การกำเนิดจักรวาล สิ่งที่อธิบายที่มาของจักรวาลได้ดีที่สุด คือ จักรวาล คือทฤษฎีของปรากฏการณ์ที่เรียกว่าบิกแบง เคลื่อนออกจากกาแล็กซีทางช้างเผือกหรือตำแหน่งของโลกได้ทุกขณะ โดยเคลื่อนที่ไปทุกทิศทุกทางด้วยความเร็วราวกับแรงกดจากการระเบิดที่สร้างเอกภพได้ส่งผลกระทบต่อดาราจักรเหล่านั้น
Georges Lemaitre บิชอปชาวเบลเยียม ทฤษฎีนี้ถูกเสนอครั้งแรกในปี ค.ศ. 1920 แก่นแท้ของทฤษฎีบิกแบงคือจักรวาลมีต้นกำเนิดจากแหล่งกำเนิดอะตอมเดียว แนวคิดนี้ได้รับการสนับสนุนจากการสังเกตการเคลื่อนที่ของดาราจักรของ Edwin Hubble นอกจากนี้ ข้อสังเกตของฮับเบิลยังช่วยให้ทฤษฎีของเลมิตเตอร์สำเร็จด้วย การเคลื่อนที่ของกาแลคซียังเป็นปัจจัยสำคัญในการค้นพบไมโครเวฟคอสมิกโดย Arno Penzias และ Robert Wilson การแผ่รังสีพื้นหลัง หรือที่เรียกว่า Echoes of the Big Bang ในปี 1960
ต่อจากนั้น การศึกษาอื่นๆ ให้ความกระจ่างถึงสิ่งที่เกิดขึ้นหลังจากการระเบิดครั้งใหญ่ สามารถอธิบายได้จากทฤษฎีที่ตั้งขึ้นดังนี้ ในช่วง 10-43 วินาทีแรกของการระเบิด เอกภพยังเล็กและหนาแน่นมาก คิดว่ามีขนาดเล็กกว่าอะตอมเดิมหนึ่งล้านล้าน (1024) เท่า ในอดีตนักวิทยาศาสตร์สันนิษฐานว่าสี่กองกำลังพื้นฐานของธรรมชาติซึ่งประกอบด้วยแรงโน้มถ่วง แรงแม่เหล็กไฟฟ้า แรงนิวเคลียร์แบบเข้มข้นและแรงนิวเคลียร์แบบอ่อนจะรวมกันเป็นหนึ่งแรงในขณะที่จักรวาลอยู่ในสถานะพลังงานและอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว มันจะทำงานอย่างไร? และเพื่อพิสูจน์สมมติฐานนี้ เราจำเป็นต้องรู้ว่าแรงโน้มถ่วงทำงานอย่างไรในอนุภาคย่อยของอะตอม ซึ่งยังไม่มีใครสามารถค้นพบได้
อีกทฤษฎีหนึ่งที่นักวิทยาศาสตร์คาดการณ์ไว้ก็คือสสารจำนวนมหาศาลจะทำให้อนุภาคดั้งเดิมของจักรวาลมาบรรจบกันและมีอุณหภูมิใกล้เคียงกัน จากนั้นในเวลาน้อยกว่าเสี้ยววินาที สสารและพลังงานทั้งหมดจะขยายตัวไปรอบๆ โดยมีการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในความผันผวนของอนุภาคควอนตัม การขยายตัวที่ระเบิดได้นี้ หรือที่เรียกว่าอัตราเงินเฟ้อ อาจอธิบายได้ว่าทำไมเอกภพของเราจึงมีอุณหภูมิเท่ากันและมีการกระจายตัวของสสารที่สม่ำเสมอ แบบนี้
ภายหลังการพองตัวของเอกภพ การกำเนิดจักรวาล
