เอกภพ: ที่อยู่ของอวกาศ เวลา สสาร และพลังงาน

เอกภพ

ภาพอวกาศห้วงลึกมากของฮับเบิลแสดงดาราจักรที่อยู่ห่างไกลที่สุดบางส่วนที่มองเห็นได้ด้วยเทคโนโลยีปัจจุบัน ซึ่งแต่ละแห่งประกอบด้วยดาวนับพันล้านดวง (พื้นที่ภาพที่เห็นได้ชัด มีขนาดประมาณ 1/79 ของพระจันทร์เต็มดวง)
อายุ (ในแบบจำลองแลมบ์ดา-ซีดีเอ็ม)	13.787 ± 0.020 พันล้านปี
เส้นผ่านศูนย์กลาง	ไม่ทราบ เส้นผ่านศูนย์กลางของเอกภพที่สังเกตได้: 8.8×1026 เมตร (28.5 กิกะพาร์เซก หรือ 93 กิกะปีแสง)
มวล (สสารทั่วไป)	อย่างน้อย 1053 กิโลกรัม
ความหนาแน่นเฉลี่ย (รวมถึงการมีส่วนร่วมจากพลังงาน)	9.9 x 10−30 กรัม/เซนติเมตร3
อุณหภูมิเฉลี่ย	2.72548 เคลวิน (-270.4 เซลเซียส หรือ -454.8 ฟาเรนไฮต์)
ประกอบด้วย	สสารทั่วไป (แบริโอนิก) (4.9%) สสารมืด (26.8%) พลังงานมืด (68.3%)
รูปร่าง	แบน โดยมีอัตราความคลาดเคลื่อน 0.4%

แบบจำลองเอกภพที่เก่าแก่ที่สุดได้รับการพัฒนาโดยกรีกโบราณและนักปรัชญาอินเดีย โดยให้โลกเป็นศูนย์กลาง หลายศตวรรษต่อมา การสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์ที่แม่นยำยิ่งขึ้น ทำให้ นิโคเลาส์ โคเปอร์นิคัส พัฒนาแบบจำลองดวงอาทิตย์เป็นศูนย์กลาง โดยให้ดวงอาทิตย์อยู่ใจกลางของระบบสุริยะ เซอร์ ไอแซก นิวตัน ใช้ผลงานของโคเปอร์นิคัส, กฎการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ ของ โยฮันเนส เคปเลอร์ และการสังเกตการณ์โดย ทือโก ปราเออ เพื่อนำมาพัฒนากฎความโน้มถ่วงสากลของเขา

การสังเกตที่ได้รับการปรับปรุงเพิ่มเติมนำไปสู่การตระหนักว่า ดวงอาทิตย์เป็นหนึ่งในดาวฤกษ์หลายแสนล้านดวงใน ทางช้างเผือก ซึ่งเป็นหนึ่งในดาราจักรไม่กี่แสนล้านแห่งในเอกภพ ดาวฤกษ์หลายดวงในดาราจักรมีดาวเคราะห์ ในระดับที่ใหญ่ที่สุด ดาราจักรกระจายตัวสม่ำเสมอและเหมือนกันในทุกทิศทาง หมายความว่าเอกภพไม่มีขอบหรือจุดศูนย์กลาง ในระดับที่เล็กกว่า ดาราจักรจะกระจุกตัวเป็นกระจุกและกลุ่มกระจุกดาราจักร ซึ่งก่อตัวเป็นเส้นใยและช่องว่างในอวกาศ ทำให้เกิดโครงสร้างคล้ายโฟมขนาดมหึมา การค้นพบในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 ระบุว่า เอกภพมีจุดเริ่มต้นและได้ขยายตัวเพิ่มขึ้นตั้งแต่นั้นมา ในอัตราที่เพิ่มขึ้น

