เส้นเวลาของบิกแบง

คำว่า เส้นเวลาของบิกแบง คือประวัติของการเกิดจักรวาลที่สอดคล้องกับทฤษฏีบิกแบง โดยใช้ตัวแปรทางเวลาของจักรวาลในพิกัดเคลื่อนที่ 
เมื่อพิจารณาตรรกะจากการขยายตัวของเอกภพโดยใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป หากเวลาย้อนหลังไปจะทำให้ความหนาแน่นและอุณหภูมิมีค่าสูงขึ้นอย่างไม่จำกัดขณะที่เวลาในอดีตจำกัดอยู่ค่าหนึ่ง ภาวะเอกฐานเช่นนี้เป็นไปไม่ได้เพราะขัดแย้งกับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป เป็นที่ถกเถียงกันอยู่มากกว่าเราสามารถประมาณภาวะเอกฐานได้ใกล้สักเพียงไหน (ซึ่งไม่มีทางประมาณไปได้มากเกินกว่ายุคของพลังค์) ภาวะเริ่มแรกที่มีความร้อนและความหนาแน่นสูงอย่างยิ่งนี้เองที่เรียกว่า "บิกแบง" และถือกันว่าเป็น "จุดกำเนิด" ของเอกภพของเราจากผลการตรวจวัดการขยายตัวของซูเปอร์โนวาประเภท Ia การตรวจวัดความแปรเปลี่ยนของอุณหภูมิในไมโครเวฟพื้นหลัง และการตรวจวัดลำดับวิวัฒนาการของดาราจักร เชื่อว่าเอกภพมีอายุประมาณ 13.73 ± 0.12 พันล้านปีจและวิวัฒนาการต่อมาเรื่อย ๆ ซึ่งเราสามารถแบ่งออกเป็น 4 ระยะด้วยกัน โดยจักรวาลในระยะแรกเริ่ม, ซึ่งเป็นช่วงที่เรามีความรู้ความเข้าใจน้อยมาก เนื่องจากในช่วงเสี้ยววินาทีแรกของการระเบิดของจักรวาล จักรวาลจะร้อนมากอันเต็มไปด้วยอนุภาค ที่มีพลังงานสูง สูงกว่าอนุภาคที่ถูกเร่งด้วยเครื่องเร่งอนุภาค ส่วนใหญ่ที่มนุษย์เคยสร้างมา นอกจากเครื่องเร่งของสถาบันวิจัย

ระยะต่อมา, จักรวาลระยะแรก, กระบวนการวิวัฒนาการของจักรวาลสอดคล้องกับความรู้ทางอนุภาคฟิสิกส์พลังงานสูง เมื่อมี โปรตอน, อิเล็กตรอน และ นิวตรอน ตัวแรกเกิดขึ้นแล้ว ต่อจากนั้นจะรวมตัวกันเป็น นิวเคลียส อะตอม และอะตอมแรกที่เกิดขึ้นคือ อะตอมของไฮโดรเจน อีกทั้งยังมีการแผ่รังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล

หลังจากนั้นสสารที่เกิดขึ้นริ่มกลายเป็นดาวฤกษ์ ดาราจักร เควซาร์ กระจุกดาราจักร

มีการคาดเดาถึงสภาวะเริ่มแรกของบิกแบงไปต่างๆ นานา แต่แบบจำลองที่เป็นที่ยอมรับมากที่สุดคือ เอกภพเดิมมีอยู่เพียงหนึ่งเดียวซึ่งมีความหนาแน่นที่สูงมาก มีอุณหภูมิและความดันสูงมาก เนื่องจากยังไม่มีเครื่องเร่งใดที่มนุษย์สร้างขึ้นมีพลังงานสูงพอ

ในปี1952, George Gamow, หนึ่งในบิดาแห่งการค้นพบจักรวาลวิทยา ได้ตั้งชื่อช่วงก่อนเกิดบิกแบงว่ายุคออกัสทิเนียน, ภายหลังจากที่นักปราชญ์นามว่า Saint Augustine, เสนอว่าเวลาเป็นสิ่งที่สร้างขึ้นมาพร้อมกับจักรวาล ดังนั้นช่วงก่อนเกิดบิกแบงจึงไม่มีเวลา คำว่า "ยุคออกัสทิเนียน" หมายถึงแนวคิดที่ขัดแย้งกับความรู้ทางฟิสิกส์ในภาวะเอกฐาน ของ ความหนาแน่นที่มีค่าสูงขึ้นอย่างไม่จำกัดขณะที่เวลาในอดีตจำกัดอยู่ค่าหนึ่ง,จากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ของ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ บอกว่าจะไม่มีสภาวะเช่นนี้เกิดขึ้น ซึ่งขัดแย้งกันแต่นักฟิสิกส์ยังพยายามที่จะข้ามพ้นข้อจำกัดนั้นโดยใช้ ทฤษฎีโน้มถ่วงเชิงควอนตัม

