🌌

Lab 43 · ทฤษฎีบิกแบง (Big Bang Theory)

Virtual Physics Lab 02 · ดาราศาสตร์ · ม.6 / มหาวิทยาลัย

KP Science simulation
โหมดบันทึก :
เลือกช่วงเวลา :
คลิกการ์ดอนุภาคที่มีไอคอน 🔬 เพื่อทดลองสร้าง
log₁₀(t) : วินาที

📊 ค่าที่อ่านได้ ณ เวลา t

t :10⁻⁴³ s ยุค :Planck T :10³² K ขนาด a(t) :10⁻⁵⁴ อนุภาคเด่น :—
💡 ใช้สูตร T(t) ≈ 1.5×10¹⁰/√t วินาที (ยุคแผ่รังสี) · ปัจจุบัน T = 2.725 K

📝 ตารางบันทึก

#log tยุคT (K)

🌌 ภาพรวม

การทดลองเสมือนนี้ประกอบด้วย 4 การทดลองย่อย ที่ดึงข้อมูลและเหตุการณ์สำคัญตรงจากภาพอ้างอิง "The Big Bang" — นักเรียนจะได้ฝึกใช้เครื่องมือทางจักรวาลวิทยาเพื่อ วัดค่าจริง ที่ทำให้เราเชื่อในทฤษฎีบิกแบง

① การทดลองที่ 1 — สำรวจไทม์ไลน์ของเอกภพ (15 ยุค)

เป้าหมาย : เชื่อมโยง เวลา ↔ อุณหภูมิ ↔ เหตุการณ์ ตั้งแต่ Planck era (10⁻⁴³ s) ถึงปัจจุบัน (4.3×10¹⁷ s)
วิธีทำ (Manual)
  1. เลื่อน slider log₁₀(t) ไปยังเวลาที่สนใจ
  2. สังเกตยุค (era) ที่แสดงและการเปลี่ยนสีของแถบไทม์ไลน์
  3. กรอกค่า T (อุณหภูมิ) ที่ประมาณได้ → กดปุ่ม "💾 บันทึกแถว"
  4. เปิด คำใบ้ ตรวจ T(t) ≈ 1.5×10¹⁰/√t วินาที (สำหรับยุคแผ่รังสี)
วิธีทำ (Auto) — กดปุ่ม "⚡ เติมครบ 10 จุด" เพื่อให้ระบบบันทึกเหตุการณ์สำคัญทั้งหมด
⚠ ข้อสังเกต : ที่ t = 10⁻³² s เอกภพขยายตัวเร็วถึง 10²⁷ เท่า ในช่วง Inflation — ตัวเลขนี้สำคัญมากเพราะอธิบาย flatness/horizon problem

② การทดลองที่ 2 — กฎของฮับเบิลและอายุของเอกภพ

เป้าหมาย : วัด H₀ และคำนวณ อายุของเอกภพ ≈ 13.7 Gy
หลักการ : กาแล็กซี่ที่อยู่ห่างจะถอยห่างเร็วกว่า → v = H₀ d · redshift ทำให้ Hα (656.28 nm) เลื่อนไปสีแดง λ_obs = λ_rest(1+z)
วิธีทำ (Manual)
  1. คลิกกาแล็กซี่บน canvas → spectrum โผล่ขึ้น พร้อมตัวเลข λ_obs
  2. คำนวณ z = (λ_obs − λ_rest) / λ_rest, จากนั้น v = c·z (c = 3×10⁵ km/s)
  3. กรอก v ลงตาราง → กดบันทึก (ทำให้ครบ 5+ กาแล็กซี่)
  4. กดปุ่ม "📏 Fit Linear" → ดู slope = H₀
  5. กดปุ่ม "🧮 คำนวณ H₀ · อายุเอกภพ" → อ่านอายุที่ได้
วิธีทำ (Auto) — กด "⚡ บันทึกครบทุกกาแล็กซี่"

③ การทดลองที่ 3 — Big Bang Nucleosynthesis (BBN)

