วันอาทิตย์, 03 พฤษภาคม 2558 14:52 by physics01
วิวัฒนาการของเอกภพ


ภาพถ่ายกลุ่มกาแลกซีที่กระจายอยู่ทั่วเอกภพ

เอกภพ หรือ จักรวาล (Universe) เป็นระบบที่ใหญ่ที่สุดและไร้ขอบเขต และเป็นห้วงอวกาศที่เต็มไปด้วยดวงดาวจำนวนมหาศาล ซึ่งเราจะเรียกดวงดาวที่เกาะกันเป็นกลุ่มว่า กาแล็กซี  และในแต่ละกาแล็กซี ก็จะมีระบบของดาวฤกษ์ กระจุกดาว เนบิวลา หลุมดำ อุกกาบาต ฝุ่นผง กลุ่มก๊าซ และที่ว่างอยู่รวมกันอยู่ ซึ่งก็โลกอยู่ในกาแล็กซีหนึ่ง ที่เรียกกันว่า กาแล็กซีทางช้างเผือก นั่นเอง

สำหรับต้นกำเนิดที่แท้จริงของ เอกภพ นั้น ที่จริงมีอยู่หลายทฤษฎี แต่ทฤษฎีที่ได้รับการยอมรับจากนักดาราศาสตร์มากที่สุดในปัจจุบัน ก็คือ ทฤษฎีบิ๊กแบง (Big Bang Theory) ของ จอร์จ เลอแมตร์ ที่เชื่อกันว่า เอกภพเริ่มต้นจากความเป็นศูนย์ ไม่มีเวลา ไม่มีแม้แต่ความว่างเปล่า และเอกภพกำเนิดขึ้นโดยการระเบิด ซึ่งหลังจากการระเบิดนั้น เอกภพ ก็ เริ่มขยายตัวออกไป ก่อนที่จะเกิดอนุภาคมูลฐาน อะตอม และโมเลกุล ต่าง ๆ ขึ้นตามมาหลังจากนั้น ทั้งแรงระเบิดดังกล่าว ยังทำให้เกิดแรงดันระหว่างกาแล็กซีต่าง ๆ ให้ห่างกันออกไปเรื่อย ๆ ซึ่งแรงดันที่ถือว่าเป็นวิวัฒนาการของเอกภพมีอยู่แรง 2 แรง คือ แรงดันออกหลังจากการระเบิดครั้งใหญ่ และแรงโน้มถ่วงดึงดูดให้เอกภพเข้ามารวมตัวกัน ซึ่งทั้ง 2 แรงดังกล่าวเป็นปัจจัยสำคัญที่กำหนดลักษณะของ เอกภพ


วิวัฒนาการของเอกภพ
http://en.wikipedia.org/wiki/Universe


วิวัฒนาการของเอกภพ

จากหลักฐานทางดาราศาสตร์ในปัจจุบัน คาดกันว่าเอกภพน่าจะมีอายุประมาณ 15000 ล้านปี โดยมีกำเนิด ณ จุดเริ่มต้น เรียกว่า บิ๊กแบง (Big Bang) ซึ่งเป็นจุดกำเนิดของอวกาศและเวลา!

ขณะนี้เรียกได้ว่า เรากำลังอยู่ในระหว่าง “ขาขึ้น” คือ ขนาดของเอกภพใหญ่ขึ้นเรื่อย ๆ แต่ในที่สุดเอกภพจะมี “จุดจบ” ได้ 3 แบบ ใหญ่ ๆ ขึ้นอยู่กับความหนาแน่นโดยรวมของเอกภพ (the universe’s overall density) ซึ่งนักดาราศาสตร์ใช้สัญลักษณ์ว่า

ค่านี้มีความสำคัญมาก เนื่องจากเป็นปัจจัยสำคัญที่กำหนดลักษณะของเอกภพ ดังนี้

- เอกภพปิด (Closed Universe) : ถ้าค่า นั่นคือ เอกภพมีความหนาแน่นของมวลสารและพลังงาน มากเพียงพอ จนแรงโน้มถ่วงสามารถเอาชนะการขยายตัวได้ ในที่สุดเอกภพจะหดตัวกลับ และถึงจุดจบที่เรียกว่า บิ๊กครันช์ (Big Crunch) (คำว่า crunch หมายถึง บดเคี้ยว)

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

- เอกภพเปิด (Open Universe) : ถ้าค่านั่นคือ เอกภพมีความหนาแน่นของมวลสารและพลังงาน ต่ำเกินไป ทำให้แรงโน้มถ่วง ไม่สามารถเอาชนะการขยายตัวได้ เอกภพจะขยายตัวอย่างต่อเนื่องไปเรื่อย ๆ

