گیتی

برای دیگر کاربردها، جهان را ببینید.

گیتی به طور عمومی به عنوان کلیت وجود تعریف می شود، که شامل سیاره ها، ستاره ها، کهکشانها، محتویات فضای میان کهکشانی و همه ماده و انرژی می شود. در زبان فارسی واژگان دنیا، جهان، کیهان و طبیعت نیز به همین معنی به کار رفته‌اند.

دورترین فواصلی که از لحاظ نظری، دیدنش برای انسان امکانپذیر است را جهان قابل مشاهده می نامند. جهان قابل مشاهده شعاعی در حدود ۴۶ میلیارد سال نوری دارد، مشاهدات علمی گیتی به نتیجه گیریهایی در مورد شرایط گذشته آن انجامیده است. نتایج مشاهدات دانشمندان را بر این گمان وامی‌دارد که قوانین فیزیکی یکسانی در بیشتر نقاط و تاریخ جهان حاکم بوده‌اند. نظریه مهبانگ مدل کیهان شناسی پذیرفته‌شده امروزی است که پیدایش نخستین جهان را توصیف می کند که بنا بر یافته های دانش کیهان شناسی فیزیکی در ۰٫۰۳۷ ± ۱۳٫۷۹۸ میلیارد سال قبل رخ داده است. مشاهدات مربوط به یک ابرنواختر نشان داد که جهان در حال انبساط با نرخ فزاینده (انبساط شتابدار) می‌باشد.

نظریه های رقیب گوناگونی در مورد سرانجام جهان وجود دارند. فیزیکدانان همچنین در این مورد که چه چیزی قبل از مهبانگ -اگر چیزی بوده باشد- وجود داشته است اطلاعات قابل اطمینانی ندارند. بسیاری نیز در تردیدند که اطلاعات مربوط به پیش از مهبانگ، اصولا قابل دسترسی باشد و از این رو از گمانه زنی در مورد آن خودداری می کنند. فرضیه‌های چندجهانی مختلفی نیز موجودند که پیشنهاد می‌دهند جهان هستی تنها یکی از جهانهای بسیار دیگری است که وجود دارند.

تاریخ

تاریخ مشاهدات

زمینه فراژرف هابل (ایکس‌دی‌اف)

اندازه ایکس‌دی‌افهابل در مقایسه با اندازه ماه – چندهزار کهکشان که هر یک چند میلیارد ستاره دارند٬ در این منظره کوچک قرار دارند.

نمای ایکس‌دی‌اف (۲۰۱۲) – هر لکه نور یک کهکشان است  – برخی از این کهکشانها ۱۳،۲ میلیارد سال سن دارند. – تعداد کهکشانها در جهان به ۲۰۰ میلیارد تخمین زده‌می‌شود.

تصویر ایکس‌دی‌اف کهکشانهای کاملاً بالغ٬ کهکشانهای نیمه بالغ و نیاکهکشان‌ها را در ۳ صفحه نشان می دهد.

در سراسر تاریخ ثبت شده٬ کیهان‌شناسی ها و کیهان‌زایی های گوناگونی برای توضیح مشاهدات جهان٬ معرفی شده‌اند. نخستین مدلهای زمین مرکزی توسط فیلسوفان یونان باستان بوجودآمد. با گذشت قرنها٬ انجام مشاهدات دقیق‌تر و نظریه‌های بهبودیافته گرانش به ترتیب به پیدایش نظریه خورشید مرکزی کوپرنیکی و مدل نیوتنی منظومه شمسی انجامیدند. با پیشرفتهای بیشتر در اخترشناسی٬ این آگاهی به‌دست‌آمد که منظومه شمسی درون کهکشانی به نام راه شیری قرارگرفته‌است که دربرگیرنده میلیاردها ستاره دیگر نیز می باشد و کهکشانهای دیگری در خارج از آن قرارگرفته‌اند. مطالعات دقیق پراکندگی کهکشانها وخطوط طیفی آنها بخش بزرگی از کیهان‌شناسی نوین را تشکیل می دهد. کشف انتقال به سرخ و تابش زمینه کیهانی بیانگر آن‌اند که جهان در حال انبساط است و آغازی داشته است.

تاریخ جهان

مقالهٔ اصلی: گاه‌شمار مهبانگ

بنابر مدل علمی پذیرفته شده کیهان٬ که نظریه مهبانگ نام دارد٬ جهان نخستین در بازه زمانی کوتاه اولیه که به نام دوره پلانک شناخته‌میشود، در وضعیتی بسیار داغ و چگال قرار داشت که در آن کل ماده و انرژی موجود در جهان قابل مشاهده بسیار فشرده و متمرکز بود. پس از پایان دوره پلانک، در گذر زمان جهان طی انبساطی پیوسته به شکل کنونی خود رسیده و احتمالاً یک دوره کوتاه تورم کیهانی(کمتر از ^−۳۲۱۰ ثانیه) را نیز پشت سر کذارده است. آزمایشهای مستقل متعددی نظریه انبساط جهان و به طور کلی‌تر نظریه مهبانگ را تایید کرده‌اند. ۵٪ از جهان را ماده معمولی تشکیل می‌دهد که شامل اتمها، ستارگان و کهکشانها می‌شود. ۲۵٪ از جهان از ماده‌ای فرضی به نام ماده تاریک تشکیل می شود که با تجهیزات امروزی قابل آشکارسازی نیست. ۷۰٪ باقیمانده نیز از نوع مرموزی از انرژی به نام انرژی تاریک تشکیل شده‌است که به نظر می‌رسد فضاهای کاملا خالی از این انرژی انباشته‌است. مشاهده‌های جدیدتر دلالت بر آن دارند که شتابدار بودن انبساط جهان به وجود انرژی تاریک مرتبط است. استفاده از واژگان ماده تاریک و انرژی تاریک برای نامیدن دو موجودیت ناشناخته ای که ۹۵٪ کل چگالی جرم-انرژی جهان را تشکیل می دهند٬ روایتگر عدم قطعیت و کاستی‌های مفهومی و مشاهده‌ای کنونی در مورد ماهیت و سرانجام جهان می باشد.

در ۲۱ مارس ۲۰۱۳، گروه پژوهشی اروپایی پروژه کاوشگر کیهانی پلانک نقشه تابش زمینه کیهانی سراسر آسمان را منتشر نمودند. بنا بر گواهی این نقشه، به نظر می‌رسد سن جهان کمی از آنچه پیش‌تر تصور می‌شد بیشتر است. روی این نقشه٬ ردپای نوسان های خفیفی در دما در ژرفای آسمان ثبت شده‌اند که مربوط به زمانی هستند که جهان ۳۷۰۰۰۰ ساله بود. این ردپاها بازتابی از موج هایی هستند که در یک نانیلیونیم ثانیه پس از پیدایش جهان بوجود آمده‌اند. این امواج باعث بوجود آمدن خوشه‌های کهکشانی و ماده تاریک بوده‌اند. مطابق نظر این گروه سن جهان ۰٫۰۳۷ ± ۱۳٫۷۹۸ میلیارد سال است و شامل ۴٫۹٪ ماده معمولی، ۲۶٫۸٪ ماده تاریک و ۶۸٫۳٪ انرژی تاریک می باشد. همچنین، برای ثابت هابل مقداری برابر با ۰٫۷۷ ± ۶۷٫۸۰ کیلومتر بر ثانیه بر مگاپارسک اندازه گیری شد. .

بر پایه تفسیرهای قدیمی تر مشاهدات اخترشناسی، سن جهان به ۰٫۰۵۹ ± ۱۳٫۷۷۲ میلیارد سال (در حالیکه جدایی ماده از نور تقریباً ۳۸۴۰۰۰ سال پس از مهبانگ رخ داد) و قطر جهان قابل مشاهده نیز به حداقل ۹۳ میلیارد سال نوری تخمین زده‌شده‌بود. بنابر نسبیت عام، فضا می تواند با سرعتی بیش از سرعت نور منبسط شود اما ما به دلیل محدودیت اعمال شده توسط سرعت نور، تنها قادر به دیدن بخشی از جهان هستیم، از آنجا که ما نمی‌توانیم فضایی فراتر از محدودیتهای نور را ببینیم، متناهی یا نا متناهی بودن جهان قابل تعیین نیست.