เป้าหมาย : ทำนายสัดส่วนธาตุปฐมภูมิ H ≈ 75% · He ≈ 25%
หลักการ :
n/p (freeze) = exp(−Δmc²/kT_f), Δmc² = 1.293 MeV
n/p (BBN) = (n/p)_freeze × exp(−τ/880 s)
Y (มวล He) = 2(n/p) / (1 + n/p)
วิธีทำ (Manual)
  1. ปรับ T_freeze ใน slider (ค่าจริง ≈ 0.8 MeV)
  2. ปรับ τ wait = เวลาที่นิวตรอนสลายตัวก่อนเริ่ม fusion (ค่าจริง ≈ 180 s)
  3. อ่าน Y ที่คำนวณ → ตรวจกับค่าจริง 24-25%
  4. บันทึกค่าหลายๆ ครั้งและสังเกต : T_f สูง → He เยอะ, T_f ต่ำ → He น้อย

④ การทดลองที่ 4 — รังสี CMB (Blackbody Fitting)

เป้าหมาย : วัดอุณหภูมิ CMB จาก spectrum ที่ COBE/FIRAS วัดได้ → T = 2.725 K
หลักการ : กราฟความเข้มแสง vs ความถี่ของ blackbody เป็นไปตาม Planck — B(ν,T) = (2hν³/c²) / (exp(hν/kT) − 1) · จุดสูงสุดที่ ν_peak = 2.821 kT/h
วิธีทำ (Manual)
  1. ดูจุดข้อมูลสีขาว (10 จุด จาก COBE/Planck) บนกราฟ
  2. ปรับ slider T จนเส้นสีส้ม Planck (ของคุณ) ทับจุดข้อมูล
  3. อ่านค่า SSE (sum of squared errors) — ยิ่งน้อยยิ่งดี (≤ 0.5 ถือว่าฟิตได้)
  4. เมื่อพอใจ → กดบันทึก
Auto — กดปุ่ม "🎯 ฟิตโดยตรง" จะเซ็ต T ให้เท่า 2.725 K ทันที (ใช้เปรียบเทียบ)

📋 รูปแบบการบันทึกผลที่แนะนำ

ทุกการทดลองมี : ตารางบันทึก + ปุ่ม Export CSV ใช้เก็บข้อมูลส่งครู · นักเรียนควรทำซ้ำ อย่างน้อย 3-5 รอบ ในการทดลอง 3-4 เพื่อเห็นแนวโน้ม

🌌 ทฤษฎีบิกแบง — ภาพรวม

ทฤษฎีบิกแบง (Big Bang Theory) คือคำอธิบายที่ดีที่สุดในปัจจุบันเรื่อง กำเนิดและวิวัฒนาการของเอกภพ — เริ่มจากสภาพ ร้อน-หนาแน่น-เล็กกว่าโปรตอน เมื่อราว 13.7 พันล้านปีก่อน แล้วขยายตัวจนเป็นเอกภพปัจจุบัน หลักฐานสำคัญ 3 อย่าง :

1. การขยายตัวของกาแล็กซี่ (Hubble 1929) — กาแล็กซี่ไกลถอยห่างเร็ว v = H₀d
2. สัดส่วนธาตุปฐมภูมิ (BBN) — H 75%, He 25% ตรงกับการคำนวณ
3. รังสีไมโครเวฟพื้นหลัง (CMB) — อุณหภูมิ 2.725 K สม่ำเสมอทั่วท้องฟ้า

📅 ไทม์ไลน์ 15 ยุคของเอกภพ

กราฟ log T vs log t — ในยุคแผ่รังสี (radiation era) อุณหภูมิและเวลาสัมพันธ์ตามสูตร :

T(t) ≈ 1.5 × 10¹⁰ K / √(t in seconds)

1. Planck era · 0 → 10⁻⁴³ s

ความหนาแน่นถึง Planck density (10⁹³ g/cm³) ทฤษฎีสัมพัทธภาพและควอนตัมไม่สามารถใช้ร่วมกันได้

