ทฤษฎีการเกิดโลก

ก. ทฤษฎีการกำเนิดจักรวาล
1. ทฤษฎีสภาวะคงที่ (Steady State Theory) ตั้งขึ้นโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ 3 คน คือ เฟรดฮอยล์ (Fred Hoyle) เฮอร์แมนน์ บอนได (Hermann Bondi) และ โทมัส โกลด์ (Thomas Gold) เมื่อปี พ.ศ. 2491 สรุปไว้ว่า จักรวาลไม่มีจุดกำเนิดไม่มีจุดสุดท้าย จะคงอยู่ในสภาพนี้ตลอดไปชั่วกาลนาน
ประวัติการศึกษาทฤษฎีการกำเนิดของเอกภพ ของไอน์สไตน์ แหล่งข้อมูล : http//www.tawan.ejb.net
เราอาจกล่าวได้ว่าการศึกษาเอกภพปัจจุบันนั้นมีต้นกำเนิดรากฐานมาจาก ทฤษฎีสัมพัทธภาพ ของ ไอน์สไตน์ ไอน์สไตน์เป็นผู้ที่ทำให้เกิดการศึกษาเกี่ยวกับเอกภพนั้นเป็นวิทยาศาสตร์ แทนที่จะเป็นเพียงความเชื่อหรือศาสนา ซึ่งก่อนหน้านั้นเรามักจะคิดเพียงว่าเอกภพเป็นสถานที่ให้ดาวและกาแลกซี่อยู่ ไม่ได้เป็นจุดสำคัญของการศึกษาค้นคว้า ในปี 1917 ไอน์สไตน์ได้ใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพในการศึกษาเกี่ยวกับเอกภพ ที่จริงในปี 1917 เป็นเพียงปีเดียวให้หลังจากที่เขาประกาศทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของเขาเท่านั้น ซึ่งแสดงว่าเขาเริ่มสนใจการศึกษาเอกภพทันที่ที่ทฤษฎีของเขาเสร็จนั่นเอง เขาคงอยากรู้เกี่ยวกับเอกภพอย่างแรงกล้าอยู่แล้วและอาจกล่าวได้ว่า เพราะความอยากรู้เกี่ยวกับเอกภพจึงทำให้เขาสามารถค้นพบและสร้างทฤษฎีสัมพัทธภาพได้ ในตอนแรกๆ ไอน์สไตน์ได้ใช้ทฤษฎีของเขากับโมเดลเอกภพที่หยุดนิ่ง สม่ำเสมอ เหมือนกันทุกทิศทาง ซึ่งก็คือโมเดลของเอกภพปิด สม่ำเสมอและเหมือนกันทุกทิศทาง ซึ่งหมายความว่าถ้าดูในบริเวณแคบๆ ของเอกภพอาจจะมีโลก มีดาวเสาร์ ฯลฯ แต่เมื่อดูในวงกว้างขวางแล้ว ไม่ว่าจะมองไปทิศทางไหน เอกภพจะเหมือนกันทั้งหมด ไม่มีที่ไหนที่จะพิเศษกว่าที่อื่น ปัจจุบันเราเรียกความคิดนี้ว่า กฎของเอกภพ ซึ่งเป็นความคิดพื้นฐานอันหนึ่งในการศึกษาเอกภพในปัจจุบัน แล้วผลของการคำนวณปรากฏออกมาตรงกันข้ามกับที่คาดไว้ ไอน์สไตน์พบว่าตามโมเดลเอกภพที่ปิดนี้ เอกภพจะหดตัว แทนที่จะหยุดนิ่งอย่างที่คิดไว้ ซึ่งที่จริงแล้วนี่เป็นสิ่งที่พอคาดคะเนได้ เพราะทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์นั้น ที่จริงก็คือการขยายทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของนิวตัน ถ้าในเอกภพมีมวลสารอยู่อย่างสม่ำเสมอ จะดึงดูดซึ่งกันและกันเข้าหากัน ซึ่งก็คือเอกภพจะหดตัวนั่นเอง
