ประวัติศาสตร์ทฤษฎีบิกแบง

แนวคิดดั้งเดิมในเชิงปรัชญาและวรรณกรรม

นักปรัชญาในยุคกลางโต้เถียงกันมากว่าเอกภพมีอดีตที่จำกัดหรือไม่จำกัดกันแน่ แนวคิดของอริสโตเติลเชื่อว่าเอกภพสามารถย้อนไปได้ไม่มีที่สิ้นสุด ซึ่งเป็นปัญหาสำหรับชาวยิวยุคกลาง ชาวคริสเตียน และนักปรัชญาอิสลาม ซึ่งไม่สามารถทำให้แนวคิดแบบอริสโตเติลเข้ากันกับปรัชญานิรันดร์ของแนวคิดการสร้างโลกของอับราฮัม ทำให้มีการพัฒนาข้อโต้แย้งว่าเอกภพมีอดีตที่จำกัดโดยนักปรัชญามากมาย เช่น จอห์น ฟิโลโพนัส, อัล-คินดี, ซาเดีย กาออน, อัล-กาซาลิ และ อิมมานูเอล คานท์
ปี ค.ศ. 1610 โยฮันเนส เคปเลอร์ ใช้ท้องฟ้ายามราตรีเป็นข้อโต้แย้งว่าเอกภพมีขีดจำกัด (พาราด็อกซ์ของโอลเบอร์) เจ็ดสิบเจ็ดปีต่อมา ไอแซค นิวตัน อธิบายถึงการเคลื่อนที่ในภาพใหญ่ของจักรวาล
แนวคิดว่าเอกภพมีการขยายตัวและหดตัวเป็นวงรอบเริ่มต้นเป็นครั้งแรกในบทกวีชุดหนึ่งที่เผยแพร่ในปี ค.ศ. 1791 โดย Erasmus Darwin เอ็ดการ์ อัลลัน โพ นำเสนอระบบวงรอบที่คล้ายคลึงกันอีกระบบหนึ่งในงานเขียนปี 1848 ของเขา ชื่อ Eureka: A Prose Poem ซึ่งไม่เป็นที่ยอมรับในเชิงวิทยาศาสตร์ทั้งจากชุมชนนักวิทยาศาสตร์และจากตัวผู้ประพันธ์เอง

