گیتی

گیتی

تصویرِ میدانِ فوق عمیقِ هابل، برخی از دورترین کهکشان‌هایی را نمایش می‌دهد که با فناوری‌های امروزی قابل دیدن هستند. هر یک از میلیاردها ستاره تشکیل شده‌اند. این تصویر بخش بسیار کوچکی از آسمان (اندازه ظاهری آن ۱.۷۹ برابر ماه کامل) را نشان می‌دهد.
سن	۰٫۰۲۱ ± ۱۳٫۷۹۹ میلیارد سال
قطر	حداقل ۹۱ میلیارد سال نوری (۲۸ میلیارد پارسک)
جرم (ماده معمولی)	حداقل ۱۰۵۳ کیلوگرم
چگالی متوسط	۴٫۵ x 10-۳۱ g/cm3
دمای متوسط	۲٫۷۲۵۴۸ کلوین
محتویات اصلی	ماده معمولی (باریونی) (۴٫۹٪) ماده تاریک (۲۶٫۸٪) انرژی تاریک (۶۸٫۳٪)
شکل	کُره

گیتی یا جهان (به انگلیسی: Universe) عبارت است از کل زمان و فضا و محتویات آن که شامل سیارات، اقمار، ریزسیارات، ستارگان، کهکشانها و محتویات فضای میان کهکشانی و در واقع کل ماده و انرژی می‌شود. اندازه‌گیری دقیق گیتی به علت پیوسته رو به گسترش بودنِ آن از تمامی جهت‌ها ممکن نیست، اما نظریه‌های متعددی دربارهٔ شکل‌گیری و تغییر و تکامل آن مطرح شده‌است.

نخستین مدل‌های علمی گیتی توسط فلاسفه یونان و هند باستان پدید آمدند که زمین-مرکز بودند و زمین را مرکز جهان می‌دانستند. در گذر سده‌های پس از آن، مشاهدات نجومی دقیقتر به نیکلاس کوپرنیک (۱۴۷۳–۱۵۴۳) کمک کرد تا مدل خورشید-مرکزی را برپایه مرکزیت خورشید در منظومه شمسی ارائه دهد. با بهره‌گیری از کارهای کوپرنیک و همچنین تیکو براهه (۱۵۴۶–۱۶۰۱) و قوانین گردش سیارات کپلر(۱۵۷۱–۱۶۳۰)، سر ایزاک نیوتن (۱۶۴۳–۱۷۲۷) قانون جهانی گرانش را معرفی نمود. در مشاهدات بعدی نیز مشخص شد که منظومه شمسی در کهکشانی به نام راه شیری قرار دارد که تنها یکی از کهکشان‌های پرشمار موجود در جهان است. چنین تصور می‌شود که کهکشان‌ها به شکل یکنواخت پراکنده شده‌اند و در همه جهات یکسان هستند در نتیجه جهان گوشه یا مرکز ندارد. مشاهدات اوایل قرن بیستم نشان داد که جهان آغازی داشته‌است و با نرخی فزاینده در حال انبساط است. بیشتر جرم موجود در جهان در قالب نوعی ناشناخته از ماده است که ماده تاریک نامیده می‌شود. جهان از ۴٫۹٪ ماده معمولی، ۲۶٫۶٪ ماده تاریک و ۶۸٫۵٪ انرژی تاریک تشکیل شده‌است.

نظریه مهبانگ، مدل کیهان‌شناسی پذیرفته‌شده کنونی است که شکل‌گیری جهان را توصیف می‌کند. بنابراین نظریه فضا و زمان در لحظه پیدایش جهان (مهبانگ) پدید آمدند و مقدار ثابتی ماده و انرژی وجود دارد که انبساط جهان، از تراکم ماده و انرژی می‌کاهد. پس از انبساط اولیه، جهان به اندازه‌ای سرد شد که نخستین ذرات زیراتمی و سپس اتمهای ساده به وجود آمدند. سپس بر اثر نیروی گرانش ابرهای غول‌پیکری از اتم‌ها به‌وجود آمدند و به هم پیوستند تا ستارگان تشکیل شوند. سن جهان بر پایه مدل استاندارد نظریه مهبانگ، ۰٫۰۲۱ ± ۱۳٫۷۹۹ میلیارد سال تخمین زده می‌شود.

نظریه‌های متعددی در مورد سرانجام جهان و اینکه پیش از مه‌بانگ چه بوده‌است، مطرح شده‌اند. سایر فیزیکدانان و فلاسفه از گمانه‌زنی در این موارد پرهیز کرده و در مورد اینکه مراحل پیش از مه‌بانگ بتواند در دسترس دانش بشری قرارگیرد، تردید دارند. فرضیه‌های چندجهانی مختلفی نیز مطرح شده‌اند که پیشنهاد می‌دهند جهان ما تنها یکی از جهان‌های بسیار دیگری است که مشابه این جهان هستند.