ตามทฤษฎีบิกแบง พลังงานและสสารในช่วงแรกมีความหนาแน่นน้อยลงเมื่อเอกภพขยายตัว หลังจากการขยายตัวแบบเร่งครั้งแรกที่เรียกว่ายุคแห่งการขยายตัวที่ประมาณ 10⁻³² วินาที และแยกแรงพื้นฐานที่รู้จักกันทั้งสี่ออก เอกภพจะค่อย ๆ เย็นลงและขยายตัวอย่างต่อเนื่อง ทำให้อนุภาคย่อยของอะตอมแรกและอะตอมธรรมดาก่อตัวขึ้น สสารมืดค่อย ๆ รวมตัวกันก่อตัวเป็นโครงสร้างคล้ายโฟมของเส้นใยและช่องว่างภายใต้อิทธิพลของความโน้มถ่วง เมฆไฮโดรเจนและฮีเลียมขนาดใหญ่มากค่อย ๆ ถูกดึงไปยังสถานที่ที่มีสสารมืดหนาแน่นที่สุด ก่อตัวเป็นดาราจักร, ดวงดาว และทุกสิ่งทุกอย่างที่เห็นในปัจจุบัน

จากการศึกษาการเคลื่อนที่ของดาราจักรพบว่า เอกภพประกอบด้วยสสารมากกว่าที่วัตถุมองเห็นได้ เช่น ดาวฤกษ์, ดาราจักร, เนบิวลาและก๊าซระหว่างดวงดาว สสารที่มองไม่เห็นนี้เรียกว่าสสารมืด (มืด หมายความว่ามีหลักฐานทางอ้อมที่ชัดเจนและหลากหลายว่ามันมีอยู่จริง แต่เรายังไม่ได้ตรวจพบมันโดยตรง) แบบจำลองแลมบ์ดา-ซีดีเอ็ม เป็นแบบจำลองเอกภพที่ได้รับการยอมรับกันอย่างกว้างขวางที่สุด โดยเสนอว่าประมาณ 69.2%±1.2% [2015] ของมวลและพลังงานในเอกภพเป็นค่าคงที่เอกภพ (หรือในส่วนขยายของแลมบ์ดา-ซีดีเอ็ม, พลังงานมืดรูปแบบอื่น เช่น สนามสเกลาร์) ซึ่งรับผิดชอบการขยายตัวของอวกาศในปัจจุบัน และประมาณ 25.8%±1.1% [2015] เป็นสสารมืด สสาร ('แบริออนิก') ทั่วไป จึงเป็นเพียง 4.84%±0.1% [2015] ของเอกภพทางกายภาพ ดวงดาว, ดาวเคราะห์และเมฆก๊าซที่มองเห็นได้ ก่อตัวขึ้นเพียงร้อยละ 6 ของสสารธรรมดาเท่านั้น

มีการแข่งขันตั้งสมมติฐานเกี่ยวกับชะตากรรมสุดท้ายของเอกภพกันอย่างมากมาย และสิ่งที่เกิดขึ้นหรือมีอยู่ก่อนหน้าบิกแบง ในขณะที่นักฟิสิกส์และนักปรัชญาคนอื่น ๆ ปฏิเสธที่จะคาดเดา โดยสงสัยว่าข้อมูลเกี่ยวกับสถานะก่อนหน้านี้จะสามารถเข้าถึงได้ นักฟิสิกส์บางคนได้เสนอสมมติฐานเกี่ยวกับพหุภพ (multiverse) ซึ่งเอกภพของเราอาจเป็นหนึ่งในหลาย ๆ เอกภพที่มีอยู่เช่นเดียวกัน

เอกภพทางกายภาพได้รับการนิยามให้เป็นอวกาศและเวลาทั้งหมด (รวมเรียกว่าปริภูมิ-เวลา) และสิ่งที่อยู่ภายใน ประกอบด้วยพลังงานทั้งหมดในรูปแบบต่าง ๆ รวมถึง รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าและสสาร เช่นเดียวกับ ดาวเคราะห์, ดวงจันทร์, ดวงดาว, ดาราจักรและสิ่งที่อยู่ภายในอวกาศระหว่างดาราจักร เอกภพยังรวมถึง กฎแห่งวิทยาศาสตร์ ที่มีอิทธิพลต่อพลังงานและสสาร เช่น กฎการอนุรักษ์, กลศาสตร์ดั้งเดิมและทฤษฎีสัมพัทธภาพ