2. Inflation era · 10⁻³⁶ → 10⁻³² s

เอกภพขยายตัว 10²⁷ เท่า ทันที — ทำให้เรขาคณิตเรียบ (flat) และ horizon problem หายไป

3. Quark era · 10⁻³² → 10⁻⁶ s

quark-antiquark + ลพี้ตอนเป็น "particle soup" ที่ 10²⁷ K (ร้อนกว่า LHC แสนเท่า)

4. การแยก electroweak force · 10⁻¹² s

X-bosons (มวลพันล้านเท่าโปรตอน) สลายตัว ทำให้เกิด matter-antimatter asymmetry 1 ส่วนต่อพันล้าน

5. Hadron era · 10⁻⁶ → 1 s

quark รวมเป็น proton/neutron ที่ T ≈ 10¹⁶ K

6. Lepton era · 1 s → 3 min

electron-positron annihilation, neutrino decoupling

7. Nucleosynthesis · 3 → 20 min

หลอม H → He, ได้สัดส่วน H 75%, He 25%

8. Opaque era · 20 min → 380,000 y

Plasma หนาทึบ — โฟตอนหลุดไม่ได้

9. Recombination → Matter era · 380,000 y → ปัจจุบัน

e⁻ จับ p⁺ เป็น H neutral, โฟตอนหลุดเป็น CMB (วันนี้ 2.725 K), ดาวดวงแรกเกิดที่ 400 ล้านปี

🔭 หลักฐาน 1 — กฎของฮับเบิล

Edwin Hubble (1929) วัด redshift ของกาแล็กซี่ 24 แห่งและพบว่ายิ่งไกลยิ่งถอยเร็ว :

v = H₀ × d ; H₀ ≈ 70 km/s/Mpc

ส่วนกลับ 1/H₀ ให้ Hubble time ≈ 14 Gy ใกล้เคียงอายุเอกภพจริง

⚛️ หลักฐาน 2 — Big Bang Nucleosynthesis

ที่ T ≈ 0.8 MeV (t ≈ 1 s) อัตราส่วน n/p freeze เป็น exp(−Δm·c²/kT) ≈ 1/6 หลังจากนั้น neutron บางส่วนสลายเป็น proton จนถึง 3 นาที จึงเริ่ม fusion ทันใด ได้ He mass fraction

Y = 2(n/p) / (1 + n/p) ≈ 0.25 = 25% He · ที่เหลือเกือบทั้งหมด = H

🌡️ หลักฐาน 3 — รังสี CMB

Penzias & Wilson (1965) วัดสัญญาณไมโครเวฟพื้นหลังที่อุณหภูมิราว 3 K · ต่อมา COBE/FIRAS (1992) และ Planck (2013) วัดได้ T = 2.725 ± 0.001 K — ตรง spectrum ของวัตถุดำสมบูรณ์แบบที่สุดที่เคยพบ

🧊 องค์ประกอบของเอกภพปัจจุบัน

จากผล Planck satellite : สสารปกติ (atom/baryon) เพียง 4.6% ของพลังงานทั้งหมด · 23% เป็น dark matter (มวลที่เห็นได้จากแรงโน้มถ่วงเท่านั้น) · 72% เป็น dark energy ที่ดันให้เอกภพขยายเร่งขึ้น

เกร็ดสำคัญจากภาพอ้างอิง : "ไม่มีธาตุชีวิตใด (C, O) เกิดในบิกแบง" — C, O ถูกสังเคราะห์ใน ใจกลางดาวฤกษ์รุ่นแรก และกระจายผ่าน supernova เท่านั้น ทุกอะตอมในร่างกายเราจึงเป็น "ฝุ่นดาว" จริงๆ

📚 อ้างอิง

• Planck Collaboration (2018) — A&A 641, A6 · cosmological parameters
• Mather et al. (1999) — ApJ 512:511 · COBE/FIRAS CMB spectrum
• Hubble (1929) — PNAS 15:168 · Distance-velocity relation
• Steigman (2007) — Annu. Rev. Nucl. Part. Sci. 57:463 · BBN review
• Halliday, Resnick & Krane Vol.5 Ch.49 · Cosmology