ทฤษฎี “บิกแบง” (Big Bang Theory) เป็นทฤษฎีทางดาราศาสตร์ที่กล่าวถึงประวัติศาสตร์ความเป็นมาของจักรวาล ปัจจุบันเป็นทฤษฎีที่เป็นที่เชื่อถือและยอมรับมากที่สุด ทฤษฎีบิกแบงเกิดขึ้นจากการสังเกตของนักดาราศาสตร์ที่ว่า ขณะนี้จักรวาลกำลังขยายตัว ดวงดาวต่าง ๆ บนท้องฟ้ากำลังวิ่งห่างออกจากกันทุกที เมื่อย้อนกลับไปสู่อดีต ดวงดาวต่างๆ จะอยู่ใกล้กันมากกว่านี้ และเมื่อนักดาราศาสตร์คำนวณอัตราความเร็วของการขยายตัวทำให้ทราบถึงอายุของจักรวาลและการคลี่คลายตัวของจักรวาล รวมทั้งสร้างทฤษฎีการกำเนิดจักรวาลขึ้นอีกด้วย ตามทฤษฎีนี้ จักรวาลกำเนิดขึ้นเมื่อประมาณ ๑๕,๐๐๐ ล้านปีที่แล้ว ก่อนการเกิดของจักรวาล ไม่มีมวลสาร ช่องว่าง หรือกาลเวลา จักรวาลเป็นเพียงจุดที่เล็กยิ่งกว่าอะตอมเท่านั้น และด้วยเหตุใดยังไม่ปรากฏแน่ชัด จักรวาลที่เล็กที่สุดนี้ได้ระเบิดออกอย่างรุนแรงและรวดเร็วในเวลาเพียงเศษเสี้ยววินาที (Inflationary period) แรงระเบิดก่อให้เกิดหมอกธาตุซึ่งแสงไม่สามารถทะลุผ่านได้ (Plasma period) ต่อมาจักรวาลที่กำลังขยายตัวเริ่มเย็นลง หมอกธาตุเริ่มรวมตัวกันเป็นอะตอม จักรวาลเริ่มโปร่งแสง ในทางทฤษฎีแล้วพื้นที่บางแห่งจะมีมวลหนาแน่นกว่า ร้อนกว่า และเปล่งแสงออกมามากกว่า ซึ่งต่อมาพื้นที่เหล่านี้ได้ก่อตัวเป็นกลุ่มหมอกควันอันใหญ่โตมโหฬาร และภายใต้กฎของแรงโน้มถ่วง กลุ่มหมอกควันอันมหึมานี้ได้ค่อยๆ แตกออก จนเป็นโครงสร้างของ “กาแลกซี” (Galaxy) ดวงดาวต่าง ๆ ได้ก่อตัวขึ้นในกาแลกซี และจักรวาลขยายตัวออกอย่างต่อเนื่องจนถึงปัจจุบัน

นักดาราศาสตร์คำนวณว่าจักรวาลว่าประกอบไปด้วยกาแลกซีประมาณ ๑ ล้านล้านกาแลกซี และแต่ละกาแลกซีมีดาวฤกษ์อย่างเช่นดวงอาทิตย์อยู่ประมาณ ๑ ล้านล้านดวง และสุริยจักรวาลของเราอยู่ปลายขอบของกาแลกซีที่เรียกว่า “ทางช้างเผือก” (Milky Galaxy) และกาแลกซีทางช้างเผือกก็อยู่ปลายขอบของจักรวาลใหญ่ทั้งหมด เราจึงมิได้เป็นศูนย์กลางของจักรวาลเลย ไม่ว่าจะในความหมายใด

ในปี พ.ศ. ๒๕๓๕ ดาวเทียม “โคบี” (COBE) ขององค์การนาซ่าแห่งสหรัฐอเมริกา ซึ่งถูกส่งขึ้นไปเพื่อศึกษาประวัติศาสตร์ของจักรวาลโดยเฉพาะ ได้ค้นพบรังสีโบราณ ซึ่งบ่งบอกถึงโครงสร้างของจักรวาลขณะเมื่อจักรวาลมีอายุเพียง ๓๐๐,๐๐๐ ปี นับเป็นการค้นพบครั้งสำคัญที่ยืนยันว่า จักรวาลกำเนิดขึ้นมาจากจุดเริ่มต้นของการระเบิด และคลี่คลายตัวตามคำอธิบายในทฤษฎี “บิกแบง” จริง เมื่อได้ทฤษฎีการกำเนิดจักรวาลแล้ว นักดาราศาสตร์ก็สนใจว่าจักรวาลจะสิ้นสุดลงอย่างไร มีทฤษฎีที่อธิบายเรื่องนี้อยู่ ๓ ทฤษฎี ทฤษฎีแรก กล่าวว่า

เมื่อแรงระเบิดสิ้นสุดลง มวลอันมหึมาของกาแลกซีต่างๆ จะดึงดูดซึ่งกันและกัน ทำให้จักรวาลหดตัวกลับจนกระทั่งถึงกาลอวสาน ทฤษฎีที่สอง อธิบายว่า จักรวาลจะขยายตัวในอัตราช้า ๆ จึงเชื่อว่าน่าจะมี “มวลดำ”(dark matter) ที่เรายังไม่รู้จักปริมาณมหึมาคอยยึดโยงจักรวาลไว้ จักรวาลจะขยายตัวไปเรื่อยๆ จนยากแก่การสืบค้น ส่วนสตีเฟ่น ฮอว์กกิ้ง (Stephen Hawking) ได้เสนอทฤษฎีที่สามว่า จักรวาลจะขยายตัวในอัตราความเร็วที่เพิ่มขึ้นอย่างไม่มีที่สิ้นสุด ทฤษฎีบิกแบงนั้นได้รับการเชื่อมต่อด้วยทฤษฎีวิวัฒนาการ (Evolution Theory) ของชาร์ล ดาร์วิน (Charles Darwin) เมื่อโลกเย็นตัวลงนั้น ปฏิกิริยาเคมีจากมวลสารในโลกในที่สุดแล้วก่อให้เกิดไอน้ำ และไอน้ำก่อให้เกิดเมฆ และเมฆตกลงมาเป็นฝน ทำให้เกิดแม่น้ำ ลำธาร ทะเล และมหาสมุทร วิวัฒนาการนี้มีลักษณะแบบ “ก้าวกระโดด” (Emergent Evolution) เมื่อมีสารอนินทรีย์และน้ำปริมาณมหาศาลเป็นเวลาที่ยาวนาน ในที่สุดคุณภาพใหม่คือ “ชีวิต” ก็เกิดขึ้น คำว่า บิกแบง ที่จริงเป็นคำล้อเลียนที่เกิดจาก นักดาราศาสตร์ ชื่อ เฟรดฮอยล์ ซึ่งเขาดูหมิ่นและตั้งใจจะทำลายความน่าเชื่อถือของทฤษฎีที่เขาเห็นว่าไม่มีทางเป็นจริงอย่างไรก็ดี การค้นพบ ไมโครเวฟพื้นหลัง ในปี ค.ศ. 1964 ยิ่งทำให้ไม่สามารถปฏิเสธทฤษฎีบิกแบงได้ มีหลักฐานสำคัญพิสูจน์ความถูกต้องของทฤษฎีการเกิดของเอกภพตาม

ทฤษฎีการระเบิดครั้งใหญ่ประการหนึ่ง คือ ในปี ค.ศ. 1965 นักวิทยาศาสตร์ที่ บริษัท เบลล์ แลบอรอทอรี่ สหรัฐ ได้ยินเสียบรบกวนของคลื่นวิทยุดังมากจาก รอบทิศบนท้องฟ้า นักวิทยาศาสตร์ได้คำนวณได้แล้วว่า ถ้าหากเอกภพมีจุดกำเนิด จากปฐมดวงไฟในจักรวาลเมื่อประมาณ 1.1 x 1010-1.8x1010 ปีมาแล้ว ตาม ทฤษฎีการระเบิดครั้งใหญ่ของจักรวาลพลังงานที่ยังหลงเหลืออยู่ในการระเบิด ครั้งใหญ่จะต้องค้นหาพบได้ในปัจจุบัน และจะมีอุณหภูมิประมาณ 3 องศาเหนือ ศูนย์องศาสมบูรณ์ เนื่องจากพลังงานจะแผ่ออกมาเป็นไมโครเวฟ มีความยาวคลื่น น้อยกว่า 1 ม.ม. ผลจากการได้ยินเสียงคลื่นไม่โครเวฟดังมากจากรอบทิศทางบน ท้องฟ้าดังกล่าว เมื่อนักวิทยาศาสตร์ทำการวัดอย่างระมัดระวังทำให้นักวิทยาศาสตร์ แน่ใจว่า การแพร่ของคลื่นไมโครเวฟ บนท้องฟ้าทั่วทิศทาง คือ ส่วนที่หลงเหลือ จากการระเบิดครั้งใหญ่ของจักรวาล

ภายหลังเกิดบิกแบง

ขณะที่เอกภพขยายตัวภายหลังเกิดบิกแบงสสารก็เคลื่อนที่ไปทุกทิศทาง แรงโน้มถ่วงเริ่มทำงาน แรงโน้มถ่วง คือ สิ่งที่ควบคุมเอกภพ เป็นแรงดึงวัตถุเข้าหากัน เราเรียกแรงดึงดูด เช่นนี้ว่า แรงโน้มถ่วง วัตถุที่มีมวลสารมากจะมีแรงโน้มถ่วงสูง แรงโน้มถ่วงทำให้วัตถุอย่างอยู่ด้วยกัน ดังนั้นเมื่อเอกภพมีอายุเพียง 1 ล้านปี สสารในรูปของไฮโดรเจนและฮีเลียมก็เริ่มยึดเหนี่ยวกันเป็นก้อน เรียกว่า กาแล็กซีที่ยังไม่คลอด(protogalaxy) นี่คือจุดเริ่มต้นของการเกิดกาแล็กซีต่อไป ก้อนก๊าซขนาดเล็กที่อยู่ภายในกลายเป็นดาวฤกษ์ กาแล็กซีที่ยังไม่คลอดก็เหมือนกระจุดดาวฤกษ์ขนาดมหิมาหรือกาแล็กซีแคระ อยู่กันเป็นกลุ่มและเป็นโครงสร้างหลักของกาแล็กซี กาแล็กซีที่ยังไม่คลอดทั้งหลายถูกยึดเหนี่ยวเข้าด้วยกัน ด้วยแรงโน้มถ่วงจึงเกิดการรวมกันเป็นกาแล็กซีในช่วงแรกจะมีขนาดเล็กและมีรูปร่างแปลก ในที่สุดกาแล็กซีที่ยังไม่คลอดหลายแห่งก็รวมกันกลายเป็นกาแล็กซีแบบสไปรัสหรือรูปไข่อย่างที่เป็นอยู่ในปัจจุบัน แต่มันยังไม่สิ้นสุดแค่นี้ ภายในกาแล็กซีต่าง ๆ ยังมีดาวฤกษ์เกิดขึ้นอยู่เรื่อย ๆ ตัวกาแล็กซีเองก็อาจชนกันหรือรวมกัน ทุกวันนี้ภายในกาแล็กซีทางช้างแผือกยังมีดาวฤกษ์จำนวนมากกำลังเกิดใหม่และกำลังดึงกาแล็กซีเล็กๆข้างเคียงเข้ามา

ทำไมกำเนิดของเอกภพจึงเป็น BIG BANG (การระเบิดใหญ่)

ถ้าเอกภพกำลังขยายตัวก็แสดงว่าถ้าเราย้อนเวลากลับไปในอดีต เอกภพก็ต้องมีขนาดเล็กลงเรื่อยๆ ยิ่งย้อนเวลามากก็ยิ่งเล็กลง แล้วเมื่อเล็ก ลงอย่างที่สุดจะเกิดอะไรขึ้น เอกภพจะลดลงจนสลายไปหรือหวังว่าจะมีจุดหนึ่งที่เอกภพกำเนิด ไม่ว่าจะเป็นกรณีใดจะเห็นว่าเราจะต้องเกี่ยวข้องกับ การเริ่มของเอกภพทั้งนั้น ผู้แรกที่เริ่มศึกษาปัญหาเหล่านี้อย่างจริงจังคือนักฟิสิกส์ซึ่งเกิดที่รัสเซียชื่อ กามอฟ แต่ภายหลังอพยพไปอยู่อเมริกาในช่วง ปี 1948 ที่จริงกามอฟไม่ได้ตั้งใจที่จะคิดค้นเกี่ยวกับการเริ่มของเอกภพตั้งแต่ตอนแรก แต่ระหว่างที่เขากำลังคิดค้นเกี่ยวกับการเกิดของธาตุ เขาก็ได้ บรรลุถึงข้อสรุปว่า เอกภพจะต้องเกิดขึ้นด้วย BIG BANG

สมมติฐานเอกภพบิกแบงของกามอฟ

ตามทฤษฎีเอกภพของฟรีดมานน์ ซึ่งได้มาจากการประยุกต์ทฤษฎีสัมพัทธภาพจะบอกได้ว่า เอกภพมีจุดเริ่ม ซึ่งก็คือเงื่อนไขเบื้องต้นถึงทฤษฎี สัมพัทธภาพจะบอกไม่ได้ว่าเงื่อนไขข้างต้นนี้มาจากไหน แต่มันก็บอกให้เรารู้ว่า เอกภพเริ่มกำเนิดโดยมีเงื่อนไขเบื้องต้น แต่อย่างไรก็ตามทฤษฎีนี้ไม่ได้ บอกเราว่าเอกภพตอนเริ่มกำเนิดนั้นร้อนหรือเย็น แล้วทำไมกามอฟถึงคิดว่าเอกภพกำเนิดด้วยความร้อนสูง แต่เพื่อที่จะเข้าใจตรงนี้ก็ลองมาคิดกลับดู ว่าทำไมเอกภพที่เย็นจึงเป็นไปไม่ได้เช่นกัน ถึงแม้โลกจะมีธาตุมากมายหลายชนิด เมื่อดูทั้งเอกภพจะเห็นว่าเกือบทั้งหมดเป็นธาตุไฮโดรเจน เพราะว่า ไฮโดรเจนประกอบขึ้นจากโปรตอนและอิเลคตรอน เราก็จะบอกได้ว่าตอนที่เอกภพกำเนิดและมีขนาดเล็กมาก อิเลคตรอนจะรวมเข้าไปในโปรตอนกลาย เป็นนิวตรอน นั่นก็คือเอกภพที่เย็น ในช่วงแรกจะเต็มไปด้วยนิวตรอนและเมื่อเอกภพขยายตัวขึ้น นิวตรอนจะสลายตัวแบบเบต้า กลายเป็นโปรตอนและ อิเลคตรอน โปรตอนนั้นจะทำปฏิกิริยารวมตัวกับนิวตรอนกลายเป็นตัว ทีเรียม (ไฮโดรเจนหนัก) และดิวทีเรียมจะรวมตัวกับนิวตรอนเป็น ไตรเทียม ซึ่งจะสลายตัวแบบเบตา กลายเป็นฮีเลียม 3 และเมื่อนิวตรอนอีกตัวรวมกับฮีเลียม 3 ก็จะได้อะตอมฮีเลียม และปฏิกิริยานิวเคลียร์ก็จะเกิดต่อกันไป ธาตุหนักต่างๆ ก็จะเกิดขึ้นในเอกภพต่อๆ กันไปเช่นกัน แต่ในความเป็นจริงนั้นในเอกภพมีไฮโดรเจน 75% ฮีเลียม 24% และอีก 1% เป็นธาตุอื่นๆ นั่นก็คือเกือบทั้งหมดเป็นธาตุเบาสองธาตุ คือ ไฮโดรเจนและฮีเลียม ซึ่งขัดกับสมมติฐานของเอกภพเย็นข้างต้น เพราะฉะนั้นกามอฟจึงคิดว่าเพื่อให้ ขั้นตอนการเกิดธาตุหนักไม่ติดต่อกันไป จะต้องคิดว่าเอกภพเมื่อกำเนิดนั้นมีอุณหภูมิสูงมาก ถ้าเอกภพร้อนถึงจะเกิดปฏิกิริยารวมตัวกัน แต่เพราะร้อน กันออกอีกและก็อธิบายได้ว่าทำไมธาตุหนักจึงหยุดแค่ฮีเลียมเท่านั้น และนี่ก็คือที่มาของความคิดสมมติฐานเอกภพบิกแบงของกามอฟ โดยที่ขอเน้นว่า กามอฟไม่ได้บอกว่าบิกแบงเป็นต้นเหตุของการขยายตัวของเอกภพเลย เพียงแต่บอกว่าเพื่อที่จะอธิบายกำเนิด และปริมาณธาตุในเอกภพ เอกภพจะต้องเกิดด้วยบิกแบงเท่านั้น