จักรวาล

ภาพ Hubble Ultra-Deep Field แสดงให้เห็น กาแล็กซีที่อยู่ไกลที่สุดบางส่วนที่มองเห็นได้ด้วยเทคโนโลยีในปัจจุบัน (เส้นทแยงมุมมีขนาดประมาณ 1/10 ของเส้นผ่านศูนย์กลาง ดวงจันทร์ ที่ปรากฏ ) [ 1 ]
อายุ	13.787 ± 0.020 พันล้านปี[ 2 ]
เส้นผ่านศูนย์กลางที่สังเกตได้	8.8 × 10 26  ม. (28.5 กรัมต่อพลังงานแสงอาทิตย์หรือ 93 กรัมต่อแสง ) [ 3 ]
ความหนาแน่นเฉลี่ย (รวมพลังงาน )	9.9 × 10 −27  กก./ม. 3 [ 4 ]
อุณหภูมิเฉลี่ย	2.725 48  K (−270.4  °C ,−454.8  °F ) [ 5 ] [ 6 ]
เนื้อหาหลัก	สสารธรรมดา (แบริโอนิก) (4.9%) สสารมืด (26.8%) พลังงานมืด (68.3%) [ 7 ]
รูปร่าง	แบนราบโดยมีระยะขอบความคลาดเคลื่อน 0.4% [ 8 ]

เอกภพ ประกอบด้วย สรรพสิ่งทั้งปวง : สสารและพลังงานทุกรูปแบบและโครงสร้างที่พวกมันก่อตัวขึ้น ตั้งแต่อนุภาคย่อยอะตอมไป จนถึง เส้นใยกาแล็กซีทั้งหมดนับตั้งแต่ต้นศตวรรษที่ 20 สาขาวิชาจักรวาลวิทยาได้พิสูจน์แล้วว่าเอกภพมีการขยายตัวมาโดยตลอด13.8 พันล้านปีเริ่มต้นจากลูกไฟหนาแน่นในเหตุการณ์ที่เรียกว่าบิ๊กแบง [ ^{9 ] ปัจจุบัน}ส่วนที่สังเกตได้ของจักรวาลมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 93 พันล้านปีแสง ขนาดทั้งหมดของจักรวาลยังไม่เป็นที่ทราบ^{[ 10 ]}

แบบจำลองจักรวาลวิทยาในยุคแรกๆ บางส่วน เป็นแบบโลก เป็นศูนย์กลางโดยวางโลกไว้ที่ศูนย์กลาง ในช่วงการปฏิวัติวิทยาศาสตร์การสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์นำไปสู่แบบจำลองดวงอาทิตย์เป็นศูนย์กลางการปรับปรุงการสังเกตการณ์เพิ่มเติมทำให้ตระหนักว่าดวงอาทิตย์เป็นหนึ่งในดาวฤกษ์หลายแสนล้านดวงในทางช้างเผือกซึ่งเป็นหนึ่งในกาแล็กซีหลายแสนล้านแห่งในจักรวาลที่สังเกตได้ในระดับที่ใหญ่ที่สุดกาแล็กซีจะกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอและเหมือนกันในทุกทิศทาง ในระดับที่เล็กกว่า กาแล็กซีจะกระจายตัวอยู่ในกระจุกและกระจุก ขนาดใหญ่ ซึ่งก่อตัวเป็นเส้นใยและช่องว่าง ขนาดมหึมา ในอวกาศ สร้างโครงสร้างคล้ายฟองขนาดใหญ่^{[ 11 ]}การค้นพบในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 รวมถึงทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปนำไปสู่มุมมองสมัยใหม่ของจักรวาลที่ขยายตัว ไอโซโทรปิก และเป็นเนื้อเดียวกัน หลักฐานที่สะสมมาสนับสนุนทฤษฎีบิ๊กแบง: ลูกไฟร้อนเริ่มต้นเย็นลงและมีความหนาแน่นน้อยลงเมื่อจักรวาลขยายตัว ทำให้เกิดอนุภาคย่อยอะตอมและอะตอม อย่างง่ายขึ้นเป็นครั้งแรก กลุ่มเมฆขนาดมหึมาของไฮโดรเจนและฮีเลียมค่อยๆ ถูกดึงดูดไปยังบริเวณที่มีสสารหนาแน่น ที่สุด ก่อตัวเป็นกาแล็กซี ดาวฤกษ์ และในที่สุดก็คือทุกสิ่งทุกอย่าง

จากการศึกษาผลกระทบของแรงโน้มถ่วงต่อทั้งสสารและแสง พบว่าจักรวาลมีสสารมากกว่าที่อธิบายได้ด้วยวัตถุที่มองเห็นได้ เช่น ดาวฤกษ์ กาแล็กซี เนบิวลา และก๊าซระหว่างดาว สสารที่มองไม่เห็นนี้เรียกว่า ส สารมืด^{[ 12 ]}ใน แบบจำลองจักรวาลวิทยา ΛCDM ที่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวาง สสารมืดคิดเป็นประมาณ25.8% ± 1.1%ของมวลและพลังงานในจักรวาล ขณะที่ประมาณ69.2% ± 1.2%คือพลังงานมืดซึ่งเป็นพลังงานลึกลับรูปแบบหนึ่งที่รับผิดชอบต่อการเร่งการขยายตัวของจักรวาล^{[ 13 ]} ดังนั้น สสาร ธรรมดา (' แบริโอนิก ') จึงประกอบด้วยเพียง4.84% ± 0.1%ของจักรวาล^{[ 13 ]}ดาวฤกษ์ ดาวเคราะห์ และกลุ่มก๊าซที่มองเห็นได้นั้นประกอบขึ้นเป็นสสารธรรมดาเพียงประมาณ 6% เท่านั้น^{[ 14 ]}

มีสมมติฐานที่ขัดแย้งกันมากมายเกี่ยวกับชะตากรรมสุดท้ายของจักรวาลและเกี่ยวกับสิ่งที่มีอยู่ก่อนการระเบิดครั้งใหญ่ (บิ๊กแบง) หรือไม่

จักรวาลทางกายภาพได้รับการนิยามว่า "ความทั้งหมดของอวกาศและเวลา ทุกสิ่งที่มีอยู่ เคยมี และจะมี" ^{[ 15 ]}จักรวาลประกอบด้วยพลังงานและสสารทั้งหมด[ 16 ^{]ดังนั้นจึง}รวมถึงดาวเคราะห์ดวงจันทร์ดาวฤกษ์ กาแล็กซี และสิ่งต่างๆ ในอวกาศระหว่างกาแล็กซี^{[ 17 ] [ 18 ]}

นักปรัชญาและนักวิทยาศาสตร์บางคนสนับสนุนการรวมแนวคิดและนามธรรมต่างๆ เช่น คณิตศาสตร์และตรรกศาสตร์ เข้าไว้ในนิยามของจักรวาล[ ^{20 ] [ 21 ] [ 22 ]คำว่า}จักรวาลอาจ^หมาย ถึงแนวคิด ต่างๆเช่นจักรวาลโลกและธรรมชาติ [ ^{23 ] [ 24} ]

คำว่าuniverseมาจากคำภาษาฝรั่งเศสโบราณuniversซึ่งมาจากคำภาษาละตินuniversusที่แปลว่า 'รวมกันเป็นหนึ่งเดียว' ^{[ 25 ]}คำภาษาละติน 'universum' ถูกใช้โดยซิเซโรและนักเขียนชาวละตินในยุคต่อมาในความหมายเดียวกันกับคำภาษาอังกฤษ สมัยใหม่ ^{[ 26 ]}

คำศัพท์ที่ใช้เรียกจักรวาลในหมู่นักปรัชญากรีกโบราณตั้งแต่พีทาโกรัสเป็นต้นมาคือτὸ πᾶν ( tò pân ) 'ทั้งหมด' ซึ่งหมายถึงสสารทั้งหมดและอวกาศทั้งหมด และτὸ ὅλον ( tò hólon ) 'ทุกสิ่ง' ซึ่งไม่จำเป็นต้องรวมถึงความว่างเปล่า^{[ 27 ] [ 28 ]}คำพ้องความหมายอีกคำหนึ่งคือὁ κόσμος ( ho kósmos ) ซึ่งหมายถึง ' โลกจักรวาล' ^{[ 29 ]}คำพ้องความหมายยังพบได้ในงานเขียนของนักเขียนชาวละติน ( ^{totum , mundus , natura ) [ 30 ]}และยังคงมีอยู่ใน^{ภาษาสมัยใหม่}เช่นคำภาษาเยอรมันDas All , WeltallและNaturสำหรับจักรวาลคำพ้องความหมายเดียวกันนี้พบได้ในภาษาอังกฤษ เช่น everything (เช่นในทฤษฎีของทุกสิ่ง ), the cosmos (เช่นในจักรวาลวิทยา ), the world (เช่นในการตีความหลายโลก ) และnature (เช่นในกฎธรรมชาติหรือปรัชญาธรรมชาติ ) ^{[ 31 ]}

แบบจำลองที่แพร่หลายสำหรับการวิวัฒนาการของจักรวาลคือทฤษฎีบิ๊กแบง^{[ 32 ] [ 33 ]}ในแบบจำลองบิ๊กแบง สถานะแรกสุดของจักรวาลนั้นร้อนและหนาแน่นมาก แต่จักรวาลเย็นลงในระหว่างการขยายตัวในภายหลัง แบบจำลองนี้อิงตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปและสมมติฐานสมมาตร เช่นความเป็นเนื้อเดียวกันและความสมมาตรของอวกาศ แบบจำลองเวอร์ชันที่มีค่าคงที่ทางจักรวาลวิทยา (แลมบ์ดา) และสสารมืดเย็นซึ่งรู้จักกันในชื่อแบบจำลองแลมบ์ดา-CDMให้คำอธิบายที่ยอดเยี่ยมสำหรับการสังเกตการณ์ส่วนใหญ่ของจักรวาล

ช่วงเวลาแรกเริ่มส่วนใหญ่ยังไม่เป็นที่เข้าใจ ช่วงเวลาการขยายตัวอย่างรุนแรงที่เรียกว่าภาวะเงินเฟ้อของจักรวาลถูกตั้งสมมติฐานเพื่ออธิบายการสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์หลายอย่างและกำหนดเงื่อนไขเริ่มต้นสำหรับแบบจำลอง Lambda-CDM ^{[ 34 ] : 202}

ภายในเสี้ยววินาทีแรกของการกำเนิดจักรวาล จักรวาลมีความหนาแน่นสูงมาก และพลังงานสูงหมายความว่าอนุภาคทั้งหมดของแบบจำลองมาตรฐานอยู่ในสภาวะสมดุล เมื่อจักรวาลเย็นลงเนื่องจากการขยายตัว สถานะของจักรวาลก็ผ่านการเปลี่ยนเฟสที่คล้ายกับการแข็งตัวของน้ำอนุภาค พื้นฐานประเภทต่างๆ รวมตัวกันอย่างเสถียร ก่อให้เกิดพลาสมาของอิเล็กตรอนโปรตอนและนิวตรอน โดยมีโฟตอนที่มี พลังงานสูงมากป้องกันไม่ให้พวกมันจับตัวกันจนกระทั่งประมาณหนึ่งนาทีหลังจากบิ๊กแบง^{[ 35 ] : 71}