تعریف

جهان را می‌توان به این صورت تعریف نمود: هرآنچه وجود دارد، هرآنچه وجود داشته‌است و هرآنچه به‌وجود خواهد آمد. بنابر دانش کنونی ما، جهان تشکیل شده‌است از فضازمان، اشکال مختلفی از انرژی (از جمله تابش الکترومغناطیسی و ماده) و قوانین فیزیکی که آن‌ها را به هم مرتبط می‌سازد. جهان دربرگیرنده کل حیات و کل تاریخ است و برخی از فلاسفه و دانشمندان پیشنهاد داده‌اند که حتی ایده‌ها مثل ریاضیات و منطق نیز جزئی از جهان است.

واژه‌شناسی

نوشتار(های) وابسته: کیهان، طبیعت، جهان و کره‌های آسمانی

واژگان Kāheykeŝān، جهان و کیهان همگی ریشهٔ مشترکی دارند و از شکل کهن بن مضارع «زی» (به‌معنی زیستن) که به‌شکل «گی/جی» استفاده می‌شد، ساخته شده‌اند. بن مضارع «گی/جی» به‌معنی زیستن در ساخت واژگانی چون «جیوه»، «گیتی»، «جهان» و «کیهان (گیهان)» به‌کار رفته‌است.

واژهٔ گیتی معادل واژهٔ Universe در زبان انگلیسی است. واژهٔ universe برگرفته از واژهٔ کهن فرانسوی univers است که خود از واژهٔ لاتینِ universum برآمده‌است. این واژه لاتین توسط سیسرون و بعدها توسط نویسندگان لاتین پس از وی در معانی کم‌وبیش یکسانی با معنی امروزی آن در زبان به کار رفته‌است.

مترادف‌ها

تصویرسازی (بسیار اغراق‌آمیز) از پاندول فوکو که نشان می‌دهد زمین ثابت نیست، بلکه می‌چرخد

معنی دیگر unvorsum، «هرچیزی که به صورت یک کل چرخیده» یا «هرچیزی که توسط یک چیز چرخانده شده» می‌باشد. در این مفهوم، می‌توان آن را ترجمه‌ای از واژه یونانی کهن‌تر περιφορα(پریفورا) به‌معنی جهان دانست که در اصل به نوعی مراسم شام گفته می‌شد که در آن غذا در میان جمعی دایره‌وار از میهمان‌ها می‌گردد. این واژه یونانی به یک مدل باستانی کهن از جهان به نام کره‌های آسمانی اشاره دارد. ارسطو در رابطه با استعاره خورشید افلاطون پیشنهاد داد که چرخش کره ستارگان ثابت توسط محرک نخست آغاز شده و به نوبه خود باعث تغییرات بر روی زمین از طریق خورشید می‌شود. برای اثبات اینکه زمین روی محور خود می‌چرخد، اندازه‌گیری‌های اخترشناسی و فیزیکی دقیقی (مانند پاندول فوکو) مورد نیاز می‌باشد.

یکی از واژگان رایج برای جهان در میان یونانیان باستان، از فیثاغورث به بعد، واژهٔ το παν(تلفظ: توپان، همه، پان (اسطوره‌شناسی)) بود. واژگان مرتبط با آن، ماده (το ολον (تو اولون)) و مکان (το κενον (تو کِنون)) هستند. دیگر واژگان مترادف برای جهان در میان فیلسوفان یونان باستان شامل κοσμος (کیهان) و φυσις (به‌معنی طبیعت، که کلمه فیزیک نیز از آن گرفته شده‌است) می‌باشند. همان مترادف‌ها را می‌توان در میان آثار نویسندگان لاتین یافت (totum, mundus, natura), و به زبان‌های امروزی نیز راه یافته‌اند، به عنوان مثال می‌توان به استفاده از واژگان Das All ,Weltal و Natur که در آلمانی به‌معنی جهان استفاده می‌شوند، اشاره کرد. مترادف‌های مشابهی نیز در زبان انگلیسی وجود دارند، مانند همه‌چیز (به انگلیسی: everything) (مانند نظریه همه‌چیز (به انگلیسی: theory of everything))، کیهان(به انگلیسی: cosmos) (مانند 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).

گاه‌شماری و مه‌بانگ

نوشتار اصلی: گاه‌شمار مهبانگ

مدل علمیِ پذیرفته‌شده برای توصیف جهان مه‌بانگ نام دارد. بر اساس مدل مه‌بانگ، در نخستین لحظات، جهان در حالت بسیار داغ و فشردهای بود و سپس منبسط شد. این مدل بر پایه نظریه نسبیت عام اینشتین بنا شده و بر پیش‌فرضهایی همچون همگن و همسانگرد بودن فضا متکی است. نسخه‌ای از این مدل که با نام لامبدا-سی‌دی‌ام شناخته می‌شود، بر مبنای یک ثابت کیهانی لامبدا و ماده تاریک سرد (CDM) ساخته‌شده و ساده‌ترین مدلی است که می‌تواند مشاهدات متعددی در جهان را به خوبی توضیح دهد. مدل مه‌بانگ قادر است برای مشاهداتی همچون تابش زمینه کیهانی، همبستگی میان فاصله و میزان انتقال به سرخ کهکشان‌ها و فراوانی اتم‌های هیدروژن نسبت به هلیم، توضیح ارائه دهد.

