บิกแบง

1. ชิ้นงานที่ 1 เรื่องทฤษฎีบิกแบง

2. บิกแบงต้นตอ
บิกแบง (อังกฤษ: Big Bang หรือ the Big Bang หมายถึง การระเบิดครั้งใหญ่) คือ แบบจาลองของการกาเนิดและการวิวัฒนาการของเอกภพใน
วิชาจักรวาลวิทยาซึ่งได้รับการสนับสนุนจากหลักฐานทางวิทยาศาสตร์และจากการสังเกตการณ์ที่แตกต่างกันจานวนมาก นักวิทยาศาสตร์
โดยทั่วไปใช้คานี้สาหรับกล่าวถึงแนวคิดการขยายตัวของเอกภพหลังจากสภาวะแรกเริ่มที่ทั้งร้อนและหนาแน่นอย่างมากในช่วงเวลาจากัด
ระยะหนึ่งในอดีต และยังคงดาเนินการขยายตัวอยู่จนถึงในปัจจุบัน
จอร์จ เลอแมตร์ นักวิทยาศาสตร์และพระโรมันคาทอลิก เป็นผู้เสนอแนวคิดการกาเนิดของเอกภพ ซึ่งต่อมารู้จักกันในชื่อ ทฤษฎีบิกแบง ใน
เบื้องแรกเขาเรียกทฤษฎีนี้ว่า สมมติฐานเกี่ยวกับอะตอมแรกเริ่ม (hypothesis of the primeval atom) อเล็กซานเดอร์ ฟรีดแมน ทาการคานวณ
แบบจาลองโดยมีกรอบการพิจารณาอยู่บนพื้นฐานของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์
ต่อมาในปี ค.ศ. 1929 เอ็ดวิน ฮับเบิลค้นพบว่า ระยะห่างของดาราจักรมีสัดส่วนที่เปลี่ยนแปลงสัมพันธ์กับการเคลื่อนไปทางแดง การ
สังเกตการณ์นี้บ่งชี้ว่า ดาราจักรและกระจุกดาวอันห่างไกลกาลังเคลื่อนที่ออกจากจุดสังเกต ซึ่งหมายความว่าเอกภพกาลังขยายตัว ยิ่งตาแหน่ง
ดาราจักรไกลยิ่งขึ้น ความเร็วปรากฏก็ยิ่งเพิ่มมากขึ้น หากเอกภพในปัจจุบันกาลังขยายตัว แสดงว่าก่อนหน้านี้ เอกภพย่อมมีขนาดเล็กกว่า
หนาแน่นกว่า และร้อนกว่าที่เป็นอยู่ แนวคิดนี้มีการพิจารณาอย่างละเอียดย้อนไปจนถึงระดับความหนาแน่นและอุณหภูมิที่จุดสูงสุด และ
ผลสรุปที่ได้ก็สอดคล้องอย่างยิ่งกับผลจากการสังเกตการณ์ ทว่าการเพิ่มของอัตราเร่งมีข้อจากัดในการตรวจสอบสภาวะพลังงานที่สูงขนาดนั้น
หากไม่มีข้อมูลอื่นที่ช่วยยืนยันสภาวะเริ่มต้นชั่วขณะก่อนการระเบิด ลาพังทฤษฎีบิกแบงก็ยังไม่สามารถใช้อธิบายสภาวะเริ่มต้นได้ มันเพียง
อธิบายกระบวนการเปลี่ยนแปลงของเอกภพที่เกิดขึ้นหลังจากสภาวะเริ่มต้นเท่านั้น

3. เอ็ดวิน ฮับเบิลพิมพ์แผนภาพที่มีชื่อเสียง แสดงดาราจักรเกือบทั้งหมดเคลื่อนที่ห่างจากดาราจักรของเรา ด้วยความเร็วถอยห่าง เป็นสัดส่วนกับระยะทาง