เอกภพมักได้รับการนิยามให้เป็น "ทั้งหมดของการดำรงอยู่" หรือทุกสิ่งที่มีอยู่, ทุกสิ่งทุกอย่างที่เคยมีอยู่และทุกสิ่งทุกอย่างจะมีอยู่ ในความเป็นจริง นักปรัชญาและนักวิทยาศาสตร์บางคนสนับสนุนการรวมความคิดและแนวคิดเชิงนามธรรม—เช่น คณิตศาสตร์และตรรกะ—ในนิยามของเอกภพ คำว่า เอกภพ อาจหมายถึงแนวคิด เช่น จักรวาล, โลก และ ธรรมชาติ

คำว่า เอกภพ (อ่านว่า เอก-กะ-พบ) มาจากคำในภาษาบาลีสันสกฤตว่า เอก (อ่าน เอ-กะ) แปลว่า หนึ่ง รวมกับ ภว (อ่าน พะ-วะ) ซึ่งภาษาไทยใช้ว่า ภพ แปลว่า ที่เกิดหรือโลก เอกภพ เป็นคำศัพท์ในวิชาดาราศาสตร์ แต่คนทั่วไปนิยมเรียกเอกภพว่า จักรวาล โดยมีความหมายเท่ากับ เอกภพ แต่มีนัยถึงเอกภพที่เป็นระเบียบ มีความเป็นไปสอดคล้องราบรื่นและเป็นเอกภพเท่าที่เรารู้จัก

แบบจำลองที่มีอยู่ทั่วไปสำหรับวิวัฒนาการของจักรวาลคือทฤษฎีบิกแบง แบบจำลองบิกแบงระบุว่า สภาวะแรกสุดของเอกภพเป็นสภาวะที่ร้อนและหนาแน่นอย่างยิ่ง ต่อมา เอกภพก็ขยายตัวและเย็นตัวลง แบบจำลองนี้ใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปและสมมติฐานที่ทำให้เข้าใจง่ายขึ้น เช่น ความเป็นเนื้อเดียวกันและไอโซโทรปีของอวกาศ แบบจำลองที่มีค่าคงที่ของเอกภพ (แลมบ์ดา) และ สสารมืดเย็น หรือที่รู้จักในชื่อ แบบจำลองแลมบ์ดา-ซีดีเอ็ม เป็นแบบจำลองที่ง่ายที่สุดที่ให้คำอธิบายที่ดีพอสมควรในการสังเกตต่าง ๆ เกี่ยวกับเอกภพ แบบจำลองบิกแบงกล่าวถึงการสังเกตการณ์ต่าง ๆ เช่น ความสัมพันธ์ของระยะทางและการเลื่อนไปทางแดงของดาราจักร, อัตราส่วนของจำนวนไฮโดรเจนต่ออะตอมของฮีเลียมและพื้นหลังของการแผ่รังสีไมโครเวฟ