به دوره فشرده و داغ نخستین جهان، دوره پلانک گفته می‌شود که دوره کوتاهی به مدت تقریباً ^۴۳-۱۰ ثانیه بود که از زمان صفر آغاز و تا زمان پلانک ادامه داشت. در طی دوره پلانک همه انواع ماده و انرژی در فضایی بسیار کوچک آنقدر متراکم بودند که قدرت نیروی گرانش به اندازه نیروهای بنیادی دیگر بود و احتمالاً نیروهای بنیادی به صورت یک نیروی واحد به هم‌پیوسته بوده‌اند. پس از دوره پلانک، جهان پیوسته در حال انبساط بوده‌است تا به شکل کنونی خود رسیده و احتمالاً دوره بسیار کوتاهی از تورم کیهانی را نیز پشت‌سر گذاشته‌است که طی آن در زمانی کمتر از ^۳۲-۱۰ ثانیه، جهان بسیار بسیار بزرگتر شده‌است.

دراین شکل تاریخ جهان به تصویر کشیده‌شده‌است. در این نمودار جهت زمان از چپ به راست است و یکی از ابعاد فضا نادیده گرفته‌شده‌است، بنابراین جهان را در هر مقطع دلخواهی از زمان می‌توان با یک برش قرصی از این نمودار نمایش داد.

پس از دوره پلانک و تورم کیهانی، جهان دوره‌های کوارک، هادرون و لپتون را سپری کرد. پشت سر گذاشتن تمام این مراحل روی‌هم‌رفته تنها تا ثانیه ۱۰ام عمر جهان طول کشید. فراوانی عناصر موجود در جهان را می‌توان با استفاده از انبساط کلی فضا به همراه فیزیک هسته‌ای و اتمی توضیح داد. با انبساط جهان، چگالی انرژی برای تابش الکترومغناطیسی سریع‌تر از ماده کاهش می‌یابد زیرا انرژی فوتون با افزایش طول موجش کاهش می‌یابد. با انبساط و خنک شدن جهان، ترکیب‌های پایدار بزرگتری میان ذرات بنیادی شکل گرفت؛ بنابراین در آغاز دوره تسلط ماده، پروتون‌ها و نوترون‌های پایداری شکل گرفتند که بعدها طی واکنش‌های هسته‌ای، هسته‌های اتمها را شکل دادند. این فرایند با نام هسته‌زایی مه‌بانگ شناخته می‌شود و منجر به این شد که در جهان کنونی اتم‌های دارای هسته‌های سبکتر، یعنی هیدروژن و دوتریم و هلیم، فراوانی بیشتری داشته‌باشند. هسته‌زایی مه‌بانگ در حدود ۲۰ دقیقه پس از مه‌بانگ به پایان رسید زیرا دیگر جهان آنقدر سرد شده‌بود که امکان وقوع واکنش همجوشی هسته‌ای وجود نداشت. در این مرحله ماده موجود در جهان عمدتاً یک پلاسمای داغ چگال متشکل از الکترون‌های با بار منفی، نوترینوهای خنثی و هسته‌های با بار مثبت بود. این دوره که دوره فوتون نام داشت در حدود ۳۸۰ هزار سال طول کشید.

سرانجام در دوره‌ای به نام دوره بازترکیبی، الکترون‌ها و هسته‌ها اتم‌های پایدار را تشکیل دادند که نسبت به بیشتر طول موج‌های تابش، شفاف هستند. با جدا شدن فوتون از ماده، جهان وارد دوره تسلط ماده شد. از این دوران نور امکان حرکت آزادانه را پیدا کرد و این تابش اولیه همچنان در جهان امروزی قابل ردیابی است و تابش زمینه کیهانی نام دارد. پس از گذشت حدود ۱۰۰ میلیون سال نخستین ستاره‌ها شکل گرفتند که احتمالاً بسیار بزرگ و پرنور و عامل بازیونیده‌شدن جهان بوده‌اند. این ستاره‌ها که عنصری سنگین‌تر از لیتیم نداشتند در جریان هسته‌زایی ستاره‌ای، هسته‌های سنگین‌تر را به وجود آوردند جهان همچنین شامل نوع مرموزی از انرژی است که به نام انرژی تاریک شناخته می‌شود. چگالی انرژی تاریک در گذر زمان ثابت است. پس از گذشت ۹٫۸ میلیارد سال، انبساط جهان به اندازه‌ای رسید که چگالی ماده از چگالی انرژی تاریک کمتر شد و دوره تسلط انرژی تاریک آغاز شد. در این دوره انبساط جهان به دلیل انرژی تاریک شتاب‌دار است.

