ทฤษฎีบิ๊กแบง: จักรวาลเริ่มต้นอย่างไร


ทฤษฎีบิกแบงแสดงให้เห็นถึงความพยายามที่ดีที่สุดของนักวิทยาศาสต

คนต่างใช้คำว่า "บิ๊กแบง" ในรูปแบบที่ต่างกัน โดยทั่วไปแล้วมันแสดงให้เห็นถึงส่วนโค้งของเอกภพที่สังเกตได้เมื่อมันบางลงและเย็นลงจากสภาวะที่ร้อนและหนาแน่นในขั้นต้น คำอธิบายนี้ทำให้เกิดแนวคิดที่ว่าจักรวาลกำลังขยายตัวซึ่งเป็นหลักการทั่วไปที่คล้ายคลึงกับการมีชีวิตอยู่รอดของสิ่งมีชีวิตที่เหมาะสมที่สุดในชีววิทยาซึ่งมีเพียงไม่กี่คนที่พิจารณาว่าเป็นที่ถกเถียงกัน

โดยเฉพาะอย่างยิ่งบิ๊กแบงยังสามารถอ้างถึงการกำเนิดของเอกภพที่สังเกตได้เอง – เมื่อมีอะไรบางอย่างเปลี่ยนแปลงไปเริ่มเหตุการณ์ที่นำไปสู่วันนี้ นักดาราศาสตร์ได้ถกเถียงกันมานานหลายสิบปีเกี่ยวกับรายละเอียดของเสี้ยววินาทีนั้นและการอภิปรายยังคงดำเนินต่อไปในวันนี้ [From Big Bang to Present: Snapshots of Our Universe Through Time]

สำหรับประวัติศาสตร์มนุษย์ส่วนใหญ่ผู้สังเกตการณ์บนท้องฟ้าคิดว่าเป็นนิรันดร์และไม่มีการเปลี่ยนแปลง เอ็ดวินฮับเบิลจัดการเรื่องนี้ด้วยการทดลองระเบิดในปี 1920 เมื่อการสังเกตของเขาแสดงให้เห็นว่ากาแลคซีทั้งสองอยู่นอกทางช้างเผือกและแสงของพวกมันก็ปรากฏออกมาซึ่งเป็นสัญญาณว่าพวกเขากำลังวิ่งหนีออกจากโลก

George Lemaîtreนักฟิสิกส์ชาวเบลเยียมร่วมสมัยตีความข้อมูลจากฮับเบิลและคนอื่น ๆ ว่าเป็นหลักฐานของเอกภพที่กำลังขยายตัวความเป็นไปได้ที่ได้รับอนุญาตจากสมการสนามสัมพัทธภาพทั่วไปของ Einstein เมื่อไม่นานมานี้ เมื่อมองย้อนกลับไปLemaîtreอนุมานว่ากาแลคซีที่แยกออกมาในวันนี้จะต้องเริ่มต้นด้วยกันในสิ่งที่เขาเรียกว่า "อะตอมยุคแรก"

การใช้คำที่เป็นสาธารณะครั้งแรกสำหรับความคิดของLemaîtreจริงๆแล้วมาจากนักวิจารณ์ – นักดาราศาสตร์ชาวอังกฤษ Fred Hoyle เมื่อวันที่ 28 มีนาคม 1949, Hoyle ประกาศเกียรติคุณวลีในระหว่างการป้องกันของทฤษฎีที่เขาต้องการของจักรวาลนิรันดร์ที่สร้างเรื่องเพื่อยกเลิกการเจือจางของการขยายตัว Hoyle กล่าวว่าความคิดที่ว่า "ทุกเรื่องของจักรวาลถูกสร้างขึ้นในบิ๊กแบงครั้งเดียวในช่วงเวลาหนึ่งในอดีตอันไกลโพ้น" เป็นเรื่องที่ไม่มีเหตุผล ในการให้สัมภาษณ์ภายหลัง Hoyle ปฏิเสธชื่อประดิษฐ์ใส่ร้ายป้ายสีตั้งใจ แต่ชื่อเล่นติดขัดทำให้บางคนไม่พอใจ