واژه‌شناسی، مترادف‌ها و تعریف‌ها

همچنین ببینید: کیهان، طبیعت، جهان، و کره‌های آسمانی

واژه گیتی معادل واژه universe در زبان انگلیسی می باشد. واژه universe برگرفته از واژه کهن فرانسوی Univers، که به نوبه خود از واژه لاتین universum برآمده است. این واژه لاتین توسط سیسرون و بعد ها توسط نویسندگان لاتین پس از وی در معانی کم وبیش یکسانی با معنی مدرن انگلیسی آن به کار رفته‌است. واژه universum، کوتاه‌سازی شاعرانه واژه Unvorsum — که برای نخستین بار توسط لوکرتیوس در کتاب چهارم (خط ۲۶۲) از دیره‌روم ناتورا ("در باره ماهیت اشیاء") به‌کاررفت — است که از پیوند دادن un یا uni (شکل ترکیبی unus به معنی "یک") با vorsum یا versum(اسم ساخته شده از وجه وصفی مجهول کامل vertere، به معنی "چیزی که چرخانده، غلتانده ویا تغییر یافته‌باشد") ساخته می شود.

تصویرسازی هنری (بسیار اغراق‌آمیز از پاندول فوکو که نشان می دهد زمین ثابت نیست بلکه می چرخد

تفسیر جایگزینی برای unvorsum، "هرچیزی که به عنوان یک کل چرخیده" یا "یا هرچیزی که توسط یک چیز چرخانده شده" می باشد. در این معنا می‌توان آن را ترجمه واژه یونانی کهن‌تر περιφορα(پریفورا) به معنی جهان دانست که نخست برای نامیدن یک جور مراسم شام که در آن غذا در میان دایره‌ای از میهمانها تقسیم می‌شودُ به کار رفته می‌شد. این واژه یونانی اشاره به کره‌های آسمانی دارد که مدل یونانی کهنی از جهان هستند. که در آن همهٔ ماده در درون حوزه‌های محور چرخش بر روی زمین موجود بود، با توجه به ارسطو، چرخش از خارجی‌ترین حوزه، مسئول حرکت و تغییر همه چیز را در درون آن دارد. در رابطه با استعاره خورشید افلاطون، ارسطو پیشنهاد می‌دهد که چرخش کره ستارگان ثابت توسط محرک نخست آغاز شده و به نوبه خود باعث تغییرات بر روی زمین از طریق خورشید می‌شود. اندازه‌گیریهای اخترشناسی و فیزیکی دقیقی باری اثبات اینکه زمین روی محور خود می چرخد (مانند پاندول فوکو) مورد نیازاند.

یکی از واژگان رایج "جهان" در میان یونانیان باستان το παν(تلفظ: توپان، همه، پان (اسطوره‌شناسی)) بود. واژگان مرتبط با آن، ماده(το ολον (تو اولون)) و مکان (το κενον (تو کِنون)) هستند. واژگان مترادف دیگر برای جهان در میان فلاسفه یونان باستان شامل κοσμος (کیهان) و φυσις (به معنی طبیعت، که کلمه فیزیک از آن گرفته شده‌است) می‌باشند. همان مترادف ها را می‌توان در نویسندگان لاتین یافت (totum ، mundus ، natura)، و در زبان‌های مدرن نیز جان سالم به‌دربرده‌اند، به عنوان مثال می‌توان به کلمات آلمانی Das All, Weltall, and Natur برای نامیدن جهان، اشاره کرد. مترادفهای مشابهی را میتوان در زبان انگلیسی یافت، مانند همه‌چیز (به انگلیسی: everything) (مثلاً در نظریه همه‌چیز (به انگلیسی: theory of everything))، کیهان(به انگلیسی: cosmos) (مثلاً در کیهان‌شناسی (به انگلیسی: cosmology))، دنیا(به انگلیسی: world) (مثلاً در تفسیرهای دنیاهای چندگانه (به انگلیسی: many-worlds interpretation)) و طبیعت (مانند قوانین طبیعی یا فلسفه طبیعی).

گسترده‌ترین تعریف: واقعیت و احتمال

گسترده ترین تعریف گیتی را می توان در کتاب naturae divisione de یافت که توسط فیلسوف قرون وسطی با نام جوهانس اسکوتوس اریجینا نوشته شده است. وی در این کتاب گیتی را به این صورت تعریف می کند: به زبان ساده، همه چیز. هرآنچه بوجودآمده و هرآنچه بوجود نیامده است.

تعریف به عنوان واقعیت

همچنین ببینید: واقعیت و فیزیک

به طور معمول، جهان به عنوان هر آنچه که وجود دارد(وجود داشته یا وجود خواهد داشت) تعریف می شود. با توجه به این تعریف و درک حال حاضر ما، جهان متشکل از سه عنصر اساسی است : فضازمان، صورتهای مختلف انرژی شامل تکانه و ماده و قوانین فیزیکی است که آنها را با هم مرتبط می سازند .

تعریف به عنوان فضا-زمان پیوسته

می توان فضا-زمان های منفصلی را تصور نمود که همگی وجود دارند اما توانایی برهمکنش با یکدیگر را ندارند. این ایده را می توان به حبابهای کف صابون مختلفی تشبیه نمود که در آن ناظرینی که روی یک حباب زندگی می کنند قادر به برهمکنش با ناظرین ساکن در حبابهای دیگر نخواهند بود. بنابر ادبیات رایج از هریک از این حبابها به عنوان یک جهان یاد می شود و فضا-زمان خاص ما گیتی نامیده می شود؛ همانطور که که قمر سیاره خود را ماه می نامیم. مجموعه این فضا-زمان های گسسته، چندجهانی نام دارد. از لحاظ نظری این جهانهای گسسته از هم ممکن است از لحاظ بعد ها، صورتهای ماده و انرژی، قوانین و ثابتهای فیزیکی و توپولوژی فضا-زمان باهم تفاوت داشته باشند، اگرچه که این احتمالات همگی در حد گمانه زنی هستند.

تعریف به عنوان واقعیت قابل مشاهده

همچنین ببینید: جهان قابل مشاهده

بنا بر تعریفی حتی محدودتر از تعاریف قبلی جهان عبارت است از هرآنچه در فضازمان پیوسته ما قرار دارد و امکان برهمکنش با ما و بالعکس را داراست. طبق نظریه نسبیت عام، به دلیل محدودیت سرعت نور و انبساط فضا، برخی از نواحی فضا ممکن است هرگز امکان برهمکنش با یکدیگر را نداشته باشند. مثلا امواج رادیویی که از زمین فرستاده می شوند ممکن است هرگز به برخی از نواحی فضا نرسد. حتی اگر جهان همیشه پابرجا باشد ممکن است فضا با سرعتی بیشتر از سرعت نور (و در نتیجه سرعت امواج رادیویی) منبسط شود و امواج رادیویی هرگز به این نواحی دور نرسد.

نواحی بسیار دور فضا وجود دارند و همانند ما بخشی از واقعیت هستند، اما ما هرگز قادر به برهمکنش با این نواحی نیستیم. محدوده فضایی که ما در آن امکان تاثیرگذاری و تاثیرپذیری داریم جهان قابل مشاهده نام دارد. به بیان دقیقتر محدوده جهان قابل مشاهده به مکان ناظر بستگی دارد. یک ناظر متحرک می تواند نسبت به ناظر ساکن با جا به جا شدن با ناحیه بزرگتری از فضا در تماس باشد؛ هر چند که حتی سریعترین ناظر نیز قادر به برهمکنش با کل فضا نخواهد بود. به طور معمول در تعریف جهان قابل مشاهده نقطه مبدا مکان ما در کهکشان راه شیری در نظر گرفته می شود.