ویژگی‌ها

نوشتار‌های اصلی: جهان قابل مشاهده، سن جهان و انبساط جهان

دیدگاه معمول به فضازمان جهان دیدگاهی اقلیدسی است، که در آن فضا از سه بعد تشکیل شده‌است و زمان از یک بعد؛ بعد چهارم. فیزیکدانان با ادغام فضا و زمان در یک خمینه واحد به نام فضای مینکوفسکی بسیاری از نظریه‌های فیزیکی را ساده‌سازی کرده‌اند و توصیف یکدست‌تری برای جهان چه در سطح ابرکهکشانی و چه در سطح زیراتمی ارائه داده‌اند.

موقعیت فضایی و زمانی رویدادها در فضازمان را نمی‌توان به صورت مطلق تعریف نمود بلکه به‌طور نسبی و نسبت به حرکت ناظر تعریف می‌شوند. فضای مینکوفسکی در واقع تقریبی از جهان بدون در نظر گرفتن ماده و گرانش است؛ و خمینه‌های شبه‌ریمانی در نظریه نسبیت عام، فضازمانی با ماده و گرانش را توصیف می‌کنند. نظریه ریسمان نیز ادعا می‌کند که ابعاد اضافی دیگری نیز وجود دارند.

از میان چهار نیروی بنیادی جهان، نیروی غالب در فواصلی در مقیاس کیهانی، نیروی گرانش است. تأثیر گرانش تنها افزایشی است اما در مقابل، بارهای مثبت و منفی یکدیگر را خنثی می‌کنند و در نتیجه الکترومغناطیس در مورد فواصلی در مقیاس کیهانی بسیار ناچیز و بی‌اهمیت است. تأثیر دو نیروی بنیادی دیگر یعنی نیروهای هسته‌ای قوی و ضعیف نیز با افزایش فاصله به سرعت کاهش می‌یابد و تأثیر آن‌ها تقریباً محدود به فواصلی در مقیاس‌های زیراتمی است.

به نظر می‌رسد که مقدار ماده موجود در جهان بسیار بیشتر از مقدار ضدماده موجود است؛ عدم تقارنی که احتمالاً به پدیده نقض سی‌پی مرتبط است. همچنین به نظر می‌رسد که اندازه تکانه و تکانه زاویه‌ای خالص جهان صفر است. اگر جهان را متناهی فرض کنیم، صفر بودن میزان بار و تکانه خالص جهان را می‌توان از برخی قوانین پذیرفته‌شده فیزیک نتیجه‌گیری نمود.

موقعیت زمین در جهان

شکل

نوشتار اصلی: شکل جهان

سه حالت ممکن برای شکل جهان با توجه به مقدار پارامتر چگالی (Ω)

منظور از شکل یا هندسه جهان در واقع شکل یا خمش فضازمان است. در جهانی با فضازمان تخت، دو پرتو لیزر که موازی یکدیگر باشند هرگز یکدیگر را قطع نخواهند کرد اما اگر فضازمان تخت نباشد این دو پرتو سرانجام یکدیگر را قطع می‌کنند یا از هم دور می‌شوند. برای درک بهتر می‌توانید زمین را در نظر بگیرید که اگرچه در فواصل کوتاه تخت به نظر می‌رسد اما در مقیاس‌های بزرگتر کروی است. اگر دو نفر در کنار هم در مسیر مستقیم حرکت کنند، سرانجام در قطب شمال به هم برخورد می‌کنند.

کارل فریدریش گاوس، ریاضیدان قرن نوزدهم با اندازه‌گیری و جمع‌آوری داده از مثلثی که از سه قله کوه در آلمان تشکیل می‌شد، سعی در آزمودن امکان کروی بودن جهان نمود. نخستین فردی که اقدام به اندازه‌گیری خمش فضا نمود، ریاضیدانی به نام نیکلای لوباچفسکی بود که امکان وجود هندسه هایپربولیک را مطرح کرد که در آن خطوط موازی از هم دور می‌شدند و اندکی پس از آن نیز احتمال هایپربولیک بودن فضازمان جهان را بررسی نمود که البته به دلیل محدودیت ابزارها، به نتایج دقیقی منجر نشد.

نظریه نسبیت عام چگونگی خمیده شدن فضازمان توسط ماده و انرژی را توصیف می‌کند. توپولوژی یا هندسه جهان، شامل هندسه محلی در جهان قابل مشاهده و همچنین هندسه سراسری می‌شود. کیهان‌شناسان اغلب با یک برش شبه‌فضا از فضازمان کار می‌کنند که مختصات همراه نامیده می‌شود. آن بخش از فضازمان که قابل‌مشاهده است، یک مخروط نوری در جهت گذشته‌است که حدود افق کیهان‌شناسی را مشخص می‌کند. افق کیهان‌شناسی (که به آن افق ذره و افق نور نیز شناخته می‌شود) حداکثر فاصله‌ای از ناظر است که ذرات با توجه به سن کنونی جهان برای پیمودن آن و رسیدن به ناظر زمان کافی داشته‌اند. این افق نمایانگر مرز بین جهان قابل مشاهده و نواحی غیرقابل مشاهده جهان است. وجود، ویژگی‌ها و اهمیت افق کیهان‌شناسی به مدل کیهان‌شناسی مورد نظر بستگی دارد.