แสดงกราฟลักษณะวิวัฒนาการของเอกภพทั้งสามแบบ

http://topicstock.pantip.com/wahkor/topicstock/2010/03/X8962620/X8962620.html

ค่าความหนาแน่น ?0 นี้ แม้ว่าในปัจจุบันยังไม่สามารถวัดได้อย่างแน่นอน แต่ก็มีหลักฐานบางประการชี้ให้เห็นว่า อาจมีค่า ประมาณ 0.2 ถึง 0.3 ซึ่งถ้าเป็นเช่นนั้นจริง ก็หมายความว่า เรากำลังอยู่ในเอกภพแบบเปิด แต่ถ้าหากมีหลักฐานใหม่ ๆ ที่ขัดแย้งข้อมูลนี้ ข้อสรุปที่ได้ก็อาจเปลี่ยนแปลงได้ เช่น ถ้าหากพบว่านิวตริโน หรือ ดาวแคระสีน้ำตาลทั้งหมดมีมวลรวมกันมากพอ หรือ พบสสารมืด (dark matter) ในรูปแบบอื่น เอกภพก็อาจจะเป็นเอกภพปิดก็เป็นได้


ภาพ เอกภพเปิด (Open Universe) และ เอกภพปิด (Closed Universe)

ยุคต่าง ๆ ของเอกภพแบบเปิด
ในที่นี้ เราจะลองพิจารณาความเป็นไปได้ของเหตุการณ์ต่าง ๆ ที่อาจจะเกิดขึ้นต่อจากนี้ ภายใต้สมมติฐานว่า เอกภพเป็นแบบเปิด (open universe) ทั้งนี้ เนื่องจากเอกภพเปิดมีช่วงอายุขัยยาวนานเพียงพอที่จะเกิดเหตุการณ์ทางดาราศาสตร์ที่น่าสนใจจำนวนมาก

เราจะลองมองอนาคตไปข้างหน้าไกลแสนไกลราว 10100 ปี นับจากจุดเริ่มต้น แต่เพื่อให้ได้ภาพที่ครบถ้วนสมบูรณ์ จะขอเริ่ม ณ จุดตั้งต้น คือ บิ๊กแบง ผ่านยุคต่าง ๆ ได้แก่ ยุคอินเฟลชัน ยุครังสี ยุคดวงดาว ยุคดีเจนเนอเรต ยุคหลุมดำ และสุดท้ายคือ ยุคมืด

- ยุคอินเฟลชัน (The Inflation Era)
เชื่อกันว่าจุดกำเนิดของเอกภพ หรือ บิ๊กแบง (Big Bang) เริ่มต้น ณ เวลาเศษเสี้ยวของวินาทีที่ 10-43 วินาที ซึ่งเรียกว่า เวลาของแพลงค์ (Planck’s time) จากนั้นในช่วงเวลา 10-37 ถึง 10-32 วินาที เอกภพได้เกิดการพองตัวอย่างรวดเร็ว เรียกว่า อินเฟลชัน (inflation)

ทฤษฎีอินเฟลชันสามารถใช้อธิบายว่า ทำไมเอกภพที่เราเห็นอยู่ในปัจจุบันถึงได้มีขนาดใหญ่โตมโหฬาร และดูเหมือนว่า จะมี ความหนาแน่นพอ ๆ กันในทุก ๆ ตำแหน่ง (homogeneous) และทุก ๆ ทิศทาง (isotropic) รวมทั้งลักษณะทางกายภาพอื่น ๆ เช่น “ความแบน” ของเอกภพ

ในช่วงเวลาอันแสนสั้นแต่น่ามหัศจรรย์นี่เอง ณ บางตำแหน่ง อาจมีการกระจายของความหนาแน่นของพลังงานสูงกว่า บริเวณอื่น ๆ เล็กน้อย บริเวณเหล่านี้ คือ บริเวณที่จะเกิดเป็นดวงดาวและกาแลกซีในอนาคต

- ยุครังสี (The Radiation-dominated Era)
ในช่วงเวลาถัดมา ตั้งแต่ 10-32 วินาที ถึงราว 10,000 ปี เป็นยุคที่เอกภพเต็มไปด้วยรังสีอย่างหนาแน่นทุกหนทุกแห่ง แต่ในช่วงนี้ยังไม่มีอะตอม!