ابعاد، سن، محتویات، ساختار و قوانین

مقاله‌های اصلی: جهان قابل مشاهده، سن جهان، و فراوانی عنصرهای شیمیایی

اندازه جهان هنوز هنوز ناشناخته ‌است و حتی ممکن است بی‌نهایت باشد. جهان قابل رویت از زمین (جهان قابل مشاهده)، کره‌ای به شعاع تقریبی ۴۶ میلیارد سال نوری است. این رقم به این صورت تعبیر می‌شود که انبساط جهان دورترین شیء قابل‌مشاهده را تا کجا دور کرده‌است. برای مقایسه در نظر بگیرید که قطر یک کهکشان در حدود ۳۰۰۰۰ سال نوری و فاصله دو کهکشان همسایه به طور معمول در حدود ۳ میلیون سال نوری است. به عنوان مثال،قطر کهکشان راه شیری تقریباً ۱۰۰٫۰۰۰ سال نوری است، و نزدیکترین کهکشان خواهر آن، کهکشان زن برزنجیر است، که تقریباً ۲.۵ میلیون سال نوری از آن فاصله دارد. احتمالاً بیش از ۱۰۰ میلیارد (۱۰^۱۱) کهکشان در جهان قابل مشاهده وجود دارند. اندازه کهکشان‌ها به طور معمول در محدوده‌ای از کهکشانهای کوتوله با کمتر از ده میلیون (۱۰^۷) ستاره گرفته، تا کهکشانهای غول‌پیکری با یک تریلیون (۱۰^۱۲) ستاره، تغییر می‌کند. اخترشناسان طی مطالعه‌ای که در سال ۲۰۱۰ انجام شد، تعداد ستارگان موجود در جهان قابل مشاهده را ۳۰۰ سکستیلیون (۳‎×۱۰^۲۳) تخمین زده‌اند.

اینگونه پنداشته می‌شود که بیشتر جهان از انرژی تاریک و ماده تاریک تشکیل یافته‌است که از هر دو در حال حاضر شناخت بسیار اندکی در دست است. کمتر از ۵٪ جهان از ماده معمولی تشکیل شده‌ که سهم نسبتا کوچکی است.

چنانچه میانگین ماده موجود را در بازه‌هایی بزرگتر از ۳۰۰ میلیون سال نوری محاسبه کنیم، می‌توان به این نتیجه رسید که ماده قابل مشاهده به طور همگن(یکنواخت) در جهان پخش شده‌است. هرچند که بنا بر مشاهدات در فواصل کوتاهتر ماده تشکیل توده داده‌است؛ بسیاری از اتمها فشرده شده و تشکیل ستاره می‌دهند، بیشتر ستاره‌ها درون کهکشانها قرار می‌گیرند، بیشتر کهکشانها درون خوشه‌ها و ابرخوشه‌ها، و در نهایت، درون بزرگترین ساختارهای موجود در جهان مانند دیوار بزرگ کهکشانها قرار می‌گیرند.

همچنین، در بازه‌های بزرگتر از ۳۰۰ میلیون سال نوری، ماده قابل مشاهده به صورت همسانگرد در سراسر جهان توزیع شده‌است؛ این بدان معنی‌است که هیچ جهت مشاهده‌ای با جهتهای دیگر تفاوتی ندارد و محتویات همه نواحی آسمان یکسان است. جهان را یک تابش الکترومغناطیسی ریزموج همسانگرد فراگرفته‌است که معادل تعادل گرمایی طیف جسم سیاه با دمای در حدود ۲٫۷۲۵ کلوین می‌باشد. این فرضیه که جهان در مقیاسهای بزرگ (بیشتر از ۳۰۰ میلیون سال نوری) همگن و همسانگرد است، اصل کیهان‌شناختی نام دارد، که توسط مشاهدات تجربی تایید می‌شود.

چگالی کلی کنونی جهان بسیار اندک است، تقریبا ۹٫۹ × ۱۰^−۳۰ گرم در هر سانتیمتر مکعب.به نظر می‌رسد که این ترکیب جرم-انرژی از ۷۳٪ انرژی تاریک، ۲۳٪ ماده سرد تاریک و ۴٪ ماده معمولی (باریونی) تشکیل شده‌است. بنابراین چگالی اتم در مرتبه یک تک اتم هیدروژن در هر چهار متر مکعب می‌باشد. ویژگیهای انرژی تاریک و ماده تاریک تا حدود زیادی ناشناخته مانده‎است. ماده تاریک مانند ماده معمولی جاذبه گرانشی دارد و در نتیجه سبب کندتر شدن انبساط جهان می‎گردد، در مقابل، انرژی تاریک سبب افزایش آهنگ انبساط جهان می‎شود.

تخمین‎های کنونی سن جهان را در حدود ۰٫۰۳۷ ± ۱۳٫۷۹۸ میلیارد سال برآورد می‎کنند. جهان در تمام طول تاریخ خود یکسان نبوده؛ مثلا جمعیت اختروش‎ها و کهکشان‎ها تغییر کرده و خود فضا نیز منبسط شده‎است. این انبساط توضیحی برای این پرسش ارائه می‎دهد که چرا دانشمندان روی زمین می توانند نور کهکشانی را که ۳۰ میلیارد سال نوری با آنها فاصله دارد، ببینند؛ در حالیکه نور تنها در حدود ۱۳ میلیارد سال (سن جهان) برای انتشار و رسیدن به آنها زمان داشته است. پاسخ این سوال این است که خود فضای بین زمین و کهکشان مزبور منبسط شده و آنها را از هم دور کرده‎است. انبساط فضا همچنین با این مشاهده تجربی همخوانی دارد که نور دریافتی از کهکشانهای دور دچار پدیده انتقال به سرخ می‎گردد؛ از آنجا که جهان در انبساط است و این کهکشانها در حال دور شدن از ما هستند، طول موج فوتونهای منتشر شده از این منبع نور متحرک در طول سفر خود کشیده شده و افزایش می‎یابد و بسامد کاهش می‎یابد. بر پایه مطالعات انجام شده بر روی ابرنواختر نوع Ia و داده‎های دیگر، آهنگ این انبساط فضایی در حال افزایش است.

این‌طور به نظر می‌رسد که فراوانی نسبی عناصر شیمیایی مختلف - به‌ویژه سبکترین اتمها مانند هیدروژن، دوتریم، هلیم - در سراسر جهان و در طول تاریخ قابل مشاهده آن یکسان است. میزان ماده از ضدماده در جهان بسیار بیشتر است. این عدم تقارن ممکن است به مشاهدات مربوط به نقض سی‌پی مرتبط باشد. بار الکتریکی خالص جهان صفر است و از این رو در مقیاسهای فواصل کیهانی، تنها نیروی گرانش حکمفرماست. همچنین تکانه و تکانه زاویه‌ای خالص جهان صفر است. اگر جهان متناهی باشد، عدم وجود بار الکتریکی و تکانه جهان را می‌توان از قوانین فیزیکی پذیرفته شده (به ترتیب از قانون گاوس و عدم واگرایی شبه-تنسور استرس-تکانه-انرژی) نتیجه‌گرفت.

ذرات بنیادی که جهان را می‌سازند. بخش اعظم ماده از شش لپتون و شش کوارک تشکیل شده‌است؛ به عنوان مثال، پروتونها ونوترونهای هسته اتم از کوارک تشکیل شده‌اند، و الکترون از یک لپتون. این ذرات توسط بوزون‌های پیمانه‌ای که در ردیف وسط نشان داده‌ شده‌اند با یکدیگر برهمکنش دارند، هریک از آنها متناظر با یک نوع تقارن پیمانه‌ای هستند. تصور می‌شود که بوزون هیگز به ذراتی که به آنها متصل است، جرم می‌بخشد. گراویتون, که بوزون پیمانه‌ای فرضی مربوط به گرانش است، در این تصویر نمایش داده نشده‌است.