ถ้าจักรวาลมีความสมมาตร จริง, แรงพื้นฐานทั้ง 4 แรงจะรวมเป็นแรงเดียว — แรงแม่เหล็กไฟฟ้า, แรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน, แรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม และ แรงโน้มถ่วง — ยุคนี้ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป สามารถทำนายสภาวะเอกฐานได้ถูกต้อง ภายใต้เงื่อนไขที่ว่าไม่มีผลทางควันตัม quantum effectsโดยนักฟิสิกส์หวังว่า ทฤษฎีโน้มถ่วงเชิงควอนตัม เช่น ทฤษฎีสตริง และ loop quantum gravity จะช่วยให้เราเข้าใจยุคนี้มากขึ้น

จักรวาลในยุคนี้จะขยายตัวออกอย่างทันทีทันใดและมีอุณหภูมิลดลงจากยุคของพลังค์ แรงโน้มถ่วง เริ่มแยกออกจากแรงหลัก

อุณหภูมิของจักรวาลจะต่ำประมาณ 10K ทำให้แรงstrong แยกออกจากแรง electroweak การขยายตัวของจักรวาลเป็นสภาวะการพองตัวเติบโตขึ้นอย่างรวดเร็วแบบเอ็กโปเนนเชียล หลังจากสิ้นสุดสภาวะการพองตัว เอกภพประกอบด้วยควาร์ก-กลูออนพลาสมาและอนุภาคมูลฐานทั้งหมด

เอกภพยังคงขยายตัวอย่างต่อเนื่องและมีอุณหภูมิลดลง ทำให้พลังงานโดยทั่วไปในแต่ละอนุภาคลดลงด้วย ในระยะนี้ภาพการคาดเดาก็น้อยลง เพราะพลังงานของอนุภาคลดลงลงถึงระดับที่สามารถอธิบายได้ด้วยการทดลองฟิสิกส์อนุภาค

ถ้าความสมมาตรเป็นสมบัติของจักรวาลจริง อุณหภูมิของจักรวาลยังคงสูงมากทำให้การเคลื่อนที่ของอนุภาคต่างๆ มีความเร็วสัมพัทธ์สูง คู่อนุภาคและปฏิยานุภาคทั้งหมดยังมีการเกิดใหม่และแตกดับลงไปในการปะทะ ต่อมาจึงเกิดปฏิกิริยาบางอย่างที่เรียกว่า บาร์โยเจเนซิส (baryogenesis) ทำลายภาวะสมดุลในการรักษาจำนวนบาร์ยอน เกิดเป็นควาร์กและเลปตันขึ้นมาจำนวนหนึ่งที่มากกว่าปฏิควาร์กและปฏิเลปตันประมาณ 1 ใน 30 ล้านส่วน ซึ่งเป็นต้นเหตุทำให้มีสสารมากกว่าปฏิสสารในเอกภพปัจจุบัน อีกทั้งแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อนแยกออกจากแรงแม่เหล็กไฟ้ฟ้า ทำให้แรงพื้นฐานทางฟิสิกส์และพารามิเตอร์ต่างๆ ของอนุภาคมูลฐานกลายมาอยู่ในรูปแบบดังเช่นปัจจุบัน

ควาร์กและกลูออนรวมตัวกันกลายเป็นอนุภาคบาร์ยอนจำนวนหนึ่งเช่น โปรตอน และนิวตรอน ปริมาณควาร์กที่มีมากกว่าปฏิควาร์กอยู่เล็กน้อยทำให้อนุภาคบาร์ยอนมีมากกว่าปฏิบาร์ยอนเช่นเดียวกัน ถึงเวลานี้
อุณหภูมิของเอกภพก็ไม่สูงพอที่จะสร้างคู่โปรตอน-ปฏิโปรตอนใหม่อีกแล้ว (ทำนองเดียวกันกับนิวตรอนและปฏินิวตรอน) จึงเกิดการทำลายมวลครั้งใหญ่ เหลือเพียง 1 ใน 10 ของโปรตอนและนิวตรอนในตอนเริ่มต้น และไม่มีปฏิยานุภาคของพวกมันเหลืออยู่เลย