ในช่วงเวลาไม่กี่นาทีถัดมา โปรตอนและนิวตรอนบางส่วนรวมตัวกันเพื่อสร้างนิวเคลียสของอะตอมผ่านปฏิกิริยาฟิวชันนิวเคลียร์กระบวนการนี้เรียกว่าการสังเคราะห์นิวเคลียสบิ๊กแบงซึ่งกินเวลาประมาณ 15 นาที ผลิตฮีเลียมพร้อมด้วยดิวเทอเรียม ( รูปแบบ หนึ่ง ของไฮโดรเจน ) ในปริมาณเล็กน้อย และลิเธียมในปริมาณเล็กน้อย ไม่มีนิวเคลียสอื่นใดเกิดขึ้นในปริมาณมากในช่วงเวลานี้ นิวตรอนทั้งหมดที่ไม่ได้เกิดฟิวชันจะสลายตัวเป็นโปรตอนและอิเล็กตรอน^{[ 36 ]}

หลังจากนิวเคลียสซินเทซิสสิ้นสุดลง จักรวาลยังคงร้อนเกินไปสำหรับสสารที่จะก่อตัวเป็นอะตอม ที่เป็นกลาง ดังนั้นจึงมี พลาสมาที่ร้อน หนาแน่น และทึบแสงซึ่งประกอบด้วยอิเล็กตรอนที่มีประจุลบนิวตริโนที่เป็นกลางและนิวเคลียสที่มีประจุบวก หลังจากนั้นประมาณ 377,000 ปี จักรวาลก็เย็นลงมากพอที่อิเล็กตรอนและนิวเคลียสจะสามารถก่อตัวเป็นอะตอมที่เสถียรได้เป็นครั้งแรก กระบวนการนี้เรียกว่าการรวมตัวใหม่ด้วยเหตุผลทางประวัติศาสตร์ กล่าวคือ อิเล็กตรอนและนิวเคลียสรวมตัวกันเป็นครั้งแรก ต่างจากพลาสมา อะตอมที่เป็นกลางนั้นโปร่งใสต่อแสงหลายความยาวคลื่นดังนั้นเป็นครั้งแรกที่จักรวาลก็โปร่งใสเช่นกัน โฟตอนที่ปล่อยออกมา (" แยกตัว ") เมื่ออะตอมเหล่านี้ก่อตัวขึ้นยังคงสามารถมองเห็นได้ในปัจจุบัน พวกมันก่อตัวเป็นพื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาล (CMB) ^{[ 37 ] : 15–27}

เมื่อจักรวาลขยายตัว ความหนาแน่นของพลังงานของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าลดลงเร็วกว่าความหนาแน่นของสสารเนื่องจากพลังงานของโฟตอนแต่ละตัวลดลงเมื่อเกิดการเลื่อนแดงทางจักรวาลวิทยาเมื่อเวลาประมาณ 47,000 ปีความหนาแน่นของพลังงานของสสารก็มากกว่าความหนาแน่นของโฟตอนและนิวตริโน และเริ่มครอบงำพฤติกรรมขนาดใหญ่ของจักรวาล นี่เป็นจุดสิ้นสุดของยุคที่รังสีครอบงำและจุดเริ่มต้นของยุคที่สสารครอบงำ^{[ 38 ] : 390}

ในระยะแรกเริ่มของจักรวาล ความผันผวนเล็กน้อยภายในความหนาแน่นของจักรวาลนำไปสู่การสะสมของสสารมืดที่ค่อยๆ ก่อตัวขึ้น สสารธรรมดาที่ถูกดึงดูดเข้าหาสสารมืดเหล่านี้ด้วยแรงโน้มถ่วง ก่อตัวเป็นเมฆก๊าซขนาดใหญ่ และในที่สุดก็กลายเป็นดาวฤกษ์และกาแล็กซี ซึ่งเป็นบริเวณที่มีสสารมืดหนาแน่นที่สุด และเป็นช่องว่างในบริเวณที่มีสสารมืดหนาแน่นน้อยที่สุด หลังจากนั้นประมาณ 100–300 ล้านปี^{[ 38 ] : 333} ดาวฤกษ์ดวงแรกก็ก่อตัวขึ้น ซึ่งรู้จักกันในชื่อ ดาวฤกษ์ ประเภทที่ 3ดาวฤกษ์เหล่านี้น่าจะมีมวลมาก สว่างมากไม่ใช่โลหะและมีอายุสั้น พวกมันมีส่วนรับผิดชอบต่อการแตกตัวเป็นไอออนของจักรวาลอย่างค่อยเป็นค่อยไประหว่างประมาณ 200–500 ล้านปีถึง 1 พันล้านปี และยังมีส่วนในการเติมธาตุที่หนักกว่าฮีเลียมลงในจักรวาลผ่านกระบวนการสังเคราะห์นิวเคลียสของดาวฤกษ์^{[ 39 ]}

The universe contains a mysterious energy—possibly a scalar field—called dark energy, the density of which does not change over time. After about 9.8 billion years, the universe had expanded sufficiently so that the density of matter was less than the density of dark energy, marking the beginning of the present dark-energy-dominated era.^[40] In this era, the expansion of the universe is accelerating due to dark energy.

Of the four fundamental interactions, gravitation is the dominant at astronomical length scales. Gravity's effects are cumulative; by contrast, the effects of positive and negative charges tend to cancel one another, making electromagnetism relatively insignificant on astronomical length scales. The remaining two interactions, the weak and strong nuclear forces, decline very rapidly with distance; their effects are confined mainly to sub-atomic length scales.^{[41]: 1470}

Due to the finite speed of light, there is a limit (known as the particle horizon) to how far light can travel over the age of the universe. The spatial region from which we can receive light is called the observable universe. The proper distance (measured at a fixed time) between Earth and the edge of the observable universe is 46 billion light-years^[42][43] (14 billion parsecs), making the diameter of the observable universe about 93 billion light-years (28 billion parsecs).^[42] Although the distance traveled by light from the edge of the observable universe is close to the age of the universe times the speed of light, 13.8 billion light-years (4.2×10^⁹ pc), the proper distance is larger because the edge of the observable universe and the Earth have since moved further apart.^[44]

For comparison, the Milky Way is roughly 87,400 light-years in diameter,^[45] and the nearest sister galaxy to the Milky Way, the Andromeda Galaxy, is located roughly 2.5 million light-years away.^[46]

เนื่องจากมนุษย์ไม่สามารถสังเกตอวกาศที่อยู่นอกเหนือขอบเขตของจักรวาลที่สังเกตได้ จึงไม่ทราบว่าขนาดของจักรวาลโดยรวมนั้นมีขอบเขตจำกัดหรือไม่มีที่สิ้นสุด^{[ 10 ] [ 47 ] [ 48 ]}

หากสมมติว่าแบบจำลอง Lambda-CDMถูกต้อง การวัดค่าพารามิเตอร์โดยใช้เทคนิคที่หลากหลายจากการทดลองจำนวนมากจะให้ค่าที่ดีที่สุดของอายุของจักรวาลที่ 13.799 ± 0.021 พันล้านปี ณ ปี 2015 ^{[ 2 ]}

เมื่อเวลาผ่านไป จักรวาลและสิ่งต่างๆ ภายในจักรวาลได้วิวัฒนาการ ตัวอย่างเช่น สัดส่วนของควาซาร์และกาแล็กซีได้เปลี่ยนแปลงไป^{[ 49 ]}และจักรวาลได้ขยายตัวการขยายตัวนี้อนุมานได้จากการสังเกตว่าแสงจากกาแล็กซีที่อยู่ไกลออกไปมีการเลื่อนไปทางแดงซึ่งหมายความว่ากาแล็กซีเหล่านั้นกำลังถอยห่างจากเรา การวิเคราะห์ซูเปอร์โนวาประเภท Iaบ่งชี้ว่าการขยายตัวกำลังเร่งขึ้น^{[ 50 ] [ 51 ]}

ยิ่งมีสสารในจักรวาลมากเท่าไรแรงดึงดูดระหว่างสสารก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น หากจักรวาลมี ความหนาแน่น มากเกินไปมันก็จะยุบตัวลงกลายเป็นหลุมดำอย่างไรก็ตาม หากจักรวาลมี สสาร น้อย เกินไป มันก็จะขยายตัวเร็วเกินไปจนโครงสร้างทางดาราศาสตร์ เช่น กาแล็กซีหรือดาวเคราะห์ ไม่สามารถก่อตัวขึ้นได้^{[ 52 ]}นับตั้งแต่บิ๊กแบง จักรวาลได้ขยายตัวอย่างค่อยเป็นค่อยไป ความหนาแน่น ของมวลและพลังงานของจักรวาล ซึ่งเทียบเท่ากับโปรตอนประมาณ 5 ตัวต่อลูกบาศก์เมตร ทำให้มันขยายตัวได้ตลอด 13.8 พันล้านปีที่ผ่านมา ทำให้มีเวลาเพียงพอที่จะก่อตัวเป็นจักรวาลอย่างที่เราสังเกตเห็นในปัจจุบัน^{[ 53 ]}

มีแรงพลวัตกระทำต่ออนุภาคในจักรวาลซึ่งส่งผลต่ออัตราการขยายตัว ก่อนปี 1998 คาดการณ์ว่าอัตราการขยายตัวจะลดลงเมื่อเวลาผ่านไปเนื่องจากอิทธิพลของปฏิสัมพันธ์แรงโน้มถ่วงในจักรวาล ดังนั้นจึงมีปริมาณที่สังเกตได้เพิ่มเติมในจักรวาลที่เรียกว่าพารามิเตอร์การชะลอตัวซึ่งนักจักรวาลวิทยาหลายคนคาดว่าจะเป็นค่าบวกและเกี่ยวข้องกับความหนาแน่นของสสารในจักรวาล ในปี 1998 พารามิเตอร์การชะลอตัวถูกวัดโดยสองกลุ่มที่แตกต่างกันและพบว่าเป็นค่าลบ ประมาณ −0.55 ซึ่งในทางเทคนิคหมายความว่าอนุพันธ์อันดับสองของปัจจัยมาตราส่วน จักรวาล เป็นค่าบวกในช่วง 5–6 พันล้านปีที่ผ่านมา^{[ 54 ] [ 55 ]}${\displaystyle {\ddot {a}}}$

ฟิสิกส์สมัยใหม่ถือว่าเหตุการณ์ต่างๆถูกจัดระเบียบไว้ในปริภูมิเวลา^{[ 56 ]}แนวคิดนี้มีต้นกำเนิดมาจาก ทฤษฎีสั มพัทธภาพพิเศษซึ่งทำนายว่าหากผู้สังเกตการณ์คนหนึ่งเห็นเหตุการณ์สองเหตุการณ์เกิดขึ้นในสถานที่ต่างกันในเวลาเดียวกัน ผู้สังเกตการณ์คนที่สองซึ่งกำลังเคลื่อนที่สัมพันธ์กับคนแรกจะเห็นเหตุการณ์เหล่านั้นเกิดขึ้นในเวลาที่แตกต่างกัน^{[ 57 ] : 45–52} ผู้สังเกตการณ์ทั้งสองจะไม่เห็นด้วยเกี่ยวกับเวลาที่อยู่ระหว่างเหตุการณ์ และพวกเขาจะไม่เห็นด้วยเกี่ยวกับระยะทางที่แยกเหตุการณ์ แต่พวกเขาจะเห็นด้วยเกี่ยวกับความเร็วแสงและพวกเขาจะวัดค่าเดียวกันสำหรับการรวมกัน[ ^{57 ] : 80} รากที่สองของค่าสัมบูรณ์ของปริมาณนี้เรียกว่าช่วงเวลาระหว่างเหตุการณ์สองเหตุการณ์ ช่วงเวลานี้แสดงให้เห็นว่าเหตุการณ์ต่างๆ แยกจากกันมากน้อยเพียงใด ไม่ใช่แค่ในอวกาศหรือในเวลา แต่ในบริบทรวมของปริภูมิเวลา^{[ 57 ] : 84, 136 [ 58 ]}${\displaystyle T}$${\displaystyle D}$${\displaystyle c}$${\displaystyle c^{2}T^{2}-D^{2}}$

ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษอธิบายถึงปริภูมิเวลาแบบราบเรียบ ส่วนทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ซึ่งเป็นทฤษฎีต่อจากนั้น อธิบายแรงโน้มถ่วงว่าเป็นความโค้งของปริภูมิเวลาที่เกิดขึ้นเนื่องจากปริมาณพลังงาน เส้นทางโค้งเช่นวงโคจรไม่ได้เป็นผลมาจากแรงที่เบี่ยงเบนวัตถุจากเส้นทางตรงในอุดมคติ แต่เป็นผลมาจากการที่วัตถุพยายามตกลงมาอย่างอิสระผ่านพื้นหลังที่โค้งงอเนื่องจากการมีอยู่ของมวลอื่นๆ ข้อสังเกตของจอห์น อาร์ชิบัลด์ วีลเลอร์ที่กลายเป็นสุภาษิตในหมู่นักฟิสิกส์สรุปทฤษฎีนี้ไว้ว่า "ปริภูมิเวลาบอกสสารว่าจะเคลื่อนที่อย่างไร สสารบอกปริภูมิเวลาว่าจะโค้งงออย่างไร" ^{[ 59 ] [ 60 ]}ดังนั้นจึงไม่มีประโยชน์ที่จะพิจารณาอย่างใดอย่างหนึ่งโดยปราศจากอีกอย่างหนึ่ง^{[ 61 ]}ทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของนิวตันเป็นการประมาณที่ดีสำหรับการคาดการณ์ของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเมื่อผลกระทบของแรงโน้มถ่วงอ่อนและวัตถุเคลื่อนที่ช้าเมื่อเทียบกับความเร็วแสง^{[ 62 ] : 327 [ 63 ]}

ความสัมพันธ์ระหว่างการกระจายตัวของสสารและความโค้งของปริภูมิเวลาถูกกำหนดโดยสมการสนามของไอน์สไตน์ซึ่งต้อง ใช้ แคลคูลัสเทนเซอร์ในการแสดง^{[ 64 ] : 43 [ 65 ]}จักรวาลดูเหมือนจะเป็นปริภูมิเวลาที่ต่อเนื่องกันอย่างราบรื่นซึ่งประกอบด้วยมิติเชิงพื้นที่ สามมิติ และมิติเชิงเวลา หนึ่ง มิติ ดังนั้น เหตุการณ์ในปริภูมิเวลาของจักรวาลทางกายภาพสามารถระบุได้ด้วยชุดพิกัดสี่ชุด: ( x , y , z , t )

นักจักรวาลวิทยามักทำงานกับ ชิ้น ส่วนอวกาศของกาลอวกาศที่เป็นพื้นผิวของเวลาคงที่ในพิกัดร่วมเคลื่อนที่ รูปทรงเรขาคณิตของชิ้นส่วนอวกาศเหล่านี้ถูกกำหนดโดยพารามิเตอร์ความหนาแน่นโอเมกา (Ω) ซึ่งกำหนดเป็นความหนาแน่นของสสารเฉลี่ยของจักรวาลหารด้วยค่าวิกฤต ซึ่งจะเลือกรูปทรงเรขาคณิต ที่เป็นไปได้หนึ่งในสามแบบ ขึ้นอยู่กับว่า Ω เท่ากับ น้อยกว่า หรือมากกว่า 1 ซึ่งเรียกว่าจักรวาลแบน จักรวาลเปิด และจักรวาลปิด ตามลำดับ^{[ 66 ]}

การสังเกตการณ์ต่างๆ รวมถึงCosmic Background Explorer (COBE), Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) และ แผนที่ CMB ของ Planckชี้ให้เห็นว่าเอกภพมีขนาดอนันต์แต่มีอายุจำกัด ตามที่อธิบายไว้ใน แบบจำลอง Friedmann–Lemaître–Robertson–Walker (FLRW) ^{[ 67 ] [ 68 ] [ 69 ] [ 70 ]}ดังนั้นแบบจำลอง FLRW เหล่านี้จึงสนับสนุนแบบจำลองเงินเฟ้อและแบบจำลองมาตรฐานของจักรวาลวิทยา ซึ่งอธิบายถึง เอกภพที่แบน ราบ และ เป็นเนื้อเดียวกัน ซึ่งปัจจุบันถูกครอบงำโดยสสารมืดและพลังงานมืด^{[ 71 ] [ 72 ]}

สมมติฐานจักรวาลที่ปรับแต่งอย่างละเอียดคือข้อเสนอที่ว่าเงื่อนไขที่อนุญาตให้สิ่งมีชีวิต ที่สังเกตได้ดำรงอยู่ ในจักรวาลนั้นจะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อค่าคงที่ทางฟิสิกส์พื้นฐาน สากลบางอย่าง อยู่ในช่วงค่าที่แคบมากเท่านั้น ตามสมมติฐานนี้ หากค่าคงที่พื้นฐานหลายค่าแตกต่างกันเพียงเล็กน้อย จักรวาลก็ไม่น่าจะเอื้อต่อการก่อตัวและการพัฒนาของสสารโครงสร้างทางดาราศาสตร์ ความหลากหลายของธาตุ หรือสิ่งมีชีวิตอย่างที่เราเข้าใจกัน ไม่ว่าสิ่งนี้จะเป็นจริงหรือไม่ และไม่ว่าคำถามนั้นจะมีความหมายทางตรรกะหรือไม่นั้น เป็นเรื่องที่ถกเถียงกันมาก^{[ 73 ]}ข้อเสนอนี้ได้รับการอภิปรายในหมู่นักปรัชญานักวิทยาศาสตร์นักศาสนศาสตร์และผู้สนับสนุนลัทธิการสร้างโลก^{[ 74 ]}

ความหนาแน่นของ มวล-พลังงานของเอกภพประกอบด้วยพลังงานมืด 68% สสารมืด 27% และสสารธรรมดา 5% ส่วนประกอบอื่นๆ ได้แก่นิวตริโน (น้อยกว่า 0.3%) และรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า (ประมาณ 0.005%) ^{[ 35 ] : 57} เอกภพมีสสารมากกว่าปฏิสสารถึง 10 พันล้านเท่า ^{[ 35 ] : 6} ในช่วงเริ่มต้นของเอกภพ สสารและปฏิสสารได้ทำลายล้างซึ่งกันและกัน ทำให้เกิดโฟตอนที่ มีความหนาแน่นสูง ในแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาคควรมีการสร้าง ปฏิสสารและสสารในปริมาณที่เท่ากัน สาเหตุของความไม่สมมาตรของแบริออน ที่สังเกตได้นี้ ยังไม่เป็นที่ทราบ^{[ 75 ] : 300 [ 76 ]}

การกระจายตัวของสสารทั่วทั้งจักรวาลมีความแปรผันสูง ความหนาแน่นเฉลี่ยอยู่ที่ประมาณ 1 โปรตอนต่อ 200 ลิตร ปริมาตรมหาศาลของจักรวาลเป็นช่องว่างที่มีความหนาแน่นต่ำมากสสารระหว่างดาวฤกษ์ที่อยู่ห่างไกลจากดาวฤกษ์แต่ภายในกาแล็กซีมีความหนาแน่นเพียงไม่กี่โปรตอนต่อลิตร^{[ 77 ] : 57}

สัดส่วนของสสารและพลังงานทุกประเภทมีการเปลี่ยนแปลงตลอดประวัติศาสตร์ของจักรวาล^{[ 78 ]}ปริมาณรวมของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดขึ้นภายในจักรวาลลดลงครึ่งหนึ่งในช่วง 2 พันล้านปีที่ผ่านมา^{[ 79 ] [ 80 ]}ปัจจุบัน สสารธรรมดา ซึ่งรวมถึงอะตอม ดาวฤกษ์ กาแล็กซี และสิ่งมีชีวิตคิดเป็นเพียง 4.9% ของเนื้อหาในจักรวาล^{[ 7 ]}ความหนาแน่นโดยรวมของสสารประเภทนี้ในปัจจุบันต่ำมาก ประมาณ 4.5 × 10 ⁻³¹กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร ซึ่งสอดคล้องกับความหนาแน่นในระดับเพียงหนึ่งโปรตอนต่อปริมาตรสี่ลูกบาศก์เมตร^{[ 4 ]}ธรรมชาติของทั้งพลังงานมืดและสสารมืดยังไม่เป็นที่รู้จัก สสารมืด ซึ่งเป็นรูปแบบของสสารลึกลับที่ยังไม่ได้รับการระบุ คิดเป็น 26.8% ของเนื้อหาในจักรวาล พลังงานมืด ซึ่งเป็นพลังงานของพื้นที่ว่างเปล่าและทำให้การขยายตัวของจักรวาลเร่งขึ้น คิดเป็น 68.3% ของเนื้อหาที่เหลือ^{[ 7 ] [ 81 ] [ 82 ]}

สสาร สสารมืด และพลังงานมืดมีการกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งจักรวาลในระดับความยาวที่ยาวกว่า 300 ล้านปีแสง (ly) หรือประมาณนั้น^{[ 83 ]}อย่างไรก็ตาม ในระดับความยาวที่สั้นกว่า สสารมักจะรวมตัวกันเป็นก้อนตามลำดับชั้นอะตอม จำนวนมาก จะควบแน่นเป็นดาวฤกษ์ดาวฤกษ์ส่วนใหญ่รวมตัวกันเป็นกาแล็กซี กาแล็กซีส่วนใหญ่รวมตัวกันเป็นกระจุกดาว กระจุกดาวขนาดใหญ่ และสุดท้าย เป็นเส้นใยกาแล็กซีขนาดใหญ่จักรวาลที่สังเกตได้มีกาแล็กซีมากถึง 2 ล้านล้านกาแล็กซีโดยประมาณ^{[ 84 ] [ 85 ] [ 86 ] และ} โดยรวมแล้วมี ดาวฤกษ์มากถึง 10 ^{24 ดวงโดยประมาณ [ 87 ] [ 88 ]} – มีดาวฤกษ์ (และดาวเคราะห์คล้ายโลก) มากกว่าเม็ดทราย ทั้งหมด บนโลก [ ^{89 ] [ 90 ] [ 91 ]}แต่มีน้อยกว่าจำนวนอะตอมทั้งหมดที่ประมาณไว้ในจักรวาลคือ10 ^{82 [ 92 ]}และจำนวนดาวทั้งหมดที่คาดการณ์ไว้ในเอกภพที่กำลังขยายตัว (ทั้งที่สังเกตได้และสังเกตไม่ได้) อยู่ที่ 10 100 ^{[ 93 ] กาแล็กซี}ทั่วไปมีตั้งแต่กาแล็กซีแคระที่มีดาวเพียงสิบล้านดวง^{[ 94 ]} (10 ⁷ ) ไปจนถึงกาแล็กซียักษ์ที่มีดาวหนึ่งล้านล้าน ดวง ^{[ 95 ]} (10 ¹² ) ระหว่างโครงสร้างขนาดใหญ่จะมีช่องว่างซึ่งโดยทั่วไปมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 10–150 Mpc (33 ล้าน–490 ล้านปีแสง) ทางช้างเผือกอยู่ใน กลุ่ม กาแล็กซีท้องถิ่น ซึ่งอยู่ใน กระจุกกาแล็กซีลานิอาเคีย [ ^{96 ] กระจุก}กาแล็กซีนี้ครอบคลุมพื้นที่กว่า 500 ล้านปีแสง ในขณะที่กลุ่มกาแล็กซีท้องถิ่นครอบคลุมพื้นที่กว่า 10 ล้านปีแสง^{[ 97 ]}เอกภพยังมีบริเวณกว้างใหญ่ที่ว่างเปล่าโดยเปรียบเทียบ ช่องว่างที่ใหญ่ที่สุดเท่าที่ทราบมีขนาดกว้าง 1.8 พันล้านปีแสง (550 เมกะพาร์เซก) ^{[ 98 ]}