جهان فضازمان همواری دارد که سه بعد فضایی و یک بعد زمان است. به طور میانگین فضا بسیار نزدیک به تخت (خمش تقریباً صفر) است. این بدان معناست که هندسه اقلیدسی با دقت بالایی در سراسر جهان با مشاهدات تجربی سازگاری دارد. به نظر می‌رسد که فضازمان، حداقل در مقیاس فواصل در حد جهان قابل مشاهده دارای توپولوژی فضای همبند ساده است. هرچند که با تکیه بر مشاهدات کنونی نمی‌توان این احتمالات را رد نمود که فضازمان ممکن است دارای تعداد ابعاد بیشتری باشد و یا توپولوژی کلی فضا ممکن است همبند چندگانه باشد

جهان به گونه‌ای رفتار می‌کند که به نظر می‌رسد به‌طور منظم از یک سری قوانین و ثابتهای فیزیکی پیروی می‌کند. بنا بر مدل استاندارد پذیرفته‌شده در فیزیک، همه مواد از سه نسل از لپتونها و کوارکها تشکیل می‌شوند که هردوی آنها فرمیون هستند. این ذرات بنیادی از طریق سه نیروی بنیادی با یکدیگر برهمکنش دارند:

• برهمکنش الکتروضعیف که شامل الکترومغناطیس و نیروی هسته‌ای ضعیف می‌شود،
• نیروی هسته‌ای قوی که توسط کرومودینامیک کوانتومی توصیف می‌شود،
• و نیروی گرانش که در حال حاضر کاملترین توصیف آن توسط نظریه نسبیت عام ارائه می‌شود؛

دو نیروی اول را می‌توان با استفاده از نظریه میدان‌های کوانتومی بازبه‌هنجارسازی شده توضیح داد. این دو نیرو توسط تعدادی بوزون‌ پیمانه‌ای منتقل می‌گردند. هر یک از این بوزونها با یک نوع تقارن پیمانه‌ای متناظر است. هنوز دستیابی به یک نظریه میدان کوانتومی بازبه‌هنجارسازی شده برای نسبیت عام محقق نشده‌است، هرچند که اشکال مختلف نظریه ریسمان تا حدودی نویدبخش هستند. تا زمانی که مقیاس فواصل فضایی و زمانی به اندازه کافی کوچک باشد، نظریه نسبیت خاص در سراسر جهان برقرار است؛ در غیر این صورت باید از نظریه تعمیم‌یافته تر نسبیت عام استفاده نمود. تاکنون هیچ توضیح خاصی برای این موضوع که چرا ثابتهای فیزیکی مانند ثابت پلانک h و ثابت گرانش G این مقادیر خاص را دارا هستند، در دست نیست. چندین قانون پایستگی تا کنون شناسایی شده‌اند. از جمله این قوانین می توان به قانونهای پایستگی بار، پایستگی تکانه و تکانه زاویه‌ای و پایستگی انرژی اشاره نمود. در بسیاری موارد قوانین پایستگی با تقارن و هویتهای ریاضی مرتبط‌اند.

تنظیم مقادیر

مقالهٔ اصلی: نظریه جهان تنظیم‌شده

به گواهی مشاهدات، بسیاری از پارامترهای جهان دارای مقادیر بسیار ویژه‌ای هستند، زیرا اگر مقادیر این پارامترها کمی با مقدار کنونی آن تفاوت داشت، امکان پیدایش حیات هوشمند در جهان وجود نداشت. البته همه دانشمندان با وجود داشتن جهان تنظیم‌شده موافق نیستند. به‌طورخاص اینکه حیات هوشمند چه شکلهایی می‌تواند داشته‌باشد و چگونه به‌وجود می‌آید، هنوز نادانسته مانده‌است. یکی از مشاهدات مرتبط با این مبحث این است که برای اینکه ناظر وجود داشته‌باشد و بتواند جهان تنظیم‌شده را مشاهده نماید، باید جهان امکان حیات هوشمند را دارا باشد؛ ازاین‌رو احتمال شرطی مشاهده یک جهان تنظیم‌شده برابر با ۱ است. این موضوع با نام اصل انسان‌نگر شناخته می‌شود.

مدل‌های تاریخی

همچنین ببینید: کیهان‌شناسی و گاه‌شمار کیهان‌شناسی

در طول تاریخ با توجه به داده‌های در دسترس و درک موجود از کیهان در هر زمان، مدل‌های بسیاری برای کیهان (کیهان‌شناسی) و چگونگی پیدایش آن (کیهان‌زایی) ارائه شده‌اند. از لحاظ تاریخی ، کیهان‌شناسی‌ها و کیهان‌زایی‌ها بر پایه روایاتی از خدایانی بنا می‌شد که به گونه‌های مختلفی عمل می‌کردند. نظریه‌ها ی شامل یک جهان غیرشخصی که قوانین فیزیکی بر آن حکمفرماست، نخستین بار توسط یونانی‌ها و هندی‌ها ارائه شدند. با گذشت قرن‌ها و پیشرفت مشاهدات نجومی و نظریه‌های حرکت و گرانش به دقیقترین توصیف جهان در حال حاضر انجامیده‌است. دوران کیهان‌شناسی نوین با نظریه نسبیت عام آلبرت اینشتین در سال ۱۹۱۵ آغاز شد، که این امکان را بوجود آورد که بتوان به صورت کمی سرآغاز، تکامل و سرانجام جهان به عنوان یک کل را توضیح داد. بیشتر نظریات نوین در کیهان‌شناسی بر پایه نسبیت عام و یا به طور خاص بر پایه مهبانگ بنا شده‌اند.

آفرینش

مقاله‌های اصلی: اسطوره‌های آفرینش و الهه آفرینش

در بسیاری از فرهنگ‌ها داستان‌هایی در توصیف سرآغاز جهان وجود دارند که ممکن است بتوان آنها را در چند گونه گروه‌بندی نمود. در یک گونه این داستان‌ها جهان از یک تخم کیهانی زاییده می‌شود. از زمره اینگونه داستان‌ها می‌توان به شعر حماسی فنلاندی کالوالا، افسانه چینی پانگو و یا افسانه هندی براهما پورانا اشاره نمود. در افسانه‌های مشابهی جهان به‌دست یک موجودیت یکتا آفریده‌ شده‌است که از خود چیزی پراکنده و یا تولید می نماید، مانند مفهوم آدی‌ بودا در بودیسم تبتی، افسانه گایا(مادر زمین) در یونان باستان، الهه آزتک در افسانه کواتلیکوئه، داستان خدای مصر باستان به نام آتوم و یا روایت آفرینش در کتاب آفرینش. در گونه‌ای دیگر از این داستان‌ها جهان از اجتماع خدایان مونث و مذکر پدیدآمده‌است، مانند رنگی و پاپا در افسانه مائوری. در دیگر داستانها جهان با استفاده از مواد از پیش موجود همچون پیکر خدایان درگذشته - مثلا از پیکر تیامات در حماسه بابلی انوما الیش و یا از یمیر غول‌پیکر در اساطیر اسکاندیناوی - و یا مواد پرهرج‌ومرج مانند ایزاناگی و ایزانامی در اساطیر ژاپن. در سایر داستانها جهان از عناصری بنیادی منتشر می‌شود، مانند برهمن و پراکریتی و یا یین و یانگ در تائو.

مدل‌های فلسفی

همچنین ببینید: کیهان‎شناسی، فلسفه پیشاسقراطی، فیزیک(ارسطو)، کیهان‌شناسی هندو، کیهان‌شناسی اسلامی، و زمان

از قرن ششم پیش از میلاد فیلسوفان یونانی پیشاسقراطی نخستین‌ مدل‌های فلسفی شناخته شده از جهان را ایجاد نمودند. فیلسوفان یونانی نخستین متوجه شده‌بودند که ظاهر می‌تواند گمراه‌کننده باشد و از همین رو به دنبال درک واقعیت نهفته در پشت ظاهر بودند. مثلا آنها متوجه قابلیت تغییر شکل ماده(مثلا یخ به آب به بخار) شده‌بودند و چندین فیلسوف بر پایه این مشاهده پیشنهاد دادند که همه مواد که در ظاهر متفاوت، شکلهای مختلفی از یک ماده اولیه یا آرخه(به انگلیسی: arche) هستند. نخستین کسی که چنین پیشنهادی داد تالس بود که پیشنهاد نمود این ماده آب است. آناکسیماندروس، شاگرد تالس، پیشنهاد داد که همه چیز از آپایرون نامحدود آمده‌است. آناکسیماندروس عقیده داشت که باد به دلیل کیفیتهای جاذبه و دافعه آن باعث می شود که آرخه فشرده شود یا به شکل دیگری درآید. آناکساگوراس عنصر نوس(ذهن) را معرفی‌نمود. هراکلیتوس آتش را معرفی کرد و از لوگوس سخن گفت. امپدوکلس چهار عنصر پیشنهاد نمود: خاک، آب، باد و آتش. نظریه عناصر چهارگانه وی بسیار مورد توجه قرارگرفت. همانند فیثاغورس، افلاطون نیز بر این باور بود که همه چیز از عدد تشکیل شده‎است و عناصر امپدوکلس به شکل اجسام افلاطونی هستند. دموکریتوس و فیلسوفان بعدی - که مهمترینشان لئوکیپوس بود - ئیشنهاد دادند که جهان از اتم‎های تجزیه‎ناپذیری تشکیل شده‎است که در خلاء حرکت می‎کنند. ارسطو باور نداشت که چنین چیزی امکانپذیر باشد زیرا هوا نیز مانند آب دربرابر حرکت مقاومت می‎کند.

