Newsletter subscribe

A Brief History of Time, Universe

ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#21 บทที่ 3 จักรวาลที่กำลังขยายตัว : รังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล

Posted: 27/01/2021 at 09:15   /   by   /   comments (0)

หลายปีก่อนการค้นพบของเอ็ดวิน ฮับเบิล ในปี 1922 ฟรีดมันน์ตั้งสมมติฐานง่ายๆ สองข้อเกี่ยวกับจักรวาลนั่นคือ จักรวาลมีลักษณะเหมือนกันไม่ว่าเราจะมองไปทางใด และสิ่งนี้จะเป็นจริงเช่นกันหากเราสังเกตจักรวาลจากที่ใดๆ จากแนวคิดทั้งสองนี้ ฟรีดมันน์แสดงให้เห็นว่าเราไม่ควรคาดหวังว่าจักรวาลจะหยุดนิ่ง  ฟรีดมันน์คาดการณ์สิ่งที่ฮับเบิลพบ!

สมมติฐานที่ว่าจักรวาลดูเหมือนกันในทุกทิศทางนั้นไม่ถูกต้องในสเกลละเอียด อย่างที่เราเห็นดาวดวงอื่นๆ ในกาแล็กซี่ของเราก่อตัวเป็นวงแสงที่แตกต่างกันทั่วท้องฟ้ายามค่ำคืนเรียกว่าทางช้างเผือก (Milky Way) แต่ถ้าเรามองไปที่กาแล็กซีที่อยู่ห่างไกล ดูเหมือนว่าจะมีจำนวนเท่ากันไม่มากก็น้อย ดังนั้นจักรวาลจึงดูเหมือนจะเหมือนกันในทุกทิศทาง นี้เป็นมุมมองหนึ่งในสเกลใหญ่เมื่อเทียบกับระยะห่างระหว่างกาแล็กซี่โดยไม่สนใจความแตกต่างของเกร็ดเล็กเกร็ดน้อย นี่เป็นเหตุผลที่เพียงพอสำหรับข้อสันนิษฐานของฟรีดมันน์ ซึ่งเป็นการประมาณคร่าวๆ กับจักรวาลที่แท้จริง 

 

อเล็กซานเดอร์ ฟรีดมันน์ (Alexander Friedmann; 1888-1925) นักฟิสิกส์และนักคณิตศาสตร์ชาวรัสเซียเป็นหนึ่งในนักทฤษฎีกลุ่มแรกที่ตั้งสมมติฐานการขยายตัวของจักรวาล เขาได้ตั้งสมมติฐานเกี่ยวกับจักรวาลในปี 1922: ประการแรกจักรวาลดูเหมือนกันในทุกทิศทาง (isotropic-same in all directions) และประการที่สองจักรวาลมีลักษณะเหมือนกันในทุกที่ (homogeneous-same in all places) แนวคิดเหล่านี้ชี้ให้เห็นว่าจักรวาลไม่ได้หยุดนิ่งกับที่ เขาทำนายสิ่งที่ Edwin Hubble พบในภายหลังนั่นคือจักรวาลกำลังขยายตัว ถึงกระนั้นงานของ Friedmann ก็ยังไม่เป็นที่รู้จักอย่างกว้างขวางจนถึงช่วงทศวรรษที่ 1930 เมื่อ Arno Penzias และ Robert Wilson ค้นพบการแผ่รังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล (Cosmic Microwave Background; CMB) ทั่วทั้งจักรวาลที่พิสูจน์แนวคิดของ Friedmann 

 

 

Selena Gomez – Same Old Love

 

 