پارامتر مهمی که تعیین‌کننده آینده تکامل جهان است، پارامتر چگالی(Ω) نام دارد که به صورت چگالی متوسط ماده جهان تقسیم بر مقدار بحرانی این چگالی تعریف می‌شود. بسته به اینکه Ω برابر، کوچک‌تر یا بزرگ‌تر از ۱ باشد، شکل جهان به ترتیب تخت، باز و بسته خوانده می‌شود.

بر طبق مشاهدات به دست‌آمده از منابعی همچون کاوشگر زمینه کیهان (COBE)، کاوشگر ناهمسان‌گرد ریزموجی ویلکینسون (WMAP) و نقشه‌های ماهواره پلانک از تابش زمینه کیهانی، به نظر می‌رسد که جهان از نظر اندازه نامتناهی است اما طول عمری متناهی دارد که توسط مدل‌های فریدمان-لومتر-رابرتسون-واکر (FLRW) نیز توصیف شده‌بود. به همین دلیل این مدل‌های FLRW با مدل‌های تورمی و مدل استاندارد کیهان‌شناسی که جهان را تخت، همگن و در تسلط ماده تاریک و انرژی تاریک توصیف می‌کند، همخوانی دارند.

اندازه و نواحی جهان

نوشتار‌های اصلی: کیهان‌شناسی مشاهده‌ای و جهان قابل مشاهده

هر چه جسم دورتر باشد، نور برآمده از آن بیشتر دچار پدیدهٔ انتقال به سرخ می‌شود و به لبه جهان قابل مشاهده نزدیک‌تر است.

اندازه جهان به سادگی قابل تعریف نیست. براساس یک تعریف محدودکننده، جهان عبارت است از هرآنچه در فضازمان پیوسته وجود دارد و شانس برهمکنش با آن از لحاظ نظری برای ما وجود دارد. طبق نظریه نسبیت عام، به دلیل محدودیت سرعت نور و انبساط فضا برخی از نواحی فضا ممکن است هرگز شانسی برای برهم‌کنش با یکدیگر پیدا نکنند. مثلاً ممکن است امواج رادیویی منتشر شده از زمین هرگز، حتی اگر جهان ابدی باشد، به برخی از نواحی جهان نرسند؛ ممکن است فضا با سرعتی بیشتر از سرعت نور منبسط شود.

چنین پنداشته می‌شود که نواحی دوردست در فضا وجود دارند و همانند ما بخشی از واقعیت موجود هستند، هرچند که هرگز امکان ارتباط با آن نواحی را نخواهیم داشت. آن بخش از جهان که از لحاظ نظری امکان تأثیر گذاشتن یا تأثیر پذیرفتن از آن برای ما وجود دارد را جهان قابل مشاهده می‌گویند. جهان قابل مشاهده به موقعیت ناظر بستگی دارد. ناظر با جابجایی می‌تواند با ناحیه بزرگتری از فضا زمان برهم‌کنش داشته باشد تا ناظری که بی‌حرکت است. اما حتی سریعترین ناظر هم قادر به برهمکنش با کل فضا نخواهد بود. معمولاً جهان قابل مشاهده نسبت به نقطه دید ما در کهکشان راه شیری تعریف می‌شود.

فاصله ویژه - یعنی فاصله‌ای که در زمان مشخص مثلاً زمان حال، اندازه‌گیری شود و مربوط به آن زمان است - میان زمین و لبه جهان قابل مشاهده در حدود ۴۶ میلیارد سال نوری (۱۴ میلیارد پارسک) است، پس قطر جهان قابل مشاهده در حداقل ۱۵۶ تا ۵۵۴ میلیارد سال نوری است. فاصله‌ای که نور تاکنون از لبه جهان قابل مشاهده پیموده‌است برابر است با سن جهان ضرب در سرعت نور. البته این فاصله در طول زمان ثابت نیست زیرا لبه‌های جهان قابل مشاهده و زمین پیوسته در حال دور شدن از یکدیگر بوده‌اند. برای درک میزان بزرگی جهان قابل مشاهده، در نظر بگیرید که قطر یک کهکشان معمولی در حدود ۳۰٬۰۰۰ سال نوری است و فاصلهٔ دو کهکشان همسایه به‌طور 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. از آنجا که شانس دیدن فضای فراتر از جهان قابل مشاهده را نداریم، نمی‌توان مشخص نمود که اندازه جهان متناهی یا نامتناهی است.

