แบบจําลองการขยายตัวของเอกภพ ลูกโป่ง

   มนุษย์มีความสงสัยมานานแสนนานเกี่ยวกับเรื่องราวของเอกภพ มีคำถามและความพยายามที่จะค้นหาคำตอบมากมาย ทั้งในเชิงปรัชญา ศาสนา และวิทยาศาสตร์ จนแม้เวลาล่วงเลยมาจนถึงปัจจุบันด้วยความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์เทคโนโลยีแบบก้าวกระโดด มนุษย์ยังคงมีความคลุมเคลือในการตอบคำถามเกี่ยวกับเรื่องราวของเอกภพ

       แต่อย่างไรก็ตามความรู้ความเข้าใจเกี่ยวกับเรื่องราวของเอกภพสมัยใหม่ ได้ก้าวหน้าอย่างรวดเร็วในช่วงหนึ่งร้อยปีที่ผ่านมา ตั้งแต่ที่อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) ได้ค้นพบทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเมื่อปีพ.ศ.2443 (ค.ศ.1907) หลังจากนั้นมามนุษย์จึงเริ่มรู้จัก และยอมรับแบบจำลองของเอกภพที่มาจากทฤษฎีทางวิทยาศาสตร์มากขึ้น โดยแบบจำลองของเอกภพสมัยใหม่ในช่วงแรกนั้นเชื่อว่าเอกภพที่ประกอบด้วยดาวฤกษ์จำนวนมหาศาลกระจัดกระจายทั่วไปนั้น มีความเสถียรมาตั้งแต่แรกเริ่ม และจะยังเสถียรต่อไปเรื่อยๆ

    แบบจำลองการเสถียรของเอกภพเป็นแบบจำลองที่ไอน์สไตน์และนักดาราศาสตร์อื่นในสมัยนั้นเชื่อกัน ซึ่งตรงกับหลักสองข้อของเอกภพดังนี้

          1.เอกภพจะดูเหมือนกันหมดไม่ว่าจะมองในทิศทางใด

          2.เอกภพจะมีสมบัติทางฟิสิกส์เหมือนกัน ณ ทุกๆบริเวณ

     จนกระทั่งในปีพ.ศ.2473 (ค.ศ.1929) นักดาราศาสตร์ชาวอเมริกันชื่อ เอ็ดวิน ฮับเบิล (Edwin Hubble) ได้ค้นพบข้อมูลสำคัญที่พลิกแบบจำลองที่เคยเชื่อถือกันมา ในสมัยนั้นนักดาราศาสตร์เพิ่งค้นพบว่า เอกภพไม่ได้ประกอบดาวฤกษ์ที่อยู่อย่างกระจัดกระจาย แต่ดาวฤกษ์เหล่านั้นได้อยู่รวมกันเป็นกลุ่มๆ เรียกว่า  กาแล็กซี  (galaxy) แม้แต่ระบบสุริยะของเราก็ยังเป็นสมาชิกหนึ่งในกาแล็กซีรูปกังหันที่ชื่อ  กาแล็กซีทางช้างเผือก (Milkyway Galaxy)  ถ้ามองออกไปนอกกาแล็กซีของเรา ก็ยังพบกาแล็กซีอื่นๆอีกมากมายกระจัดกระจายไปทั่วเอกภพ และฮับเบิลได้เป็นคนแรกที่ค้นพบว่ากาแล็กซีต่างๆที่อยู่ห่างจากกาแล็กซีทางช้างเผือกออกไปนั้น เคลื่อนที่วิ่งออกห่างจากกาแล็กซีทางช้างเผือกออกไปเรื่อย ๆ จากการศึกษาแถบสเปกตรัมของกาแล็กซีอื่น ๆ โดยดูผลเนื่องจากปรากฏการการเลื่อนไปทางสีแดงของดอปเปลอร์ ( Doppler \' s redshift ) เขาพบว่า ยิ่งเป็นกาแล็กซีที่อยู่ห่างเราไปมาก ก็ยิ่งวิ่งห่างออกจากเราไปเร็วขึ้น นั่นคือความเร็วของกาแล็กซีที่สังเกตการณ์จะแปรผันตรงกับระยะจากเราถึงกาแล็กซีนั้น แสดงให้เห็นว่าเอกภพไม่ได้คงตัวแต่มีการขยายตัวเรื่อย ๆ

       การขยายตัวนี้ทำให้กาแล็กซีต่างๆในเอกภพวิ่งห่างออกจากกันเปรียบได้กับจุดต่างๆ ที่ถูกวาดบนลูกโป่งจะวิ่งห่างออกจากกันเมื่อเราเป่าลูกโป่งให้ขยายตัวมากขึ้น ดังนั้นถ้าเราย่อตัวให้เล็กลงจนสามารถยืน

  อยู่บนจุดหนึ่งของลูกโป่งที่กำลังขยายตัว เราจะเห็นจุดอื่นๆวิ่งห่างจากเราไปเรื่อยๆ โดยจุดที่อยู่ไกลกว่าจะมีความเร็วในการหนีห่างออกจากเรามากกว่า และจะมองเห็นเป็นเช่นเดียวกันไม่ว่าเราจะยืนอยู่ ณ จุดใดก็ตามก็ตามบนลูกโป่ง

          การค้นพบเกี่ยวกับการขยายตัวของเอกภพดังกล่าวนี้ทำให้แบบจำลองการคงตัวของเอกภพที่ไอน์สไตน์เคยเชื่อมีอันต้องตกไป และก่อให้เกิดแบบจำลองของเอกภพมากมายจากนักคิดทั้งหลายในทั่วทุกมุมโลก แต่แบบจำลองเอกภพที่ได้รับการยอมรับมีอยู่ 2 ทฤษฎี ซึ่งแบบจำลองทั้งสองนี้ตรงกับหลักสองข้อของเอกภพ นั่นคือเอกภพจะดูเหมือนกันทุกทิศทางและมีสมบัติทางฟิสิกส์เหมือนกัน ณ ทุกๆบริเวณ ทั้งสองแบบจำลองดังกล่าวนี้คือ