ปัจจุบัน หรือดาราจักรไกลกว่าก็เคลื่อนที่เร็วกว่าดาราจักรใกล้ๆ แม้แต่ฮับเบิลเองตอนแรกก็ปฏิเสธความคิดเช่นนี้ ข้อมูลเหล่านี้บอกว่า เอกภพทั้งหมด
กาลังขยายตัวจากการยืดของอวกาศระหว่างดาราจักร เมื่อเอกภพขยายตัว มันหนาแน่นน้อยลงและเย็นตัวมากขึ้น การมองย้อนกลับไปในอดีตสรุปได้
ว่าเอกภพมีการเริ่มต้นแน่นอน ตอนนั้นมันอยู่ในสภาวะที่ถูกบีบอัดและร้อนมาก จากจุดเริ่มต้นหนาแน่น มีการบวมตัวที่รู้จักในสภาพบิกแบง (Big
Bang)
คาว่า “บิกแบง” ที่จริงเป็นคาล้อเลียนที่เกิดจากนักดาราศาสตร์ชื่อ เฟรด ฮอยล์ จากการออกอากาศทางวิทยุครั้งหนึ่งในปี ค.ศ. 1949 ซึ่งเขาดูหมิ่นและ
ตั้งใจจะทาลายความน่าเชื่อถือของทฤษฎีที่เขาเห็นว่าไม่มีทางเป็นจริง ในเวลาต่อมา ฮอยล์ได้ช่วยศึกษาผลกระทบของนิวเคลียร์ในการก่อเกิดธาตุมวล
หนักที่ได้จากธาตุซึ่งมีมวลน้อยกว่า อย่างไรก็ดี การค้นพบรังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาลในปี ค.ศ. 1964 ยิ่งทาให้นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่ไม่
สามารถปฏิเสธทฤษฎีบิกแบงได้
เอกภพขยายตัวยังไม่มีนิยามของจุดเริ่มต้นดีพอ มีแต่การขยายตัวตลอดเวลา ความหนาแน่นเฉลี่ยยังคงเหมือนเดิม เพราะมีการสร้างมวลต่อเนื่อง เฟรด
ฮอยล์ , เฮอร์แมนน์ บอนดิ และ ทอมัส โกลด์ เสนอทฤษฎีสภาวะคงที่(steady – state theory)ในค.ศ.1948 แม้มีความสุนทรีในสายตานักดาราศาสตร์
บางคน แต่ทฤษฎีสภาวะคงที่ก็ไม่ได้รับการสนับสนุนอย่างเดียวกับเอกภพบิกแบง ในค.ศ. 1965 อาร์โน เพนเซียส์ และโรเบิร์ต วิลสัน ล้มทฤษฎี
สภาวะคงที่จากการค้นพบรังสีฉากหลังไมโครเวฟคอสมิค(CMB: cosmic microwave backgroud) ที่เป็นรังสีเรืองจางหลงเหลือจากอดีตร้อนไกล
ทฤษฎีสภาวะคงที่ไม่มีเหตุผลอธิบายรังสีแบบนี้ แต่แบบจาลองบิกแบงอธิบายได้ ยิ่งกว่านั้น ทฤษฎีสภาวะคงที่ไม่สามารถอธิบายจานวนไฮโดรเจน
ธรรมดา(โปรตอน) ไฮโดรเจนหนัก(ดิวเธอเรียม) ฮีเลียม และลิเธียม ในก้อนกาซระหว่างดาราจักร ที่ไม่ได้รับผลใดๆจากขบวนการวิวัฒนาการในดาว
ภายในไม่กี่นาทีแรกหลังบิกแบง ความหนาแน่นและอุณหภูมิของเอกภพ เป็นตัวทาให้เกิดธาตุเบาในก้อนกาซเริ่มแรก ที่สอดคล้องกับที่วัดในก้อนกาซ
ดั้งเดิมเหล่านี้ นักวิทยาศาสตร์เกือบทั้งหมดเชื่อแล้วว่า ทฤษฎีสภาวะคงที่ไม่ถูกต้อง

