เป็นเวลานานมาแล้วที่มนุษย์มีข้อสงสัยถึงจุดกำเนิด สาเหตุของการเกิดของโลก รวมถึงมหาสมุทรและสิ่งมีชีวิตต่าง ๆ ในโลกว่าเกิดขึ้นได้อย่างไร จนเมื่อประมาณ 50 ปีที่ผ่านมานักวิทยาศาสตร์ได้เริ่มนำเทคโนโลยีต่าง ๆ มาใช้ทดสอบอายุของมหาสมุทร, โลก และจักรวาล หลังจากนั้นจึงได้มีการตั้งสมมติฐานเพื่ออธิบายการก่อกำเนิดของสิ่งต่าง ๆ ในจักรวาล ดาวฤกษ์ ดาวเคราะห์ รวมถึง สาเหตุที่เกิดการรวมกลุ่มของดาวเคราะห์รอบดาวฤกษ์ ซึ่งบางสมมติฐานก็ถูกปฏิเสธเมื่อมีการค้นพบข้อเท็จจริงใหม่ ๆ จากการค้นคว้าโดยเครื่องมือ และเทคโนโลยีที่ทันสมัยขึ้น ไม่ว่าจะเป็นทางฟิสิกส์หรือชีวโมเลกุล
นักวิทยาศาสตร์สันนิษฐานว่าจักรวาลมีอายุอยู่ในช่วงระหว่าง 10-20 พันล้านปี
สำหรับสมมติฐานเกี่ยวกับการกำเนิดของจักรวาลที่ได้รับการยอมรับที่สุดในปัจจุบันก็คือ สมมติฐานเกี่ยวกับการระเบิดครั้งใหญ่หรือ Big Bang ซึ่งเสนอขึ้นมาครั้งแรกในปี ค.ศ. 1929 และได้รับการปรับปรุงในปี ค.ศ. 1965 โดย A.A. Penzias และ R.W. Wilson
สมมติฐาน ดังกล่าวอธิบายว่าเดิมดาวเคราะห์ทั้งหมดในสุริยจักรวาลและดวงอาทิตย์รวมตัว กันเป็นกลุ่มของมวลสารและก๊าซขนาดใหญ่ โดยมีเส้นผ่าศูนย์กลางขนาดเท่าวงโคจรของดาวอังคารในปัจจุบัน ต่อมาได้มีการระเบิดครั้งใหญ่เกิดขึ้นโดยยังไม่ทราบสาเหตุที่แน่ชัด หลังจากนั้นจึงมีขบวนการต่าง ๆ ที่ทำให้เกิดจักรวาลตามมา
1.1 Galaxies and stars
ดวงอาทิตย์ก็เป็นดาวฤกษ์ดวงหนึ่งที่มีกลุ่มของดาวเคราะห์มาโคจรล้อมรอบเรียกกันว่า ระบบสุริยะ (Solar system) ซึ่งตั้งอยู่เป็นระยะทางประมาณ 3 ใน 4 จากจุดศูนย์กลางของทางช้างเผือก ส่วนของแขนที่เราอาศัยอยู่เรียกว่า Orion arm (ภาพที่ 2.1)
ภาพที่ 2.1 Milky Way galaxy จุดที่เป็นเครื่องหมายกากบาทคือตำแหน่งของระบบสุริยะ
ที่มา: Garrison (2007)
1.2 The Origin of the Sun
ในส่วนของการเกิดดวงอาทิตย์ภายหลังการระเบิดครั้งใหญ่ นักดาราศาสตร์ส่วนใหญ่ในปัจจุบันยอมรับในทฤษฎี Gravitational collapse theory หรือบางครั้งเรียกกันว่า nebula theory หรือ dust-cloud theory ซึ่งตามทฤษฎีดังกล่าวดาวฤกษ์ต่าง ๆ รวมทั้งดวงอาทิตย์ จะก่อตัวในแบบเดียวกันและบางครั้งดาวเคราะห์ก็จะเกิดจากการสร้างตัวของดาว ฤกษ์ด้วยเช่นกัน ในระหว่างดาวฤกษ์ต่างๆประมาณร้อยละ 99 จะประกอบด้วยกลุ่มก๊าซไฮโดรเจนและฮีเลียม เรียกว่า nebulae (ภาษาละตินหมายถึงเมฆหรือหมอก) ต่อมา nebulae นี้เกิดการรวมตัวกันเนื่องมาจากแรงโน้มถ่วง