"บิ๊กแบงเป็นคำที่ไม่ดีจริงๆ" Paul Steinhardt นัก cosmologist จาก Princeton กล่าว "การยืดครั้งใหญ่จะจับความคิดที่ถูกต้อง" ภาพทางจิตของการระเบิดทำให้เกิดความสับสนทุกชนิดตาม Steinhardt มันหมายถึงจุดศูนย์กลางชายแดนที่ขยายตัวและฉากที่กระสุนของกระสุนลอยเร็วกว่าชิ้นที่หนักกว่า แต่จักรวาลที่กำลังขยายตัวดูเหมือนไม่มีอะไรเช่นนั้นเขาพูด ไม่มีศูนย์กลางไม่มีขอบและกาแลคซีทั้งใหญ่และเล็กแยกออกจากกันในลักษณะเดียวกัน (แม้ว่ากาแลคซีที่อยู่ไกลออกไปจะเคลื่อนตัวเร็วกว่าภายใต้อิทธิพลของพลังงานมืดในทางจักรวาล)

ทฤษฎีบิ๊กแบงได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางถึงความสามารถที่ไม่มีใครเทียบได้เพื่ออธิบายสิ่งที่เราเห็น ตัวอย่างเช่นความสมดุลของแสงที่มีอนุภาคเช่นโปรตอนและนิวตรอนในช่วง 3 นาทีแรกให้ปล่อยองค์ประกอบแรก ๆ ในอัตราที่คาดการณ์ปริมาณฮีเลียมและอะตอมของแสงอื่น ๆ ในปัจจุบัน

“ มีหน้าต่างเล็ก ๆ ในเวลาที่นิวเคลียสสามารถก่อตัวได้” เกล็นนีฟาร์รานักดาราศาสตร์วิทยาจากมหาวิทยาลัยนิวยอร์กกล่าว หลังจากนั้นเอกภพก็ยังคงขยายตัวต่อไปและพวกเขาไม่สามารถหากันและกันได้และมาก่อน [the window] มันร้อนเกินไป "

พลาสมาที่เต็มไปด้วยเมฆเต็มไปทั่วจักรวาลในอีก 378,000 ปีจนกระทั่งการระบายความร้อนเพิ่มเติมให้อิเล็กตรอนและโปรตอนกลายเป็นอะตอมไฮโดรเจนที่เป็นกลางและหมอกก็จางลง แสงที่ถูกปล่อยออกมาในระหว่างกระบวนการนี้ซึ่งขยายไปถึงไมโครเวฟนับเป็นสิ่งแรกสุดที่นักวิจัยสามารถศึกษาได้โดยตรง นักวิทยาศาสตร์หลายคนคิดว่ามันเป็นหลักฐานที่แข็งแกร่งที่สุดสำหรับบิกแบง

แต่เมื่อนักจักรวาลวิทยาผลักดันให้ย้อนกลับไปสู่ช่วงเวลาแรกของจักรวาล สมการของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปแนะนำจุดเริ่มต้นของความร้อนและความหนาแน่นไม่ จำกัด – เอกพจน์ นอกจากจะไม่ทำให้เกิดความรู้สึกทางร่างกายแล้วต้นกำเนิดที่เป็นเอกเทศไม่ตรงกับความเรียบง่ายของ CMB ความผันผวนของอุณหภูมิและความหนาแน่นที่น่ากลัวของจุดน่าจะทำให้เกิดแนวของท้องฟ้าที่มีคุณสมบัติแตกต่างกัน แต่อุณหภูมิของ CMB นั้นแตกต่างกันไปเพียงแค่เสี้ยวหนึ่งองศา ความโค้งของอวกาศ – เวลาก็ดูค่อนข้างแบนซึ่งแสดงให้เห็นถึงความสมดุลของสสารและความโค้งที่สมบูรณ์แบบในระยะแรกซึ่งนักดาราศาสตร์วิทยาส่วนใหญ่พบว่าไม่น่าเป็นไปได้

Alan Guth เสนอภาพใหม่ของเศษเสี้ยวแรกของวินาทีในปี 1980 โดยบอกว่าเอกภพใช้ช่วงเวลาที่เร็วที่สุดในการเติบโตแบบทวีคูณเร็วกว่าที่เป็นอยู่ในปัจจุบัน เมื่อถึงจุดหนึ่งกระบวนการนี้ก็หยุดลงและการเบรกทำให้เกิดความยุ่งเหยิงและร้อนแรง (แต่ไม่ใช่อย่างไม่ จำกัด ดังนั้น) ของอนุภาคที่เกิดขึ้นจากความแปลกประหลาด “ ในใจของฉันเองฉันคิดว่าเป็นบิ๊กแบงเมื่อจักรวาลร้อน” ฟาร์รากล่าว

