนี้

บทความที่เกี่ยวข้อง