ทฤษฎีบิกแบงหรือทฤษฎีกำเนิด เอกภพ จักรวาล ว่าด้วยการระเบิดครั้งใหญ่ถือเป็นแนวคิดที่ได้รับการยอมรับมากที่สุด และยังไม่มีทฤษฎีใดเทียบเคียงได้

สิ่งที่อธิบายถึงการกำเนิดเอกภพ จักรวาล ได้ดีที่สุดคือทฤษฎีปรากฏการณ์ที่เรียกว่าบิกแบง (Big Bang) ทฤษฎีนี้เกิดจากการสังเกตว่ากาแล็กซีต่างๆ เคลื่อนตัวออกห่างจากกาแล็กซีทางช้างเผือกหรือที่ตั้งของโลกอยู่ทุกขณะ โดยเคลื่อนที่ไปทุกทิศทุกทางด้วยความเร็วราวกับแรงดันของระเบิดที่สร้างเอกภพขึ้นมามีผลต่อกาแล็กซีเหล่านั้นอยู่

ฌอร์ฌ เลอแม็ทร์ (Georges Lemaitre) บาทหลวงชาวเบลเยียม เป็นผู้เสนอทฤษฎีนี้ครั้งแรกในช่วงปี 1920 ใจความสำคัญของทฤษฎีบิกแบงคือเอกภพมีจุดกำเนิดมาจากอะตอมต้นกำเนิดเพียงอะตอมเดียว และมีการสนับสนุนแนวคิดนี้จากการสังเกตการณ์ของเอ็ดวิน ฮับเบิล (Edwin Hubble) ว่าด้วยลักษณะการเคลื่อนที่ของกาแล็กซี นอกจากการสังเกตการณ์ของฮับเบิลจะมีส่วนทำให้ทฤษฎีของเลอแม็ทร์สมบูรณ์แล้ว ลักษณะการเคลื่อนที่ของกาแล็กซียังเป็นส่วนสำคัญที่ทำให้อาร์โน เพนเซียส (Arno Penzias) และโรเบิร์ต วิลสัน (Robert Wilson) นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกันค้นพบรังสีไมโครเวฟพื้นหลังของอวกาศ (Cosmic Microwave Background Radiation) หรืออีกชื่อหนึ่งคือเสียงสะท้อนจากปรากฏการณ์บิกแบง (Echoes of the Big Bang) ในช่วงปี 1960

ต่อมา การศึกษาอื่น ๆ ที่ตามมาก็ช่วยไขข้อกระจ่างเกี่ยวกับสิ่งที่เกิดขึ้นภายหลังการระเบิดครั้งใหญ่ โดยสามารถอธิบายจากทฤษฎีที่ตั้งขึ้นได้ดังนี้

ในช่วง 10-43 วินาทีแรกของการระเบิดนั้น เอกภพยังมีขนาดเล็กและหนาแน่นมาก คาดว่าเล็กกว่าอะตอมต้นกำเนิดถึงหนึ่งล้านล้านล้านล้าน (1024) เท่า ซึ่งในอดีตนักวิทยาศาสตร์ต่างคาดว่าอันตรกิริยาหรือแรงพื้นฐานในธรรมชาติทั้งสี่ (The Four Fundamental Forces of Nature) ซึ่งประกอบไปด้วยแรงโน้มถ่วง แรงแม่เหล็กไฟฟ้า แรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม และแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อนจะถูกรวมเข้าเป็นแรงชนิดเดียวกันขณะที่เอกภพอยู่ในสภาวะที่พลังงานและอุณหภูมิเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว อย่างไรก็ตาม ในปัจจุนี้ยังไม่มีทฤษฎีใดที่สามารถหาคำตอบได้ว่าแรงซึ่งรวมเป็นหนึ่งเดียวดังกล่าวจะทำงานอย่างไร และเพื่อที่จะพิสูจน์ข้อสันนิษฐานนี้ เราจำเป็นจะต้องทราบว่าแรงโน้มถ่วงทำงานอย่างไรในอนุภาคที่เล็กกว่าอะตอมให้ได้ก่อน ซึ่ง ณ ปัจจุบันนี้ยังไม่มีใครสามารถหาคำตอบได้

อีกหนึ่งทฤษฎีที่นักวิทยาศาสตร์คาดไว้คือสสารที่เกิดขึ้นจำนวนมหาศาลจะทำให้บรรดาอนุภาคตั้งต้นของเอกภพรวมตัวเข้าหากันและมีอุณหภูมิใกล้เคียงกัน จากนั้นภายในเวลาไม่ถึงเสี้ยววินาที สสารและพลังงานทั้งหมดจะขยายตัวออกไปรอบ ๆ โดยเกิดการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยจากความผันผวนของอนุภาคควอนตัม การขยายตัวอย่างรวดเร็วจากการระเบิดนี้เรียกอีกอย่างว่าการพองตัวของเอกภพ (Inflation) ซึ่งปรากฏการณ์นี้อาจสามารถอธิบายได้ว่าเหตุใดภายในเอกภพของเราจึงมีอุณหภูมิที่เสมอกันและมีการกระจายตัวของสสารที่สม่ำเสมอกันเช่นนี้

หลังการพองตัว เอกภพยังคงขยายตัวต่อไปเรื่อย ๆ ทว่ามีอัตราการขยายตัวที่ต่ำลงมาก ซึ่ง ณ ปัจจุบันนี้ยังไม่มีข้อสรุปที่แน่ชัดว่าสิ่งใดกันแน่ที่มีผลต่อการพองตัวของเอกภพ

ภายหลังการพองตัวของเอกภพ

เมื่อเวลาผ่านไปจนสสารต่าง ๆ เริ่มเย็นตัวลง อนุภาคหลากชนิดก็ได้ก่อกำเนิดขึ้น และในที่สุดอนุภาคเหล่านั้นก็ได้รวมเข้าเป็นดวงดาวและกาแล็กซีต่าง ๆ ภายในเอกภพของเรา

เมื่อมีอายุได้ 10^-9 วินาที อุณหภูมิของเอกภพเริ่มลดลงพอที่จะทำให้แรงพื้นฐานทั้งสี่สามารถแยกตัวออกจากกันและอนุภาคพื้นฐานของเอกภพสามารถก่อตัวขึ้นได้ อย่างไรก็ตาม อุณหภูมิที่ลดลงยังคงสูงเกินกว่าที่อนุภาคพื้นฐานเหล่านั้นจะรวมตัวเป็นอนุภาคย่อยชนิดต่าง ๆ ที่พบในทุกวันนี้ได้ และขณะที่เอกภพขยายตัวออกไปควาร์ก–กลูออน พลาสมา (Quark-gluon Plasma) ซึ่งมี อุณหภูมิสูงกว่า 2 ล้านล้านเคลวินก็ค่อย ๆ เย็นตัวลง ซึ่งในปัจจุบันนี้เครื่องเร่งอนุภาคบางชนิด เช่น Large Hadron Collider ขององค์การวิจัยนิวเคลียร์ยุโรป (CERN) มีพลังงานมากพอที่จะสามารถจำลองพลาสมาดังกล่าวขึ้นมาได้

รังสีในระยะแรกที่เอกภพก่อตัวขึ้นมีพลังงานสูงมากจนทำให้โฟตอน (Photon) ที่มักจะชนกับอนุภาคอื่น ๆ สามารถสร้างคู่อนุภาคระหว่างสสาร (Matter) และปฏิสสาร (Antimatter) ซึ่งมีคุณสมบัติคล้ายกับสสารทั่วไป เว้นแต่มีประจุไฟฟ้าขั้วตรงกันข้ามขึ้นได้ ทว่าเมื่อเอกภพเย็นตัวลง โฟตอนกลับมีพลังงานไม่มากพอที่จะสร้างอนุภาคคู่ตรงข้ามได้อีก ด้วยเหตุนี้อนุภาคของสสารและปฏิสสารจำนวนมากจึงจับคู่กันเองและเริ่มทำลายกันอย่างรวดเร็ว หรือที่เรียกว่าการเกิดการประลัย (Annihilation)