ซึ่งจะมากกว่ามวลของดวงอาทิตย์ปัจจุบันเล็กน้อย (ประมาณ 2x1027ตัน) เมื่อกลุ่มก๊าซรวมตัวกันมีความหนาแน่นเพิ่มขึ้น อัตราการหมุนของกลุ่มก๊าซดังกล่าวก็จะเพิ่มขึ้นด้วยทำให้กลุ่มก๊าซมีรูปทรง แบนเรียบและส่วนใหญ่จะรวมกันที่จุดศูนย์กลาง ซึ่งกลายเป็นดวงอาทิตย์ในเวลาต่อมา ส่วนที่เหลือของกลุ่มก๊าซจะมีลักษณะเหมือนจานทรงกลมหมุนรอบจุดศูนย์กลาง และเกิดการรวมตัวกันเป็นดาวเคราะห์ต่าง ๆ ดวงอาทิตย์ในระยะเริ่มก่อกำเนิดนั้นเรียกว่า protosun จะ มีอุณหภูมิสูงมากถึงหลายล้านเคลวิน ความดันมหาศาลที่เกิดขึ้นในดวงอาทิตย์เกิดจากการชนกันของอนุภาคหรือ nuclear fusion ที่เกิดขึ้นในดวงอาทิตย์ซึ่งมีอุณหภูมิสูงมากนั้นจะก่อให้เกิดพลังงานอย่าง เพียงพอที่จะรักษาอุณหภูมิและความดันไว้ให้คงที่ ทำให้ดวงอาทิตย์มีขนาดคงที่มาจนถึงปัจจุบัน ระยะเวลาที่ใช้เริ่มจาก nebulae จนถึงเป็นดวงอาทิตย์นั้นใช้เวลาถึง 4.6 พันล้านปี เหตุที่นักดาราศาสตร์สามารถทราบถึงอายุของการกำเนิดสุริยจักรวาลได้เนื่อง จากมีหลักฐานของสะเก็ดของดาวหางที่ตกลงมาสู่โลกบางชิ้นมีอายุระหว่าง 4.5-4.6 พันล้านปี และชิ้นส่วนของหินจากดวงจันทร์ที่นำกลับมาสู่โลกจากการเดินทางไปดวงจันทร์ เมื่อปี ค.ศ. 1969 ก็มีอายุใกล้เคียงกัน
1.3 The Origin of the Planet
เมื่อ protosun เข้าสู่ระยะสุดท้ายกลุ่มของก๊าซ ของแข็งและของเหลวที่เคลื่อนที่ล้อมรอบ protosun ที่เป็นลักษณะ flat disc จะทำให้เกิดการสร้างดาวเคราะห์ขึ้น ขั้นตอนในการก่อตัวเป็นดาวเคราะห์นั้นยังไม่เป็นที่พิสูจน์ได้อย่างแน่นอน แต่จะอาศัยหลักฐานที่มีอยู่ในการสันนิษฐานถึงการก่อตัวของมันเท่านั้น โดยเชื่อกันว่าดาวเคราะห์ทั้งหลายเกิดจากการรวมตัวของอนุภาคของฝุ่นโมเลกุล และอะตอมต่าง ๆ ร่วมกับแรงที่เกิดจากการชนกันของอนุภาคและแรงโน้มถ่วง ทำให้มีการพัฒนาขนาดของมันให้ใหญ่ขึ้นเรื่อย ๆ จนกระทั่งเป็นดาวเคราะห์ในที่สุด บริเวณที่ใกล้ protosun ซึ่งมีอุณหภูมิสูงกว่าบริเวณที่ไกลออกไป ประกอบกับการชนกันของอนุภาคต่าง ๆ ร่วมกับความเร่งอันเนื่องมาจากแรงโน้มถ่วงทำให้ดาวเคราะห์ที่อยู่ใกล้กับ protosun ประกอบด้วยแร่ธาตุต่าง ๆ บางครั้งจะเรียกว่า rocky planet ในส่วนของดาวเคราะห์ที่กำลังก่อตัวในที่ไกลออกไปซึ่งอุณหภูมิจะต่ำกว่า จะทำให้ก๊าซและโมเลกุลของสารที่มีความเสถียรน้อยรวมตัวกันเป็นของแข็งทำให้ ดาวเคราะห์ที่อยู่ไกลออกไปมีขนาดใหญ่ ดาวพุธและดาวศุกร์ซึ่งเป็นดาวเคราะห์ที่อยู่ใกล้ดวงอาทิตย์มากที่สุดจะมี ก๊าซไฮโดรเจนและฮีเลียมเพียงเล็กน้อย ในขณะที่ดาวพฤหัสและดาวเนปจูนจะประกอบไปด้วยก๊าซทั้งสองชนิดเป็นส่วนใหญ่ 1.4 The Origin of the Earth and the Ocean