สสารและปฏิสสารจะเกิดการทำลายล้างกัน (annihilation) อย่างต่อเนื่อง แต่เนื่องจากในเอกภพ มีสสารมากกว่าปฏิสสาร อยู่เล็กน้อย ทำให้เหลือเป็นสสารอย่างที่เห็นในปัจจุบัน ต่อจากนั้นได้เกิดนิวเคลียสของธาตุที่ง่ายที่สุด คือ นิวเคลียสของไฮโดรเจน (โปรตอนตัวเดียว) และดิวทีเรียม (โปรตอน 1 ตัว + นิวตรอน 1 ตัว)

ในช่วงรอยต่อระหว่างยุครังสีนี้กับยุคถัดไป มีเหตุการณ์ที่สำคัญอย่างมากเกิดขึ้นได้แก่ การเกิดไฮโดรเจนอะตอมแรกของเอกภพ เมื่อเอกภพมีอายุได้ประมาณ 300,000 ปี ก่อนหน้านี้ ไม่มีอะตอมใด ๆ เกิดขึ้นได้ เพราะเอกภพมีอุณหภูมิสูงมาก ทำให้อิเล็กตรอน ไม่สามารถอยู่ร่วมกับโปรตอนกลายเป็นอะตอมของไฮโดรเจนได้


วิวัฒนาการของเอกภพจากบิ๊กแบงจนถึงยุคดวงดาว

- ยุคแห่งดวงดาว (The Stelliferous Era)
คำว่า stelliferous แปลว่า เต็มไปด้วยดวงดาว ในยุคแห่งดวงดาวนี้ ดาวฤกษ์ทั้งหลายเกิดขึ้นและเปลี่ยนแปลงไป ตามขั้นตอน ต่าง ๆ ตามทฤษฎีวิวัฒนาการของดวงดาว (stellar evolution) ใครสนใจ โปรดดูกล่องอธิบาย “วิวัฒนาการของดวงดาว”

วิวัฒนาการของดวงดาว
ถ้าเริ่มนับจากดาวฤกษ์ (star) ในภาพ เมื่อเชื้อเพลิงไฮโดรเจนถูกใช้ไปเรื่อย ๆ จนหมด ดาวฤกษ์จะขยายใหญ่ขึ้นกลายเป็นดาวยักษ์แดง (red giant)

ถ้าหากดาวฤกษ์นั้นมีมวลน้อยกว่า 1.4 ของมวลของดวงอาทิตย์ มันก็จะเปลี่ยนแปลง ไปตามเส้นทาง 1 คือ กลายไปเป็นเนบิวลา (planetary nebula) ดาวแคระขาว (white dwarf) และ ดาวแคระดำ (black dwarf) ตามลำดับ

แต่ถ้าหากดาวฤกษ์มีขนาดใหญ่ คือมีมวลมากกว่า 1.4 เท่าของดวงอาทิตย์ มันก็จะเดินตามเส้นทาง 2 กลายไปเป็นอภิมหาดาวยักษ์แดง (super red giant) ซึ่งอาจ ระเบิดทั้งหมดกลายเป็นซูเปอร์โนวา (supernova) (เส้นทาง 3) โดยจากซูเปอร์โนวา ถ้าหากมวลต่ำกว่า 3 เท่าของดวงอาทิตย์ ก็จะกลายไปเป็นดาวนิวตรอน (neutron star) แต่ถ้าหากมวลมากกว่า 3 เท่าของดวงอาทิตย์ ก็จะกลายไปเป็นหลุมดำ (black hole) แต่ถ้าอภิมหาดาวยักษ์แดง ระเบิดเฉพาะที่ผิวจะเรียกว่า โนวา (nova) (เส้นทาง 4)

อย่างดวงอาทิตย์ของเรานี่ซึ่งตอนนี้มีอายุประมาณ 4.5 พันล้านปีแล้ว แต่ในอีกราว 1.1 พันล้านปีข้างหน้า เมื่อเชื้อเพลิง ไฮโดรเจนถูกใช้ไปเรื่อย ๆ จนหมด ดวงอาทิตย์จะขยายใหญ่ขึ้น ถึงตอนนั้น โลกที่แสนจะน่าอยู่ของเรา ก็คงจะอยู่ไม่ได้อีกต่อไป เพราะร้อนจัด และอีกราว 7 พันล้านปีก็จะกลายเป็นดาวยักษ์แดง (red giant)

ในยุคแห่งดวงดาวนี้ มีเหตุการณ์ที่น่าสนใจหลายอย่าง เช่น กาแลกซีต่าง ๆ จะมากระจุกรวมตัวกัน อย่างกาแลกซีทางช้างเผือก ของเรานั้น คาดว่าน่าจะรวมกับกาแลกซีแอนโดรเมดาในอีก 6 พันล้านปีข้างหน้านู่น!