ในปี 1965 นักฟิสิกส์ชาวอเมริกันสองคน อาร์โน เพนเซียส (Arno Penzias) และโรเบิร์ต วิลสัน (Robert Wilson) ที่ Bell Telephone Laboratories ในนิวเจอร์ซีย์ กำลังทดสอบเครื่องตรวจจับไมโครเวฟที่มีความไวสูง (ไมโครเวฟก็เหมือนกับคลื่นแสง แต่มีความยาวคลื่นประมาณเซนติเมตร) Penzias และ Wilson รู้สึกกังวลเมื่อพบว่าเครื่องตรวจจับของพวกเขารับเสียงมากกว่าที่ควรจะเป็น เสียงดังไม่ได้มาจากทิศทางใดทางหนึ่ง แต่มาจากทุกทิศทาง ก่อนอื่นพวกเขาค้นพบมูลนกในเครื่องตรวจจับและตรวจสอบความผิดปกติอื่นๆ ที่อาจเกิดขึ้นได้ แต่ในไม่ช้าเมื่อกำจัดสิ่งเหล่านี้ออกไป พวกเขายังคงได้ยินเสียงรบกวน เสียงรบกวนพิเศษนั้นเหมือนกันไม่ว่าเครื่องตรวจจับจะชี้ไปทางใด ดังนั้นจึงต้องมาจากนอกชั้นบรรยากาศ ทั้งกลางวันและกลางคืนเหมือนกันและตลอดทั้งปี แม้ว่าโลกจะหมุนตามแกนและโคจรรอบดวงอาทิตย์ สิ่งนี้แสดงให้เห็นว่าการแผ่รังสีต้องมาจากนอกระบบสุริยะ และแม้กระทั่งจากนอกกาแล็กซี่ 

ในความเป็นจริงเรารู้ว่าการแผ่รังสีต้องเดินทางมาหาเราในจักรวาลที่สังเกตได้ (observable universe) และเนื่องจากมันดูเหมือนจะเหมือนกันในทิศทางที่ต่างกัน จักรวาลจึงต้องเหมือนกันในทุกทิศทางในสเกลขนาดใหญ่ ตอนนี้เรารู้แล้วว่าไม่ว่าเราจะมองไปทางใด เสียงรบกวนนี้ไม่เคยแตกต่างกัน ดังนั้น Penzias และ Wilson ยืนยันข้อสันนิษฐานแรกของ Friedmann ที่แม่นยำอย่างน่าทึ่ง

อย่างไรก็ตามเนื่องจากจักรวาลไม่ได้เหมือนกันทุกทิศทาง แต่โดยเฉลี่ยแล้วไมโครเวฟจะไม่เท่ากันทุกทิศทางเช่นกัน (ในระดับสเกลเล็ก-ผู้เขียน) จะต้องมีการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยระหว่างทิศทางต่างๆ สิ่งเหล่านี้ถูกตรวจพบครั้งแรกในปี 1992 โดยดาวเทียม Cosmic Background Explorer หรือ COBE ที่ระดับประมาณหนึ่งในแสน แม้ว่ารูปแบบเหล่านี้จะมีขนาดเล็ก แต่ก็มีความสำคัญมากดังที่จะอธิบายไว้ในบทที่ 8

ในช่วงเวลาเดียวกันกับที่ Penzias และ Wilson กำลังตรวจสอบเสียงรบกวนในเครื่องตรวจจับของพวกเขา นักฟิสิกส์ชาวอเมริกันสองคนจากมหาวิทยาลัย Princeton ที่อยู่ใกล้เคียง Bob Dicke และ Jim Peebles กำลังค้นหาการแผ่รังสีไมโครเวฟเช่นกัน พวกเขากำลังเพื่อตรวจสอบแนวคิดของ George Gamow (ครั้งหนึ่งเคยเป็นลูกศิษย์ของ Alexander Friedmann) ที่ว่า จักรวาลในยุคแรกน่าจะร้อนและมีความหนาแน่นมากและเปล่งแสงสีขาวที่ร้อนแรง