การกำเนิดจักรวาล เมื่อเวลาผ่านไปจนกระทั่งสารต่างๆ เริ่มเย็นลง เกิดอนุภาคที่แตกต่างกันมากมาย และในที่สุดอนุภาคเหล่านั้นก็รวมตัวเป็นดวงดาวและดาราจักรภายในจักรวาลของเรา เมื่ออายุ 10-9 วินาที อุณหภูมิของเอกภพเริ่มลดลงมากพอที่แรงพื้นฐานทั้งสี่จะแยกออกจากกันและอนุภาคพื้นฐานของเอกภพสามารถก่อตัวขึ้นได้ อย่างไรก็ตาม อุณหภูมิที่ลดลงยังคงสูงเกินไปสำหรับอนุภาคพื้นฐาน พวกเขาสามารถรวมกันเป็นอนุภาคประเภทต่าง ๆ ที่พบในปัจจุบัน และในขณะที่เอกภพขยายตัว พลาสมาควาร์ก-กลูออนซึ่งมีอุณหภูมิสูงกว่า 2 ล้านล้านเคลวินจะเย็นตัวลง ตัวอย่างเช่น European Nuclear Research Organization (CERN) Large Hadron Collider มีพลังงานเพียงพอที่จะจำลองพลาสมาดังกล่าว
การแผ่รังสีในระยะแรกของการก่อตัวของเอกภพมีพลังมากจนโฟตอนซึ่งมีแนวโน้มที่จะชนกับอนุภาคอื่นๆ สามารถสร้างคู่อนุภาคระหว่างสสาร (สสาร) และปฏิสสาร (ปฏิสสาร) ซึ่งมีคุณสมบัติคล้ายคลึงกันกับสสาร เรื่องทั่วไปเว้นแต่จะมีประจุตรงข้าม แต่เมื่อเอกภพเย็นตัวลง โฟตอนกลับไม่มีพลังงานเพียงพอที่จะสร้างอนุภาคที่เป็นปฏิปักษ์ เป็นผลให้อนุภาคสสารและปฏิสสารจำนวนมากจับคู่กันและเริ่มทำลายล้างซึ่งกันและกันอย่างรวดเร็ว หรือที่เรียกว่าการระเบิด (การทำลายล้าง)
อย่างไรก็ตาม มีบางเรื่องที่รอดชีวิตจากระยะการระเบิดด้านบนและกลายเป็นต้นกำเนิดของกาแล็กซี พืช และแม้แต่มนุษย์ในจักรวาลนี้ ยิ่งกว่านั้น การมีอยู่ของมนุษย์เป็นเครื่องบ่งชี้ว่ากฎของธรรมชาติทำหน้าที่ต่างกันเล็กน้อยในสสารและปฏิสสาร ด้วยเหตุนี้ นักวิจัยจึงได้ทำการทดลองโดยใช้วิธีการ CP Violation ในการสังเกตความไม่สมดุลของสสารและปฏิสสารในจักรวาล ในขณะที่นักฟิสิกส์พยายามค้นหาว่าสสารอยู่รอดได้อย่างไรในช่วงแรกๆ จุดเริ่มต้นของจักรวาล
การก่อตัวของอะตอม
ในช่วงวินาทีแรกของการเกิดของเอกภพ เมื่ออุณหภูมิลดลง สสารที่เหลือจะรวมตัวและก่อตัวเป็นโปรตอนและนิวตรอน เราคุ้นเคยกับอนุภาคที่เป็นส่วนประกอบของนิวเคลียส จากนั้นหลังจากสามนาทีแรก โปรตอนและนิวตรอนจะรวมกันเป็นนิวเคลียสของไฮโดรเจนและฮีเลียม และเมื่อวัดโดยมวล สัดส่วนต้นของสสารในเอกภพประกอบด้วยไฮโดรเจนร้อยละ 75 และอะตอมฮีเลียมร้อยละ 25 การสังเกตของนักวิทยาศาสตร์ยืนยันว่าปริมาณอะตอมของฮีเลียมเป็นตัวแปรสำคัญในการศึกษาทฤษฎีบิกแบง การกำเนิดจักรวาล