4. ทฤษฎีบิ๊กแบง big bang
หลังจากได้มีการค้นพบกฎการขยายตัวของเอกภพโดย เอ็ดวิน ฮับเบิล (Edwin Hubble) ทาให้เกิดความคิดว่าเอกภพที่กาลังขยายตัวอยู่ในปัจจุบันจะมี
ลักษณะเป็นเช่นไรในอดีต แนวคิดที่สอดคล้องกับสามัญสานึกของเราคือ เอกภพมีการขยายตัวเมื่อทิศทางของเวลาเดินไปข้างหน้า ดังนั้นถ้าเราย้อนทิศทาง
ของเวลากลับไปยังอดีตเอกภพก็ควรจะหดเล็กลงเรื่อยๆ จนกระทั่งอาจเหลือเพียงแค่ปริมาตรที่เล็กมากๆ ปริมาตรหนึ่งในความว่างเปล่า
ถ้าเราลาดับทิศทางของเวลาตั้งแต่เริ่มต้นจนถึงปัจจุบัน วิวัฒนาการของเอกภพจึงควรเริ่มมาจากปริมาตรที่เล็กมากๆแต่มีสสารอยู่อย่างอัดแน่น จู่ๆ ก็มีการ
ระเบิดออกอย่างรุนแรง ทาให้ปริมาตรเล็กๆ นั้นขยายตัวออกมาเป็นเอกภพดังเช่นในปัจจุบัน ทฤษฎีดังกล่าวจึงกาลังจะบอกเราว่าเอกภพควรจะมีจุดเริ่มต้น
ในอดีตกาลังวิวัฒนาการไปสู่อนาคตโดยการขยายตัวจากการระเบิดออกอย่างรุนแรง ซึ่งแนวคิดดังกล่าวต่างจากทฤษฎีแบบจาลองเอกภพแบบสถานะคง
ตัวโดยสิ้นเชิง
ทฤษฎีบิ๊กแบงถูกเสนอโดย จอร์จส เลอแมท์ร (Georges Lemaitre) เมื่อปีพ.ศ.2470 (ค.ศ.1927) ต่อมาทฤษฎีดังกล่าวถูกพัฒนาโดย จอร์จ กามอฟ ( George
Gamow) และนักคิดอีกหลายท่าน โดยกล่าวว่าในช่วงเริ่มต้นของเอกภพ สสารทุกอย่างจะอยู่รวมตัวกันอย่างหนาแน่นมากๆ จนความหนาแน่นของเอกภพ
มีค่าเป็นอนันต์ในปริมาตรที่เล็กมากๆ ปริมาตรหนึ่ง เรียกว่า ซิงกูลาริตี้ (singularity)
ในบริเวณซิงกูลาริตี้นั้นมีพลังงานสูงมากจนมีอุณหภูมิมหาศาล กฎเกณฑ์ต่างๆทางฟิสิกส์ ที่ใช้อธิบายปรากฏการณ์ต่างๆ ไม่สามารถ อธิบายเอกภพในช่วง
นั้นได้ รามไปถึงเวลาที่ถูกกาหนดเป็นศูนย์ ทันทีทันใดนั้นการระเบิดอย่างรุนแรงของซิงกูลาริตี้ ทาให้สสารที่รวมอยู่ในปริมาตรเล็กๆ นั้นเกิดการกระจาย
ตัวออก และเริ่มต้นนับเวลาตั้งแต่การระเบิดสิ้นสุดลง
ภายหลังจากการระเบิดครั้งใหญ่ของเอกภพ การกระจายตัวออกของสสารจะทาให้ความหนาแน่น และอุณหภูมิมีค่าต่าลงเรื่อยๆ เมื่อเวลาผ่านไป ภาพของ
เอกภพในช่วงแรกเริ่ม (Early universe) จึงสามารถแบ่งได้ตามเวลาที่เริ่มนับตั้งแต่เกิดบิ๊กแบงไปเรื่อยๆ โดยสถานะของสสารในช่วงเวลาผ่านไปประมาณ
10-43 วินาที (เท่ากับ 0.0000000000000000000000000000000000000000001 วินาที) เอกภพร้อนจัดและมีความหนาแน่นสูงมาก