انبساط و سن جهان

نوشتار‌های اصلی: سن جهان و انبساط جهان

اخترشناسان با تکیه بر این فرض که مدل لامبدا-سی‌دی‌ام تکامل جهان را به شکل دقیق توصیف می‌کند، می‌توانند با بهره‌گیری از آن سن جهان را محاسبه کنند و پارامترهای کیهان‌شناسی تشکیل‌دهنده مدل را اندازه بگیرند. این مدل از لحاظ نظری به خوبی فهمیده شده‌است و با مشاهدات اخترشناسی بسیار دقیق انجام‌شده توسط دبلیومپ و پلانک همخوانی دارد. از جمله مشاهداتی که با این مدل تطابق دارند می‌توان به ناهمسانگردی تابش ریزموج زمینه کیهانی، رابطه میان روشنایی و انتقال به سرخ در ابرنواخترهای نوع Ia اشاره نمود. مشاهدات دیگری مانند ثابت هابل، فراوانی خوشه‌های کهکشانی، همگرایی گرانشی ضعیف نیز مدل را تأیید می‌کنند اما در حال حاضر با دقت پایینتری اندازه‌گیری شده‌اند. با این پیش‌فرض که مدل لامبدا-سی‌دی‌ام درست باشد، با اندازه‌گیری پارامترها توسط تکنیک‌ها و آزمایش‌های متعدد، تا سال ۲۰۱۵ دقیقترین رقم به دست آمده برای سن کنونی جهان ۰٫۰۲۱ ± ۱۳٫۷۹۹ میلیارد سال است.

جهان و محتویات آن در گذر زمان تکامل یافته‌اند؛ مثلاً جمعیت نسبی اختروش‌ها و کهکشان‌ها تغییر کرده و خود فضا نیز منبسط شده‌است. این انبساط می‌تواند پاسخی برای این پرسش باشد که چرا دانشمندان روی زمین می‌توانند نور کهکشانی را که ۳۰ میلیارد سال نوری با آن‌ها فاصله دارد، ببینند؛ در حالیکه نور حداکثر در حدود ۱۳ میلیارد سال (به‌اندازهٔ سن جهان) برای انتشار و رسیدن به آن‌ها زمان داشته‌است. پاسخ این پرسش این است که خود فضای بین زمین و کهکشان مزبور منبسط شده و آن‌ها را از هم دور کرده‌است. انبساط فضا همچنین با این مشاهدهٔ تجربی همخوانی دارد که نور دریافتی از کهکشان‌های دور دچار پدیدهٔ 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، سرعت انبساط در حال افزایش است.

هر چه میزان ماده در جهان بیشتر باشد، میزان جاذبه گرانشی میان مواد نیز بیشتر خواهد بود. اگر جهان خیلی چگال بود ممکن بود که دوباره منقبض شده و به یک نقطه تکینگی گرانشی رمبش کند. اگر میزان ماده موجود در جهان خیلی کم می‌بود نیز، انبساط آنقدر سریع می‌شد که امکان شکل‌گیری سیارات و سامانه‌های سیاره‌ای به‌وجود نمی‌آمد. از زمان مه‌بانگ جهان به شکل یکنوایی منبسط شده‌است. شاید تعجب‌برانگیز نباشد که چگالی جرم در جهان ما دقیقاً به اندازه کافی یعنی تقریباً ۵ پروتون در متر مکعب است که باعث شده جهان بتواند در ۱۳٫۸ میلیارد سال گذشته انبساط یابد و به شکل کنونی برسد.

فضازمان

نوشتار‌های اصلی: فضازمان و خط جهانی

فضازمان جایی است که همه رویدادهای فیزیکی در آن رخ می‌دهند. یک رویداد در واقع نقطه‌ای در فضازمان است که توسط مکان و زمان آن مشخص می‌شود. رویدادها عناصر پایه‌ای فضازمان هستند. در هر فضازمانی یک رویداد عبارت است از یک موقعیت مکانی منحصربه‌فرد در یک موقعیت زمانی منحصربه‌فرد. از آنجا که رویدادها نقاط فضازمان هستند، در فیزیک نسبیتی کلاسیک، مکان یک ذره بنیادی (نقطه‌ای) در یک زمان خاص را می‌توان به صورت (x, y, z, t) نشان داد. فضازمان مجموع همه رویدادهای آن است، (همان‌طور که یک خط مجموع همه نقاط تشکیل‌دهنده آن است) و شکل ریاضی ۴ بعدی آن خمینه نام دارد.

به نظر می‌رسد که جهان یک فضازمان پیوسته و هموار است که سه بعد فضایی و یک بعد زمانی دارد. به‌طور میانگین، شکل فضا بر طبق مشاهدات بسیار نزدیک به تخت است (انحنای نزدیک به صفر) یعنی هندسه اقلیدسی با دقت بالایی در بیشتر نقاط جهان صادق است. همچنین مشخص شده‌است که جهان یک توپولوژی همبند ساده دارد که حداقل در مقیاس‌های طولی جهان قابل مشاهده با یک کره قابل مقایسه است. اما مشاهدات کنونی نمی‌تواند این احتمال را نیز رد کند که جهان ممکن است ابعاد بیشتری داشته باشد و توپولوژی سراسری فضازمان آن نیز ممکن است همبند چندگانه باشد؛ مانند توپولوژی‌های استوانه‌ای و حلقوی در فضای دوبعدی.