ยุคแห่งดวงดาวสิ้นสุดลงเมื่อดาวแคระแดง (red dwarf) หมดลง ถึงตอนนี้เอกภพมีอายุราว 1014 ปี

ยุคดีเจนเนอเรต (The Degenerate Era)
ในยุคนี้ เอกภพจะประกอบไปด้วยดาวแคระน้ำตาล (brown dwarf) ดาวแคระขาว (white dwarf) และดาวนิวตรอน (neutron star) รวมทั้งหลุมดำจำนวนมาก

ยุคนี้เอกภพจะมืดและแสนเยือกเย็น เพราะไม่มีดาวฤกษ์ใด ๆ เหลือส่องแสงอีกต่อไป หลุมดำแต่ละหลุมจะมีมวลเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ เพราะเที่ยวไปเก็บมวลสารที่เหลืออยู่โดยรอบ

ในช่วงนี้นี่เองที่ อนุภาคอย่างโปรตอนซึ่งเดิมเชื่อกันว่ามีอายุยืนยาวไม่มีวันตายนั้นก็จะเริ่มสลายตัว บางทฤษฎีในปัจจุบัน ประมาณอายุของโปรตอนไปไว้ที่ 1030 ปี ถึง 1040 ปี โปรตอนสลายตัวกลายเป็นโพสิตรอน นิวตริโน พายออน และรังสีแกมมา

ยุคดีเจนเนอเรตสิ้นสุดลงเมื่อโปรตอนตัวสุดท้ายสลายไป ถึงตอนนี้ดาวแคระประเภทต่าง ๆ ก็หมดไปเหลือแต่หลุมดำ

ยุคหลุมดำ (The Black Hole Era)

ในยุคนี้เรียกได้ว่ามองไปทางไหนก็จะ “เห็น” แต่หลุมดำ หลุมดำ และหลุมดำ แต่หลุมดำก็ไม่จีรังครับ เพราะในนี่สุดแล้ว มันก็จะระเหย (evaporate) ไปได้เหมือนกัน ตามทฤษฎีของฮอว์กิ้งที่เรียกว่า การแผ่รังสีฮอว์กิ้ง (Hawking radiation)

จากการคำนวณ ประมาณกันว่า หลุมดำที่มีมวลพอ ๆ กับดวงอาทิตย์ของเรานั้น จะมีอายุขัยยาวนานราว 1065 ปี ส่วนหลุมที่มีมวลพอ ๆ กับกาแลกซี จะมีอายุยืนยาวกว่านั้นคือราว 1098 ถึง 10100 ปี และเมื่อหลุมดำขนาดใหญ่หลุมสุดท้ายสลายตัวไป ก็สิ้นสุดยุคหลุมดำ

- ยุคมืด (The Dark Era)
ยุคสุดท้าย หรือ ยุคมืดนี่ ฟังเผิน ๆ แล้วเหมือนกับบ้านเราตอนนี้เลยนะครับ (อุ๊บ! ห้ามวิจารณ์การเมืองเดี๋ยว วารสาร MTEC ถูกสั่งปิด!)

ในยุคนี้ แม้แต่หลุมดำก็ไม่อยู่เสียแล้ว จะมีเพียงแต่โฟตอน และอนุภาคอย่างนิวตริโน โพสิตรอน และอิเล็กตรอน ซึ่งแต่ละตัว อยู่ห่างกันไกลแสนไกล เพราะเอกภพขยายตัวไปเรื่อย ๆ ตามสมมติฐานตั้งต้น

นักฟิสิกส์บางท่านจินตนาการไปไกลขนาดว่า เป็นไปได้ที่อิเล็กตรอนและโพสิตรอนจะมากจับคู่กัน (ชั่วคราว) เรียกว่า โพสิโทรเนียม (positronium) แต่ระยะห่างเหลือเชื่อครับคือ ไกลกว่าขนาดของเอกภพในปัจจุบัน! (ผมอดสงสัยไม่ได้จริง ๆ ว่า ไกลขนาดนั้นแล้ว จะใช้แรงอะไรดึงดูดกัน?)

แต่ในที่สุดทั้งอิเล็กตรอนและโพสิตรอนก็จะดูดเข้าใกล้กันและทำลายล้างกันไปหมดไม่เหลือครับ!

ที่มา:

https://adescience.wordpress.com/

http://www.rmutphysics.com/charud/naturemystery/sci3/universe/universe_infinity.htm

http://en.wikipedia.org/wiki/Universe

http://topicstock.pantip.com/wahkor/topicstock/2010/03/X8962620/X8962620.html

วันอาทิตย์, 03 พฤษภาคม 2558 14:46 by physics01
วันอาทิตย์, 03 พฤษภาคม 2558 14:45 by physics01
วันอาทิตย์, 03 พฤษภาคม 2558 14:36 by physics01

link วิทยาศาสตร์

รวม link ที่น่าสนใจทั้งในและต่างประเทศ เพื่อค้นคว้าหาข้อมูลที่ต้องการทางด้านวิทยาศาสตร์

ดูลิงค์ทั้งหมด

link คณิตศาสตร์

รวม link ที่น่าสนใจทั้งในและต่างประเทศ เพื่อค้นคว้าหาข้อมูลที่ต้องการทางด้านคณิตศาสตร์

ดูลิงค์ทั้งหมด
UNESCO Bangkok

ICT in Education newsletter

SEAMEO Congress

Programme with Presentations

Black Ribbon