اگرچه هراکلیتوس به تغییر ابدی اعتقاد داشت، پارمنیدس، فیلسوف تقریبا هم‌دوره او بر این باور بود که تغییر تنها یک توهم است. واقعیت نهفته تا ابد بدون تغییر و در سکون می‌ماند و ماهیت یکتایی دارد. پارامنیدس این واقعیت یکتا را به صورت τὸ ἐν (آن یگانه) نمایش داده‌است. نظریه پارامنیدس به نظر بسیاری از فیلسوفان ناپذیرفتنی می‌نمود، اما یکی از شاگردان او به نام زنون الئایی با چندین پارادوکس معروف آنها را به مجادله فراخواند. ارسطو با معرفی مفهوم بی‌نهایت قابل‌شمارش و همچنین پیوستار تقسیم‌پذیر تا بی‌نهایت، به این پارادوکس‌ها پاسخ داد.

کانادا، فیلسوف هندی و بنیانگذار مدرسه وایششیکا، یک نظریه اتم‌گرایی معرفی کرد و پیشنهاد داد که نور و گرما اشکال مختلف یک ماده واحد هستند. در قرن پنجم پیش از میلاد، دیگناگا،‌فیلسوف بودایی اتم‌گرا پیشنهاد نمود اکه اتمها به اندازه نقطه و بدون زمان هستند و از انرژی ساخته شده‌اند. آنها وجود ماده اولیه را رد کردند و اعتقاد داشتند حرکت در واقع برقهای لحظه‌ای جریانی از انرژی هستند.

نظریه متناهی‌گرایی زمانی برآمده از دکترین آفرینش مشترک در بین سه دین ابراهیمی بود: یهودیت، مسیحیت و اسلام. جان فیلاپنس، فیلسوف مسیحی استدلال‌هایی بر علیه مواضع فیلسوفان یونانی در مورد نامتناهی بودن گذشته و آینده ارائه داد. این استدلال‌ها توسط یکی از فیلسوفان اسلامی نخستین به نام ابویوسف کندی، فیلسوف یهودی به نام سعادیا گائون و متکلم اسلامی به نام امام محمد غزالی نیز استفاده شده‌است. آنها از فیزیک و متافیزیک ارسطو بهره جستند و دو استدلال منطقی در رد گذشته نامتناهی ارائه دادند. استدلال نخست در باب ناممکن بودن وجود بی‌نهایت واقعی است، که این‌گونه بیان می‌شود:

«یک بی نهایت واقعی وجود ندارد»

«سیر نامتناهی روبه‌گذشته رویدادها در زمان یک بی‌نهایت واقعی است»

« $\therefore$ سیر نامتناهی رو به گذشته رویدادها وجود ندارد»

دومین استدلال در باب ناممکن بودن تکمیل یک بی‎نهایت از طریق افزودن‎های پیاپی است. این استدلال به این صورت بیان شده‎است:

«یک بی‎نهایت واقعی را نمی‎توان از طریق افزایش‎های پیاپی کامل نمود»

«سریهای زمانی اتفاقات گذشته با افزایش‎های پیاپی کامل شده‎اند»

« $\therefore$ سریهای زمانی از اتفاقات گذشته نمی‎تواند بی‎نهایت واقعی باشد»

هردوی این استدلال‎ها توسط فیلسوفان و خداشناسان مسیحی نیز مورد اقتباس قرارگرفته‎اند. به‎ویژه استدلال دومی که کانت در رساله آنتی‎نومی خود در مورد زمان از آن استفاده نمود.

مدل‎های نجومی

مقالهٔ اصلی: تاریخ اخترشناسی

محاسبات اندازه نسبی از چپ به راست: خورشید، زمین و ماه.آریستارخوس ساموسی در قرن سوم پیش از میلاد، که از یک کپی یونانی در قرن دهم پس از میلاد گرفته شده است.

نخستین مدل‎های نجومی جهان اندکی پس از شروع اخترشناسی توسط اخترشناسان بابلی پیشنهاد شد. آنها جهان را به شکل یک صفحه تخت می‎پنداشتند که در اقیانوسی غوطه‎ور است واین پیش‎زمینه نقشه‎های یونانی مانند نقشه‎های آناکسیماندروس و هکاتئوس بود.

بعدها اخترشناسان یونانی با مشاهده حرکت اجرام آسمانی به این اندیشه افتادند که مدلهای ژرفتری از جهان را بر پایه شواهد تجربی ابداع کنند. نخستین مدل منطقی توسط اودوکسوس کنیدوسی ارائه شد. طبق تعبیر فیزیکی ارسطو از این مدل کره‌های آسمانی تا ابد با سرعت یکنواخت به دور زمین ثابت می‌گردند. ماده عادی کاملا در درون کره خارجی قرارگرفته‌است. این مدل توسط کالیپوس اصلاح شد و بعد از اینکه کره‌های هم مرکز از آن حذف شد با مشاهدات نجومی بطلمیوس تقریبا در سازگاری کامل بود. موفقیت این مدل تا حدود زیادی مدیون این اصل ریاضی است که هر تابعی (مثلا تابع موقعیت یک سیاره) را می‌توان به صورت مجموعه‌ای از توابع دایره‌ای (حالات فوریه) درآورد. سایر دانشمندان یونانی مانند فیلسوف مکتب فیثاغوری، فیلولائوس به این اصل رسیدند که در مرکز جهان یک آتش مرکزی قرار دارد که زمین، خورشید، ماه و سایر سیارات در حرکت دایره‌ای با سرعت یکنواخت به دور آن می‌چرخند. آریستارخوس ساموسی، اخترشناس یونانی نخستین فرد شناخته‌شده‌ایست که مدلی خورشید-مرکزی برای جهان راائه داد. اگرچه متون اصلی وی گم‌شده‌اند، اما ارشمیدس در کتاب «جدول اعداد ماسه» به این مدل اشاره کرده و نظریه خورشید-مرکزی وی را توصیف می‌کند. ارشمیدس چنین می‌نویسد(ترجمه از متن انگلیسی):

شما شاه گلون مستحضر هستید که جهان نامی‌است که بیشتر اخترشناسان برای کره‌ای برگزیده‌اند که مرکز آن مرکز زمین است و شعاع آن برابر طول خط مستقیمی است که از مرکز زمین به مرکز خورشید می‌رسد. همانگونه که از اخترشناسان به گوشتان رسیده‌است عقیده عموم بر این است. حال آنکه آریستارخوس کتابی بیرون داده‌است که شامل فرضیات مشخصی است که در آن به نظر می‌رسد در نتیجه فرضهای صورت‌گرفته، جهان در حقیقت بسیار یزرگتر از «جهانی» است که پیشتر عرض کردم. فرضیات آن بر این است که ستارگان ثابت و خورشید حرکتی نداشته و زمین به دور خورشید و بر روی محیط یک دایره می‌گردد و خورشید در مرکز این مدار قرار دارد و کره ستارگان ثابت که در اطراف مرکز خورشید قرار گرفته‌اند به قدری بزرگ است که که دایره‌ای که بنا بر فرضیات وی زمین در آن به دور خورشید می گردد تنها کسر کوچکی از فاصله ستارگان ثابت است.

