โลก ดาราศาสตร์ และอวกาศ

กำเนิดเอกภพ

เอกภพวิทยาในอดีต

นักปราชญ์ในอดีตรู้จัดเอกภพมาตั้งแต่สมัยโบราณ โดยจะมีรูปแบบที่แตกต่างกันตามความเชื่อและความสามารถในการสังเกต จินตนาการ โดยแนวความคิดต่างๆ  จะรวมเรียกว่า แบบจำลองเอกภพ

1. แบบจำลองเอกภพของชาวสุเมเรียนและแบบจำลองเอกภพของชาวบาบิโลน

ชาวสุเมเรียนบันทึกตำแหน่งของดาวฤกษ์และดาวเคราะห์ โดยมีโลกแบนอยู่กับที่และเป็นศูนย์กลางของการเคลื่อนที่ทั้งหมดพร้อมกับมีการตั้งชื่อกลุ่มคาวหลายกลุ่มในท่องฟ้า และได้อธิบายการเคลื่อนที่ของดาวต่างๆ ตามความเชื่อที่ว่าเทพเจ้าปกครองโลก ท้องฟ้าและแหล่งน้ำบันดาลให้เป็นไป ชาวบาบิโดลนอาศัยพื้นฐานของชาวสุเมเรียนมาใช้ในการอธิบายการเคลื่อนที่ของดาวฤกษ์และการเปลี่ยนแปลงฤดูกาลบนโลกได้อย่างถูกต้อง

2. แบบจำลองเอกภพของกรีก

ชาวกรีกได้ประยุกต์ความรู้ทางคณิตศาสตร์ในเรื่องจำนวนและเรขาคณิตในการพัฒนาแบบจำลองเอกภพ “อริส โตเติล” เป็นชาวกรีกคนแรกที่พบว่า โลกมีลักษณะเป็นทรงกลม นอกจากนี้ “อริส ตาร์คัส” เป็นบุคคลแรกที่ระบุว่า โลกโคจรรอบดวงอาทิตย์เป็นจุดศูนย์กลาง และโลกจะโคจรครบรอบ1 ปี ในเวลา 1 ปี ทำให้แบบจำลองของชาวกรีกมีลักษณะที่อธิบายได้ทางเรขาคณิต

3. แบบจำลองเอกภพของกาลิเลโอ

กาลิเลโอเป็นชาวอิตาลี เป็นคนแรกที่ได้ใช้กล้องโทรทัศน์ เพื่อการสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์ แบบจำลองของกาลิเลโอเชื่อว่า ดวงอาทิตย์เป็นศูนย์กลางของระบบสุริยะ โดยมีดาวเคราะห์ต่างๆ เคลื่อนที่รอบดวงอาทิตย์เป็นวงกลม แบบจำลองของเขาเป็นแบบจำลองที่มีขนาดไม่จำกัด ซึ่งเชื่อว่ายังมีวัตถุอื่นที่อยู่ไกลกว่าดาวเสาร์ ต่อมา “เซอร์ ไอแซก นิวตัน” ค้นพบว่า ลักษณะการโคจรของดาวเคราะห์เกิดจากผลของแรงโน้ม ทำให้ปัจจุบันนักดาราศาสตร์ยอมรับกฎการเคลื่อนที่ดาวเคราะห์ 3 ข้อ ของเคปเลอร์

กำเนิดเอกภพ

        ทฤษฎี “บิกแบง” เป็นทฤษฎีกำเนิดเอกภพที่เป็นที่ยอมรับอย่างกว้างขวางในปัจจุบัน ซึ่งเป็นจุดเริ่มต้นของเอกภพและเวลาได้อธิบายว่า เอกภพเริ่มจากพลังงานเปลี่ยนสสาร จากขนาดเล็กเป็นขนาดใหญ่ จากอุณหภูมิสูงเป็นอุณหภูมิต่ำ สสารที่เกิดขึ้นครั้งแรกเป็นอนุภาคมูลฐานชนิดต่างๆ  จากนั้นอนุภาคเหล่านี้จึงรวมตัวกันกลายเป็นอะตอมของไฮโดรเจนและฮีเลียม ซึ่งมีวิวัฒนาการต่อเนื่องจนกลายเป็นกาแล็กซี เนบิวลา ดาวฤกษ์ ระบบสุริยะ โลก ดวงจันทร์ มนุษย์และสิ่งมีชัวิตต่างๆ