แม้ว่าจักรวาลตั้งไข่จะมีนิวเคลียสของอะตอมจำนวนมาก แต่เมื่อพิจารณาจากอุณหภูมิ อิเล็กตรอนก็ยังร้อนเกินกว่าจะโคจรรอบนิวเคลียสเหล่านั้นเพื่อสร้างอะตอมที่เสถียรกว่า ในช่วงเวลานั้น สสารในจักรวาลยังคงเป็นก้อนเมฆที่หนาแน่นและมีประจุซึ่งทำให้แสงเดินทางผ่านแทบไม่ได้ ด้วยเหตุนี้ จึงต้องใช้เวลามากกว่า 380,000 ปีในการรอให้อุณหภูมิของจักรวาลเย็นลงมากพอที่นิวเคลียสและอิเล็กตรอนจะรวมกันเป็นอะตอมที่สมบูรณ์ เฟสนี้เรียกว่าเฟสการสูญเสียพลังงานและเฟสสำรองอิเล็กตรอน (Recombination) และเมื่อเอกภพเย็นตัวถึงจุดหนึ่ง เมฆฝุ่นในขั้นต้นปกคลุมไปด้วยการสลายตัวค่อยๆ สลายตัวจนในที่สุดโฟตอนหรืออนุภาคของแสงก็สามารถผ่านอะตอมได้โดยไม่มีสิ่งกีดขวางใดๆ
และวันนี้ เรายังสามารถเห็นแสงแรกของจักรวาลในรูปแบบของการแผ่รังสีไมโครเวฟพื้นหลังที่มีทั่วไปทั่วทั้งจักรวาล และเนื่องจากรังสีดังกล่าวคล้ายกับการส่งสัญญาณโทรทัศน์ผ่านเสาอากาศ นักวิทยาศาสตร์คาดการณ์ว่าการแผ่รังสีแรกสุดนี้อาจเป็นกุญแจสำคัญในการสร้างเอกภพในยุคแรกๆ เอกภพว่างเปล่ามาเป็นเวลานาน จนกระทั่ง 180 ล้านปีหลังการระเบิดครั้งใหญ่ ดาวฤกษ์ก่อตัวขึ้นจากการรวมตัวกันของแรงโน้มถ่วงของเมฆไฮโดรเจนหรือเนบิวลาดึกดำบรรพ์ นอกจากนี้ยังมีนักฟิสิกส์จำนวนหนึ่งที่เชื่อว่าเมฆสสารมืดขนาดมหึมาหรือสสารที่ไม่สามารถตรวจจับได้ แต่หนักกว่าสสารธรรมดาเพียงห้าเท่าเท่านั้นที่เป็นแหล่งกำเนิดของแรงโน้มถ่วง แรงดึงดูดที่สร้างดาราจักรและดวงดาว
จากดาวกลุ่มแรกสู่เอกภพในปัจจุบัน
เมื่อดาวฤกษ์ดวงแรกเกิด พบว่าแสงจากดาวเหล่านั้นมีกำลังมากพอที่จะดึงอิเล็กตรอนออกจากอะตอมที่แข็งแรงได้อีกครั้ง ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า atomic re-ionization อย่างไรก็ตาม ในเดือนกุมภาพันธ์ พ.ศ. 2561 ทีมนักวิทยาศาสตร์ชาวออสเตรเลียประกาศว่าพวกเขาได้ตรวจพบสัญญาณของการเกิดไอออนใหม่ “รุ่งอรุณแห่งอวกาศ” (Cosmic Dawn) เป็นครั้งแรก เมื่อกว่า 400 ล้านปีก่อนที่ดาราจักรกลุ่มแรกก่อตัวขึ้นหลังบิกแบง และเป็นเวลาหลายพันล้านปีนับแต่นั้นมา ดาวเคราะห์ กาแล็กซี และกระจุกดาราจักรก็ได้ถือกำเนิด สูญหาย และเกิดใหม่ตลอดเวลา ดาราจักรทางช้างเผือกและระบบสุริยะของเราก็อยู่ในวัฏจักรนี้เช่นกัน