เอกภพที่สังเกตได้นั้นเป็นไอโซโทรปิกในระดับที่ใหญ่กว่าซูเปอร์คลัสเตอร์อย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งหมายความว่าคุณสมบัติทางสถิติของเอกภพนั้นเหมือนกันในทุกทิศทางเมื่อสังเกตจากโลก เอกภพถูกอาบด้วยรังสีไมโครเวฟ ที่เป็นไอโซโทรปิกสูง ซึ่งสอดคล้องกับสเปกตรัมของวัตถุดำที่สมดุลทางความร้อนประมาณ 2.72548 เคลวิน [ ^{6 ] สมมติฐาน}ที่ว่าเอกภพขนาดใหญ่เป็นเนื้อเดียวกันและเป็นไอโซโทรปิกเรียกว่าหลักการจักรวาลวิทยา [ ^{100 ] เอกภพ}ที่เป็นทั้งเนื้อเดียวกันและเป็นไอโซโทรปิกจะดูเหมือนกันจากทุกจุดสังเกตและไม่มีศูนย์กลาง^{[ 101 ] [ 102 ]}

คำอธิบายว่าทำไมการขยายตัวของจักรวาลจึงเร่งตัวขึ้นยังคงเป็นเรื่องที่เข้าใจยาก มักมีการกล่าวถึงอิทธิพลของแรงโน้มถ่วงของ "พลังงานมืด" ซึ่งเป็นพลังงานรูปแบบที่ไม่รู้จักซึ่งสันนิษฐานว่าแผ่กระจายไปทั่วอวกาศ^{[ 103 ]}บน พื้นฐาน ความสมดุลของมวลและพลังงานความหนาแน่นของพลังงานมืด (~ 7 × 10 ⁻³⁰ g/cm ³ ) น้อยกว่าความหนาแน่นของสสารธรรมดาหรือสสารมืดภายในกาแล็กซีมาก อย่างไรก็ตาม ในยุคพลังงานมืดปัจจุบัน พลังงานมืดกลับมีอิทธิพลเหนือมวลและพลังงานของจักรวาล เนื่องจากมันกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอทั่วอวกาศ^{[ 104 ] [ 105 ]}

รูปแบบพลังงานมืดที่เสนอไว้สองรูปแบบ ได้แก่ค่าคงที่จักรวาลวิทยาซึ่งเป็นความหนาแน่นพลังงานคงที่ ที่เติมเต็มพื้นที่อย่างสม่ำเสมอ ^{[ 106 ]}และสนามสเกลาร์เช่นควินเทสเซนส์หรือโมดูลัสซึ่ง เป็นปริมาณ ไดนามิกที่มีความหนาแน่นพลังงานแปรผันตามเวลาและพื้นที่ ในขณะที่ยังคงแทรกซึมมากพอที่จะทำให้เกิดอัตราการขยายตัวที่สังเกตได้ โดยปกติแล้ว ส่วนประกอบจากสนามสเกลาร์ที่คงที่ในอวกาศจะรวมอยู่ในค่าคงที่จักรวาลวิทยาด้วย ค่าคงที่จักรวาลวิทยาสามารถกำหนดให้เทียบเท่ากับพลังงานสุญญากาศได้

Dark matter is a hypothetical kind of matter that is invisible to the entire electromagnetic spectrum, but which accounts for most of the matter in the universe. The existence and properties of dark matter are inferred from its gravitational effects on visible matter, radiation, and the large-scale structure of the universe. Other than neutrinos, a form of hot dark matter, dark matter has not been detected directly, making it one of the greatest mysteries in modern astrophysics. Dark matter neither emits nor absorbs light or any other electromagnetic radiation at any significant level. Dark matter is estimated to constitute 26.8% of the total mass–energy and 84.5% of the total matter in the universe.^[81][107]

The remaining 4.9% of the mass–energy of the universe is ordinary matter, that is, atoms, ions, electrons and the objects they form. This matter includes stars, which produce nearly all of the light we see from galaxies, as well as interstellar gas in the interstellar and intergalactic media, planets, and all the objects from everyday life that we can bump into, touch or squeeze.^[109] The great majority of ordinary matter in the universe is unseen, since visible stars and gas inside galaxies and clusters account for less than 10 percent of the ordinary matter contribution to the mass–energy density of the universe.^{[110][111][112]}

สสารธรรมดามักมีอยู่ 4 สถานะ (หรือเฟส ) ได้แก่ของแข็งของเหลวก๊าซและพลาสมา [ ^{113 ]}อย่างไรก็ตาม ความก้าวหน้าในเทคนิคการทดลองได้เปิดเผยเฟสอื่นๆ ที่ก่อนหน้านี้เป็นเพียงทฤษฎี เช่นคอนเดนเซตโบส-ไอน์สไตน์และคอนเดนเซตเฟอร์มิออนิก^{[ 114 ] [ 115} ] ^{สสารธรรมดาประกอบด้วยอนุภาคพื้นฐาน} 2 ชนิดได้แก่ควาร์กและเลปตอน [ ^{116 ] ตัวอย่าง}เช่น โปรตอนประกอบด้วยควาร์กอัพ 2 ตัวและ ควาร์กดาวน์ 1 ตัวนิวตรอนประกอบด้วยควาร์กดาวน์ 2 ตัวและควาร์กอัพ 1 ตัว และอิเล็กตรอนเป็นเลปตอนชนิดหนึ่ง อะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสของอะตอมซึ่งประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน (ซึ่งทั้งสองเป็นแบริออน ) และอิเล็กตรอนที่โคจรรอบนิวเคลียส^{[ 41 ] : 1476}

ไม่นานหลังจากบิ๊กแบงโปรตอนและนิวตรอนดั้งเดิมก่อตัวขึ้นจากพลาสมาควาร์ก-กลูออนของเอกภพยุคแรกขณะที่มันเย็นตัวลงต่ำกว่า 2 ล้านล้านองศา ไม่กี่นาทีต่อมา ในกระบวนการที่เรียกว่าการสังเคราะห์นิวเคลียสบิ๊กแบงนิวเคลียสก่อตัวขึ้นจากโปรตอนและนิวตรอนดั้งเดิม การสังเคราะห์นิวเคลียสนี้ก่อให้เกิดธาตุที่เบากว่า คือธาตุที่มีเลขอะตอมน้อยๆ จนถึงลิเธียมและเบริลเลียมแต่ปริมาณของธาตุที่หนักกว่าลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อเลขอะตอมเพิ่มขึ้นโบรอน บางส่วน อาจก่อตัวขึ้นในเวลานี้ แต่ธาตุที่หนักกว่าถัดไปคือคาร์บอนไม่ได้ก่อตัวขึ้นในปริมาณมาก การสังเคราะห์นิวเคลียสบิ๊กแบงหยุดลงหลังจากประมาณ 20 นาทีเนื่องจากการลดลงอย่างรวดเร็วของอุณหภูมิและความหนาแน่นของเอกภพที่กำลังขยายตัว การก่อตัวของธาตุที่หนักกว่า ในภายหลัง เป็นผลมาจากการสังเคราะห์นิวเคลียสของดาวฤกษ์และการสังเคราะห์นิวเคลียสของซูเปอร์โนวา^{[ 117 ]}

สสารธรรมดาและแรงที่กระทำต่อสสารสามารถอธิบายได้ในแง่ของอนุภาคพื้นฐาน [ ^{118 ] บาง}ครั้งอนุภาคเหล่านี้ถือว่าเป็นพื้นฐานเพราะไม่มีโครงสร้างย่อยที่รู้จัก^{[ 119 ] [ 120 ]}ในแบบจำลองร่วมสมัยส่วนใหญ่ อนุภาคเหล่านี้ถูกมองว่าเป็นจุดในอวกาศ^{[ 121 ]}อนุภาคพื้นฐานทั้งหมดได้รับการอธิบายโดยกลศาสตร์ควอนตัมและแสดงให้เห็น ถึง ความเป็นคู่ของคลื่นและอนุภาค : พฤติกรรมของพวกมันมีทั้งลักษณะคล้ายอนุภาคและ คล้าย คลื่นที่ปรากฏภายใต้สถานการณ์ที่แตกต่างกัน^{[ 122 ]}

สิ่งสำคัญอย่างยิ่งคือแบบจำลองมาตรฐานซึ่งเป็นทฤษฎีที่เกี่ยวข้องกับ ปฏิสัมพันธ์ ทางแม่เหล็กไฟฟ้าและปฏิสัมพันธ์นิวเคลียร์แบบอ่อนและแบบแรง^{[ 123 ]}แบบจำลองมาตรฐานได้รับการสนับสนุนจากการยืนยันเชิงทดลองของการมีอยู่ของอนุภาคที่ประกอบเป็นสสาร ได้แก่ควาร์กและเลปตอนและคู่ " ปฏิสสาร " ที่สอดคล้องกัน รวมถึงอนุภาคแรงที่ทำหน้าที่เป็นตัวกลางในปฏิสัมพันธ์ได้แก่ โฟตอน โบซอน W และ Zและกลูออน [ ^{119 ] แบบ}จำลองมาตรฐานทำนายการมีอยู่ของโบซอนฮิกส์ ที่เพิ่งค้นพบ ซึ่งเป็นอนุภาคที่เป็นการแสดงออกของสนามภายในจักรวาลที่สามารถมอบมวลให้กับอนุภาคได้^{[ 124 ] [ 125 ]}เนื่องจากความสำเร็จในการอธิบายผลการทดลองที่หลากหลาย แบบจำลองมาตรฐานจึงถูกมองว่าเป็น "ทฤษฎีของเกือบทุกสิ่ง" ในบางครั้ง^{[ 123 ]}อย่างไรก็ตาม แบบจำลองมาตรฐานไม่ได้รองรับแรงโน้มถ่วง ทฤษฎี "ของทุกสิ่ง" ที่แท้จริงเกี่ยวกับแรงและอนุภาคยังไม่บรรลุผล^{[ 126 ]}