อย่างไรก็ตาม ยังมีสสารบางชนิดที่เหลือรอดจากระยะประลัยข้างต้นและได้กลายเป็นสสารต้นกำเนิดของกาแล็กซี  พืชพรรณต่าง ๆ หรือแม้แต่มนุษย์ภายในเอกภพนี้  นอกจากนั้นการดำรงอยู่ของมนุษย์ยังถือเป็นข้อบ่งชี้ว่ากฎแห่งธรรมชาติกระทำต่อสสารและปฏิสสารต่างกันเล็กน้อย ด้วยเหตุนี้เอง บรรดานักวิจัยจึงได้ทำการทดลองขึ้นโดยใช้วิธีสังเกตความไม่สมดุลของสสารและปฏิสสารในเอกภพ (CP Violation) ในขณะที่นักฟิสิกส์ต่างก็พยายามหาคำตอบว่าสสารสามารถอยู่รอดได้อย่างไรในช่วงแรกเริ่มของเอกภพ

การก่อตัวของอะตอม

ในช่วงวินาทีแรกของการกำเนิดเอกภพ เมื่ออุณหภูมิลดลงสสารต่าง ๆ ที่หลงเหลืออยู่จะรวมเข้าหากันและเกิดเป็นโปรตอนและนิวตรอน อนุภาคองค์ประกอบของนิวเคลียสที่เราคุ้นเคยกันดี จากนั้นเมื่อผ่านสามนาทีแรกไปโปรตอนและนิวตรอนจะรวมเป็นนิวเคลียสของไฮโดรเจนและฮีเลียม และเมื่อวัดโดยมวลแล้ว สัดส่วนของสสารในระยะแรกเริ่มของเอกภพประกอบไปด้วยอะตอมไฮโดรเจน 75 เปอร์เซ็นต์และอะตอมฮีเลียม 25 เปอร์เซ็นต์ โดยผลการสังเกตการของนักวิทยาศาสตร์ได้ยืนยันว่าปริมาณของอะตอมฮีเลียมนั้นเป็นตัวแปรสำคัญในการศึกษาทฤษฎีบิกแบง

แม้ว่าเอกภพกำเนิดใหม่นี้จะมีอะตอมของนิวเคลียสเกิดขึ้นมากมาย แต่เมื่อพิจารณาอุณหภูมิแล้วยังถือว่าร้อนเกินกว่าที่อิเล็กตรอนจะเข้าไปโคจรรอบ ๆ นิวเคลียสเหล่านั้นเพื่อสร้างอะตอมที่เสถียรขึ้นได้ ในช่วงนั้นสสารต่าง ๆ ในเอกภพยังคงมีลักษณะเป็นหมอกหนาแน่นและเต็มไปด้วยประจุไฟฟ้าซึ่งทำให้แสงแทบจะไม่สามารถเดินทางผ่านได้ ด้วยเหตุนี้จึงต้องใช้เวลากว่า 380,000 ปีเพื่อรอให้อุณหภูมิของเอกภพเย็นลงพอที่นิวเคลียสและอิเล็กตรอนจะสามารถรวมเข้าเป็นอะตอมที่สมบูรณ์ได้ โดยระยะนี้มีชื่อว่าระยะการสูญเสียพลังงานและเกิดการตกกลับของอิเล็กตรอน (Recombination) และเมื่อเอกภพเย็นตัวลงจนถึงจุดหนึ่ง กลุ่มฝุ่นหมอกที่ปกคลุมในตอนแรกก็ค่อย ๆ สลายตัวลงจนในที่สุดโฟตอนหรืออนุภาคของแสงก็สามารถวิ่งผ่านอะตอมได้โดยปราศจากสิ่งกีดขวาง

และในทุกวันนี้ เราก็ยังสามารถเห็นแสงแรกแห่งเอกภพได้ในลักษณะของรังสีไมโครเวฟพื้นหลังซึ่งสามารถพบได้ทั่วไปในเอกภพ และเนื่องจากการแผ่ตัวของรังสีดังกล่าวมีความคล้ายคลึงกับการส่งสัญญาณโทรทัศน์ผ่านเสาอากาศ เหล่านักวิทยาศาสตร์จึงคาดว่ารังสีที่เก่าแก่ที่สุดนี้อาจจะเป็นกุญแจไขความลับในช่วงต้นของการกำเนิดเอกภพก็เป็นได้