แม้แต่ตอนนี้จักรวาลของเรายังคงสร้างความประหลาดใจให้กับนักดาราศาสตร์ ในขณะที่เอกภพยังคงขยายตัวด้วยความเร็วที่เพิ่มมากขึ้นเรื่อย ๆ นักดาราศาสตร์คาดการณ์ว่าความเร็วในการขยายตัวนี้อาจเกิดจากพลังงานมืด ซึ่งต่อต้านแรงโน้มถ่วงในจักรวาล ซึ่งคิดเป็นร้อยละ 68 ของสสารและพลังงานทั้งหมดในจักรวาล เช่นเดียวกับความลึกลับของสสารมืดซึ่งคิดเป็น 27 เปอร์เซ็นต์ของจักรวาล การเปรียบเทียบสสารและพลังงานทั้งหมดที่มนุษย์รู้จักและส่วนที่เหลือที่ยังไม่มีคำตอบ เราพบว่าเราศึกษาเรื่อง เพียง 5% ของจักรวาลการกำเนิดจักรวาล
มนุษย์เป็นสิ่งมีชีวิตขนาดเล็ก เพิ่งก่อตัวเมื่อสี่ล้านปีก่อนบนดาวเคราะห์อายุ 4.6 พันล้านปีดวงนี้ โลกเป็นดาวเคราะห์ดวงที่สามในบรรดาดาวเคราะห์ทั้งเก้าดวงของระบบสุริยะ ระบบสุริยะของเราอยู่ในกาแล็กซีทางช้างเผือก ซึ่งเมื่อมองจากด้านข้างจะมีลักษณะเป็นแผ่นสองแผ่นประกบกัน และดูเหมือนกังหันเมื่อมองจากด้านบน กาแล็กซีทางช้างเผือกมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 100,000 ปีแสง หมายความว่าถ้าเราสามารถเดินทางด้วยความเร็วแสง จะต้องใช้เวลา 100,000 ปีในการเดินทางจากขอบด้านหนึ่งของดาราจักรไปยังอีกขอบหนึ่ง ดวงอาทิตย์เป็นหนึ่งในดาว 1 แสนล้านดวงในกาแล็กซีทางช้างเผือก ดาวทุกดวงที่มองเห็นได้ด้วยตาเปล่าอยู่ในดาราจักรเดียวกัน ปัจจุบัน นักดาราศาสตร์เชื่อว่าเอกภพประกอบด้วยกาแล็กซี ดาราจักรหนึ่งแสนล้านกาแล็กซี ดาราจักรแมกเจลแลนใหญ่อยู่ใกล้ดาราจักรทางช้างเผือกของเรามากที่สุด ด้วยระยะทางที่แสงใช้ ระยะทางที่เดินทางคือ 170,000 ปี
การที่เอกภพทั้งมวลเกิดขึ้นมาได้อย่างไรนั้นเป็นเรื่องลึกลับที่นักดาราศาสตร์พยายามหาคำตอบมาช้านาน ปัจจุบันคำอธิบายที่ได้รับการยอมรับมากที่สุดคือทฤษฎีบิ๊กแบง ทฤษฎีบิ๊กแบงระบุว่าการระเบิดครั้งใหญ่เมื่อ 15 พันล้านปีก่อนเป็นต้นกำเนิดของจักรวาลและทุกสิ่ง หลังการระเบิด เอกภพขยายตัวออกทุกทิศทุกทางโดยมีอุณหภูมิลดลงทีละน้อย กว่าล้านปี อนุภาคที่เล่นอิเล็กตรอนและโปรตอนเริ่มรวมตัวกันเพื่อก่อตัวเป็นดาราจักร ต่อมาฝุ่นภายในดาราจักรก็ควบแน่น ด้วยไฮโดรเจนและฮีเลียมเพื่อสร้างดาวที่เปล่งแสงจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ภายใน