ตามทฤษฎีเอกภพของไอน์สไตน์ เอกภพไม่มีกำเนิด
ได้เพิ่มตัวแปรเอกภพเข้าไปในทฤษฎีของเขา โดยหวังว่ามันจะช่วยให้ผลทางทฤษฎีที่ออกมาจะไม่ทำให้เอกภพหดตัว เพราะตัวแปรเอกภพที่จะทำให้เกิดแรงต้านแรงโน้มถ่วงต่อแรงโน้มถ่วงของนิวตันและสมดุลกันไม่ให้เอกภพหดตัว แต่ไอน์สไตน์เพิ่มตัวแปรเอกภพนี้เข้าไปในทฤษฎีโดยที่เป็นเทคนิคทางทฤษฎีเท่านั้น และนี่ก็คือทฤษฎีโมเดลเอกภพหยุดนิ่ง ซึ่งไอน์สไตน์ประกาศในปี 1917 และเป็นทฤษฎีที่เอกภพจะไม่ขยาย จะไม่หด แต่จะคงที่ ตามทฤษฎีเอกภพนี้เอกภพจะมีตั้งแต่ดึกดำบรรพ์และจะยั่งยืนต่อไปในอนาคต เพราะฉะนั้นจึงไม่จำเป็นต้อง คิดถึงกำเนิดของเอกภพ ก็คือทฤษฎีอันแรกเกี่ยวกับกำเนิดของเอกภพก็คือทฤษฎีของของไอน์สไตน์ที่ว่าเอกภพไม่มีกำเนิด แต่ในปี 1922
ทฤษฎีทางคณิตศาสตร์และฟิสิกส์ของนักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเชียชื่อ ฟรีดมานน์ ได้คำนวณเกี่ยวกับเอกภพ โดยใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ พบว่าเอกภพจะไม่คงที่ แต่จะต้องขยายหรือไม่ก็หด อย่างใดอย่างหนึ่ง นั่นก็คือเขาได้แสดงให้เห็นว่า เมื่อใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพคำนวณเกี่ยวกับเอกภพที่เปลี่ยนแปลง ไม่ใช่เอกภพที่หยุดนิ่งและในปี 1929 นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ชาวอเมริกันชื่อ ฮับเบิล ได้สำรวจด้วยกล้องโทรทัศน์ที่ หอดาราศาสตร์วิลสัน แห่งแคลิฟอร์เนียพบว่า เอกภพนั้นกำลังขยายตัวไม่ได้หยุดนิ่งเอกภพจะหดตัวและสลายไปไม่ได้ เพราะสมัยนั้นเชื่อกันว่า เอกภพเป็นสิ่งที่มีมาแต่ดึกดำบรรพ์และจะยั่งยืนตลอดไปในอนาคต ไอน์สไตน์เองก็เชื่อเช่นนั้น
2. ทฤษฎีการระเบิดครั้งยิ่งใหญ่ (Big Bang Theory) ตั้งขึ้นโดยนักดาราศาสตร์ชาวเบลเยี่ยม ชื่อ อับเบ จอร์จ ลือเมตเทรต (Abbe Georges Lemaitre) เมื่อปี พ.ศ. 2470 สรุปได้ว่า จักรวาลเกิดมาจากการระเบิดครั้งยิ่งใหญ่ของสารที่อัดแน่นรวมกัน แรงระเบิดทำให้ชิ้นส่วนแตกละเอียดเป็นฝุ่นละอองและก๊าซร้อน กระเด็นออกไปทุกทิศทุกทาง ต่อมาเย็นตัวลงและเกาะรวมกันเป็นกาแลกซี และสิ่งอื่น ๆ รวมกันเป็นองค์ประกอบของจักรวาลในปัจจุบัน คาดว่าเกิดขึ้นมาแล้ว ประมาณ 15,000 – 20,000 ล้านปี
ทำไมการกำเนิดของเอกภพจึงเป็น BIG BANG (การระเบิดใหญ่)
ถ้าเอกภพกำลังขยายตัวก็แสดงว่าถ้าเราย้อนเวลากลับไปในอดีต เอกภพก็ต้องมีขนาดเล็กลงเรื่อยๆ ยิ่งย้อนเวลามากก็ยิ่งเล็กลง แล้วเมื่อเล็กลงอย่างที่สุดจะเกิดอะไรขึ้น เอกภพจะลดลงจนสลายไปหรือหวังว่าจะมีจุดหนึ่งที่เอกภพกำเนิด ไม่ว่าจะเป็นกรณีใดจะเห็นว่าเราจะต้องเกี่ยวข้องกับการเริ่มของเอกภพทั้งนั้น ผู้แรกที่เริ่มศึกษาปัญหาเหล่านี้อย่างจริงจังคือนักฟิสิกส์ซึ่งเกิดที่รัสเซียชื่อ กามอฟ แต่ภายหลังอพยพไปอยู่อเมริกาในช่วงปี 1948 ที่จริงกามอฟไม่ได้ตั้งใจที่จะคิดค้นเกี่ยวกับการเริ่มของเอกภพตั้งแต่ตอนแรก แต่ระหว่างที่เขากำลังคิดค้นเกี่ยวกับการเกิดของธาตุ เขาก็ได้บรรลุถึงข้อสรุปว่า เอกภพจะต้องเกิดขึ้นด้วย BIG BANG
บิกแบง (Big Bang) คือชั่วขณะที่จุดเริ่มต้นของเอกภพตามแบบจำลองของเอกภพแบบหยึ่งที่มันได้ถือกำเนิดขึ้นด้วยการระเบิดหรือการขยายตัวอย่างรวดเร็วจากปริมาตรเป็นศูนย์
สมมติฐานเอกภพบิกแบงของกามอฟ
ตามทฤษฎีเอกภพของฟรีดมานน์ ซึ่งได้มาจากการประยุกต์ทฤษฎีสัมพัทธภาพจะบอกได้ว่า เอกภพมีจุดเริ่ม ซึ่งก็คือเงื่อนไขเบื้องต้นถึงทฤษฎีสัมพัทธภาพจะบอกไม่ได้ว่าเงื่อนไขข้างต้นนี้มาจากไหน แต่มันก็บอกให้เรารู้ว่า เอกภพเริ่มกำเนิดโดยมีเงื่อนไขเบื้องต้น แต่อย่างไรก็ตามทฤษฎีนี้ไม่ได้บอกเราว่าเอกภพตอนเริ่มกำเนิดนั้นร้อนหรือเย็น แล้วทำไมกามอฟถึงคิดว่าเอกภพกำเนิดด้วยความร้อนสูง แต่เพื่อที่จะเข้าใจตรงนี้ก็ลองมาคิดกลับดูว่าทำไมเอกภพที่เย็นจึงเป็นไปไม่ได้เช่นกัน ถึงแม้โลกจะมีธาตุมากมายหลายชนิด เมื่อดูทั้งเอกภพจะเห็นว่าเกือบทั้งหมดเป็นธาตุไฮโดรเจน เพราะว่าไฮโดรเจนประกอบขึ้นจากโปรตอนและอิเล็กตรอน เราก็จะบอกได้ว่าตอนที่เอกภพกำเนิดและมีขนาดเล็กมาก อิเล็กตรอนจะรวมเข้าไปในโปรตอนกลายเป็นนิวตรอน นั่นก็คือเอกภพที่เย็น ในช่วงแรกจะเต็มไปด้วยนิวตรอนและเมื่อเอกภพขยายตัวขึ้น นิวตรอนจะสลายตัวแบบเบต้า กลายเป็นโปรตอนและ อิเล็กตรอน
โปรตอนนั้นจะทำปฏิกิริยารวมตัวกับนิวตรอนกลายเป็นตัว ทีเรียม (ไฮโดรเจนหนัก) และดิวทีเรียมจะรวมตัวกับนิวตรอนเป็น ไตรเทียม ซึ่งจะสลายตัวแบบเบตา กลายเป็นฮีเลียม 3 และเมื่อนิวตรอนอีกตัวรวมกับฮีเลียม 3 ก็จะได้อะตอมฮีเลียม และปฏิกิริยานิวเคลียร์ก็จะเกิดต่อกันไป ธาตุหนักต่างๆ ก็จะเกิดขึ้นในเอกภพต่อๆ กันไปเช่นกัน แต่ในความเป็นจริงนั้นในเอกภพมีไฮโดรเจน 75% ฮีเลียม 24% และอีก 1% เป็นธาตุอื่นๆ นั่นก็คือเกือบทั้งหมดเป็นธาตุเบาสองธาตุ คือ ไฮโดรเจนและฮีเลียม ซึ่งขัดกับสมมติฐานของเอกภพเย็นข้างต้น เพราะฉะนั้นกามอฟจึงคิดว่าเพื่อให้ขั้นตอนการเกิดธาตุหนักไม่ติดต่อกันไป จะต้องคิดว่าเอกภพเมื่อกำเนิดนั้นมีอุณหภูมิสูงมาก ถ้าเอกภพร้อนถึงจะเกิดปฏิกิริยารวมตัวกัน แต่เพราะร้อนกันออกอีกและก็อธิบายได้ว่าทำไมธาตุหนักจึงหยุดแค่ฮีเลียมเท่านั้น และนี่ก็คือที่มาของความคิดสมมติฐานเอกภพบิกแบงของกามอฟ โดยที่ขอเน้นว่ากามอฟไม่ได้บอกว่าบิกแบงเป็นต้นเหตุของการขยายตัวของเอกภพเลย เพียงแต่บอกว่าเพื่อที่จะอธิบายกำเนิดและปริมาณธาตุในเอกภพ เอกภพจะต้องเกิดด้วยบิกแบงเท่านั้น
เอกภพบิกแบงได้กลายเป็นโมเดลมาตรฐานของเอกภพ
เมื่อกามอฟประกาศทฤษฎีอันนี้ เขาได้พยากรณ์สิ่งที่น่าสนใจไว้สิ่งหนึ่งซึ่งบอกว่าถ้าเอกภพเกิดขึ้นจากบิกแบงที่ร้อนมากๆ จะต้องมีร่องรอยของมันเหลือปรากฏอยู่ในเอกภพปัจจุบัน ร่องรอยที่ว่านั้นคืออะไร ถ้าเอกภพเย็นลงเมื่อขยายตัว แสดงว่าแสงที่อยู่ในเอกภพตอนบิกแบงนั้นก็ต้องเหลืออยู่ในเอกภพปัจจุบันด้วย โดยที่แสงนั้นเมื่อเย็นลงความยาวคลื่นจะยาวขึ้นและกามอฟคำนวณว่าแสงที่อยู่ในเอภพบิกแบงนั้นปัจจุบันจะมีความยาวคลื่นในเขตไมโครเวฟซึ่งเทียบกับอุณหภูมิได้ 7 องศาสมบูรณ์ (เคลวิน) แต่ในช่วงนั้นนักวิทยาศาสตร์ที่สนใจเกี่ยวกับกำเนิดของเอกภพมีไม่มาก และทฤษฎีการทำนายของกามอฟนี้แทบไม่ได้รับความสนใจเท่าไรเลย แต่เมื่อปี 1964 นักวิจัยชาวอเมริกัน 2 คน ชื่อ เพนเซียสและวินสัน ได้ค้นพบโดยบังเอิญว่าเอกภพนี้เต็มไปด้วยคลื่นไมโครเวฟขนาด 3 เคลวิน ซึ่งอยู่ทุกหนแห่งและทุกทิศทางอย่างสม่ำเสมอ และนี่ก็คือร่องรอยของบิกแบงตามที่กามอฟได้พยากรณ์ไว้นั่นเอง และในที่สุดเอกภพบิกแบงก็ได้เป็นที่ยอมรับกันและโมเดลนี้ก็ได้เป็นโมเดลมาตรฐานในการศึกษาค้นคว้าเกี่ยวกับเอกภพในเวลาต่อมา โมเดลอื่นๆ เช่น เอกภพที่ไม่มีจุดกำเนิดของไอน์สไตน์เป็นอันต้องตกกระป๋องไป
