ความสัมพันธ์ระหว่างฟิสิกส์ของอนุภาคกับจักรวาลวิทยาคืออะไร?

มีความสัมพันธ์ใกล้ชิดระหว่างสาขาฟิสิกส์อนุภาคและจักรวาลวิทยาซึ่งได้รับการยกตัวอย่างโดยนักฟิสิกส์แนวยาวที่ทำงานทั้งสองอย่างพร้อมกัน: Albert Einstein, Stephen Hawking, Kip Thorne และอื่น ๆ อีกมากมาย จักรวาลวิทยาคือการศึกษาของจักรวาลและโครงสร้างของมันในขณะที่ฟิสิกส์ของอนุภาคเป็นการศึกษาของอนุภาคพื้นฐานเช่นควาร์กและโฟตอนซึ่งเป็นวัตถุที่เล็กที่สุดที่รู้จัก แม้ว่าในตอนแรกพวกเขาอาจดูเหมือนไม่เกี่ยวเนื่องกัน แต่อย่างใดจักรวาลวิทยาและฟิสิกส์อนุภาคมีความสัมพันธ์กันอย่างใกล้ชิด

แตกต่างจากระบบที่ซับซ้อนบนโลกซึ่งอธิบายได้มากโดยใช้คำอธิบายระดับสูงมากกว่าคุณสมบัติที่เกิดขึ้นจากระดับต่ำสุดปรากฏการณ์ทางอวกาศและจักรวาลวิทยาค่อนข้างง่ายกว่า ยกตัวอย่างเช่นในพื้นที่กว้างใหญ่ไพศาลเพียงหนึ่งในสี่กองกำลังของธรรมชาติเท่านั้นที่มีอิทธิพลอย่างแท้จริง: แรงโน้มถ่วง แม้ว่าดาวและกาแลกซี่จะอยู่ไกลมากและใหญ่กว่าตัวเราเองหลายเท่า แต่เรามีภาพที่แม่นยำอย่างน่าทึ่งเกี่ยวกับวิธีการทำงานของพวกมันซึ่งได้มาจากกฎทางกายภาพพื้นฐานซึ่งควบคุมทิศทางอนุภาค

ขอบเขตของจักรวาลที่เชื่อมโยงกับฟิสิกส์ของอนุภาคอย่างใกล้ชิดที่สุดคือการศึกษาของบิ๊กแบงการระเบิดครั้งยิ่งใหญ่ที่สร้างสสารทั้งหมดในจักรวาลและกาลอวกาศที่ประกอบไปด้วยจักรวาล บิกแบงเริ่มต้นจากจุดที่มีความหนาแน่นไม่สิ้นสุดและปริมาตรเป็นศูนย์: ภาวะเอกฐาน จากนั้นจะขยายอย่างรวดเร็วจนถึงขนาดของนิวเคลียสของอะตอมซึ่งเป็นที่ที่ฟิสิกส์ของอนุภาคเข้ามาเล่น เพื่อให้เข้าใจว่าช่วงเวลาที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของบิกแบงมีอิทธิพลต่อเอกภพอย่างไรในทุกวันนี้เราต้องใช้สิ่งที่เรารู้เกี่ยวกับฟิสิกส์ของอนุภาคเพื่อสร้างแบบจำลองทางดาราศาสตร์ที่น่าเชื่อถือ

แรงจูงใจอย่างหนึ่งในการสร้างเครื่องเร่งอนุภาคที่ทรงพลังยิ่งขึ้นคือทำการทดลองซึ่งจำลองสถานการณ์ทางกายภาพโดยเร็วที่สุดในประวัติศาสตร์ของจักรวาลเมื่อทุกอย่างกะทัดรัดและร้อนมาก นักดาราศาสตร์ต้องมีความรอบรู้ในวิชาฟิสิกส์ของอนุภาคเพื่อให้มีส่วนร่วมสำคัญในสนาม

อีกหนึ่งกุญแจสำคัญในการทำความเข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างฟิสิกส์ของอนุภาคและจักรวาลวิทยาคือการดูการศึกษาของหลุมดำ คุณสมบัติทางกายภาพของหลุมดำเกี่ยวข้องกับอนาคตระยะยาวของจักรวาล หลุมดำเป็นดาวที่ยุบตัวด้วยแรงดึงดูดอันยิ่งใหญ่ที่แม้แต่แสงก็ไม่สามารถหลบหนีได้ ชั่วครู่หนึ่งคิดว่าหลุมดำปล่อยรังสีไม่ออกและน่าจะเป็นนิรันดร์ที่ขัดแย้งกับนักฟิสิกส์ แต่สตีเฟ่นฮอว์คิงได้ตั้งทฤษฎีบนพื้นฐานของข้อมูลเชิงลึกจากฟิสิกส์ของอนุภาคว่าหลุมดำปล่อยรังสีออกมาอย่างแน่นอนซึ่งหลังจากนั้นก็ฉายรังสีฮอว์คิง

ฟิสิกส์ของอนุภาคยังมีความเกี่ยวข้องอย่างมากในการตรวจสอบสสารมืดซึ่งเป็นสิ่งที่มองไม่เห็นซึ่งมีอยู่จริงเนื่องจากอิทธิพลของแรงโน้มถ่วงต่อสสารที่มองเห็นและพลังงานมืดพลังลึกลับที่แผ่ขยายจักรวาลและทำให้การขยายตัวเร่งความเร็ว เหล่านี้เป็นคำถามสำคัญในจักรวาลวิทยาสมัยใหม่