5. ต่อมาเอกภพได้เกิดการพองตัวออกอย่างรวดเร็ว (inflation) การพองตัวออกนี้เป็นสาเหตสาคัญที่ทาให้เอกภพที่เราเห็นในปัจจุบันมีความ
ใหญ่โตมโหฬาร และดูเหมือนว่า จะมี ความหนาแน่นพอ ๆ กันในทุก ๆ ตาแหน่ง (homogeneous) และทุก ๆ ทิศทาง (isotropic) ซึ่งทาให้
เอกภพตามแบบจาลองทฤษฎีบิ๊กแบงมีความสอดคล้องกับหลักสองข้อของเอกภพ ภายหลังจากการพองตัว เอกภพยังคงร้อนจัดและมีความ
หนาแน่นสูงอยู่ ดังนั้นสถานะของสสารขณะนั้นจึงอยู่ในรูปของ “พลาสมา” (plasma) ซึ่งเป็นสถานะที่สสารมีพลังงานสูงมาก มีการแผ่รังสี
อย่างหนาแน่น จึงเรียกเอกภพลักษณะดังกล่าวว่า ยุคแห่งการแผ่รังสีของเอกภพ (Radiation Era)
ยุคแห่งการแผ่รังสีจะเริ่มต้นตั้งแต่ที่เอกภพพองตัวออกอย่างรวดเร็วไปจนกระทั่งเมื่อเวลาผ่านไปประมาณ 10-12 วินาที จึงเริ่มต้นเกิด
อนุภาควิ่งพล่านไปทั่วเอกภพ โดยเอกภพในขณะนั้นจะมีอุณหภูมิประมาณ 1015 เคลวิน เรียกเอกภพในลักษณะดังกล่าวว่าอยู่ในยุคแห่ง
อนุภาค (Particle Era) หลังจากนั้นควากซ์แต่ละชนิดจะประกอบกันกลายเป็นโปรตอน นิวตรอน ในช่วงระยะเวลา 3 นาทีแรกหลังจากบิ๊
กแบง แต่กว่าที่อุณหภูมิจะลดต่าลงจนพอเหมาะที่จะทาให้ โปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอนฟอร์มตัวกลายเป็นอะตอม ในครั้งแรก
จะต้องใช้เวลาถึงประมาณ 300,000 ปี โดยอุณหภูมิขณะนั้นลดลงมาอยู่ที่ประมาณ 4000 เคลวิน เอกภพในช่วงเวลาดังกล่าวจะมีความโปร่ง
มากขึ้น
เนื่องจากการเกิดอะตอมทาให้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าถูกดูดกลืนได้น้อยและกว่าที่อะตอมทั้งหลายจะฟอร์มตัวเป็นกาแลกซี่จาเป็นต้องใช้เวลา
ไปอีกหนึ่งพันล้านปี กาแลกซี่แรกที่เกิดขึ้นมาประกอบขึ้นมาจากกลุ่มก๊าซไฮโดรเจนรวมตัวกันเป็นดาวฤกษ์ขนาดมหึมาหลายล้านดวง
จากนั้นธาตุที่หนักกว่าไฮโดรเจนจึงกาเนิดขึ้นมาอีกทีภายหลังจากผ่านช่วงวิวัฒนาการของดาวฤกษ์ไปแล้ว และกลายมาเป็นเอกภพที่กาลัง
ขยายตัวอยู่ในปัจจุบัน ซึ่งถ้านับเวลาตั้งแต่เพิ่งเริ่มเกิดบิ๊กแบงจนถึงตอนนี้ พบว่าใช้เวลาถึง 15-20 พันล้านปี ในขณะที่มนุษย์ชาติเพิ่มเริ่มเกิด
เมื่อประมาณ 50,000ปีที่แล้วเท่านั้น
ยุคที่มนุษย์อาศัยอยู่นี้ เป็นช่วงเวลาแค่เพียงเสี้ยวเล็กๆ แห่งมหกรรมการกาเนิดเอกภพ ในช่วงชีวิตของมนุษยชาตินั้นอยู่บนเอกภพที่กาลัง
วิวัฒนาการในยุคแห่งดวงดาว(Stelliferous Era) ซึ่งเป็นยุคที่วิวัฒนาการต่อมาจากยุคแห่งอนุภาค ดาวฤกษ์ทั้งหลายถือกาเนิดมาจากกลุ่ม
ก๊าซ มีการฟอร์มตัวกันเป็นกาแลกซี่ โดยกาแลกซี่ในช่วงแรกๆ ยังคงหมุนเร็วและประกอบด้วยดาวฤกษ์สีน้าเงินร้อนจัด ปรากฏการณ์ที่
น่าสนใจในช่วงนั้นคือกาแลกซี่ทั้งหลายยังคงอยู่รวมกันเป็น กระจุกกาแลกซี่ และมีการชนกันระหว่างกาแลกซี่เกิดขึ้นสม่าเสมอหลังจาก
นั้นกาแลกซี่ต่างก็วิ่งห่างออกจากกันเนื่องจากการขยายตัวของเอกภพ

6. ดาวที่เกิดขึ้นในรุ่นแรกเมื่อหมดอายุขัยต่างก็วิวัฒนาการกลายเป็นซากดาว และกลุ่มก๊าซ รอคอยให้ดาวรุ่นที่สองและรุ่นถัดมาวิวัฒนาการเรื่อยๆ
เมื่อเวลาผ่านไป ดาวฤกษ์สีน้าเงินซึ่งเป็นดาวฤกษ์ที่มีพลังงานสูงจะค่อยๆ มีจานวนลดลง จานวนของดาวฤกษ์สีแดงที่มีพลังงานต่าจะยิ่งมีมาก
ขึ้น คาดว่าความหนาแน่นของกลุ่มก๊าซที่ก่อกาเนิดเป็นดาวฤกษ์จะลดลงเรื่อยๆ เนื่องจากการขยายตัวของเอกภพจะทาให้อนุภาคต่างๆ ยิ่งห่าง
ออกจากกัน จนไม่สามารถยุบตัวเป็นดาวฤกษ์ได้อีก ยุคแห่งดวงดาวจะสิ้นสุดลงเมื่อเอกภพมีอายุราว 1014 ปี
อย่างไรก็ตามภายหลังจากที่ยุคแห่งดวงดาวสิ้นสุดลงแล้ว ถ้าหากเอกภพยังจะขยายตัวต่อไปเรื่อยๆ อีก (หรือเรียกว่า “เอกภพเปิด” : ดูรายละเอียด
ในเรื่อง “การขยายตัวของเอกภพ”) นักดาราศาสตร์คาดว่าหลังจากนั้นเอกภพจะเข้าสู่ยุคมืด (Dark Era) เนื่องจากความหนาแน่นของกลุ่มก๊าซจะ
น้อยมากและอุณหภูมิกาลังเข้าใกล้อุณหภูมิศูนย์องศาสัมบูรณ์ ซึ่งตามทฤษฎีทางฟิสิกส์เชื่อว่า สสารจะไม่เกิดพลังงานจลน์เลย กลายเป็นยุคที่
หนาวเย็นและไม่มีจุดจบ เรียกว่า “บิ๊กชิลล์” (Big Chill)
แต่ถ้าในกรณีที่เอกภพเกิดหยุดขยายตัวและเริ่มหดตัวลงเนื่องจากแรงจากการ ระเบิดครั้งใหญ่ในทฤษฎีบิ๊กแบงไม่สามารถเอาชนะแรงโน้มถ่วงที่
ดึงดูดกาแลกซี่ ต่างๆ ให้เข้ามารวมกันแล้ว เอกภพก็จะหดตัวลงเช่นลูกโป่งที่ปล่อยลมออก (หรือเรียกว่า “เอกภพปิด” : ดูรายละเอียดในเรื่อง
“การขยายตัวของเอกภพ”) นักดาราศาสตร์ก็คาดว่าเอกภพจะมีแนวโน้มยุบตัวรวมกัน หรือเรียกว่า “บิ๊กครั๊นช์” (Big Crunch)