แฮดรอนเป็นอนุภาคประกอบที่ประกอบด้วยควาร์กซึ่งยึดติดกันด้วยแรงนิวเคลียร์แบบแรงแฮดรอนแบ่งออกเป็นสองตระกูล ได้แก่แบริออน (เช่นโปรตอนและนิวตรอน ) ซึ่งประกอบด้วยควาร์กสามตัว และเมซอน (เช่นไพอน ) ซึ่งประกอบด้วยควาร์กหนึ่งตัวและแอนติควาร์ก หนึ่ง ตัว ในบรรดาแฮดรอน โปรตอนมีเสถียรภาพ และนิวตรอนที่ถูกผูกไว้ภายในนิวเคลียสของอะตอมก็มีเสถียรภาพ แฮดรอนอื่นๆ ไม่เสถียรภายใต้สภาวะปกติ ดังนั้นจึงเป็นส่วนประกอบที่ไม่มีนัยสำคัญของเอกภพในปัจจุบัน^{[ 127 ] : 118–123}

ตั้งแต่ประมาณ 10 ⁻⁶วินาทีหลังจากบิ๊กแบงในช่วงเวลาที่เรียกว่ายุคแฮดรอนอุณหภูมิของจักรวาลลดลงมากพอที่จะทำให้ควาร์กจับตัวกันเป็นแฮดรอนได้ และมวลของจักรวาลส่วนใหญ่ประกอบด้วยแฮดรอนในตอนแรก อุณหภูมิสูงพอที่จะทำให้เกิดคู่แฮดรอน-แอนติแฮดรอน ซึ่งรักษาสมดุลทางความร้อน ระหว่างสสารและปฏิสสาร อย่างไรก็ตาม เมื่ออุณหภูมิของจักรวาลลดลงอย่างต่อเนื่อง คู่แฮดรอน-แอนติแฮดรอนก็ไม่ถูกสร้างขึ้นอีกต่อไป แฮดรอนและแอนติแฮดรอนส่วนใหญ่จึงถูกกำจัดไปใน ปฏิกิริยา การทำลายล้าง ของอนุภาค- ปฏิอนุภาค เหลือแฮดรอนเพียงเล็กน้อยเมื่อจักรวาลมีอายุประมาณหนึ่งวินาที^{[ 127 ] : 244–266}

เลปตอนเป็น อนุภาค พื้นฐาน ที่มีสปิน ครึ่งจำนวนเต็มซึ่งไม่เกิดปฏิกิริยาแรง แต่เป็นไปตามหลักการกีดกันของเปาลี กล่าวคือ เลปตอนสองตัวที่มีชนิดเดียวกันไม่สามารถอยู่ในสถานะเดียวกันในเวลาเดียวกันได้^{[ 128 ]}เลปตอนมีสองประเภทหลัก ได้แก่ เลปตอน ที่มีประจุ (หรือที่รู้จักกันในชื่อ เลปตอน คล้ายอิเล็กตรอน ) และเลปตอนที่เป็นกลาง (หรือที่รู้จักกันดีในชื่อนิวตริโน ) อิเล็กตรอนมีเสถียรภาพและเป็นเลปตอนที่มีประจุที่พบได้มากที่สุดในจักรวาล ในขณะที่มิวออนและเทาเป็นอนุภาคที่ไม่เสถียรซึ่งสลายตัวอย่างรวดเร็วหลังจากถูกสร้างขึ้นใน การชนกันที่ มีพลังงานสูงเช่น การชนกันที่เกี่ยวข้องกับรังสีคอสมิกหรือที่ดำเนินการในเครื่องเร่งอนุภาค^{[ 129 ] [ 130 ]}เลปตอนที่มีประจุสามารถรวมกับอนุภาคอื่น ๆ เพื่อสร้างอนุภาคผสม ต่าง ๆ เช่นอะตอมและโพซิตรอนเนียม อิเล็กตรอน ควบคุม เคมีเกือบทั้งหมดเนื่องจากพบได้ในอะตอมและเชื่อมโยงโดยตรงกับคุณสมบัติทางเคมี ทั้งหมด นิวตริโนแทบจะไม่ทำปฏิกิริยากับสิ่งใดเลย และด้วยเหตุ นี้จึงแทบจะไม่ถูกสังเกตเห็น นิวตริโนไหลไปทั่วจักรวาลแต่แทบจะไม่ทำปฏิกิริยากับสสารปกติ^{[ 131 ]}

ยุคเลปตอนเป็นช่วงเวลาในวิวัฒนาการของเอกภพยุคแรก ซึ่งเลปตอนมีมวลมากกว่าเอกภพ เริ่มต้นประมาณ 1 วินาทีหลังจากบิ๊กแบงหลังจากที่แฮดรอนและแอนติแฮดรอนส่วนใหญ่ทำลายล้างกันเองในช่วงท้ายของยุคแฮดรอนในยุคเลปตอน อุณหภูมิของเอกภพยังคงสูงพอที่จะสร้างคู่เลปตอน-แอนติเลปตอนได้ ดังนั้นเลปตอนและแอนติเลปตอนจึงอยู่ในสมดุลทางความร้อน ประมาณ 10 วินาทีหลังจากบิ๊กแบง อุณหภูมิของเอกภพลดลงจนถึงจุดที่คู่เลปตอน-แอนติเลปตอนไม่ถูกสร้างขึ้นอีกต่อไป^{[ 132 ]}จากนั้นเลปตอนและแอนติเลปตอนส่วนใหญ่ก็ถูกกำจัดไปใน ปฏิกิริยา การทำลายล้างเหลือเพียงเลปตอนจำนวนเล็กน้อย มวลของเอกภพจึงถูกครอบงำด้วยโฟตอนเมื่อเข้าสู่ยุคโฟตอน ต่อ ไป^{[ 133 ] [ 134 ]}

โฟตอนคือควอนตัมของแสง และ รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าทุกรูปแบบมันเป็นตัวนำของแรงแม่เหล็กไฟฟ้าผลของแรง นี้ สามารถสังเกตได้ง่ายทั้งใน ระดับ จุลภาคและมหภาคเนื่องจากโฟตอนมีมวล นิ่งเป็นศูนย์ ซึ่งทำให้สามารถ เกิดปฏิสัมพันธ์ในระยะไกลได้[ ^{41 ] : 1470}

ยุคโฟตอนเริ่มต้นขึ้นหลังจากที่เลปตอนและแอนติเลปตอนส่วนใหญ่ถูกทำลายไปในตอนท้ายของยุคเลปตอน ประมาณ 10 วินาทีหลังจากบิ๊กแบง นิวเคลียสของอะตอมถูกสร้างขึ้นในกระบวนการสังเคราะห์นิวเคลียสซึ่งเกิดขึ้นในช่วงไม่กี่นาทีแรกของยุคโฟตอน ในช่วงเวลาที่เหลือของยุคโฟตอน จักรวาลประกอบด้วยพลาสมาที่ มีอุณหภูมิสูงและหนาแน่น ของนิวเคลียส อิเล็กตรอน และโฟตอน ประมาณ 380,000 ปีหลังจากบิ๊กแบง อุณหภูมิของจักรวาลลดลงจนถึงจุดที่นิวเคลียสสามารถรวมตัวกับอิเล็กตรอนเพื่อสร้างอะตอมที่เป็นกลางได้ ผลก็คือ โฟตอนไม่ทำปฏิกิริยากับสสารบ่อยนักอีกต่อไป และจักรวาลก็โปร่งใส โฟตอนที่มีการเลื่อนไปทางแดงสูงจากช่วงเวลานี้ก่อให้เกิดพื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาล การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในอุณหภูมิของ CMB สอดคล้องกับการเปลี่ยนแปลงในความหนาแน่นของจักรวาลซึ่งเป็น "เมล็ดพันธุ์" ในช่วงแรกๆ ที่การก่อตัวของโครงสร้าง ทั้งหมดในภายหลัง เกิดขึ้น^{[ 127 ] : 244–266}

ความถี่ของสิ่งมีชีวิตในจักรวาลเป็นประเด็นที่ถูกตรวจสอบบ่อยครั้งในดาราศาสตร์และดาราชีววิทยาโดยเป็นประเด็นของสมการเดรกและมุมมองที่แตกต่างกันเกี่ยวกับสมการนี้ ตั้งแต่การระบุถึงความขัดแย้งของเฟอร์มิสถานการณ์ที่ไม่พบสัญญาณของสิ่งมีชีวิตนอกโลก ไปจนถึงข้อโต้แย้งสำหรับจักรวาลวิทยาชีวฟิสิกส์มุมมองที่ว่าชีวิตเป็นสิ่งที่มีอยู่โดยธรรมชาติในจักรวาลวิทยาทางกายภาพของจักรวาล^{[ 135 ]}

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเป็นทฤษฎีทางเรขาคณิต ของแรงโน้มถ่วงที่คิดค้นโดยอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ในปี 1915 และยังคงเป็นคำอธิบายมาตรฐานของแรงโน้มถ่วงในฟิสิกส์สมัยใหม่ ทฤษฎีนี้ ขยายทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษและกฎแรงโน้มถ่วงสากลของนิวตัน โดย ^{อธิบาย}แรงโน้มถ่วงว่าเป็นปรากฏการณ์ของความโค้งของอวกาศและเวลา (กาลอวกาศ) ในกรอบนี้ ความโค้งของกาลอวกาศถูกกำหนดโดยพลังงานและโมเมนตัมของสสารและรังสี [ ^{136 ]}

ความสัมพันธ์นี้แสดงออกมาผ่านสมการสนามของไอน์สไตน์ซึ่งเชื่อมโยงการกระจายตัวของสสารและพลังงานเข้ากับเรขาคณิตของกาลอวกาศ เรขาคณิตที่เกิดขึ้นจะควบคุมการเคลื่อนที่ของสสาร ดังนั้นคำตอบของสมการเหล่านี้จึงอธิบายว่าจักรวาลวิวัฒนาการอย่างไรเมื่อเวลาผ่านไป^{[ 136 ]}

ภายใต้หลักการจักรวาลวิทยาซึ่งถือว่าเอกภพมีความเป็นเนื้อเดียวกันและสมมาตรในระดับใหญ่ สมการสนามยอมรับคลาสของคำตอบที่อธิบายโดยเทนเซอร์เมตริกที่เรียกว่าเมตริก Friedmann–Lemaître–Robertson–Walkerในคำอธิบายนี้ เอกภพมีลักษณะเฉพาะด้วยปริมาณสองอย่าง ได้แก่ ตัวประกอบมาตราส่วน ซึ่งอธิบายว่าขนาดโดยรวมเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรเมื่อเวลาผ่านไป และดัชนีความโค้ง ซึ่งระบุเรขาคณิตเชิงพื้นที่ ความโค้งอาจเป็นแบบแบน โค้งบวก หรือโค้งลบ^{[ 137 ]}

วิวัฒนาการของปัจจัยมาตราส่วนขึ้นอยู่กับทั้งความโค้งเชิงพื้นที่และค่าคงที่จักรวาลวิทยาซึ่งแสดงถึงความหนาแน่นของพลังงานของพื้นที่ว่างเปล่าและอาจเกี่ยวข้องกับพลังงานมืด^{[ 136 ] [ 82 ]}ความสัมพันธ์ที่ควบคุมวิวัฒนาการนี้เรียกว่าสมการฟรีดมันน์ซึ่งนำเสนอโดยอเล็กซานเดอร์ ฟรีดมันน์