محتویات جهان

نوشتار(های) وابسته: شکل‌گیری و تکامل کهکشان‌ها، خوشه کهکشانی و خوشه کهکشانی

شکل‌گیری خوشه‌ها و رشته‌کهکشانهای عظیم در مدل ماده تاریک سرد با در نظرگرفتن انرژی تاریک. فریم‌ها تکامل ساختار را در یک جعبه به ابعاد ۴۳ میلیون پارسک (یا ۱۴۰ میلیون سال نوری) از انتقال به سرخ ۳۰ تا دوره کنونی را نمایش می‌دهند. (z=۳۰ در بالا سمت چپ و z=۰ در پایین سمت راست)

جهان تقریباً به‌طور کامل از انرژی تاریک، ماده تاریک و ماده معمولی تشکیل شده‌است. سایر محتویات آن تابش الکترومغناطیسی (که میزان آن از ۰٫۰۰۵٪ تا ۰٫۰۱٪ تخمین زده می‌شود) و ضدماده است. در طی دو میلیارد سال گذشته مقدار کل تابش الکترومغناطیسی تولید شده در جهان به نصف کاهش یافته‌است. درصد همه انواع ماده و انرژی در طول تاریخ جهان تغییر کرده‌است امروزه ماده معمولی که سازنده اتم‌ها ستارگان، کهکشان‌ها و زندگی است، تنها ۴٫۹٪ از محتوای جهان را تشکیل داده‌است. در حال حاضر چگالی کلی این گونه از ماده بسیار کم و تقریباً برابر با ^۳۱−۱۰ × ۴٫۴ گرم در سانتیمتر مکعب است که معادل چگالی در حد تنها یک پروتون در هر متر مکعب می‌باشد. ماهیت ماده تاریک و انرژی تاریک ناشناخته است. ماده تاریک گونه مبهمی از ماده است که هنوز شناسایی نشده و در حدود ۲۶٫۸٪ از محتوای جهان را تشکیل می‌دهد. انرژی تاریک که انرژی فضای خالی است و باعث شتاب‌دار شدن انبساط جهان شده‌است، ۶۸٫۳٪ از محتوای جهان را تشکیل می‌دهد.

نقشه نزدیکترین ابرخوشه‌ها و فضاهای پوچ به زمین

توزیع ماده، ماده تاریک و انرژی تاریک در سراسر جهان در فواصل بزرگتر از ۳۰۰ میلیون سال نوری، یکنواخت و همگن است. اما در مقیاس‌های طولی کوتاهتر مواد تشکیل توده می‌دهند؛ بسیاری از اتمها متمرکز شده و تشکیل ستاره می‌دهند و بیشتر ستارگان گرد هم آمده و کهکشان‌ها را می‌سازند، بیشتر کهکشان‌ها در کنار هم تشکیل خوشه، ابرخوشه و در نهایت رشته‌کهکشان‌های عظیم را شکل می‌دهند. در جهان قابل مشاهده در حدود ۳۰۰ سکستیلیون (۳‎×۱۰^۲۳) ستاره و بیش از ۱۰۰ میلیارد (۱۰^۱۱) کهکشان وجود دارد. اندازه کهکشان‌ها به‌طور معمول در طیفی از کهکشانهای کوتوله با کمتر از ده میلیون (۱۰^۷) ستاره، تا کهکشان‌های غول‌پیکر با یک تریلیون (۱۰^۱۲) ستاره، متغیر است. بین این ساختارها فضاهای پوچ قرار دارند که قطری برابر با ۳۳ تا ۴۹۰ میلیون سال نوری دارند. کهکشان راه شیری در گروه محلی کهکشان‌ها قرار دارد که خود بخشی از ابرخوشه لانیاکی است. طول این ابرخوشه در حدود ۵۰۰ میلیون سال نوری است و اندازه گروه محلی نیز در حدود ۱۰ میلیون سال نوری است. جهان همچنین نواحی گسترده‌ای از فضاهای خالی نسبی دارد. بزرگترین ناحیه پوچ شناخته شده پهنه‌ای برابر با ۱٫۸ میلیارد سال نوری دارد.

مقایسه محتویات جهان امروز با ۳۸۰۰۰۰ سال پس از مه‌بانگ که توسط داده‌های ۵ ساله دبلیومپ (از سال ۲۰۰۸) اندازه‌گیری شده‌است. (به دلیل خطای گرد کردن مجموع این ارقام ۱۰۰ نمی‌شود). این نشان‌دهنده محدودیت‌های دبلیومپ در سال ۲۰۰۸ در توانایی تعریف ماده تاریک و انرژی تاریک است.

جهان قابل مشاهده در مقیاس‌های بسیار بزرگتر از ابرخوشه‌ها همسانگرد است. یعنی از روی زمین، ویژگی‌های آماری جهان در همه جهات یکسان هستند. جهان در یک تابش ریزموج بسیار همسانگرد غوطه‌ور است که متناظر با یک طیف تعادل گرمایی جسم سیاه با دمای تقریبی ۲٫۷۲۵۴۸ درجه کلوین است. این فرضیه که جهان در مقیاس‌های بزرگ همگن و همسانگرد است، اصل کیهان‌شناختی نام دارد. جهانی که همگن و همسانگرد باشد از تمام زوایای دید یکسان به نظر می‌رسد و مرکزی ندارد.