แม้เอกภพจะดูเป็นเรื่องใหญ่และไกลตัวเราเกินไป แต่ความก้าวหน้าของวิทยาศาสตร์เทคโนโลยีในปัจจุบัน ทาให้สามารถเก็บข้อมูลในทางดารา
ศาสตร์ได้ดียิ่งขึ้น โดยข้อมูลดังกล่าวมีแนวโน้มจะสนับสนุนแบบจาลองของเอกภพตามทฤษฎีบิ๊กแบง หนึ่งในข้อมูลดังกล่าวเช่น การ
สังเกตการณ์พบคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงคลื่นไมโครเวฟทั่วทุกทิศทาง หรือเรียกว่าคลื่นไมโครเวฟพื้นหลัง (Cosmic-microwave background
radiation: CBR) ซึ่งเป็นข้อมูลที่ยืนยันว่าทฤษฎีบิ๊กแบงน่าจะเป็นแบบจาลองเอกภพที่ถูกต้อง
โลกกับเอกภพ
โลกเป็นดาวเคราะห์ดวงหนึ่งในระบบสุริยะที่มีดวงอาทิตย์เป็นศูนย์กลาง ระบบสุริยะเป็นสมาชิกส่วนหนึ่งในอาณาจักรแห่งดวงดาว หรือการ
แลกซีทางช้างเผือก ซึ่งมีสมาชิกดาวฤกษ์ประมาณสองแสนล้านดวง และกาแล็กซีทางช้างเผือกเป็นสมาชิก แห่งหนึ่ง ในเอกภพ ซึ่งประกอบด้วย
กาแล็กซีมากมายกวามื่นล้านแห่ง มนุษย์จึงเปรียบประดุจผงธุลีในเอกภพอันกว้างใหญ่ไพศาล โลกอยู่ที่ใดในเอกภพ เพื่อแสดงให้เห็นว่ามนุษย์
เปรียบดังผงธุลีในจักรวาล เมื่อพิจารณาจากโลกสู่อาณาจักรกว้างใหญ่ ของกาแล็กซีและของเอกภพ

7. งานชิ้นที่ 2 เรื่องคาถามทบทวนบิกแบง

8. คาถามทบทวน
1.บิกแบง หมายถึง อะไร
ตอบ การระเบิดครั้งใหญ่
2.ใครเป็นผู้เสนอแนวคิดการกาเนิดของเอกภพ
ตอบ จอร์จ เลอแมตร์
3. คาว่า “บิกแบง” ที่จริงเป็นคาล้อเลียนที่เกิดจากนักดาราศาสตร์ชื่อ อะไร
ตอบ ชื่อ เฟรด ฮอยล์
4. ภายหลังจากการพองตัว เอกภพยังคงร้อนจัดและมีความหนาแน่นสูงอยู่ ดังนั้นสถานะของสสารขณะนั้นจึงอยู่ในรูปของ อะไร
ตอบ “พลาสมา” (plasma)
5. ยุคแห่งดวงดาวจะสิ้นสุดลงเมื่อเอกภพมีอายุราว กี่ปี
ตอบ 1014 ปี
6. นักดาราศาสตร์ก็คาดว่าเอกภพจะมีแนวโน้มยุบตัวรวมกัน เรียกว่า
ตอบ “บิ๊กครั๊นช์” (Big Crunch)
7. ยุคแห่งอนุภาค เรียกภาษาอังกฤว่า
ตอบ (Particle Era)
8. โปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอนฟอร์มตัวกลายเป็นอะตอม ในครั้งแรกจะต้องใช้เวลาถึงประมาณ กี่ปี
ตอบ 300,000 ปี
9. ทฤษฎีบิ๊กแบงถูกเสนอโดย จอร์จส เลอแมท์ร (Georges Lemaitre) เมื่อปีพ.ศ.ใด
ตอบ พ.ศ .2470(ค.ศ.1927)
10. ใครเสนอทฤษฎีสภาวะคงที่
ตอบ เฟรด ฮอยล์, เฮอร์แมนน์ บอนดิ และ ทอมัส โกลด์