ความโค้งกำหนดเรขาคณิตโดยรวมของอวกาศ จักรวาลที่มีความโค้งเป็นบวกจะมีปริมาตรจำกัดและสามารถมองเห็นได้เป็นทรงกลมสามมิติ จักรวาลที่แบนราบหรือมีความโค้งเป็นลบจะมีขนาดอนันต์ในเชิงพื้นที่^{[ 138 ]}แม้ว่าสิ่งนี้อาจดูขัดกับสัญชาตญาณ แต่แบบจำลองที่มีความโค้งแบนราบหรือเป็นลบจะช่วยให้จักรวาลอนันต์เกิดขึ้นจากสถานะเริ่มต้นที่ปัจจัยมาตราส่วนเป็นศูนย์ ซึ่งสอดคล้องกับหลักการทางจักรวาลวิทยาการเปรียบเทียบได้แก่ระนาบอนันต์ (แบนราบ) หรือรูปทรงเรขาคณิตอื่นๆ เช่นทอ รัส

ชะตากรรมสุดท้ายของจักรวาลขึ้นอยู่กับทั้งความโค้งและค่าคงที่ทางจักรวาลวิทยา จักรวาลที่มีความหนาแน่นเพียงพอและมีความโค้งเป็นบวกจะยุบตัวลงในที่สุดด้วยปรากฏการณ์บิ๊กครันช์ซึ่งอาจตามมาด้วยบิ๊กบาวน์ซในทางตรงกันข้าม จักรวาลที่แบนราบหรือมีความโค้งเป็นลบจะขยายตัวอย่างไม่มีที่สิ้นสุด เข้าใกล้บิ๊กฟรีซและในที่สุดก็จะถึงจุดจบของจักรวาลเนื่องจากความร้อนการสังเกตการณ์บ่งชี้ว่าการขยายตัวของจักรวาลกำลังเร่งตัวขึ้น ทำให้เกิดความเป็นไปได้ของบิ๊กริปข้อมูลปัจจุบันชี้ให้เห็นว่าจักรวาลเกือบจะแบนราบ โดยมีความหนาแน่นใกล้เคียงกับค่าวิกฤตที่แยกการยุบตัวออกจากการขยายตัวอย่างไม่มีที่สิ้นสุด^{[ 139 ]}

ทฤษฎีเชิงคาดการณ์บางทฤษฎีเสนอว่าจักรวาลของเราเป็นเพียงหนึ่งในชุดของจักรวาลที่ไม่เชื่อมต่อกัน ซึ่งโดยรวมเรียกว่ามัลติเวิร์ส [ ^{140 ] [ 141 ] อุปมาอุปไมย}ที่เห็นภาพได้ง่ายของแนวคิดเหล่านี้คือกลุ่มของฟองสบู่ ที่แยกจากกัน ซึ่งผู้สังเกตการณ์ที่อาศัยอยู่ในฟองสบู่หนึ่งไม่สามารถโต้ตอบกับผู้ที่อยู่ในฟองสบู่อื่นได้ แม้แต่ในทางทฤษฎี^{[ 142 ]}ตามคำศัพท์ทั่วไป ฟองสบู่แต่ละฟองของกาลอวกาศเรียกว่าจักรวาลในขณะที่กาลอวกาศเฉพาะของมนุษย์เรียกว่าจักรวาล [ ^{140 ]}เช่นเดียวกับที่มนุษย์เรียกดวงจันทร์ ของโลกว่า ดวง จันทร์ กลุ่มของกาลอวกาศที่แยกจากกันทั้งหมดนี้เรียกว่ามัลติเวิร์^{ส[ 140 ]}

Max TegmarkและBrian Greeneได้เสนอแผนการจำแนกประเภทที่แตกต่างกันสำหรับแนวคิดเรื่องพหุจักรวาล ในแผนการของ Tegmark พหุจักรวาลอาจเกิดจากขนาดอันมหาศาลของกาลอวกาศ จากกระบวนการทางจักรวาลวิทยาที่สร้างฟองกาลอวกาศ^{[ 143 ]} จาก ความเป็นเอกภาพทางกลศาสตร์ควอนตัมหรือเพราะเราอาศัยอยู่ในโครงสร้างทางคณิตศาสตร์ หากอวกาศเป็นอนันต์ หรือมีขนาดใหญ่และสม่ำเสมอเพียงพอ เหตุการณ์ที่เหมือนกันของประวัติศาสตร์ของปริมาตรฮับเบิล ทั้งหมดของโลก จะเกิดขึ้นเป็นระยะ ๆ โดยบังเอิญ Tegmark คำนวณว่าสิ่งที่เรียกว่าคู่แฝด ที่ใกล้ที่สุดของเราอยู่ ห่างจากเรา10 ^{10 115} เมตร ( ฟังก์ชันเลขชี้กำลังสองเท่าที่ใหญ่กว่ากูเกิลเพล็กซ์ ) ^{[ 144 ]}พื้นฐานทางกายภาพของแนวคิดเหล่านี้ถูกท้าทาย^{[ 145 ] [ 146 ]}

ในอดีต มีแนวคิดมากมายเกี่ยวกับจักรวาล (จักรวาลวิทยา) และต้นกำเนิดของมัน (กำเนิดจักรวาล) ทฤษฎีจักรวาลที่ไม่มีตัวตนซึ่งอยู่ภายใต้กฎทางฟิสิกส์นั้นถูกเสนอขึ้นครั้งแรกโดยชาวกรีกและชาวอินเดีย^{[ 147 ]}ปรัชญาจีนโบราณครอบคลุมแนวคิดของจักรวาลที่รวมทั้งอวกาศและเวลาทั้งหมด^{[ 148 ]}ตลอดหลายศตวรรษ การพัฒนาในการสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์และทฤษฎีการเคลื่อนที่และแรงโน้มถ่วงนำไปสู่คำอธิบายที่แม่นยำยิ่งขึ้นเกี่ยวกับจักรวาล ยุคสมัยใหม่ของจักรวาลวิทยาเริ่มต้นด้วยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ของ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ในปี 1915 ซึ่งทำให้สามารถทำนายต้นกำเนิด วิวัฒนาการ และจุดจบของจักรวาลโดยรวมได้ในเชิงปริมาณ ทฤษฎีจักรวาลวิทยาที่ได้รับการยอมรับในปัจจุบันส่วนใหญ่มีพื้นฐานมาจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป และโดยเฉพาะอย่างยิ่งบิ๊กแบงที่ ทำนายไว้ ^{[ 149 ]}

หลายวัฒนธรรมมีเรื่องเล่าที่อธิบายถึงต้นกำเนิดของโลกและจักรวาลโดยทั่วไปแล้ววัฒนธรรมต่างๆ ถือว่าเรื่องเล่าเหล่านี้มีความจริงอยู่ บ้าง อย่างไรก็ตาม มีความเชื่อที่แตกต่างกันมากมายเกี่ยวกับวิธีการนำเรื่องเล่าเหล่านี้ไปใช้ในหมู่ผู้ที่เชื่อในต้นกำเนิดเหนือธรรมชาติ ตั้งแต่พระเจ้าสร้างจักรวาลขึ้นมาโดยตรงอย่างที่เป็นอยู่ในปัจจุบัน ไปจนถึงพระเจ้าเป็นเพียงผู้ตั้ง "ล้อให้หมุน" (เช่น ผ่านกลไกต่างๆ เช่น บิ๊กแบงและวิวัฒนาการ) ^{[ 150 ]}

นักชาติพันธุ์วิทยาและนักมานุษยวิทยาที่ศึกษาตำนานได้พัฒนารูปแบบการจำแนกประเภทต่างๆ สำหรับธีมต่างๆ ที่ปรากฏในเรื่องราวการสร้างโลก^{[ 151 ] [ 152 ]}ตัวอย่างเช่น ในเรื่องราวประเภทหนึ่ง โลกถือกำเนิดจากไข่โลกเรื่องราวดังกล่าวได้แก่มหากาพย์Kalevalaของฟินแลนด์ เรื่องราวของPangu ของจีนหรือBrahmanda Purana ของอินเดียในเรื่องราวที่เกี่ยวข้อง จักรวาลถูกสร้างขึ้นโดยสิ่งมีชีวิตเดียวที่แผ่ขยายหรือสร้างบางสิ่งบางอย่างด้วยตัวของมันเอง เช่นแนวคิดของพุทธศาสนาทิเบต เรื่อง Adi-Buddhaเรื่องราวของGaia (พระแม่ธรณี) ของกรีกโบราณ ตำนาน เทพธิดาCoatlicue ของชาว แอ ซเท็ก เรื่องราว ของ เทพเจ้าAtum ของอียิปต์โบราณและเรื่องราวการสร้างโลกในปฐม กาลของศาสนา ยูดาห์-คริสเตียนซึ่งพระเจ้าของอับราฮัมสร้างจักรวาล ในเรื่องราวอีกประเภทหนึ่ง จักรวาลถูกสร้างขึ้นจากการรวมกันของเทพเจ้าชายและหญิง เช่น เรื่องราว ของRangi และ Papa ของ ชาวเมารีในเรื่องเล่าอื่นๆ จักรวาลถูกสร้างขึ้นโดยการสร้างจากวัสดุที่มีอยู่ก่อนแล้ว เช่น ศพของเทพเจ้าที่ตายแล้ว—ดังเช่นเทียแมทในมหากาพย์บาบิโลนEnuma Elishหรือจากยักษ์Ymirในเทพปกรณัมนอร์ส —หรือจากวัสดุที่วุ่นวาย เช่นIzanagiและIzanamiในเทพปกรณัมญี่ปุ่นในเรื่องเล่าอื่นๆ จักรวาลกำเนิดมาจากหลักการพื้นฐาน เช่นพราหมณ์และปรักฤติและตำนานการสร้างของเซเรอร์^{[ 153 ]}

นักปรัชญากรีกก่อนยุคโสกราตีสและนักปรัชญาอินเดียได้พัฒนาแนวคิดทางปรัชญาเกี่ยวกับจักรวาลในยุคแรกๆ^{[ 147 ] [ 154 ]}นักปรัชญากรีกยุคแรกๆ สังเกตว่าสิ่งที่ปรากฏอาจหลอกลวงได้ และพยายามทำความเข้าใจความเป็นจริงที่อยู่เบื้องหลังสิ่งที่ปรากฏ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง พวกเขาสังเกตเห็นความสามารถของสสารในการเปลี่ยนรูปแบบ (เช่น น้ำแข็งเป็นน้ำเป็นไอน้ำ) และนักปรัชญาหลายคนเสนอว่าวัสดุทางกายภาพทั้งหมดในโลกเป็นรูปแบบต่างๆ ของวัสดุดั้งเดิมเพียงอย่างเดียว หรืออาร์คี (arche ) คนแรกที่ทำเช่นนั้นคือเธลส์ซึ่งเสนอว่าวัสดุนี้คือน้ำอนาซิแมนเดอร์ศิษย์ของเธลส์เสนอว่าทุกสิ่งมาจากอะเพรอน (apeiron ) ที่ไร้ขีดจำกัด อนาซิเมเนสเสนอว่าวัสดุดั้งเดิมคืออากาศเนื่องจากคุณสมบัติที่ดึงดูดและผลักดันที่ทำให้อาร์คีควบแน่นหรือแยกตัวออกเป็นรูปแบบต่างๆอนาซาโกราสเสนอหลักการของนูส (จิตใจ) ในขณะที่เฮราคลิตัสเสนอไฟ (และพูดถึงโลโกส ) เอมเปโดคลีสเสนอว่าธาตุทั้งสี่คือ ดิน น้ำ อากาศ และไฟ แบบจำลองธาตุทั้งสี่ของเขากลายเป็นที่นิยมมาก เช่นเดียวกับพีทาโกราสเพลโตเชื่อว่าทุกสิ่งประกอบด้วยตัวเลขโดยธาตุของเอมเปโดคลีสอยู่ในรูปของทรงหลายเหลี่ยมแบบเพลโต เดโมคริตุ สและนักปรัชญารุ่นหลัง—โดยเฉพาะอย่างยิ่งลูซิปปัส —เสนอว่าจักรวาลประกอบด้วยอะตอม ที่แบ่งแยกไม่ได้ ซึ่งเคลื่อนที่ผ่านความว่างเปล่า ( สุญญากาศ ) แม้ว่าอริสโตเติลจะไม่เชื่อว่าจะเป็นไปได้ เพราะอากาศเช่นเดียวกับน้ำมีความต้านทานต่อการเคลื่อนที่อากาศจะพุ่งเข้าไปเติมเต็มความว่างเปล่าทันที และยิ่งไปกว่านั้น หากไม่มีความต้านทาน มันก็จะทำเช่นนั้นได้อย่างรวดเร็วอย่างไม่มีที่สิ้นสุด^{[ 147 ]}