Dicke และ Peebles แย้งว่าเราน่าจะยังสามารถมองเห็นการเรืองแสงที่มาจากจักรวาลยุคแรกๆ ได้ เพราะแสงจากส่วนที่ห่างไกลมากของมันจะมาถึงเราในตอนนี้เท่านั้น อย่างไรก็ตามจากการขยายตัวของจักรวาลส่งผลให้แสงนี้เปลี่ยนเป็นสีแดงและกลายเป็นรังสีไมโครเวฟ Dicke และ Peebles กำลังเตรียมที่จะมองหารังสีนี้ เมื่อ Penzias และ Wilson ได้ยินเกี่ยวกับงานของพวกเขา และตระหนักว่าพวกเขาได้พบรังสีนี้แล้ว สำหรับเรื่องนี้ Penzias และ Wilson ได้รับรางวัลโนเบลในปี 1978 (ซึ่งดูเหมือนเป็นการยากสำหรับ Dicke และ Peebles ที่จะไม่พูดถึง Gamow! ผู้ที่เสนอทฤษฎีในตอนแรก)

 

 

JP Saxe – A Little Bit Yours

 

 

การแผ่รังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล (Cosmic Microwave Background Radiation; CMBR) เป็นการส่งผ่าน “พลังงานความร้อน” ในลักษณะเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic wave) มันเป็นรังสีที่เก่าแก่ที่สุดในจักรวาลที่เกิดเมื่อ 380,000 ปีหลังการเกิดระเบิดครั้งใหญ่ที่เรียก Big Bang ซึ่งเป็นจุดกำเนิดจักรวาล จักรวาลในขณะนั้นมีอุณหภูมิและความหนาแน่นสูงมากทำให้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอยู่ในช่วงรังสีแกมม่าและรังสีเอกซ์ที่มีความยาวคลื่นสั้นหรือความถี่ของคลื่นสูง และมีพลังงานสูงมาก แต่เนื่องจากจักรวาลมีการขยายตัว ทำให้จักรวาลมีอุณหภูมิลดต่ำลง เป็นสาเหตุทำให้ความยาวคลื่นของคลื่นแม่เหล็กมีความยาวเพิ่มขึ้นหรือความถี่ของคลื่นลดลง และมีการถ่ายเทพลังงานออกมา จนกระทั่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เดินทางมาถึงเรา ณ ปัจจุบันอยู่ในช่วงรังสีไมโครเวฟที่มีพลังงานต่ำ การแผ่รังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาลนี้จึงเป็นสิ่งหลงเหลือจากจักรวาลยุคแรกเริ่ม หรือเป็น “เสียงสะท้อน (echo)” ของบิกแบง

การมีอยู่ของรังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล (Cosmic Microwave Background; CMB) ถูกคาดการณ์ครั้งแรกในปี 1948 โดยนักจักรวาลวิทยาชาวอเมริกัน Ralph Apher ซึ่งเขาทำงานร่วมกับ Robert Herman และ George Gamow ในการทำการศึกษาเกี่ยวกับกระบวนการสังเคราะห์นิวเคลียสที่เรียกว่า Big Bang Nucleosynthesis ที่เกิดขึ้นในช่วงเวลาเริ่มแรกของการเกิดจักรวาล (Very early universe) พวกเขาตระหนักว่ากระบวนการนี้จำเป็นต้องมีความร้อนที่สูงมาก และการแผ่รังสีที่หลงเหลือจากช่วงเวลาที่ร้อนจัด จะยังคงอยู่ในจักรวาลและถูกตรวจจับได้ จากการขยายตัวของจักรวาล เขาประมาณว่า CMB จะมีอุณหภูมิต่ำที่ 5 เคลวิน (-268 องศาเซลเซียส)

 