เมื่อโลกเริ่มเย็นตัวลงทำให้พื้นผิวภายนอกแข็งตัวซึ่งเริ่มขึ้นเมื่อ 4.6 พันล้านปีก่อน แสงจากอาทิตย์ที่เพิ่งก่อตัวขึ้นก็เริ่มสาดส่องมายังโลก ซึ่งในขณะนั้นถูกห่อหุ้มด้วยกลุ่มก๊าซ ทำให้เริ่มเกิดชั้นบรรยากาศ นอกจากนี้ก็จะเกิดการระเบิดของภูเขาไฟ ก๊าซที่เกิดจากการระเบิดของภูเขาไฟจะประกอบด้วยไอน้ำ, ก๊าซไนโตรเจนและคาร์บอนไดออกไซด์เรียกว่า outgassing ไอร้อนของก๊าซเหล่านี้จะก่อตัวเป็นเมฆปกคลุมชั้นบรรยากาศ เมื่อไม่นานมานี้นักดาราศาสตร์ยังพบอีกว่า ในช่วงเวลาดังกล่าวมีดาวหางน้ำแข็งเล็ก ๆ อีกนับล้านลูกพุ่งเข้ามาชนโลกซึ่งเป็นการเพิ่มปริมาณไอน้ำในชั้นบรรยากาศให้ มากขึ้นอีกทางหนึ่ง
ในช่วงเวลาดังกล่าวพื้นผิวของโลกถึงแม้จะเย็นตัวลงเป็นผิวโลก แต่อุณหภูมิก็ยังสูงกว่าจุดเดือดของน้ำมากทำให้ไม่มีน้ำอยู่บนผิวโลก แสงอาทิตย์ไม่สามารถส่องผ่านชั้นของไอน้ำที่หนาทึบเข้ามาสู่ผิวโลกได้ โลกอยู่ในสภาวะดังกล่าวประมาณ 1 ล้านปีจนไอน้ำที่ปกคลุมโลกกลั่นตัวเป็นฝนที่มีอุณหภูมิสูง (hot rain) จัดเป็นฝนที่ตกหนักครั้งใหญ่ที่สุดโดยกินเวลาประมาณ 10ล้านปี พื้นผิวของโลกเย็นลงและน้ำฝนเริ่มมีการขังตัวและละลายแร่ธาตุจากหินบนพื้น ผิวโลก น้ำบางส่วนระเหยขึ้นไปเย็นตัวลงแล้วตกลงมาเป็นฝนอีกครั้งและเกิดการสะสมของ น้ำนี่คือจุดเริ่มของมหาสมุทร เมื่อน้ำสะสมกันมีปริมาณมากน้ำในมหาสมุทรก็มีความลึกเพิ่มขึ้น และส่วนที่เป็น crust ของเปลือกโลกก็จะหนาขึ้นเรื่อย ๆ และบางส่วนมีการทำปฏิกิริยาทางเคมีสารต่าง ๆ ในมหาสมุทร จากการศึกษาเมื่อไม่นานมานี้พบว่าพื้นที่ทั้งหมดของโลกถูกปกคลุมด้วยน้ำ ประมาณ 200 ล้านปีก่อนที่จะเกิดพื้นทวีปขึ้น ถึงแม้ว่ามหาสมุทรจะเริ่มเกิดขึ้นเมื่อ 4 พันล้านปีที่แล้วแต่ก็ยังมีการขยายตัวอย่างต่อเนื่องจนถึงปัจจุบันอันเนื่อง มาจากการระเบิดของภูเขาไฟ ทำให้ปริมาณของน้ำในมหาสมุทรเพิ่มมากขึ้นประมาณ 0.1 ลูกบาศก์เมตรต่อปี
องค์ประกอบของชั้นบรรยากาศในระยะเริ่มแรก (early atmosphere) เมื่อ 3.5 พันล้านปีที่แล้ว จะประกอบไปด้วยมีเทน แอมโมเนีย คาร์บอนไดออกไซด์ ไอน้ำและก๊าซอื่น ๆ การเปลี่ยนแปลงส่วนประกอบของก๊าซจนมีไนโตรเจนและออกซิเจนเป็นองค์ประกอบหลัก ในปัจจุบัน เกิดจากการเปลี่ยนแปลงทางเคมีและการผลิตออกซิเจนจากขบวนการสังเคราะห์แสงของ พืช