آریستاخوس اعتقاد داشت که ستارگان بسیار دور هستند و به همین دلیل هیچگونه اختلاف منظری مشاهده نمی‌شود. یعنی ستارگان هنگامی که زمین به دور خورشید می‌گردد هیچ حرکتی نسبت به یکدیگر ندارند. ستارگان در واقع از آنچه به‌طور عمومی در دوران باستان می‌پنداشتند، بسیار دورتر هستند و به همین دلیل اختلاف منظر ستاره‌ای تنها با ابزارهای دقیق قابل اندازه‌گیری است. در آن دوران مدل زمین-مرکز که با اختلاف منظر سیاره‌ای همخوانی داشت را به عنوان توضیحی برای علت عدم مشاهده اختلاف منظر ستاره‌ای در نظر می‌گرفتند. آنچنانکه از ظواهر بر‌می‌آید مدل خورشید-مرکز قویا رد شده‌بود، چنانچه در پاراگرافی از افلاطون چنین آمده است:

کلیانتیس [یکی از فیلسوفان هم‌دوره آریستارخوس و سردسته رواقیون ] فکر می‌کرد که وظیفه یونانیها این بود که آریستارخوس ساموسی را به اتهام حرمت‌شکنی از طریق نسبت دادن حرکت به قلب جهان [زمین] محاکمه نمایند... او فکر می‌کند که آسمان ثابت است و زمین در مسیر دایره‌ای می‌گردد و همزمان به دور محور خویش نیز می‌چرخد.

تنها نام شناخته شده دیگر از اخترشناسانی که از مدل خورشید-مرکز آریستارخوس حمایت نمود، سلوكوس‌ سلوكيه‌‌‌ای است که اخترشناسی یونانی‌گرا (هلنیست) بود. بنا بر نظر پلوتارک، سلوکوس نخستین کسی بود که مدل خورشید-مرکز را از راه استدلال اثبات نمود اما چگونگی استدلالش مشخص نیست. احتمالا استدلال سوکوس مرتبط با پدیده جزر و مد بوده است. به نظر استرابو، سلوکوس نخستین کسی بود که بیان نمود جزر و مد ناشی از جاذبه ماه است و ارتفاع آن به موقعیت نسبی ماه به خورشید بستگی دارد. احتما دیگر آن است که سلوکوس نظریه خورشید-مرکز را با استفاده از تعیین ثوابت یک مدل هندسی برای این نظریه و ابداع روشهایی برای محاسبه موقعیت سیارات با استفاه از این مدل، اثبات نموده باد، همانند کاری که کوپرنیک در قرن شانزدهم انجام داد. در خلال قرون وسطی مدل‌های خورشید مرکز توسط آریابهاتا، اخترشناس هندی و همچنین ابوسعید سجزی و ابومعشر بلخی ، اخترشناسان ایرانی نیز پیشنهاد شده‌اند.

مدل کوپرنیکی جهان از توماس دیگز در سال ۱۵۷۶، با این اصلاح که ستارگان دیگر در یک کره قرار نمی‌گیرند، بلکه به طور یکنواختی در فضایی که سیارات را دربر می‌گیرد پخش شده‌اند.

مدل ارسطویی تقریبا به مدت تقریبا دو هزاره مور پذیرش جهان غرب بود تا اینکه کوپرنیک نظریه آریستارخوس را احیا نمود و بیان نمود که داده‌های نجومی با فرض چرخش زمین به دور خود و با فرض قرارگرفتن خورشید در مرکز جهان همخوانی بهتری دارد.

خورشید در مرکز می‌آرمد. چه کسی می‌تواند این فانوس یک معبد بسیار زیبا را در جای دیگر و بهتری از اینجا قرار دهد که از آن بتواند همه‌چیز را همزمان روشنایی بخشد؟

— نیکلاس کوپرنیک، فصل ۱۰ از جلد اول «گردش افلاک آسمانی» (۱۵۴۳)

چنانچکه خود کوپرنیک اشاره می‌کند ایده چرخش زمین، ایده‌ای بسیار کهن است که دست‌کم به فیلولائوس (۴۵۰ پیش از میلاد)، هراکلیدس پونتیکوس (۳۵۰ پیش از میلاد) و اکفانتوس برمی‌گردد. یک قرن پیش از کوپرنیک نیز یک دانش‌پژوه مسیحی به نام نیکلاسِ کوسا نیز در کتاب «نادانی فراگرفته‌شده» (۱۴۴۰) خود پیشنهاد داد که زمین به دور محور خویش می‌چرخد. آریابهاتا(۴۷۶-۵۵۰)، براهماگوپتا(۵۹۸-۶۶۸)، ابومعشر بلخی و ابوسعید سجزی نیز چنین پیشنهادی را مطرح نموده‌بودند. نخستین شواهد تجربی برای چرخش زمین به دور خود با استفاده از پدیده دنباله‌دارها توسط خواجه نصیرالدین طوسی (۱۲۰۱-۱۲۷۴) و ملا علی قوشچی (۱۴۰۳-۱۴۷۴) ارائه شد.

یوهانس کپلر کتاب «جدول‌های رودولفین» را منتشر نمود که شامل یک کاتالوگ ستاره‌ها و جدولهای سیارات با استفاده از اندازه گیریهای تیکو براهه بود.

این کیهان‌شناسی از جانب اسحاق نیوتن، کریستیان هویگنس و دانشمندان آتی مورد پذیرش قرار گرفت. ادموند هالی(۱۷۲۰) و ژان-فیلیپ دو چساکس(۱۷۴۴) هریک به طور جداگانه اشاره نمودند که فرضیه یک فضای بی‌نهایت که به طور یکنواخت از ستارگان پر شده است به این می‌انجامد که آسمان شب باید به روشنی خود خورشید باشد. این موضوع در قرن نوزدهم با نام پارادوکس اولبرس شهرت یافت. نیوتن باور داشت که یک فضای بی‌نهایت که به طور یکنواخت از ماده پر شده باشد باعث می‌شود که نیروهای بی‌نهایت و ناپایداری‌ها سبب می‌گردد که ماده تحت نیروی گرانش خود به درون خرد شود. این ناپایداری در سال ۱۹۰۲ با معیار ناپایداری جینز روشن شده‌بود. یک پاسخ ممکن به این پارادوکس‌ها جهان شارلیه است که در آن ماده به صورت سلسله‌مراتبی و به شکل فراکتالی تنظیم شده‌است، به گونه‌ای که چگالی جهان آنقدر اندک است که قابل صرفنظر کردن است. چنین مدل کیهانی پیش از این در سال ۱۷۶۱ توسط یوهان هاینریش لمبرت نیز پیشنهاد شده‌بود. مهمترین پیشرفت اخترشناسی در قرن هجدهم کشف سحابیها توسط توماس رایت و ایمانوئل کانت و دیگران بود.

دوران نوین کیهان‌شناسی فیزیکی از سال ۱۹۱۷ و از زمانی آغاز شد که آلبرت اینشتین نظریه نسبیت عام خود را برای نخستین بار برای مدل کردن ساختار و دینامیک جهان به‌کاربرد.

مدل‎های علمی و نظری

گرانش یکی از چهار نیروی بنیادی است که در مقیاسهای فواصل کهکشانی نقش اثرگذار و تعیین کننده دارد. نقش سایر نیروها در ساختارهای در اندازه سیارات و کهکشانها قابل چشم‎پوشی است. دلیل این موضوع آن است که تمام ماده و انرژی موجو در جهان گرانی دارند و گرانش تنها جاذبه است در حالیکه بارهای مثبت و منفی اثر یکدیگر را خنثی می کنند و در نتیجه الکترومغناطیس در مقیاس کیهانی و فواصل دور تاثیرگذار نیست. دو نیروی بنیادی دیگر که برهمکنش ضعیف و قوی هسته‎ای هستند اثرشان با افزایش فاصله به شدت کاهش می‎یابد و برد کمی دارند.