การพัฒนาทฤษฎีทางวิทยาศาสตร์ช่วงต้นคริสต์ศตวรรษที่ 20

จากการเฝ้าสังเกตการณ์ช่วงคริสต์ทศวรรษ 1910 เวสโต สลิเฟอร์ และต่อมาคือคาร์ล วิลเฮล์ม เวิร์ทซ์ ได้บรรยายถึงเนบิวลาก้นหอยที่ถอยห่างออกไปจากโลก สลิเฟอร์ใช้วิธีสเปกโตรสโกปีในการตรวจสอบรอบการหมุนของดาวเคราะห์กับองค์ประกอบบรรยากาศของดาวเคราะห์ และเป็นคนแรกที่สามารถสังเกตเห็นความเร็วเชิงรัศมีของดาราจักร เวิร์ทซ์เฝ้าสังเกตปรากฏการณ์การเคลื่อนไปทางแดงอย่างเป็นระบบของเนบิวลา ซึ่งยากต่อการตีความในเชิงจักรวาลวิทยาแบบที่เอกภพเต็มไปด้วยดาวฤกษ์และเนบิวลาที่กระจายตัวอย่างสม่ำเสมอ เวลานั้นพวกเขายังไม่ได้คิดถึงการตีความเชิงจักรวาลวิทยาด้วยซ้ำ เพราะไม่ทราบว่าเนบิวลาดังกล่าวที่แท้เป็นดาราจักรแห่งอื่นที่อยู่ภายนอกทางช้างเผือกของเรา
ในทศวรรษเดียวกันนั้น ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์แสดงให้เห็นว่า จักรวาลมิได้ดำรงอยู่แบบคงที่ มีการพรรณนาถึงเอกภพโดยอาศัยมาตราเทนเซอร์ซึ่งแสดงว่าเอกภพจะต้องขยายตัวอยู่หรือไม่ก็กำลังหดตัว ไอน์สไตน์คิดว่าผลลัพธ์ที่ในตอนแรกนั้นผิดและพยายามแก้ไขโดยการใส่ค่าคงที่จักรวาลเข้าไป บุคคลแรกที่นำทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปมาใช้กับจักรวาลวิทยาโดยไม่ใช้ค่าคงที่จักรวาลคือ อเล็กซานเดอร์ ฟรีดแมน เขาค้นพบแบบจำลองเอกภพขยายตัวที่สอดคล้องกับสมการสนามสัมพัทธภาพในปี ค.ศ. 1922 งานเขียนของฟรีดแมนในปี 1924 ชื่อ "Über die Möglichkeit einer Welt mit konstanter negativer Krümmung des Raumes" ("ความเป็นไปได้ของโลกที่มีความโค้งเป็นค่าลบคงที่") พิมพ์เผยแพร่โดยสมาคมวิทยาศาสตร์เบอร์ลินเมื่อ 7 มกราคม 1924 แสดงสมการของฟรีดแมนที่อธิบายถึงเอกภพตามแบบจำลองของฟรีดแมน-เลอแม็ทร์-โรเบิร์ตสัน-วอล์กเกอร์
ปี ค.ศ. 1927 พระคาทอลิกชาวเบลเยียม ฌอร์ฌ เลอแม็ทร์ ได้เสนอแบบจำลองการขยายตัวของเอกภพเพื่ออธิบายถึงผลสังเกตการณ์การเคลื่อนไปทางแดงของเนบิวลาก้นหอย และทำนายถึงกฎของฮับเบิล เขาอ้างอิงทฤษฎีของตนบนผลงานของไอน์สไตน์และเดอซิตเตอร์ และยังสร้างสมการการขยายตัวของเอกภพของฟรีดแมนขึ้นใหม่โดยอิสระ
ปี ค.ศ. 1929 เอ็ดวิน ฮับเบิล นำเสนอผลสังเกตการณ์ตามทฤษฎีของเลอแม็ทร์ ฮับเบิลค้นพบว่า หากยึดตำแหน่งของโลกเป็นหลัก ดาราจักรต่างๆ กำลังเคลื่อนที่ห่างออกไปในทุกทิศทางที่ความเร็วเป็นสัดส่วนแปรผันตามระยะห่างจากโลก ปีเดียวกันนั้น ฮับเบิลกับ มิลตัน ฮิวมาซัน ช่วยกันสร้างกฎระยะห่างของการเคลื่อนไปทางแดงที่ใช้การได้สำหรับทุกดาราจักร ปัจจุบันเรารู้จักกฎนี้ในชื่อว่า กฎของฮับเบิล ซึ่งเมื่อแปลงค่าการเคลื่อนไปทางแดงว่าเป็นการวัดการเคลื่อนห่างออกไป จะได้ผลสอดคล้องกับผลจากสมการสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ สำหรับอวกาศที่มีการขยายตัวแบบสมมาตรทุกทิศทาง การค้นพบนี้นำไปสู่รากฐานแนวคิดการขยายตัวของเอกภพ กฎของฮับเบิลบ่งชี้ว่า ยิ่งระยะห่างระหว่างดาราจักรสองแห่งมากขึ้นเท่าใด ความเร็วสัมพัทธ์ในการแยกห่างก็ยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ในเวลาต่อมาการค้นพบนี้ได้เป็นรากฐานของทฤษฎีบิกแบง
ปี ค.ศ. 1931 เลอแม็ทร์นำเสนองานเขียนเรื่อง "hypothèse de l'atome primitif" (สมมุติฐานเรื่องอะตอมแรกเริ่ม) อธิบายว่าเอกภพเริ่มต้นขึ้นจาก "การระเบิด" ของ "อะตอมแรกเริ่ม" ซึ่งต่อมาภายหลังเรียกว่า บิกแบง เลอแม็ทร์เป็นคนแรกที่ยึดถือว่า รังสีคอสมิก เป็นเศษซากที่เหลืออยู่ของเหตุการณ์นั้น แม้ในปัจจุบันเราจะทราบกันแล้วว่า รังสีคอสมิกมีกำเนิดมาจากภายในดาราจักรของเรานี้เอง ตราบจนเลอแม็ทร์สิ้นชีวิตไปไม่กี่ปี จึงมีการค้นพบการแผ่รังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล ซึ่งปัจจุบันเชื่อกันว่าเป็นซากการแผ่รังสีที่เหลืออยู่จากเอกภพยุคแรกเริ่มที่หนาแน่นและร้อนจัด

ช่วงปลายคริสต์ศตวรรษที่ 20

เป็นเวลาหลายปีที่ทฤษฎีเกี่ยวกับเอกภพทั้งสองฝ่ายได้รับการสนับสนุนที่แยกจากกัน จากข้อเท็จจริงที่ว่า ทฤษฎีบิกแบงสามารถอธิบายได้ดีทั้งการกำเนิดของเอกภพและการสังเกตพบไฮโดรเจนกับฮีเลียมจำนวนมากมาย ขณะที่ทฤษฎีเอกภพคงที่สามารถอธิบายได้เพียงการก่อตัว แต่ไม่อาจบอกได้ว่าทำไมจึงมีการสังเกตการณ์พบก๊าซมากมายเช่นนั้น อย่างไรก็ดี ผลสังเกตการณ์เริ่มโอนเอียงไปในทางสนับสนุนแนวคิดที่ว่า เอกภพวิวัฒนาการมาจากสภาวะที่หนาแน่นและร้อนจัด วัตถุอายุเยาว์เช่น เควซาร์ จะสามารถสังเกตพบได้เพียงที่ขอบของเอกภพ ซึ่งเป็นการบ่งชี้ว่าวัตถุเหล่านั้นดำรงอยู่ในเวลาที่ผ่านมานานแสนนานแล้ว ขณะที่ทฤษฎีเอกภพคงที่ทำนายว่า ดาราจักรอายุน้อยควรจะกระจัดกระจายกันอยู่ทั่วไปตลอดทั่วเอกภพ ทั้งใกล้และไกล ครั้นเมื่อมีการค้นพบการแผ่รังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล ก็ดูเหมือนจะเป็นหลักฐานสำคัญที่ปิดตายทฤษฎีเอกภพคงที่ลง จากหลักฐานข้อมูลต่าง ๆ ในปัจจุบันจึงถือกันว่า ทฤษฎีบิกแบงเป็นทฤษฎีที่ดีที่สุดเท่าที่มีอยู่ที่สามารถอธิบายถึงกำเนิดและวิวัฒนาการของจักรวาลได้