         เอกภพปิด (Closed Universe) คือ เอกภพมีความหนาแน่นของมวลสารและพลังงานมากเพียงพอ จนแรงโน้มถ่วงสามารถเอาชนะแรงดันออกหลังจากการระเบิดครั้งใหญ่ได้ ในที่สุดเอกภพจะหดตัวกลับ และถึงจุดจบที่เรียกว่า บิ๊กครันช์ (Big Crunch)
         เอกภพแบน (Flat Universe) คือ เอกภพมีความหนาแน่นของมวลสารและพลังงาน ในระดับที่ แรงโน้มถ่วง ได้ดุลกับแรงดันออกหลังจากการระเบิดครั้งใหญ่ ในที่สุดเอกภพจะขยายตัว แต่ด้วยอัตราที่ช้าลงเรื่อย ๆ
         เอกภพเปิด (Open Universe) คือ เอกภพมีความหนาแน่นของมวลสารและพลังงาน ต่ำเกินไป ทำให้แรงโน้มถ่วง ไม่สามารถเอาชนะแรงดันออกหลังจากการระเบิดครั้งใหญ่ได้ เอกภพจะขยายตัวอย่างต่อเนื่องไปเรื่อย ๆ จนกระทั่งอุณหภูมิของเอกภพเข้าใกล้ศูนย์องศาสัมบูรณ์ เมื่อถึงเวลานั้น จะไม่มีพลังงานหลงเหลืออยู่อีก อะตอมและโมเลกุลต่าง ๆ จะหยุดนิ่งไม่มีการเคลื่อนที่ใด ๆ เรียกว่า บิ๊กชิลล์ (Big Chill)

กาแล็กซี

       คือ อาณาจักรหรือระบบของดาวฤกษ์จำนวนนับแสนล้านดวง อยู่รวมกันด้วยแรงโน้มถ่วงระหว่างมวลสารทั้งหมดที่อยู่ภายในกาแล็กซีกับหลุมดำมวลยวดยิ่งที่แก่นกลางของกาแล็กซี กาแล็กซีต่างๆ เกิดขึ้นหลังบิกแบงประมาณ 1000 ล้านปี กาแล็กซีที่สำคัญซึ่งมีระบบสุริยะเป็นสมาชิกอยู่ ได้แก่ แอนโดรเมลา เป็นต้น นักดาราศาสตร์แบ่งกาแล๊กซีออกเป็น 2 ประเภทใหญ่ๆคือ

1.กาแล็กซีปกติ ซึ่งกาแล็กซีปกตินี้จะแบ่งออกได้เป็น 3 กลุ่ม

    - กาแล็กซีรี มีรูปร่างค่อนข้างเรียบ มรการกระจายแสงของดาวฤกษ์อย่างสม่ำเสมอ ใช้รหัสว่า E

    - กาแล็กซีชนิดกังหัน เป็นกาแล็กซีที่มีใจกลางสว่าง ตรงกลางมีดาวฤกษ์หนาแน่น เรียกว่า ใจกลางกาแล็กซี ใช้รหัสว่า S

    - กาแล็กซีลูกสะบ้า มีรูปร่างคล้ายเลนส์ อยู่ระหว่างกาแล็กซีรีและกาแล็กซีชนิดกังหัน มีใจกลางสว่าง ใช้รหัสว่า SO

2. กาแล็กซีไม่มีรูปร่าง

      เอกภพ (จักรวาล – universe) คือ ระบบที่รวบรวมทุกสิ่งทุกอย่างในธรรมชาติ ข้อมูลสำคัญของเอกภพคือ เส้นสเปกตรัมของดาราจักรเลื่อนไปทางสีแดงทำให้รู้ว่าเอกภพกำลังขยายตัว

การขยายตัวของเอกภพ
       เราทราบแล้วว่าเอกภพคือแหล่งรวมทุกสรรพสิ่งในธรรมชาติ รวมทั้งที่ว่างหรืออวกาศด้วย นักดาราศาสตร์ต่างได้ศึกษาเส้นสเปกตรัมจากธาตุที่อยู่ในดาราจักรแล้วพบว่า เส้นเลื่อนไปทางแดงหรือทางความถี่ต่ำแสดงว่าดาราจักรกำลังเคลื่อนที่ออกห่างไปเรื่อย ๆ ทำให้เกิดปัญหาข้อถกเถึยงกันถึงลักษณะของดาราจักรและเอกภพในอดีตว่าเป็นอย่างไร

       ในวงการดาราศาสตร์ได้มีทฤษฎีหนึ่งที่จะอธิบายการกำเนิดเอกภพและสาเหตุที่ดาราจักรกำลังเคลื่อนที่คือ ทฤษฎีการระเบิดใหญ่ (big-bang theory หรือทฤษฎีบิกแบง) โดย เลแมตร์ (G.Lemaitre) ได้กล่าวไว้ว่า ในอดีตเอกภพมีลักษณะเป็นรูปทรงกลมเส้นผ่าศูนย์กลางประมาณ 6,400 กิโลเมตร (4,000 ไมล์) เลอร์แมตร์ เรียกทรงกลมที่เป็นจุดกำเนิดของสสารนี้ว่า “อะตอมดึกดำบรรพ์” (Primeval Atom) เป็นอะตอมขนาดยักษ์ นำหนักประมาณ 2 พันล้านตันต่อลูกบาศก์นิ้ว (ซึ่งขัดแย้งกับความเป็นจริงกับความหมายของอะตอมในปัจจุบันที่ให้ความหมายของอะตอม ว่าเป็นส่วยย่อยของโมเลกุล) อย่างไรก็ตามนักดาราศาสตร์ได้ถกเถียงและค้นหาข้อเท็จจริงเกี่ยวกับทฤษฎีนี้อย่างจริงจัง และกาโมว์ (G.Gamow) เป็นคนหนึ่งที่สนับสนุนทฤษฎีของเลอเมตร์ จากผลการคำนวณของกาโมว์ ในขณะที่อะตอมดึกดำบรรพ์ระเบิดขึ้น จะมีอุณภูมิสูงถึง 3 x 10^9 เคลวิน (3,000,000,000 เคลวิน) หลังจากเกิดการระเบิดประมาณ 5 วินาที อุณภูมิได้ลดลงเป็น 10^9 เคลวิน (1,000,000,000 เคลวิน) และเมื่อเวลาผ่านไป 3 x 10^8 ปี (300,000,000 ปี) อุณภูมิของเอกภพลดลงเป็น 200 เคลวิน

        ในที่สุดเอกภพก็ตกอยู่ในความมืดและเย็นไปนานมากจนกระทั่งมีดาราจักรเกิดขึ้น จึงเริ่มมีแสงสว่างและอุณภูมิเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ในปี พ.ศ.2472 ฮับเบิล (Edwin P.Hubble) ได้ศึกษาสเปกตรัมของดาราจักรต่างๆ 20 ดาราจักร ซึ่งอยู่ไกลที่สุดประมาณ 20 ล้านปีแสง พบว่าเส้นสเปกตรัมได้เคลื่อนไปทางแสงสีแดง ดาราจักรที่อยู่ห่างออกไปจะมีการเคลื่อนที่ไปทางแสงสีแดงมาก แสดงว่าดาราจักรต่างๆ กำลังคลื่นที่ห่างไกลออกไปจากโลกทุกทีทุกทีๆ พวกที่อยู่ไกลออกไปมากๆจะมีการเคลื่อนที่เร็วขึ้น ดาราจักรที่ห่างประมาณ2.5พันล้านปีแสง มีความเร็ว 38,000 ไมล์ต่อวินาที ส่วนพวกดาราจักร ที่อยู่ไกลกว่านี้มีควาเร็วมากขึ้นตามลำดับ ความสัมพันธ์ระหว่างระยะทางของดาราจักรและ ความเร็วแห่งการเคลื่อนที่ เรียกว่า “กฎฮับเบิล” ทฤษฎีนี้อาจเรียกว่า “การระเบิดของเอกภพ” (Exploding Universe) ซึ่งก็สนับสนุนกับแนวคิดของเลแมตร์เช่นกัน

        จักรวาลวิทยา (อังกฤษ: cosmology) เป็นการศึกษาเอกภพโดยรวม ซึ่งนับว่าเป็นการศึกษาถึงสิ่งที่ยิ่งใหญ่ที่สุดและเป็นพื้นฐานที่สุดในเวลาเดียวกัน จักรวาลวิทยามุ่งเน้นที่จะศึกษาถึงองค์ประกอบและความสัมพันธ์ของสรรพสิ่งทั้งหลายในเอกภพ พร้อมกับพยายามที่จะอธิบายความเป็นมาของเอกภพในอดีต และทำนายความเป็นไปของเอกภพในอนาคต เอกภพเป็นอย่างไร เอกภพมีขอบเขตจำกัดหรือไม่ เอกภพเกิดขึ้นได้อย่างไร เพราะเหตุใดเอกภพจึงมีรูปร่างลักษณะอย่างที่เป็นอยู่ในปัจจุบัน และอนาคตข้างหน้าเอกภพจะเป็นอย่างไร ปัญหาเหล่านี้คือสิ่งที่นักจักรวาลวิทยาทั้งหลายสนใจ

        จักรวาลวิทยาในความหมายที่กว้างที่สุด จะหมายถึงการทำความเข้าใจเอกภพโดยอาศัยความรู้จากหลายสาขาวิชา ไม่ว่าจะเป็น วิทยาศาสตร์ ปรัชญา ศาสนา หรือศิลปะ แต่โดยทั่วไปในปัจจุบัน จักรวาลวิทยาจะหมายถึงการศึกษาเอกภพโดยใช้กระบวนการทางวิทยาศาสตร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านฟิสิกส์และดาราศาสตร์ ซึ่งถือว่าเป็นสองเครื่องมือสำคัญในการใช้ศึกษาเอกภพ เป็นที่ยอมรับกันอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ว่า ยิ่งเรามีความรู้ทางด้านฟิสิกส์และดาราศาสตร์มากขึ้นเท่าใด เราก็จะยิ่งมีความเข้าใจในเอกภพมากขึ้นเท่านั้น

        มโนทัศน์เกี่ยวกับเอกภพของมนุษย์เปลี่ยนแปลงไปตามยุคสมัย ชาวอียิปต์โบราณเชื่อว่าเอกภพประกอบด้วยโลก คือ เทพเจ้าชื่อเก็บ ซึ่งถูกโอบล้อมด้วยท้องฟ้าคือ นัท ต่อมาเมื่อชาวกรีกโบราณศึกษาท้องฟ้าและการโคจรของดวงดาวมากขึ้น เขาก็สามารถสร้างแบบจำลองเอกภพที่สอดคล้องกับข้อมูลที่ได้จากการศึกษานั้น โดยให้โลกเป็นจุดศูนย์กลางของเอกภพ และมีดวงจันทร์ ดวงอาทิตย์ รวมทั้งดาวฤกษ์และดาวเคราะห์ทั้งหลาย โคจรอยู่รายล้อม แบบจำลองโลกเป็นศูนย์กลางนี้เป็นที่ยอมรับกันมานับพันปี ก่อนที่โคเปอร์นิคัสจะเสนอแบบจำลองใหม่ที่ให้ดวงอาทิตย์เป็นศูนย์กลาง ด้วยเหตุผลว่าแบบจำลองนี้ใช้การคำนวณที่ซับซ้อนน้อยกว่า (หลักการของออคแคม) จะเห็นว่าความรู้ความเข้าใจที่เพิ่มขึ้นนั้นทำให้มนุษย์มองโลกและเอกภพต่างออกไป

        การศึกษาเอกภพก้าวหน้าขึ้นอย่างรวดเร็วในช่วงคริสต์ศตวรรษที่ 20 เพราะในศตวรรษนี้มีทฤษฎีใหม่ที่ให้ความรู้เกี่ยวกับธรรมชาติของเอกภพมากขึ้น เช่น ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป และควอนตัมฟิสิกส์ รวมทั้งมีการค้นพบหลายสิ่งที่เป็นประโยชน์อย่างมากต่อวงการจักรวาลวิทยา เช่น การค้นพบว่าเอกภพกำลังขยายตัว หรือการค้นพบการแผ่รังสีคอสมิกไมโครเวฟเบื้องหลัง เป็นต้น ทั้งทฤษฎีและการค้นพบใหม่ ๆ เหล่านี้ทำให้ภาพของเอกภพในใจมนุษย์นั้นกระจ่างแจ่มชัดและใกล้เคียงความจริงยิ่งขึ้น อย่างไรก็ตามก็ต้องยอมรับว่าสิ่งที่มนุษย์รู้เกี่ยวกับเอกภพนั้นยังน้อยมาก และยังคงมีอีกหลายปัญหาในทางจักรวาลวิทยาที่ยังคงเป็นปริศนาอยู่ในปัจจุบัน