نظریه نسبیت عام

مقاله‌های اصلی: آشنایی با نسبیت عام، نسبیت عام، و معادلات میدان اینشتین

آزمونهای با دقت بالای نسبیت عام توسط کاوشگر کاسینی (تصویر هنری): سیگنالهای رادیوی مبادله شده بین زمین و کاوشگر (موجهای سبز) بر اثر پیچش فضا و زمان ناشی از جرم خورشید دچار تاخیر میشوند

با توجه به نقش گرانش در شکل‎دهی ساختارهای کیهانی، برای پیش‎بینی دقیق گذشته و آینده جهان نیاز به نظریه دقیقی برای گرانش داریم. بهترین نظریه در دست نظریه نسبیت عام آلبرت اینشتین است که تا کنون از همه آزمون‎های تجربی سربلند خارج شده‎است. هرچند از آنجا که آزمایشهای استواری در مقیاس طولهای کیهانی انجام نشده‎است، ممکن است نظریه نسبیت کاملا دقیق نباشد اما به دلیل اینکه به نظر می‎رسد پیش‎بینی‎های کیهانی آن با مشاهدات تجربی همخوانی دارد، ضرورتی برای یک نظریه متفاوت احساس نمی‎گردد.

نظریه نسبیت عام مجموعه‎ای از ده معادله دیفرانسیل جزئی غیرخطی (معادلات میدان اینشتین) برای متریک فضازمان است که باید از طریق توزیع ماده-انرژی و تکانه در سراسر جهان حل شوند. از آنجا که این توزیعها را نمی توان به صورت دقیق باجزئیات کامل به‎دست آورد، مدلهای کیهان‎شناسی بر پایه اصل کیهان‎شناختی بنا شده‎اند که بیان می‎دارد که جهان همگن و همسانگرد است. در واقع اصل کیهان‎شناسی چنین فرض می‎کند که آثار گرانشی کهکشانهای مختلفی که جهان را تشکیل می‎دهند را می‎توان معادل آثار گرانشی غبارهای ریزی در نظر گرفت که سراسر جهان را به شکل یکنواخت پرنموده‎اند. با این فرض یکنواختی پراکندگی غبارها حل معادلات میدان اینشتین ساده‎تر می‎گردد و امکان پیشبینی گذشته و آینده جهان در مقیاسهای زمانی کیهانی را با این نظریه محقق نمود.

معادلات میدان اینشتین شامل یک ثابت کیهانی (Λ) هستند که معادل با چگالی انرژی در فضای خالی می‎باشد. بسته به علامت آن، ثابت کیهانی می‎تواند باعث کندتر شدن(Λ منفی) و یا تندترشدن (Λ مثبت) انبساط جهان گردد. اگرچه بسیاری از دانشمندان از جمله اینشتین انتظار داشتند که مقدار Λ برابر صفر باشد. مشاهدات نجومی اخیر مربوط به ابرنواختر نوع Ia میزان زیادی از انرژی تاریک را آشکار ساخت که باعث شتابدار بودن انبساط جهان می‎گردد. مطالعات اولیه پیشنهاد می‎دهند که این انرژی تاریک متناظر با Λ مثبت است اما هنوز نمی‎توان سایر نظریات را نیز رد نمود. زلدوویچ، فیزیکدان روس پیشنهاد نمود که Λ در واقع اندازه انرژی نقطه صفر مربوط به ذرات مجازی در نظریه میدان‎های کوانتومی است، یعنی یک انرژی خلاء فراگیر است که در همه‎جا حتی در فضاهای خالی وجود دارد. شواهد تجربی برای انرژی نقطه صفر در اثر کاسیمیر مشاهده‎شده‎است.

نسبیت خاص و فضازمان

مقاله‌های اصلی: آشنایی با نسبیت خاص و نسبیت خاص

تنها خصوصیت ذاتی میله طول L است (که به رنگ سیاه نشان داده‎شده)؛ اختلاف مختصات بین دو سر آن (مثلا Δx, Δy or Δξ, Δη) به چارچوب مرجع آنها بستگی دارد (در شکل به ترتیب با رنگهای آبی و قرمز نمایش داده‎شده است. ).

جهان حداقل سه بعد فضایی و یک بعد زمانی دارد. برای مدتهای طولانی چنین پنداشته‎می‎شد که ابعاد فضایی و زمانی جهان دارای ماهیتهای متفاوت و مستقل از یکدیگر هستند، اما بنا بر نظریه نسبیت خاص اینشتین این دو بعد قابل تبدیل به یکدیگرند.

برای اینکه این تبدیلها را بهتر درک نمود می توان تبدیل مشابه بین ابعاد فضایی را در نظر گرفت. میله‎ای به طول L در نظر بگیرید. طول این میله را می توان از اختلافهای دو نقطه پایانی این میله در سه بعد مختصات Δy، Δx و Δz در یک چارچوب مرجع به دست آورد.

$L^{2}=\Delta x^{2}+\Delta y^{2}+\Delta z^{2}$

با استقاده از قضیه فیثاغورس می‎توان نشان داد که اگر چارچوب را بچرخانیم اختلاف مختصات تغییر می‎کند اما طول ثابت می‎ماند.

$L^{2}=\Delta \xi ^{2}+\Delta \eta ^{2}+\Delta \zeta ^{2}.$

بنابراین اختلاف مختصات (Δx, Δy, Δz) و (Δξ, Δη, Δζ) جزو خصوصیات ذاتی میله نیستند بلکه به دستگاه مختصاتی که توصیف کننده آن است مرتبط‎اند. بر خلاف آن L طول میله جزو خصوصیات ذاتی میله است. اگر چارچوب مرجعی بچرخد اختلاف مختصات تغییر می کند اما طول میله ثابت می‎ماند.

مفهوم متناظر با طول میله در فضازمان، فاصله بین دو رویداد نامیده می شود. یک رویداد نقطه‎ای در فضازمان است: نقطه خاصی در مکان و لحظه خاصی در زمان.بازه فضازمان بین دو رویداد از رابطه زیر به‎دست می‎آید:

$s^{2}=L_{1}^{2}-c^{2}\Delta t_{1}^{2}=L_{2}^{2}-c^{2}\Delta t_{2}^{2}$

که در آن c سرعت نور است.

نسبیت خاص نظریه|نظریه‌ای دربارهٔ اندازه گیری در چارچوب مرجع لخت است که در سال ۱۹۰۵ میلادی توسط آلبرت اینشتین در نوشتاری با نام "درباب الکترودینامیک اجسام متحرک" مطرح شد.. گالیلئو گالیله قبلا چنین اصلی را بیان نموده بود که تمام حرکات یکنواخت نسبی هستند و هیچ حالت سکون مطلق و تعریف شده‌ای وجود ندارد(چارچوب مرجع برتر وجود ندارد). این اصل امروزه اصل نسبیت گالیله خوانده می‌شود. انیشتین این اصل را با در نظرگرفتن پدیده سرعت ثابت نور گسترش داد؛ پدیده‌ای که به تازگی در آزمایش مایکلسون-مورلی مشاهده شده بود. او همچنین بیان نمود که این اصل برای تمام قوانین فیزیک صادق است که در آن زمان شامل قوانین مکانیک و الکترودینامیک می‌شد.