          • ทฤษฎีบิ๊กแบง (Big bang theory)

          • ทฤษฎีสถานะคงตัว ( Steady state theory)

          แต่เมื่ออุปกรณ์สังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์มีเทคโนโลยีก้าวหน้ามากขึ้น ทำให้มนุษย์ได้ข้อมูลจากการสังเกตการณ์ที่ดีขึ้น ข้อมูลที่ได้ภายในช่วง 40 ปีที่ผ่านมาเกือบทุกข้อมูลจะสอดคล้องตามแบบจำลองของเอกภพในทฤษฎีบิ๊กแบงมากกว่าทฤษฎีสถานะคงตัว ดังนั้นทฤษฎีบิ๊กแบงจึงถือว่าเป็นแบบจำลองเอกภพที่ได้รับการยอมรับมากที่สุดมากที่สุดในปัจจุบัน

          ถ้าทฤษฎีบิ๊กแบงเป็นจริง หมายความว่าเอกภพที่เราอยู่ในทุกวันนี้มีจุดเริ่มต้น และคาดว่าเอกภพน่าจะมีอายุสักประมาณ 15-20 พันล้านปีมาแล้ว ซึ่งช่วงเวลาที่ผ่านมาเป็นช่วงเวลาที่เอกภพมีการขยายตัวออก คำถามถัดมาคือ แล้วหลังจากนี้เอกภพจะมีวิวัฒนาการเป็นอย่างไรต่อไป เราจะพิจารณาจากอะไร

          จากมุมมองของทฤษฎีบิ๊กแบง เอกภพมีการขยายตัวอยู่ในปัจจุบันอันเนื่องมาจากแรงระเบิดครั้งใหญ่ที่ยังคงหลงเหลืออยู่ดันให้กาแล็กซีต่างๆ ห่างออกจากกันไปเรื่อยๆ แต่เนื่องจากเอกภพประกอบด้วยก้อนมวลสารและพลังงานก้อนใหญ่ จึงควรจะมีแรงดึงดูดเข้าหากัน ดังนั้นวิวัฒนาการของเอกภพจึงน่าจะขึ้นอยู่กับแรง 2 แรง คือ แรงดันออกหลังจากการระเบิดครั้งใหญ่ และแรงโน้มถ่วงดึงดูดให้เอกภพเข้ามารวมตัวกัน ทั้ง 2 แรงดังกล่าวเป็นปัจจัยสำคัญที่กำหนดลักษณะของเอกภพดังนี้

          - เอกภพปิด (Closed Universe) : นั่นคือ เอกภพมีความหนาแน่นของมวลสารและพลังงาน มากเพียงพอ จนแรงโน้มถ่วงสามารถเอาชนะแรงดันออกหลังจากการระเบิดครั้งใหญ่ได้ ในที่สุดเอกภพจะหดตัวกลับ และถึงจุดจบที่เรียกว่า บิ๊กครันช์ (Big Crunch)

          - เอกภพแบน (Flat Universe) : นั่นคือ เอกภพมีความหนาแน่นของมวลสารและพลังงาน ในระดับที่ แรงโน้มถ่วง ได้ดุลกับแรงดันออกหลังจากการระเบิดครั้งใหญ่ ในที่สุดเอกภพจะขยายตัว แต่ด้วยอัตราที่ช้าลงเรื่อย ๆ

         - เอกภพเปิด (Open Universe) : นั่นคือ เอกภพมีความหนาแน่นของมวลสารและพลังงาน ต่ำเกินไป ทำให้แรงโน้มถ่วง ไม่สามารถเอาชนะแรงดันออกหลังจากการระเบิดครั้งใหญ่ได้ เอกภพจะขยายตัวอย่างต่อเนื่องไปเรื่อย ๆ จนกระทั่งอุณหภูมิของเอกภพเข้าใกล้ศูนย์องศาสัมบูรณ์ เมื่อถึงเวลานั้น จะไม่มีพลังงานหลงเหลืออยู่อีก อะตอมและโมเลกุลต่างๆ จะหยุดนิ่งไม่มีการเคลื่อนที่ใดๆ เรียกว่า บิ๊กชิลล์ (Big Chill)

          กุญแจสำคัญที่จะทำให้เราทราบว่าเอกภพของเราจะมีลักษณะแบบใดในสามอย่างนี้อยู่ที่การค้นหาแค่ว่า ความหนาแน่นของมวลสารและพลังงานของเอกภพมีปริมาณที่สามารถจะหยุดยั้งการขยายตัวของเอกภพได้หรือไม่ ซึ่งดูเหมือนว่าจะทำได้ง่าย แต่จนถึงปัจจุบันมนุษย์ก็ยังไม่สามารถค้นหาปริมาณความหนาแน่นนี้ได้แน่นอน เนื่องจากมีปัญหาที่การค้นหาปริมาณความหนาแน่นของสสารมืด (dark matter) ในเอกภพ

          แม้ปัจจุบันจะยังให้คำตอบต่อคำถามเกี่ยวกับเรื่องราวของเอกภพได้ไม่ชัดเจน มนุษย์ชาติก็ยังรอคอยวันที่เทคโนโลยีด้านการสังเกตการณ์ทางฟิสิกส์เจริญถึงขั้นตอบคำถามที่มนุษย์เคยสงสัยได้หมด

ที่มา  http://astroschool.science.cmu.ac.th/th/content