 จากดาวกลุ่มแรกสู่เอกภพในปัจจุบัน

 เอกภพนั้นว่างเปล่าเป็นเวลานาน จนกระทั่ง 180 ล้านปีหลังเกิดการระเบิดครั้งใหญ่ ดาวต่าง ๆ จึงเริ่มกำเนิดขึ้นผ่านการรวมกลุ่มเมฆหมอกไฮโดรเจนหรือเนบิวลารุ่นแรกเข้าหากันด้วยแรงโน้มถ่วงภายในเอกภพ นอกจากนี้ยังมีนักฟิสิกส์จำนวนไม่น้อยที่เชื่อว่ากลุ่มเมฆขนาดมหึมาของสสารมืด (Dark Matter) หรือสสารที่ยังไม่สามารถตรวจจับได้แต่มีน้ำหนักมากกว่าสสารทั่วไปถึงห้าเท่านั้นเป็นที่มาของแรงโน้มถ่วงที่สร้างกาแล็กซีและดาวต่าง ๆ ขึ้นมา

เมื่อดาวฤกษ์กลุ่มแรกกำเนิดขึ้น พบว่าแสงจากดาวเหล่านั้นมีพลังมากพอที่จะดึงอิเล็กตรอนออกจากอะตอมที่สมบูรณ์อีกครั้ง ซึ่งปรากฏการณ์ในระยะนี้เรียกว่าการแตกตัวเป็นไอออนอีกครั้งของอะตอม (Reionization)  อย่างไรก็ดี ในเดือนกุมภาพันธ์ของปี 2018 ทีมนักวิทยาศาสตร์จากออสเตรเลียก็ได้ประกาศว่าพวกเขาตรวจจับสัญญาณของ “รุ่งอรุณแห่งห้วงอวกาศ” (Cosmic Dawn) ได้เป็นครั้งแรก นับเป็นเวลากว่า 400 ล้านปีมาแล้วที่กาแล็กซีกลุ่มแรกกำเนิดขึ้นหลังเกิดปรากฏการณ์บิกแบง และหลายพันล้านปีนับแต่นั้นมาบรรดาดาวเคราะห์ กาแล็กซี และกระจุกกาแล็กซีต่าง ๆ ก็ได้กำเนิดขึ้น ดับสูญ และกำเนิดขึ้นใหม่มาโดยตลอด ซึ่งกาแล็กซีทางช้างเผือกและระบบสุริยะของเราก็อยู่ในวัฏจักรนี้เช่นกัน

แม้กระทั่งในตอนนี้เอกภพของเราก็ยังทำให้เหล่านักดาราศาสตร์ประหลาดใจอยู่เสมอ เนื่องจากเอกภพยังขยายตัวด้วยความเร็วที่เพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ อยู่ตลอดเวลา โดยนักดาราศาสตร์คาดว่าความเร็วในการขยายตัวนี้อาจเกิดจากพลังงานมืด (Dark Energy) ซึ่งต้านกับแรงโน้มถ่วงในเอกภพ อย่างไรก็ตาม  ไม่มีใครทราบว่าพลังงานมืดซึ่งคิดเป็น 68 เปอร์เซ็นต์ของสสารและพลังงานทั้งหมดในเอกภพคืออะไร เช่นเดียวกับปริศนาของสสารสสารมืดซึ่งคิดเป็น 27 เปอร์เซ็นต์ของเอกภพ กล่าวคือ เมื่อเทียบระหว่างสสารและพลังงานทั้งหมดที่มนุษย์รู้จักกับสิ่งอื่น ๆ ที่ยังไม่สามารถหาคำตอบได้จะพบว่าเราศึกษาสสารต่าง ๆ ในเอกภพได้เพียง 5 เปอร์เซ็นต์เท่านั้น

เรื่อง ไมเคิล เกรชโค และทีมงานเนชั่นแนล จีโอกราฟฟิก

แปลโดย พรรณทิพา พรหมเกตุ

โครงการสหกิจศึกษา กองบรรณาธิการเนชั่นแนล จีโอกราฟฟิก ฉบับภาษาไทย

อ่านเพิ่มเติม Multiverse – นิยามของ ‘พหุภพ’ และหลักฐานการมีอยู่