สถานะเริ่มต้นที่ร้อนและหนาแน่นเรียกว่า ยุคของพลังค์ ซึ่งเป็นช่วงเวลาสั้น ๆ ที่ขยายจากเวลาศูนย์ถึงหนึ่งหน่วยเวลาของพลังค์ ประมาณ 10⁻⁴³ วินาที ในช่วงยุคของพลังค์ สสารและพลังงานทุกประเภทรวมตัวกันอยู่ในสถานะหนาแน่น และแรงโน้มถ่วงซึ่งปัจจุบันเป็นแรงที่อ่อนแอที่สุดในบรรดาแรงที่รู้จักทั้งสี่—เชื่อกันว่ามีความแข็งแกร่งพอ ๆ กับแรงพื้นฐานอื่น ๆ และทั้งหมด แรงอาจได้รับการรวมเป็นหนึ่งเดียว ตั้งแต่ยุคของพลังค์ อวกาศได้ขยายตัวจนถึงขนาดปัจจุบัน โดยเชื่อว่าช่วงการพองตัวของจักรวาลจะสั้นมากแต่รุนแรงซึ่งเกิดขึ้นภายใน 10⁻³² วินาทีแรก นี่เป็นการขยายตัวที่แตกต่างจากที่เราเห็นรอบตัวเราในปัจจุบัน วัตถุในอวกาศไม่เคลื่อนที่ แทนที่จะเปลี่ยนเมตริกที่กำหนดพื้นที่เอง แม้ว่าวัตถุในกาลอวกาศจะไม่สามารถเคลื่อนที่ได้เร็วกว่าความเร็วแสง แต่ข้อจำกัดนี้ใช้ไม่ได้กับเมตริกที่ควบคุมกาลอวกาศ เชื่อกันว่าช่วงเริ่มต้นของการพองตัวนี้อธิบายได้ว่าทำไมอวกาศจึงดูแบนราบมาก และมีขนาดใหญ่กว่าที่แสงจะเดินทางได้ตั้งแต่เริ่มเอกภพ^{[โปรดขยายความ]}

ภายในเสี้ยววินาทีแรกของการดำรงอยู่ของเอกภพ แรงพื้นฐานทั้งสี่ได้แยกออกจากกัน ในขณะที่เอกภพยังคงเย็นตัวลงอย่างต่อเนื่องจากสถานะที่ร้อนอย่างไม่น่าเชื่อ อนุภาคย่อยของอะตอมประเภทต่าง ๆ สามารถก่อตัวขึ้นได้ในช่วงเวลาสั้น ๆ ซึ่งเรียกว่า ยุคของควาร์ก, ยุคของฮาดรอน และยุคของเลปตัน เมื่อรวมกันแล้ว ยุคเหล่านี้รวมเวลาน้อยกว่า 10 วินาทีหลังจากบิกแบง อนุภาคมูลฐานเหล่านี้เชื่อมโยงกันอย่างเสถียรในส่วนผสมที่มีขนาดใหญ่ขึ้น ซึ่งรวมถึงโปรตอนและนิวตรอนที่เสถียร ซึ่งต่อมาได้ก่อตัวเป็นนิวเคลียสของอะตอมที่ซับซ้อนมากขึ้นผ่านการหลอมนิวเคลียส กระบวนการนี้เรียกว่าการสังเคราะห์นิวเคลียสของบิกแบง ใช้เวลาประมาณ 17 นาทีและสิ้นสุดหลังจากบิกแบงประมาณ 20 นาที ดังนั้นปฏิกิริยาที่เร็วและง่ายที่สุดเท่านั้นจึงเกิดขึ้น ประมาณร้อยละ 25 ของโปรตอนและนิวตรอนทั้งหมดในเอกภพโดยมวล ถูกเปลี่ยนเป็นฮีเลียม โดยมีดิวเทอเรียมจำนวนเล็กน้อย (รูปแบบหนึ่งของไฮโดรเจน) และลิเทียมเพียงเล็กน้อย ธาตุอื่น ๆ ถูกสร้างขึ้นในปริมาณที่น้อยมากเท่านั้น อีกร้อยละ 75 ของโปรตอนยังคงไม่ได้รับผลกระทบ เนื่องจากเป็นนิวเคลียสของไฮโดรเจน

หลังจากการสังเคราะห์นิวเคลียสสิ้นสุดลง เอกภพได้เข้าสู่ยุคที่เรียกว่า ยุคของโฟตอน ในช่วงเวลานี้ เอกภพยังคงร้อนเกินกว่าที่สสารจะก่อตัวเป็นอะตอมที่เป็นกลางได้ ดังนั้นจึงมีพลาสมาที่ร้อน, หนาแน่นและมีหมอกหนาของอิเล็กตรอนที่มีประจุลบ นิวตริโนที่เป็นกลาง และนิวเคลียสที่เป็นบวก หลังจากผ่านไปประมาณ 377,000 ปี เอกภพก็เย็นลงมากพอที่อิเล็กตรอนและนิวเคลียสจะสร้างอะตอมที่เสถียรตัวแรกได้ สิ่งนี้เรียกว่าการรวมตัวกันอีกครั้งด้วยเหตุผลทางประวัติศาสตร์ ในความเป็นจริงอิเล็กตรอนและนิวเคลียสรวมตัวกันเป็นครั้งแรก อะตอมที่เป็นกลางต่างจากพลาสมาตรงที่แสงมีความยาวคลื่นหลายช่วงคลื่นโปร่งใส ดังนั้น จึงเป็นครั้งแรกที่เอกภพโปร่งใสด้วย โฟตอนที่ปล่อยออกมา ("แยกตัว") เมื่ออะตอมเหล่านี้ก่อตัวขึ้นยังสามารถเห็นได้ในปัจจุบัน พวกมันก่อตัวเป็นรังสีไมโครเวฟพื้นหลังของเอกภพ

เมื่อเอกภพขยายตัว ความหนาแน่นของพลังงานของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าจะลดลงเร็วกว่าของสสาร เนื่องจากพลังงานของโฟตอนจะลดลงตามความยาวคลื่น เมื่อประมาณ 47,000 ปี ความหนาแน่นของพลังงานของสสารมีมากกว่าความหนาแน่นของโฟตอนและนิวตริโน และเริ่มครอบงำพฤติกรรมขนาดใหญ่ของเอกภพ นี่เป็นจุดสิ้นสุดของยุคที่ครอบงำด้วยรังสีและการเริ่มต้นของยุคที่ครอบงำด้วยสสาร

ในช่วงแรกสุดของเอกภพ ความผันผวนเล็กน้อยภายในความหนาแน่นของเอกภพทำให้ความเข้มข้นของสสารมืดค่อย ๆ ก่อตัวขึ้น สสารธรรมดาถูกดึงดูดโดยความโน้มถ่วง ก่อตัวเป็นเมฆก๊าซขนาดใหญ่ และในที่สุดก็เกิดเป็นดาวฤกษ์และกาแล็กซี ซึ่งสสารมืดมีความหนาแน่นมากที่สุด และกลายเป็นความว่างเปล่าในที่ที่มีความหนาแน่นน้อยที่สุด หลังจากนั้นประมาณ 100 – 300 ล้านปี^{[ต้องการอ้างอิง]}

ดาวฤกษ์ดวงแรกก่อตัวขึ้น เรียกว่า ดาวฤกษ์ชนิดดารากร 3 สิ่งเหล่านี้อาจมีมวลมาก, เรืองแสง, ไม่เป็นโลหะและมีอายุสั้น พวกมันมีหน้าที่รับผิดชอบในการรีไอออนไนซ์ของเอกภพอย่างค่อยเป็นค่อยไประหว่างประมาณ 200-500 ล้านปีถึง 1 พันล้านปี และยังสร้างเอกภพด้วยธาตุที่หนักกว่าฮีเลียมผ่านการสังเคราะห์นิวเคลียสของดาวฤกษ์ เอกภพยังประกอบด้วยพลังงานลึกลับ ซึ่งอาจเป็นสนามสเกลาร์ ซึ่งเรียกว่าพลังงานมืด ซึ่งความหนาแน่นของพลังงานนี้จะไม่เปลี่ยนแปลงตลอดเวลา หลังจากผ่านไปประมาณ 9.8 พันล้านปี เอกภพได้ขยายตัวมากพอจนความหนาแน่นของสสารน้อยกว่าความหนาแน่นของพลังงานมืด ซึ่งเป็นจุดเริ่มต้นของ ยุคที่พลังงานมืดครอบงำ ในปัจจุบัน ในยุคนี้ การขยายตัวของเอกภพมีความเร่งขึ้นเนื่องจากพลังงานมืด

เชิงอรรถ