backgrounddownload.com

รังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล (Cosmic Microwave Background: CMB) ถูกพบโดยบังเอิญในปี 1965 โดย อาร์โน เพนเซียส (Arno Penzias) และโรเบิร์ต วิลสัน (Robert Wilson) นักดาราศาสตร์วิทยุชาวอเมริกัน ในขณะกำลังพยายามปรับเทียบเสารับส่งสัญญาน (antenna) ชนิดใหม่ของเครื่องวัดคลื่นวิทยุที่ห้องทดลองเบลล์ (Bell Labs) ที่นิวเจอร์ซี่ย์ สหรัฐ ซึ่งพวกเขาตั้งใจจะใช้ในการค้นหาคลื่นวิทยุในกาแล็กซี่ทางช้างเผือก (Milky Way Galaxy) ในการใช้เครื่องมือครั้งแรก พวกเขาได้ยินคลื่นเสียงรบกวน “humming sound” และรู้สึกงงงวยกับเสียงที่เครื่องรับเข้ามา ในไม่ช้าพวกเขาก็ตระหนักว่าคลื่นเสียงรบกวนนี้มาจากจากทุกทิศทุกทางของท้องฟ้าอย่างสม่ำเสมอทั้งกลางวันและกลางคืนตลอดทั้งปี และมีขนาดของคลื่นเท่ากันทุกทิศทุกทาง หรือที่เรียกว่ามีคุณสมบัติแบบ isotropic ซึ่งคลื่นเสียงรบกวนนี้มันไม่มีความสัมพันธ์กับดวงอาทิตย์ ดาวฤกษ์ หรือดาวเคราะห์ใดๆ ในที่สุดพวกเขาสรุปว่ามันมาจากอวกาศนอกกาแล็กซี่ของเรา และเครื่องมือของพวกเขาวัดอุณหภูมิของคลื่นสัญญาณรบกวนที่เสาอากาศได้ 3.5 เคลวิน (-270 องศาเซลเซียส)

ขณะนั้นมีนักวิจัยทางฟิสิกส์ โรเบิร์ต ดิก (Robert Dicke) และ จิม พีเบิลส์ (Jim Peebles) ที่มหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน ซึ่งห่างจากห้องทดลองแล็บส์เพียง 30 ไมล์ ได้คาดการณ์การมีอยู่ของรังสีนี้ โดยคิดว่าหากจักรวาลถูกสร้างขึ้นจากการระเบิดอย่างรุนแรงตามทฤษฎีบิกแบง รังสีไมโครเวฟพื้นหลังที่เกิดขึ้นในจักรวาลยุคต้นน่าจะยังคงหลงเหลืออยู่จักรวาล ณ เวลาปัจจุบันนี้ และพวกเขากำลังค้นหารังสีนี้อยู่ เมื่อ Penzias และ Wilson ติดต่อมา เขาจึงได้รีบรุดไปที่ห้องทดลองแล็บส์ และยืนยันว่าสัญญานคลื่นเสียงรบกวนลึกลับนี้เป็นรังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาลซึ่งเป็นหลักฐานที่สนับสนุนทฤษฎีบิกแบง และการค้นพบนี้ทำให้ทฤษฎีบิกแบงได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางในหมู่นักวิทยาศาสตร์ตั้งแต่นั้นมา ทำให้ Arno Penzias และ Robert Wilson ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1978

 

en.wikipedia.com

รังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล (Cosmic Microwave Background: CMB) เป็นตัวอย่างที่สมบูรณ์แบบของการเลื่อนไปทางแดง (redshift) CMB เกิดเมื่อ 380,000 ปีหลังการเกิดบิกแบง จักรวาลในขณะนั้นมีอุณหภูมิสูงมากที่ 3,000 เคลวิน (2,727 องศาเซลเซียส) การแผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของ CMB อยู่ในช่วงรังสีแกมม่าที่มีความยาวคลื่นสั้นหรือความถี่คลื่นสูง และมีพลังงานสูงมาก การขยายตัวของจักรวาลทำให้จักรวาลเย็นตัวลงตลอดเวลา เป็นสาเหตุทำให้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีความยาวคลื่นเพิ่มขึ้นหรือความถี่ของคลื่นลดลง และมีการถ่ายเทพลังงานออกมา หรือที่เรียกว่า การเลื่อนไปทางแดง (redshift) จนกระทั่ง CMB ที่เดินทางมาถึงเรา ณ เวลาปัจจุบันอยู่ในช่วงรังสีไมโครเวฟที่มีพลังงานต่ำ มีอุณหภูมิ 2.725 เคลวิน (-270 องศาเซลเซียส)

universeadventure.org