ทฤษฎีเงินเฟ้อที่เรียกว่าตอนนี้มีรูปแบบการแข่งขันมากมาย แม้ว่าจะไม่มีใครรู้มากนักเกี่ยวกับสิ่งที่ทำให้จักรวาลขยายตัวอย่างรวดเร็ว แต่ทฤษฎีได้รับความนิยมมากขึ้นเนื่องจากความสามารถในการอธิบายความน่าจะเป็นที่ไม่น่าจะเป็นไปได้ CMB: เงินเฟ้อรักษาความผันผวนเล็กน้อย “ มันเป็นเรื่องที่แสนหวาน” Steinhardt กล่าวผู้ช่วยพัฒนาทฤษฎี "มันเป็นสิ่งที่เราบอกกับลูก ๆ ของเรา"

การวิจัยล่าสุดได้แนะนำริ้วรอยสองเส้นในการบรรยายเรื่องจักรวาลของทฤษฎีเงินเฟ้อ งานโดย Steinhardt และคนอื่น ๆ ชี้ให้เห็นว่าเงินเฟ้อจะหยุดลงในบางภูมิภาค (เช่นจักรวาลที่เราสังเกตเห็นได้) แต่ยังคงดำเนินต่อไปในภูมิภาคอื่น ๆ ทำให้เกิดดินแดนที่แยกจากกันด้วย นักฟิสิกส์หลายคนพบว่าภาพ "ลิขสิทธิ์" นี้น่ารังเกียจเพราะมันทำให้การทำนายที่ไม่สามารถทดสอบได้

ในหน้าทดลองนักดาราศาสตร์คาดว่าอัตราเงินเฟ้อควรจะสร้างคลื่นความโน้มถ่วงในกาแลคซีซึ่งประกอบไปด้วย CMB เช่นเดียวกับที่มันก่อให้เกิดอุณหภูมิและความหนาแน่นเล็กน้อย การทดลองในปัจจุบันควรมีความอ่อนไหวพอที่จะค้นหาได้ แต่ระลอกเวลาในยุคแรกยังไม่ปรากฏ (แม้จะมีการเตือนภัยที่ผิดพลาดในปี 2014)

นักวิจัยหลายคนรอคอยการวัดค่า CMB ที่แม่นยำยิ่งขึ้นซึ่งสามารถฆ่าหรือตรวจสอบความถูกต้องของแบบจำลองอัตราเงินเฟ้อจำนวนมากที่ยังคงอยู่ อย่างไรก็ตามนักฟิสิกส์คนอื่นไม่เห็นความเรียบของจักรวาลเป็นปัญหาเลย – มันเริ่มต้นจากเครื่องแบบและไม่ต้องการคำอธิบายใด ๆ

ในขณะที่นักทดสอบมุ่งมั่นเพื่อความแม่นยำในระดับใหม่นักทฤษฎีบางคนหันเหไปจากภาวะเงินเฟ้อเพื่อหาวิธีอื่น ๆ ในการกำจัดจักรวาลให้แบนราบ ยกตัวอย่างเช่น Steinhardt กำลังทำงานกับโมเดล "เด้งใหญ่" ซึ่งผลักดันนาฬิกาเริ่มต้นกลับไปสู่ช่วงเวลาก่อนหน้าของการหดตัวที่ทำให้พื้นที่ในอวกาศราบเรียบขึ้นและเป็นเวทีสำหรับการขยายระเบิด เขาหวังว่าอีกไม่นานลายเซ็นใหม่นอกเหนือจากปัญหาเช่นการขาดคลื่นความโน้มถ่วงดั้งเดิมจะทำให้นักดาราศาสตร์ขึ้นมาพร้อมกับเรื่องราวการสร้างใหม่ที่จะบอก "มีฟีเจอร์ที่น่าติดตามอื่น ๆ ให้ค้นหาอีกหรือไม่" Steinhardt กล่าวว่า "ถามฉันอีกครั้งในอีกไม่กี่ปีข้างหน้าและหวังว่าจะได้คำตอบ"

เพิ่มเติม ทรัพยากร: