อวกาศ เมื่อหลายศตวรรษก่อน มนุษย์มองขึ้นไปบนท้องฟ้ายามค่ำคืน และจินตนาการว่ามีโลกสีดำปกคลุมโลก พวกเขาเชื่อว่าดวงดาวเป็นเพียงจุดของแสง ดวงอาทิตย์ดวงจันทร์และดาวเคราะห์ดวงอื่นๆ โคจรรอบโลกในรูปแบบปกติที่สมบูรณ์แบบ ในความคิดของพวกเขา จักรวาลมีขนาดเล็ก มีศูนย์กลางอยู่ที่โลก และถูกจัดระเบียบเป็นทรงกลมที่สมบูรณ์แบบ นักวิทยาศาสตร์อย่างโคเปอร์นิคัส และกาลิเลโอค้นพบข้อบกพร่องในปรัชญานี้
หลังจากการค้นพบของกาลิเลโอใช้เวลากว่าหนึ่งศตวรรษกว่าที่โลกจะยอมรับว่าโลกไม่ใช่ศูนย์กลางของจักรวาล เมื่อเวลาผ่านไป เราเริ่มเรียนรู้เกี่ยวกับจักรวาลมากขึ้น ปัจจุบันเราศึกษาเอกภพผ่านกล้องโทรทรรศน์ดาวเทียมและยานสำรวจ ขั้นสูง ตอนนี้เรามีภาพของกาแล็กซีที่อยู่ห่างจากโลกหลายล้านปีแสง นักวิทยาศาสตร์ศึกษาดวงดาวที่อยู่ห่างไกลเป็นประจำ พวกเขาตรวจพบแม้กระทั่งดาวเคราะห์ในระบบสุริยะที่ไกลกว่าของเรา
คำถามเหล่านี้จัดอยู่ในหมวดหมู่ของจักรวาลวิทยาการศึกษาเอกภพ ผู้คนได้ลองใช้แนวทางต่างๆมากมายเพื่อศึกษาเอกภพ บางคนเน้นคณิตศาสตร์ คนอื่นชอบใช้ฟิสิกส์ และมีไม่กี่คนที่ใช้วิธีการทางปรัชญา ไม่มีฉันทามติในหมู่นักจักรวาลวิทยาเกี่ยวกับลักษณะของอวกาศ แต่มีทฤษฎีมากมาย ที่มีความเกี่ยวของเกี่ยวกับบายอวกาศคือการทำให้เห็นภาพได้ยากมาก เราเคยคิดเกี่ยวกับสถานที่ใน 2 มิติ
ตัวอย่างเช่น คุณสามารถระบุตำแหน่งของคุณ บนแผนที่โดยใช้ลองจิจูดและละติจูด แต่อวกาศมี 4 มิติ คุณไม่เพียงแต่ต้องเพิ่มความลึก ให้กับมิติของความยาวและความกว้างเท่านั้น คุณต้องเพิ่มเวลาด้วย ในความเป็นจริง นัก จักรวาลวิทยาหลายคนเรียกกลุ่มมิตินี้ว่ากาล-อวกาศ 3 ทฤษฎีที่เป็นเครื่องมือสำคัญ ในการทำความเข้าใจรูปร่างของเอกภพ ได้แก่บิกแบงทฤษฎีแรงโน้มถ่วง และทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์
นักจักรวาลวิทยาพิจารณาทฤษฎีเหล่านี้ทั้งหมด เมื่อสร้างสมมติฐานเกี่ยวกับรูปร่างของ อวกาศ แต่ทฤษฎีเหล่านี้พยายามอธิบายอะไรกันแน่ ทฤษฎีบิกแบงคือความพยายามที่จะอธิบายจุดเริ่มต้นของเอกภพ จากการสังเกตและการวิเคราะห์ นักดาราศาสตร์ระบุว่าเอกภพกำลังขยายตัว พวกเขายังตรวจพบและศึกษาแสงที่กำเนิดขึ้นเมื่อหลายพันล้านปีก่อนเมื่อเอกภพยังเด็กมาก พวกเขาตั้งทฤษฎีว่า ครั้งหนึ่ง สสารและพลังงานทั้งหมดในเอกภพถูกบรรจุอยู่ในจุดเล็กๆอย่างไม่น่าเชื่อ
จากนั้นเอกภพก็ขยายตัวออกอย่างกะทันหัน สสารและพลังงานระเบิดออกสู่ภายนอกในทุกๆเสี้ยววินาที เป็นเวลาหลายล้าน ปีแสง สิ่งเหล่านี้กลายเป็นรากฐานของจักรวาลอย่างที่เรารู้จัก ทฤษฎีแรงโน้มถ่วงกล่าวว่าทุกอนุภาคของสสารมีแรงดึงดูดต่ออนุภาคอื่นๆของสสาร โดยเฉพาะอย่างยิ่ง อนุภาคจะดึงดูดซึ่งกันและกันด้วยแรงที่เป็นสัดส่วนกับมวลของพวกมัน และแปรผกผันกับกำลังสองของระยะห่างระหว่างพวกมัน สมการมีลักษณะดังนี้
จึงไม่เกาะติดกันตลอดเวลา ต้องใช้วัตถุที่มีมวลมาก เพื่อให้มีผลกระทบมากกว่าแรงโน้มถ่วงเล็กน้อยต่อวัตถุอื่น หากทฤษฎีบิกแบงเป็นจริง เมื่อเอกภพเริ่มขึ้นจะต้องมีการระเบิดของพลังงานมหาศาลเพื่อผลักดันสสารให้ไปไกลอย่างรวดเร็ว มันต้องเอาชนะแรงดึงดูดระหว่างสสารทั้งหมดในจักรวาลให้ได้ สิ่งที่นักจักรวาลวิทยากำลังพยายามระบุตอนนี้คือปริมาณสสารในเอกภพจริงๆเมื่อมีสสารเพียงพอ
แรงดึงดูดของโลกจะค่อยๆช้าลงและย้อนกลับการขยายตัวของเอกภพ ในที่สุดเอกภพอาจหดตัวเป็นภาวะเอกฐานอื่น นี้เรียกว่ากระทืบใหญ่ แต่ถ้ามีสสารไม่เพียงพอ แรงดึงดูดของโลกก็จะไม่แรงพอที่จะหยุดการขยายตัวของเอกภพ และมันก็จะขยายตัวไปเรื่อยๆ แล้วทฤษฎีสัมพัทธภาพล่ะ นอกจากจะอธิบายความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานและสสารแล้ว ยังนำไปสู่ข้อสรุปว่าอวกาศมีความโค้ง วัตถุในอวกาศเคลื่อนที่เป็นวงรีในวงโคจร ไม่ใช่เพราะแรงโน้มถ่วง
แต่เนื่องจากอวกาศนั้นโค้ง ดังนั้นเส้นตรงจึงเป็นวงรี ในทางเรขาคณิต เส้นตรงบนพื้นผิวโค้งเป็นรูปทรงเรขาคณิต ทฤษฎีทั้งสามที่อธิบายไว้ข้างต้นเป็นพื้นฐานของทฤษฎีต่างๆเกี่ยวกับรูปร่างของอวกาศจริงๆแต่ไม่มีความเห็นเป็นเอกฉันท์ว่ารูปร่างใดเหมาะสม รูปร่างของอวกาศ แบบจำลองหลักสามแบบของเอกภพ ขึ้นอยู่กับความโค้ง ได้แก่ความโค้งเป็นศูนย์ความโค้งเป็นบวกและความโค้งเป็นลบ
ความโค้งเป็นศูนย์หมายความว่าเอกภพแบนราบหรือเอกภพแบบยุคลิด เรขาคณิตแบบยุคลิดเกี่ยวข้องกับพื้นผิวที่ไม่โค้ง จินตนาการว่าอวกาศเป็นโครงสร้างสองมิติ เอกภพแบบยุคลิดจะมีลักษณะเป็นระนาบแบน เส้นขนานจะทำได้บนระนาบเรียบเท่านั้น ในเอกภพที่แบนราบ มีสสารเพียงพอที่เอกภพจะขยายตัวออกไปเรื่อยๆโดยไม่ย้อนกลับสู่การล่มสลาย แม้ว่าอัตราการขยายตัวจะลดลงเมื่อเวลาผ่านไป
ถ้าเอกภพมีความโค้งเป็นบวก แสดงว่าเป็นเอกภพปิด แบบจำลองสองมิติของจักรวาลดังกล่าวจะมีลักษณะเป็นทรงกลม เป็นไปไม่ได้ที่จะมี geodesic แบบขนานเส้นตรงบนพื้นผิวโค้ง เส้นทั้งสองจะตัดกันในบางจุด ในเอกภพปิด มีสสารมากพอที่จะย้อนกลับการขยายตัวได้ ในที่สุดจักรวาลดังกล่าวจะล่มสลายด้วยตัวมันเอง เอกภพปิดเป็นเอกภพที่มีขอบเขตจำกัด มันจะขยายตัวจนถึงขนาดที่กำหนดก่อนที่จะยุบตัวลง
ความโค้งเชิงลบนั้นยากกว่าเล็กน้อยในการมองเห็น คำอธิบายที่พบบ่อยที่สุดคืออาน ในแบบจำลองความโค้งเชิงลบ เส้นสองเส้นที่ขนานกันบนระนาบแบนจะยืดออกจากกัน นักจักรวาลวิทยาเรียกแบบจำลองความโค้งเชิงลบของเอกภพเปิดว่า ในเอกภพเหล่านี้ มีสสารไม่เพียงพอที่จะย้อนกลับหรือชะลอการขยายตัว ดังนั้นเอกภพจึงขยายตัวต่อไปอย่างไม่มีกำหนด นี่หมายความว่าอวกาศมีรูปร่างเป็นระนาบแบน ทรงกลม
ซึ่งจะลดประโยชน์ของตัวอย่าง 2 มิติ และมีทฤษฎีที่แข่งขันกันมากมายเกี่ยวกับรูปร่างสุดท้ายของเอกภพที่แท้จริง รูปร่างหนึ่งที่เป็นไปได้คือสามพรู เมื่อมองแวบแรก รูสามชั้นดูเหมือนจะเป็นลูกบาศก์ธรรมดา แต่แต่ละหน้าของลูกบาศก์จะติดอยู่ที่ใบหน้าด้านตรงข้าม ลองนึกภาพว่าคุณอยู่ในยานอวกาศที่บินอยู่ภายในลูกบาศก์ขนาดใหญ่ คุณมุ่งหน้าไปที่ด้านบนของลูกบาศก์ คุณจะไม่ทุบตัวเองให้แบนเมื่อคุณติดต่อ
คุณจะปรากฏในจุดที่สอดคล้องกันที่ฐานของลูกบาศก์แทน กล่าวอีกนัยหนึ่งคือคุณได้ขึ้นไปด้านบนและกลับเข้ามาด้านล่าง หากคุณเดินทางมาไกลพอในทิศทางใดก็ตาม ในที่สุดคุณก็จะกลับมาที่จุดเริ่มต้น นี่ไม่ใช่แนวคิดที่แปลกไป เนื่องจากบนโลกนี้หากคุณเดินทางเป็นเส้นตรง ในที่สุดคุณก็จะกลับมาที่จุดเริ่มต้น คุณจะเหนื่อยมาก อีกรูปทรงหนึ่งคือรูปทรงทรงกลมปวงกาเรทรงสิบสองหน้า เป็นวัตถุ 12 เหลี่ยม รุ่นปวงกาเร มีพื้นผิวที่โค้งออกด้านนอกเล็กน้อย
สิ่งที่น่าฉงนก็คือขนาดที่คาดการณ์ไว้ของเอกภพนี้เล็กกว่าพื้นที่ที่เราสังเกตได้จริงๆกล่าวอีกนัยหนึ่งการมองเห็นของเราเกินขอบเขตของจักรวาล ไม่มีปัญหา นักจักรวาลวิทยาพูด เมื่อคุณมองไปที่กาแลคซี ไกล โพ้นที่ดูเหมือนจะอยู่นอกขอบเขตของอวกาศ คุณกำลังประสบกับผลกระทบที่อธิบายไว้ข้างต้น กาแล็กซีดังกล่าวน่าจะอยู่ข้างหลังคุณจริงๆแต่คุณกำลังมองผ่านด้านหนึ่งของรูปทรงสองหน้าสิบสองหน้าราวกับว่ามันเป็นหน้าต่าง
ถ้าคุณมองเห็นได้ไกลพอ คุณก็จะมองจากด้านหลังศีรษะของคุณเอง วิธีการวัดพื้นที่ กล้องโทรทรรศน์แบบใช้แสงช่วยให้เราตรวจสอบวัตถุภายในสเปกตรัมแสงที่มองเห็นได้ แต่เป็นเครื่องมือที่ค่อนข้างอ่อนแอ นั่นเป็นเพราะแสงจากกาแลคซีที่อยู่ห่างไกลสามารถสกัดกั้นก้อนเมฆของอนุภาคและวัตถุอื่นๆได้ก่อนที่จะมาถึงโลก อุปกรณ์อื่นๆสามารถวัดความยาวคลื่นที่อยู่นอกสเปกตรัมที่มองเห็นได้
การศึกษาล่าสุดทางจักรวาลวิทยาหลายชิ้นมุ่งเน้น ไปที่พื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาล คือรังสีที่เอกภพสร้างขึ้นเมื่อมีอายุเพียง 380,000 ปี จากการศึกษาการแผ่รังสีนี้ นักจักรวาลวิทยาสามารถสรุปได้ว่าเอกภพเป็นอย่างไรหลังจากเริ่มต้นได้ไม่นาน การใช้ดาวเทียมสำรวจคลื่นไมโครเวฟวิลกินสัน นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบที่น่าสนใจเกี่ยวกับการศึกษาล่าสุดทางจักรวาลวิทยาหลายชิ้นมุ่งเน้นไปที่พื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาล
พวกเขาพบว่าการเปลี่ยนแปลงของความยาวคลื่นรังสีของการศึกษาล่าสุดทางจักรวาลวิทยาหลายชิ้นมุ่งเน้นไปที่พื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาล จะหยุดลง ณ จุดหนึ่ง ในเอกภพที่ไร้ขอบเขตและไม่มีที่สิ้นสุด จะไม่มีการจำกัดขนาดของความยาวคลื่น เราคาดว่าจะเห็นการเปลี่ยนแปลงและความถี่ในทุกขนาด เฉพาะในเอกภพที่มีขอบเขตจำกัด หรือเอกภพเฉพาะทางที่ไม่มีที่สิ้นสุดเท่านั้นที่เราคาดว่า จะเห็นขีดจำกัดของความยาวคลื่น
สำหรับการขยายตัว นักจักรวาลวิทยาเรียกอัตราส่วนของปริมาณสสารในเอกภพและปริมาณที่จำเป็นต่อการหยุดการขยายตัวว่าพารามิเตอร์ความหนาแน่น พารามิเตอร์ความหนาแน่นที่มากกว่า 1 จะหมายถึงเอกภพปิด มีมวลมากกว่านี้ในเอกภพที่จำเป็นต่อการขยายตัวย้อนกลับ พารามิเตอร์ความหนาแน่น 1 หมายถึงจักรวาลแบนซึ่งการขยายตัวช้าลง แต่ไม่เคยหยุดอย่างแท้จริง และพารามิเตอร์ความหนาแน่นระหว่าง 0 ถึง 1 จะหมายถึงเอกภพเปิดที่จะขยายตัวต่อไปตลอดกาล
แต่เราไม่รู้ว่าสสารในจักรวาลมีอยู่จริงแค่ไหน ปริมาณที่เราตรวจจับได้ค่อนข้างน้อย 5 เปอร์เซ็นต์ของสสารที่จำเป็นในการย้อนกลับการขยายตัว แต่ดูเหมือนจะมีเรื่องที่มองไม่เห็นเลย นักจักรวาลวิทยาได้สังเกตเห็นว่าดวงดาวเคลื่อนที่ในลักษณะที่แปลกประหลาด พวกมันประพฤติตัวราวกับว่ามีสสารที่มีอิทธิพลต่อแรงโน้มถ่วงเหนือพวกมันมากกว่าที่เราจะตรวจจับได้ นักจักรวาลวิทยาบางคนตั้งทฤษฎีว่านั่นหมายความว่ามีสสารชนิดหนึ่งที่เรามองไม่เห็นเลย เรียกว่าสสารมืด
แต่มีสสารมืดมากพอที่จะทำให้เกิดการกระทืบครั้งใหญ่หรือไม่ นั่นคือมีสสารเพียงพอในเอกภพที่จะสร้างความสมดุลและผลักดันอัตราส่วนให้เป็น 1 หรือสูงกว่านั้นหรือไม่ แม้ว่านักจักรวาลวิทยาเชื่อว่ามีสสารมืดในเอกภพมากกว่าสสารที่สังเกตได้ แต่พวกเขาประเมินว่าการรวมกันของทั้งสสารมืดที่มองเห็นได้และสสารมืดยังคงมีเพียงประมาณร้อยละ 30 ของปริมาณที่จำเป็นต่อการขยายตัวแบบย้อนกลับ
บทความที่น่าสนใจ : ศูนย์ ความเข้าใจผิดนี้เกิดจากข้อเท็จจริงที่ว่าเนื่องจากไม่มีปีศูนย์