แล้วเราจะเริ่มเกี่ยวกับการเริ่มของเอกภพอย่างไร
ถึงจุดนี้ว่าไปแล้วก็เป็นเพียงครึ่งแรกเกี่ยวกับปัญหากำเนิดของเอกภพ จากทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ การพบว่าเอกภพขยายตัวของฮับเบิ้ลและการค้นพบแสงร่องรอยของบิกแบง ตามคำพยากรณ์ของกามอฟ ซึ่งก็คือ 1 ทฤษฎี กับ 2 การค้นพบทำให้เรารู้ว่าเอกภพนั้นมีจุดเริ่มนั่นเอง แต่นี่ไม่ใช่จุดสิ้นสุดของปัญหาเกี่ยวกับกำเนิดของเอกภพเริ่มมาอย่างไร เพราะอะไร ฯลฯ ยังมีปัญหาอย่างมากมายที่ต้องทำให้กระจ่าง โมเดลเอกภพที่สั่นนี้เราอาจจะชอบเพราะมันให้ความรู้สึกว่าเอกภพนั้นจะยั่งยืนอยู่ตลอดไป แต่ ฮอว์คิงและเพนโรส ได้พิสูจน์ให้เห็นในเวลาต่อมาว่าโมเดลนี้ไม่มีทางเป็นไปได้
ทฤษฎีทั้ง 2 ทฤษฎีมีคนให้ความเชื่อถือพอ ๆ กัน หลังปี พ.ศ. 2506 มา ทฤษฎีการระเบิดครั้งยิ่งใหญ่ มีความเป็นไปได้มากกว่า เพราะนักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบหลักฐาน 3 อย่าง ที่ทฤษฎีสภาวะคงที่ อธิบายไม่ได้คือ
1. หลักฐานการขยายตัวของจักรวาล นักวิทยาศาสตร์ ได้ค้นพบว่า ยังมีจักรวาลอื่นวิ่งหนีออกจากจักรวาลที่เราอยู่ตลอดเวลา น่าจะมาจากการระเบิดอย่างรุนแรง เนื่องจากอะตอมของ ไฮโดรเจน ถูกสร้างขึ้นตลอดเวลาและจะดันให้สสารหรือส่วนประกอบอื่นขยายตัวออกไป
2. การค้นพบควอซาร์ (Quasar) ควอซาร์ คือ วัตถุคล้ายดาวมีขนาดเล็กเมื่อเทียบกับกาแลกซี แต่มีพลังงานมากกว่าทั้งกาแลกซี ค้นพบโดย นักดาราศาสตร์ชาวอเมริกัน ชื่อ ที. เอ. แมตทิวส์ (T.A. Matthews) และ เอ. อาร์ แซนเดจ (A. R. Sandage) เมื่อ พ.ศ. 2505 พบว่ามีควอซาร์ อีกจำนวนมากที่อยู่ไกลออกไปเคลื่อนที่หนีออกจากกาแลกซีเราด้วยความเร็วที่สูงมาก
3. การค้นพบรังสีความร้อนอุณหภูมิ 3 K กระจายอยู่ทั่วไปสม่ำเสมอในจักรวาล
ต่อมาผู้ตั้งทฤษฎีสภาวะคงที่ จึงประกาศยกเลิกทฤษฎีสภาวะคงที่ ของเขาเองในปี พ.ศ. 2508