แม้ว่าเฮราคลิตัสจะโต้แย้งถึงการเปลี่ยนแปลงชั่วนิรันดร์^{[ 155 ]} แต่ พาร์เมนิดส์ผู้ร่วมสมัยของเขากลับเน้นย้ำถึงความไม่เปลี่ยนแปลง บทกวีว่าด้วยธรรมชาติ ของพาร์เมนิดส์ ถูกตีความว่าการเปลี่ยนแปลงทั้งหมดเป็นเพียงภาพลวงตา ความจริงพื้นฐานที่แท้จริงนั้นไม่เปลี่ยนแปลงชั่วนิรันดร์และมีธรรมชาติเดียว หรืออย่างน้อยที่สุด คุณลักษณะสำคัญของทุกสิ่งที่มีอยู่จะต้องดำรงอยู่ชั่วนิรันดร์โดยไม่มีต้นกำเนิด การเปลี่ยนแปลง หรือจุดจบ^{[ 156 ]}เซโนแห่งเอเลียศิษย์ของเขา ได้ท้าทายความคิดทั่วไปเกี่ยวกับการเคลื่อนไหวด้วย ปริศนาที่มีชื่อเสียงหลายประการอริสโตเติลตอบสนองต่อปริศนาเหล่านี้โดยการพัฒนาแนวคิดของอนันต์ที่นับได้ที่เป็นไปได้ เช่นเดียวกับความต่อเนื่องที่แบ่งได้ไม่สิ้นสุด^{[ 157 ] [ 158 ]}

นักปรัชญาชาวอินเดียชื่อกานาดาผู้ก่อตั้ง สำนัก ไวเศศิกะได้พัฒนาแนวคิดเรื่องอะตอมนิยมและเสนอว่าแสงและความร้อนเป็นรูปแบบหนึ่งของสารเดียวกัน^{[ 159 ]}ในศตวรรษที่ 5 นักปรัชญาชาวพุทธ ที่เชื่อในอะตอมนิยม ชื่อทิกนาคะได้เสนอว่าอะตอมมีขนาดเล็กเท่าจุด ไม่มีระยะเวลา และประกอบด้วยพลังงาน พวกเขาปฏิเสธการมีอยู่ของสสารและเสนอว่าการเคลื่อนไหวประกอบด้วยแสงวาบชั่วขณะของกระแสพลังงาน^{[ 160 ]}

แนวคิดเรื่องความจำกัดของเวลาได้รับแรงบันดาลใจจากหลักคำสอนเรื่องการสร้างโลกที่ ศาสนา อับราฮัมทั้งสามศาสนา มีร่วมกัน ได้แก่ศาสนายูดาห์ศาสนาคริสต์และศาสนาอิสลามนักปรัชญาคริสเตียนจอห์น ฟิโลโพนัสได้นำเสนอข้อโต้แย้งทางปรัชญาต่อแนวคิดของชาวกรีกโบราณเกี่ยวกับอดีตและอนาคตที่ไม่มีที่สิ้นสุด ข้อโต้แย้งของฟิโลโพนัสต่ออดีตที่ไม่มีที่สิ้นสุดถูกนำไปใช้โดยนักปรัชญามุสลิมยุคแรกอัล-คินดี (อัลกินดัส) นักปรัชญาชาวยิวซาเดีย กาออน ( ซาเดีย เบน โจเซฟ) และนักเทววิทยาชาวมุสลิมอัล-กาซาลี (อัลกาเซล) ^{[ 161 ]}

ลัทธิแพนธีอิสม์คือ ความเชื่อ ทางปรัชญาศาสนาที่ว่าจักรวาลนั้นเหมือนกับพระเจ้าและเป็น สิ่งมีชีวิต หรือสิ่งสูงสุด^{[ 162 ]} ดังนั้นจักรวาลทางกายภาพจึงถูกเข้าใจว่าเป็น เทพเจ้าที่ครอบคลุมและสถิตอยู่ภายใน^{[ 163 ]} คำว่า 'แพนธีอิสต์' หมายถึงผู้ที่เชื่อว่าทุกสิ่งประกอบกันเป็นเอกภาพ และเอกภาพนี้เป็นสิ่งศักดิ์สิทธิ์ ประกอบด้วย เทพเจ้าหรือเทพธิดาที่ครอบคลุมและปรากฏให้เห็น^{[ 164 ] [ 165 ]}

บันทึกลายลักษณ์อักษรที่เก่าแก่ที่สุดที่สามารถระบุได้ว่าเป็นบรรพบุรุษของดาราศาสตร์สมัยใหม่มาจากอียิปต์โบราณและเมโสโปเตเมียในช่วงประมาณ 3000 ถึง 1200 ปีก่อนคริสตกาล^{[ 166 ] [ 167 ]}นักดาราศาสตร์ชาวบาบิโลนในศตวรรษที่ 7 ก่อนคริสตกาลมองว่าโลกเป็นแผ่นดิสก์แบนที่ล้อมรอบด้วยมหาสมุทร^{[ 168 ] [ 169 ]}

นักปรัชญา กรีกรุ่นหลังเมื่อสังเกตการเคลื่อนที่ของเทห์ฟากฟ้า ต่างก็สนใจที่จะพัฒนารูปแบบของจักรวาลโดยอาศัยหลักฐานเชิงประจักษ์ ที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้น แบบ จำลองจักรวาลวิทยายุคแรกๆ บางส่วนได้รับการพัฒนาโดย นักปรัชญา กรีกและอินเดีย โบราณ และเป็นแบบศูนย์กลางโลก โดยวางโลกไว้ที่ศูนย์กลาง^{[ 170 ] [ 147 ]}แบบจำลองที่สอดคล้องกันแบบแรกถูกเสนอโดยยูโดซัสแห่งคนิดอส ศิษย์ของเพลโตผู้ซึ่งยึดถือแนวคิดของเพลโตที่ว่าการเคลื่อนที่ของเทห์ฟากฟ้าจะต้องเป็นวงกลม เพื่ออธิบายความซับซ้อนของการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ที่ทราบกันดี โดยเฉพาะอย่างยิ่งการเคลื่อนที่ย้อนกลับ แบบจำลองของยูโดซัสจึงรวมทรงกลม ท้องฟ้าที่แตกต่างกัน 27 ทรง กลม ได้แก่ สี่ทรงกลมสำหรับดาวเคราะห์แต่ละดวงที่มองเห็นได้ด้วยตาเปล่า สามทรงกลมสำหรับดวงอาทิตย์และดวงจันทร์ และหนึ่งทรงกลมสำหรับดวงดาว ทรงกลมทั้งหมดเหล่านี้มีศูนย์กลางอยู่ที่โลก ซึ่งยังคงอยู่นิ่งในขณะที่ทรงกลมเหล่านี้หมุนไปตลอดกาล อริสโตเติลได้ขยายความแบบจำลองนี้ โดยเพิ่มจำนวนทรงกลมเป็น 55 เพื่ออธิบายรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ สำหรับอริสโตเติลสสาร ปกติ ทั้งหมดถูกบรรจุอยู่ภายในทรงกลมของโลก และปฏิบัติตามกฎที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิงจาก ส สารบนท้องฟ้า^{[ 171 ] [ 172 ]}

ตำรา De Mundoหลังยุคอริสโตเติล(ซึ่งไม่ทราบผู้แต่งและวันที่แน่ชัด) ระบุว่า “องค์ประกอบห้าอย่าง ตั้งอยู่ในทรงกลมในห้าภูมิภาค โดยในแต่ละกรณี องค์ประกอบที่เล็กกว่าจะถูกล้อมรอบด้วยองค์ประกอบที่ใหญ่กว่า กล่าวคือ โลกถูกล้อมรอบด้วยน้ำ น้ำถูกล้อมรอบด้วยอากาศ อากาศถูกล้อมรอบด้วยไฟ และไฟถูกล้อมรอบด้วยอีเธอร์ ประกอบกันเป็นจักรวาลทั้งหมด” ^{[ 173 ]}แบบจำลองนี้ได้รับการปรับปรุงโดยคาลลิปปัสและหลังจากที่ละทิ้งทรงกลมศูนย์กลางแล้ว แบบจำลองนี้ก็สอดคล้องกับการสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์อย่างสมบูรณ์แบบโดยปโตเลมี [ ^{174 ] ความ}สำเร็จของแบบจำลองดังกล่าวส่วนใหญ่เกิดจากข้อเท็จจริงทางคณิตศาสตร์ที่ว่า ฟังก์ชันใดๆ (เช่น ตำแหน่งของดาวเคราะห์) สามารถแยกออกเป็นชุดของฟังก์ชันวงกลม ( โหมดฟูริเยร์ ) ได้ นักวิทยาศาสตร์ชาวกรีกคนอื่นๆ เช่นฟิโลเลาส์นักปรัชญาชาวพีทาโกเรียนได้ตั้งสมมติฐาน (ตาม บันทึกของ สโตเบอุส ) ว่าที่ใจกลางของจักรวาลมี “ไฟกลาง” ซึ่งโลกดวงอาทิตย์ดวงจันทร์และดาวเคราะห์โคจรรอบด้วยการเคลื่อนที่แบบวงกลมสม่ำเสมอ^{[ 175 ]}

อริสตาร์คัสแห่งซามอสนักดาราศาสตร์ชาวกรีก เป็นบุคคลแรกที่เสนอ แบบจำลองจักรวาลแบบ เฮลิโอเซนทริก ( ดวงอาทิตย์เป็นศูนย์กลาง ) แม้ว่าต้นฉบับจะสูญหายไปแล้ว แต่มีการอ้างอิงถึงแบบจำลองเฮลิโอเซนทริกของอริสตาร์คัส ใน หนังสือThe Sand Reckonerของอาร์คิมิดีส โดยอาร์คิมิดีสเขียนไว้ว่า:

กษัตริย์เจลอน ท่านทราบดีว่าจักรวาลเป็นชื่อที่นักดาราศาสตร์ส่วนใหญ่ใช้เรียกทรงกลมที่มีจุดศูนย์กลางอยู่ที่จุดศูนย์กลางของโลก ในขณะที่รัศมีของมันเท่ากับเส้นตรงที่ลากระหว่างจุดศูนย์กลางของดวงอาทิตย์และจุดศูนย์กลางของโลก นี่คือคำอธิบายทั่วไปที่ท่านเคยได้ยินจากนักดาราศาสตร์ แต่อริสตาร์คัสได้เขียนหนังสือเล่มหนึ่งซึ่งประกอบด้วยสมมติฐานบางประการ ซึ่งปรากฏว่าเป็นผลจากสมมติฐานเหล่านั้น จักรวาลนั้นใหญ่กว่าจักรวาลที่กล่าวถึงไปหลายเท่า สมมติฐานของเขาคือ ดาวฤกษ์และดวงอาทิตย์ยังคงอยู่กับที่ โลกโคจรรอบดวงอาทิตย์บนเส้นรอบวงของวงกลม โดยดวงอาทิตย์อยู่ตรงกลางวงโคจร และทรงกลมของดาวฤกษ์ที่อยู่รอบจุดศูนย์กลางเดียวกับดวงอาทิตย์นั้นมีขนาดใหญ่มากจนวงกลมที่เขาสมมติว่าโลกโคจรรอบนั้นมีสัดส่วนกับระยะห่างของดาวฤกษ์เท่ากับสัดส่วนของจุดศูนย์กลางของทรงกลมกับพื้นผิวของมัน^{[ 176 ]}

อริสตาร์คัสจึงเชื่อว่าดวงดาวอยู่ไกลมาก และมองว่านี่เป็นเหตุผลที่ ไม่มีการสังเกต พารัลแลกซ์ของดาวฤกษ์นั่นคือ ไม่มีการสังเกตการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ของดาวฤกษ์ในขณะที่โลกโคจรรอบดวงอาทิตย์ อันที่จริงแล้วดวงดาวอยู่ไกลกว่าระยะทางที่สันนิษฐานกันโดยทั่วไปในสมัยโบราณมาก ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมพารัลแลกซ์ของดาวฤกษ์จึงตรวจจับได้ด้วยเครื่องมือที่มีความแม่นยำสูงเท่านั้น แบบจำลองโลกเป็นศูนย์กลาง ซึ่งสอดคล้องกับพารัลแลกซ์ของดาวเคราะห์ ถือเป็นคำอธิบายสำหรับการไม่สามารถสังเกตพารัลแลกซ์ของดาวฤกษ์ได้^{[ 177 ]}

นักดาราศาสตร์คนอื่นจากยุคโบราณที่ทราบชื่อซึ่งสนับสนุนแบบจำลองสุริยจักรวาลของอริสตาร์คัสมีเพียงเซเลอุคัสแห่งเซเลเซียนักดาราศาสตร์ชาวเฮลเลนิสติกผู้มีชีวิตอยู่หนึ่งศตวรรษหลังจากอริสตาร์คัส^{[ 178 ] [ 179 ] [ 180 ]}ตามที่พลูตาร์คกล่าว เซเลอุคัสเป็นคนแรกที่พิสูจน์ระบบสุริยจักรวาลโดยใช้เหตุผลแต่ไม่ทราบว่าเขาใช้ข้อโต้แย้งใด ข้อโต้แย้งของเซเลอุคัสเกี่ยวกับจักรวาลวิทยาแบบสุริยจักรวาลน่าจะเกี่ยวข้องกับปรากฏการณ์ น้ำ ขึ้นน้ำลง^{[ 181 ]}ตามที่สตรโบ (1.1.9) กล่าว เซเลอุคัสเป็นคนแรกที่ระบุว่าน้ำขึ้นน้ำลงเกิดจากแรงดึงดูดของดวงจันทร์ และความสูงของน้ำขึ้นน้ำลงขึ้นอยู่กับตำแหน่งของดวงจันทร์เมื่อเทียบกับดวงอาทิตย์^{[ 182 ]}อีกทางหนึ่ง เขาอาจพิสูจน์ระบบสุริยจักรวาลโดยการกำหนดค่าคงที่ของ แบบจำลอง ทางเรขาคณิตสำหรับระบบนี้ และโดยการพัฒนาวิธีการคำนวณตำแหน่งของดาวเคราะห์โดยใช้แบบจำลองนี้ คล้ายกับนิโคลัส โคเปอร์นิคัสในศตวรรษที่ 16 ^{[ 183 ]}ในช่วงยุคกลางนักดาราศาสตร์ชาวเปอร์เซียอัลบูมาซาร์^{[ 184 ]}และอัล-ซิจซี [ ^{185 ] ก็ได้}เสนอแบบจำลองสุริยจักรวาล เช่นกัน

แบบจำลองของอริสโตเติลได้รับการยอมรับในโลกตะวันตกเป็นเวลาประมาณสองพันปี จนกระทั่งโคเปอร์นิคัสได้ฟื้นฟูมุมมองของอริสตาร์คัสที่ว่าข้อมูลทางดาราศาสตร์สามารถอธิบายได้อย่างสมเหตุสมผลมากขึ้นหากโลกหมุนรอบแกนของตัวเองและดวงอาทิตย์อยู่ที่ศูนย์กลางของจักรวาล^{[ 186 ]}

ใจกลางวิหารนั้นคือดวงอาทิตย์ เพราะใครเล่าจะนำตะเกียงของวิหารอันงดงามนี้ไปไว้ในที่อื่นหรือที่ที่ดีกว่านี้ ในเมื่อที่นี่สามารถส่องสว่างไปทั่วทุกหนแห่งได้?

ดังที่โคเปอร์นิคัสได้กล่าวไว้ แนวคิดที่ว่าโลกหมุนรอบตัวเองนั้นมีมาแต่โบราณ อย่างน้อยก็ย้อนไปถึงฟิโลเลาส์ ( ประมาณ 450 ปีก่อนคริสตกาล ) เฮราคลิดส์ ปอนติคัส ( ประมาณ 350 ปีก่อน คริสตกาล ) และเอคแฟนตัสแห่งพีทาโก เรียน ประมาณหนึ่งศตวรรษก่อนโคเปอร์นิคัส นักวิชาการคริสเตียนนิโคลัสแห่งคูซาก็ได้เสนอว่าโลกหมุนรอบแกนของตัวเองในหนังสือของเขาเรื่องOn Learned Ignorance (1440) ^{[ 187 ]}อัล-ซิจซี^{[ 188 ]}ก็ได้เสนอว่าโลกหมุนรอบแกนของตัวเองเช่นกันหลักฐานเชิงประจักษ์เกี่ยวกับการหมุนรอบแกนของโลกโดยใช้ปรากฏการณ์ของดาวหางนั้นได้รับการนำเสนอโดยทูซี (1201–1274) และอาลี กุชจี (1403–1474) ^{[ 189 ]}

จักรวาลวิทยานี้ได้รับการยอมรับจากไอแซค นิวตันคริสเตียนฮุยเกนส์และนักวิทยาศาสตร์รุ่นหลัง^{[ 190 ]} นิวตันแสดงให้เห็นว่า กฎการเคลื่อนที่ และแรงโน้มถ่วง เดียวกันนั้นใช้ได้กับสสารบนโลกและสสารในอวกาศ ทำให้การแบ่งแยกของอริสโตเติลระหว่างทั้งสองนั้นล้าสมัยไปเอ็ดมันด์ ฮัลลีย์ (1720) ^{[ 191 ]}และฌอง-ฟิลิปป์ เดอ เชโซ (1744) ^{[ 192 ]}สังเกตเห็นโดยอิสระว่าสมมติฐานของพื้นที่อนันต์ที่เต็มไปด้วยดวงดาวอย่างสม่ำเสมอจะนำไปสู่การทำนายว่าท้องฟ้ายามค่ำคืนจะสว่างเท่ากับดวงอาทิตย์เอง ซึ่งต่อมาเป็นที่รู้จักกันในชื่อปรากฏการณ์โอลเบอร์สในศตวรรษที่ 19 ^{[ 193 ]}นิวตันเชื่อว่าพื้นที่อนันต์ที่เต็มไปด้วยสสารอย่างสม่ำเสมอจะทำให้เกิดแรงและความไม่เสถียรที่ไม่มีที่สิ้นสุด ทำให้สสารถูกบีบอัดเข้าด้านในภายใต้แรงโน้มถ่วงของตัวเอง^{[ 190 ]}ความไม่เสถียรนี้ได้รับการชี้แจงในปี 1902 โดยเกณฑ์ความไม่เสถียรของจีนส์^{[ 194 ]}วิธีแก้ปัญหาความขัดแย้งเหล่านี้วิธีหนึ่งคือ จักรวาล Charlierซึ่งสสารถูกจัดเรียงตามลำดับชั้น (ระบบของวัตถุที่โคจรซึ่งตัวมันเองก็โคจรอยู่ในระบบที่ใหญ่กว่าไปเรื่อยๆอย่างไม่มีที่สิ้นสุด ) ใน ลักษณะ แฟรกทัลทำให้จักรวาลมีความหนาแน่นโดยรวมน้อยมากจนแทบไม่มีนัยสำคัญ แบบจำลองจักรวาลวิทยาดังกล่าวได้รับการเสนอไว้ก่อนหน้านี้ในปี 1761 โดยJohann Heinrich Lambert ^{[ 195 ] [ 196 ]}

During the 18th century, Immanuel Kant speculated that nebulae could be entire galaxies separate from the Milky Way,^[191] and in 1850, Alexander von Humboldt called these separate galaxies Weltinseln, or "world islands", a term that later developed into "island universes".^[197][198] In 1919, when the Hooker Telescope was completed, the prevailing view was that the universe consisted entirely of the Milky Way Galaxy. Using the Hooker Telescope, Edwin Hubble identified Cepheid variables in several spiral nebulae and in 1922–1923 proved conclusively that Andromeda Nebula and Triangulum among others, were entire galaxies outside our own, thus proving that the universe consists of a multitude of galaxies.^[199] With this Hubble formulated the Hubble constant, which allowed for the first time a calculation of the age of the universe and size of the Observable Universe, which became increasingly precise with better meassurements, starting at 2 billion years and 280 million light-years, until 2006 when data of the Hubble Space Telescope allowed a very accurate calculation of the age of the universe and size of the Observable Universe.^[200]

The modern era of physical cosmology began in 1917, when Albert Einstein first applied his general theory of relativity to model the structure and dynamics of the universe.^[201] The discoveries of this era, and the questions that remain unanswered, are outlined in the sections above.

Map of the observable universe with some of the notable astronomical objects known as of 2018. The scale of length increases exponentially toward the right. Celestial bodies are shown enlarged in size to be able to understand their shapes.

Location of the Earth in the universe

Earth

Solar System

Radcliffe Wave

Orion Arm

Milky Way

Local Group

Virgo SCl

Laniakea SCl

Observable universe

• ฐานข้อมูลอวกาศนอกกาแล็กซีของ NASA/IPAC (NED) / ( NED-Distances )
• ในเอกภพที่สังเกตได้นั้นมีอะตอมอยู่ประมาณ^10⁸² อะตอม – LiveScience , กรกฎาคม 2021
• นี่คือเหตุผลที่เราจะไม่มีวันรู้ทุกสิ่งทุกอย่างเกี่ยวกับจักรวาลของเรา –ฟอร์บส์พฤษภาคม 2019