ฮาดรอนและปฏิภาคฮาดรอนเริ่มสลายตัว และเข้าสู่ยุคที่จักรวาลเต็มไปด้วยเลปตอนและปฏิภาคเลปตอน หลังจากนั้นประมาณ 3 วินาทีหลังเกิดบิกแบง อุณหภูมิของจักรวาลลดลงจจนถึงจุดที่ อนุภาคเลปตอนและปฏิภาคเลปตอนที่เข้าคู่กันเริ่มสลายตัว จึงทำให้จักรวาลเหลือแต่เลปตอนและปฏิภาคเลปตอนเล็ก ๆ

หลังจากที่เลปตอนและปฏิภาคเลปตอนส่วนใหญ่สลายตัวหยุดลง พลังงานของจักรวาลส่วนใหญ่จะอยู่ในรูปของโฟตอน โฟตอนยังคงกระทำกับประจุของโปรตอน และอิเล็กตรอน และจะกระทำเช่นนี้ต่อไปเรื่อย ๆ

ในเวลานี้ ความหนาแน่นของสสาร (อะตอม นิวคลีอิก) จะเท่ากับพลังงานที่ปล่อยออกมาในรูปของโฟตอน โครงสร้างที่เล็กที่สุดของจักรวาลเริ่มถูกรบกวนมากขึ้น ความหนาแน่นของจักรวาลจะเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ

อะตอมของไฮโดรเจนและฮีเลียมเริ่มเกิดขึ้น จนส่งผลให้ความหนาแน่นของจักวาลกลับลดลง โดยเริ่มจากการสร้างนิวเคลียสของไฮโดรเจนกับฮีเลียมขึ้นมาก่อน หลังจากนั้นเมื่อจักรวาลเย็นตัวลง นิวเคลียสเหล่านี้จะเริ่มจับอิเล็กตรอนอิสระที่มีอยู่เต็มจักรวาลจนกลายเป็นอะตอมที่เป็นกลาง กระบวนการนี้จะเกิดได้กับฮีเลียมเร็วกว่าเกิดกับไฮโดรเจน ซึ่งเรียกกระบวนการนี้ว่า การหลอมรวมกัน จนกระทั่งหมดกระบวนการหลอมรวมกัน โดยอะตอมส่วนใหญ่ของจักรวาลเป็นกลาง อีกทั้งโฟตอนไม่สามารถเคลื่อนที่ได้อิสระ

การสร้างโครงสร้างของจักรวาลตมาแบบจำลองบิกแบง โดยโครงสร้างแรกที่เกิดขึ้นคือ เควซาร์ทำให้เกิดแสงขึ้นในจักรวาล ต่อจากนั้นจึงเป็น ดาราจักรกัมมันต์ และ population III stars ก่อนที่จะเข้ายุคนี้ การวิวัฒนาการของจักรวาลเป็นที่รู้กันดีจาก linear cosmological โดยโครงสร้างทั้งหมดของจักรวาลเกิดจากการที่จักรวาลเป็นเนื้อเดียวกัน

ดาวดวงแรกที่เกิดขึ้นในจักรวาลมีลักษณะที่คล้ายกับดาว Population III โดยเริ่มและเกิดจากกระบวนการรวมกันของอนุภาคเบาที่เกิดจากบิกแบง (ไฮโดรเจน ฮีเลียม และลิเทียม) จนกลายเป็นอนุภาคที่หนักขึ้นในดาว อย่างไรก็ตามในขณะนี้ยังไม่ค้นพบดาวPopulation III นี้
สสารส่วนใหญ่ในจักรวาลจะกระจุกกันเพื่อรวมกันเป็นกาแลกซี่ ดาว Population II หลังจากนั้นจึงรวมตัวกันเกิดกลุ่มดาวขนาดเล็กขึ้น โดยแรงดึงดูดระหว่างมวลจะดึงดูดกลุ่มดาวเล็กๆ มารวมตัวกันจนเกิดเป็น กาแลกซี่ ต่อจากนั้นประมาณ 8 พันล้านปีหลังเกิดบิกแบง ดวงอาทิตยืจึงถือกำเนิดขึ้นมาราว 5 พันล้านปีหลังเกิดบิกแบง

จากการคำนวณและศึกษาอย่างละเอียดทำให้เราทราบว่าปัจจุบันจักรวาลมีอายุประมาณ 13.7 พันล้านปี ขณะนี้จักรวาลของเรากำลังขยายตัวด้วยความเร่ง