این نظریه پیامدهای گسترده‌ای دارد که مورد تایید داده‌های تجربی قرارا گرفته‌اند و شامل موضوعاتی غیر شهودی همچون انقباض طول، اتساع زمان و نسبیت همزمانی است. او مفهوم کلاسیک بازه زمانی ناوردا برای دو رویداد را با مفهوم ناوردایی بازه فضازمان تعویض کرد. می‌توان با استفاده از دو اصل نسبیت خاص و ترکیب آنها با سایر قوانین فیزیک به هم ارزی جرم و انرژی بر طبق اصل هم‌ارزی جرم و انرژی (E = mc^۲) رسید که c در آن برابر با سرعت نور در خلا است. پیش بینی‌های نسبیت خاص با مکانیک نیوتنی در قلمرو مشترکشان همخوانی دارند. به ویژه در مورد سرعتهایی که از سرعت نور بسیار کوچکتر هستند. تاثیر نسبیت خاص هنگام بررسی اجسام در حال حرکت با سرعت‌های بسیار زیاد (نزدیک به سرعت نور) قابل توجه می‌شود. بنابر این نظریهٔ نسبیت همانطور که اصل همخوانی فیزیک ایجاب می‌کند باید نتایج مشاهدات قبلی را به شکل کامل تری بیان کند. مقایسه رابطه بین مکانیک نیوتنی و مکانیک نسبیتی همانند مقایسه بین تبدیلات لورنتس و گالیله است و می‌توان مطلب فوق را به بیان ریاضی به شکل زیر نمایش داد:

‎ $\lim _{c\to \infty }$(تبدیلات لورنتس) = (تبدیلات گالیله) ‎

البته در نظر داشته باشید که هنگامی که c به سمت بی نهایت میل می‌کند (همانگونه که پیش از اثبات متناهی بودن سرعت نور پنداشته می‌شد) کسر v/c به سمت صفر می‌رود. این بدان معناست که تبدیلات لورنتس که اساس نظریهٔ نسبیت خاص هستند در سرعت‌های بسیار کم نسبت به نور، نتایج یکسانی را با معادلات گالیله که اساس نسبیت نیوتونی هستند به دست می‌دهند. نظریه نسبیت خاص به ما می‌گوید که c تنها سرعت یک پدیده مشخص نیست بلکه یکی از ویژگیهای بنیادی شیوه‌ای است که فضا و زمان با یکدیگر به شکل فضا زمان یکپارچه گشته‌اند. یکی از پیامدهای این نظریه است که ذره‌ای که جرم لختی دارد هرگز سرعتش به سرعت نور نمی‌رسد.

حل معادلات میدان اینشتین

همچنین ببینید: مهبانگ و سرانجام کیهان

انیمیشن انبساط جهان را نمایش می‌دهد.

فاصله میان کهکشانهای چرخان با گذشت زمان در حال افزایش است، اما فاصله میان ستارگان درون هر کهکشان به دلیل برهمکنشهای گرانشی، تقریبا ثابت است. این پویانمایی (انیمیشن) یک جهان بسته فریدمان با ثابت کیهانی Λ صفر را نمایش می‌دهد. چنین جهانی بین یک مه‌بانگ و مه‌رمب در نوسان خواهد بود.

در دستگاههای مختصات غیردکارتی (غیر قائم) یا خمیده، قضیه فیثاغورس تنها در مورد مقیاسهای طولی بی‌نهایت کوچک برقرار است و برای برقرار بودن باید یک تانسور متریک عمومی g_μν به آن افزوده‌ شود. این تانسور هندسه محلی در یک دستگاه مختصات را توصیف می‌کند و ممکن است مقدار آن از مکانی به مکان دیگر تغییر نماید. هرچند که بنا بر اصل کیهان‌شناختی جهان همگن و همسانگرد است و از این رو هر نقطه در فضا مانند نقاط دیگر خواهد بود؛ و در نتیجه تانسور متریک همه‌جا یکسان است. پس به یک شکل یکتا برای تانسور متریک می‌رسیم که متریک فریدمان-لومتر-رابرتسون-واکر نام دارد:

$ds^{2}=-c^{2}dt^{2}+R(t)^{2}\left({\frac {dr^{2}}{1-kr^{2}}}+r^{2}d\theta ^{2}+r^{2}\sin ^{2}\theta \,d\phi ^{2}\right)$

که در آن (r, θ, φ) متناظر با یک دستگاه مختصات کروی می‌باشد. این متریک تنها دو پارامتر نامعلوم دارد: یک مقیاس کلی طول R که با زمان تغییر می‌کند و یک شاخص خمش k که تنها می‌تواند ۰ یا ۱ یا ۱− باشد که به ترتیب متناظر با فضای تخت اقلیدسی و یا فضاهای با خمش مثبت یا منفی است. در کیهان‌شناسی برای حل این معادلات در مورد گذشته جهان، R را به عنوان تابعی از زمان محاسبه و شاخص k و ثابت کیهان‌شناسی Λ را مشخص می‌کنیم. معادله‌ای که تغییر R با زمان را توصیف می‌کند معادلات فریدمان نام دارد که از روی پدیدآورنده آن الکساندر فریدمان نامگذاری شده‌است. <ref>Friedmann A. (1922). "Über die Krümmung des Raumes". Zeitschrift für Physik. 10 (1): 377–386. Bibcode:1922ZPhy...10..377F. doi:10.1007/BF01332580.</ref

چندجهانه

مقاله اصلی :، چندجهانه فرضیه زیادی جهان، نظریه حباب جهان، و داستان جهان موازی

شمای شش جهان

توصیف از چندجهانه هفت کیهان‌های "حباب" که فضازمان جداگانه هستند، هر یک با قوانین متفاوت فیزیکی، ثابت‌های فیزیکی، و شاید حتی شماره‌های مختلف از ابعاد یا توپولوژی. بعضی از تئوری‌های سوداگرانه پیشنهاد کردند که این جهان است، اما یکی از مجموعه ای از کیهان‌های قطع شده بود، در مجموع به عنوان چندجهانه مشخص شده است، تغییر مفهومی است که شامل همه چیز جهان است. با این تعریف، هیچ راهی ممکن نیست برای هر چیزی در یک کهکشان آن را تحت تأثیر دیگری قرار دهد و اگر دو "کیهان " بتوانند بر یک دیگر تاثیر گذارند، آنها بخشی از یک جهان منفرد می باشند. بنابراین، اگر چه برخی از شخصیت‌های افسانه ای بین "کیهان های" موازی افسانه ای سفر کنند، این است که اگر بخواهیم صحبت کنیم، از رسم نادرست از مدت جهان کیهان‌های قطع شده به عنوان جسمی فیزیکی تصور می‌شود، به این معنی که هر کدام باید فضای خود و زمان خود را داشته باشد، خود ماده و انرژی آن، و آن گونه که خود تغییر قوانین فیزیکی -- که همچنین چالش هایی در تعریف کیهان‌های همسو به طور همزمان وجود ندارد ( از آنجایی که آنها زمان خود را دارند) و یا درخطوط هندسی موازی (چون هیچ رابطه قابل تفسیری را میان مواضع فضایی از کیهان‌های مختلف وجود ندارد.

چنین کیهان‌های قطع شدهٔ فیزیکی باید برجسته تر از مفهوم متافیزیکی از هواپیماهای جایگزین آگاهی، که مکان فیزیکی تصور نمی‌شود و از طریق جریان اطلاعات متصل نیستند. مفهوم مولتیورز ازکیهان‌های قطع شده بسیار قدیمی است . برای مثال : اسقف اتین تمپیر از پاریس در 1277 حکم داد که خدا می تواند کیهان‌های بسیاری را ایجاد کند او این شایستگی را دید مناسب، سوالی است که به شدت مورد بحث توسط اهل علم فرانسه بود. دو حواس علمی است که در آن چندین کیهان مورد بحث قرار می گیرد. اول، جدایی فضازمان ممکن است وجود داشته باشد، احتمالاً، تمام فرم‌های از ماده و انرژی را به یک جهان محدود و می تواند " تونل" بین آنها باشد. نمونه ای از چنین نظریه مدل تورم هرج و مرج از عالم اولیه است. دوم، با توجه به فرضیه چند جهان، جهان با اندازه گیری کوانتومی هر زاده موازی است؛ جهان "چنگال" را به نسخه‌های موازی که هر کدام مربوط به یکی از پیامدهای مختلف اندازه گیری کوانتومی می کنند. با این حال، هر دو حواس از اصطلاح " مولتیورز " سوداگرانه هستند و ممکن است غیرعلمی در نظر گرفته شوند؛ هیچ آزمون آزمایشی شناخته شده در یک جهان نمی‌تواند وجود یا خواص دیگر عالم غیر تعامل را فاش کند.

جستارهای وابسته

• هستی
• کیهان
• جهان

منابع

• اسرار کائنات نوشته پروفسور آبراهام(ابراهیم) ویکتوری
• مقدمهٔ دکتر فتح الله کاسمی بر جلد ۲ کتاب اسرار کائنات