انرژی تاریک

نوشتار اصلی: انرژی تاریک

دلیل شتاب گرفتن انبساط جهان همچنان در هاله‌ای از ابهام قرار دارد. اغلب دلیل آن را به وجود شکل ناشناخته‌ای از انرژی به نام انرژی تاریک نسبت می‌دهند که پنداشته می‌شود در سراسر فضا نفوذ کرده‌است. اگر از دیدگاه هم‌ارزی جرم و انرژی به موضوع نگاه کنیم، چگالی انرژی تاریک (^۳۰−۱۰×۷~ گرم بر سانتیمتر مکعب) بسیار کمتر از چگالی ماده معمولی یا ماده تاریک موجود در کهکشانهاست. اما امروزه در دوره انرژی تاریک جرم-انرژی جهان را در تسلط خود دارد زیرا در پهنه فضا به شکل یکنواختی گسترده‌است.

دو شکل پیشنهاد شده برای انرژی تاریک عبارتند از ثابت کیهانی، یک چگالی انرژی ثابت که به شکل همگن فضا را پرکرده‌است و میدان‌های اسکالر مانند اثیر یا مدولی کمیتهای دینامیکی هستند که چگالی انرژی آن‌ها در فضا و زمان متغیر است. ثابت کیهانی را می‌توان به گونه‌ای فرمول‌بندی کرد که با انرژی خلاء هم‌ارز باشد. میدان‌های اسکالری که میزان ناهمگنی ناچیزی دارند به سختی از یک ثابت کیهانی قابل تمایزند.

ماده تاریک

نوشتار اصلی: ماده تاریک

ماده تاریک یک نوع فرضی از ماده است که برای کل طیف الکترومغناطیسی نامریی است اما بیشترین نوع ماده موجود در جهان است. وجود و ویژگی‌های ماده تاریک از آثار گرانشی‌اش بر روی ماده مرئی، تابش و ساختار بزرگ-مقیاس جهان، نتیجه‌گیری می‌شود. به جز نوترینوها که شکلی از ماده تاریک داغ هستند، تاکنون هیچ گونه‌ای از ماده تاریک به‌طور مستقیم مشاهده نشده‌است و به یکی از بزرگترین اسرار اخترفیزیک نوین تبدیل شده‌است. ماده تاریک هیچ گونه نور یا هر تابش الکترومغناطیسی دیگری را جذب یا منتشر نمی‌کند. تخمین زده می‌شود که ماده تاریک ۲۶٫۸٪ کل جرم-انرژی جهان و ۸۴٫۵٪ کل ماده موجود در جهان را تشکیل می‌دهد.

ماده معمولی

نوشتار اصلی: ماده (فیزیک)

۴٫۹٪ باقی‌مانده جرم-انرژی جهان، ماده معمولی است که از اتمها، یونها، الکترون‌ها و ترکیبات آنها، تشکیل می‌شود. ستارگان نیز از این نوع ماده تشکیل شده‌اند که تقریباً کل نوری که از کهکشان‌ها به ما می‌رسد را آن‌ها تولید می‌کنند و همچنین منشأ پیدایش گازهای میان‌ستاره‌ای در فضاهای میان‌ستاره‌ای و میان‌کهکشانی، سیارات و هر جسمی که در طول روز می‌بینیم و لمس می‌کنیم، هستند. واقعیت این است که بیشتر ماده معمولی موجود در جهان هنوز دیده نشده‌است، زیرا ستارگان و گاز درون کهکشان‌ها تنها ۱۰ درصد از سهم ماده معمولی در چگالی جرم-انرژی جهان را تشکیل می‌دهند.

ماده معمولی عموماً در ۴ حالت (یا فاز) وجود دارد :جامد، مایع، گاز و پلاسما. اما پیشرفت در تکنیک‌های آزمایشگاهی حالتهای دیگری را نیز که پیش از این صرفاً جنبه نظری داشتند، آشکار کرده‌است. از جمله این حالت‌ها می‌توان به چگالش بوز-اینشتین و چگال فرمیونی اشاره نمود.

ماده معمولی از دو ذره بنیادی ساخته شده‌است: کوارک و لپتون مثلاً پروتون از دو کوارک بالا و یک کوارک پایین تشکیل می‌شود؛ نوترون از دو کوارک پایین و یک کوارک بالا ساخته می‌شود؛ و الکترون نوعی لپتون است. اتم یک هسته اتمی دارد که از پروتون و نوترون ساخته شده و الکترون‌هایی که در مدارهای اطراف هسته می‌چرخند. از آنجا که بیشتر جرم اتم در هسته آن است که از باریون تشکیل شده، اخترشناسان اغلب از واژه ماده باریونی برای توصیف ماده معمولی استفاده می‌کنند، هرچند که بخش اندکی از این «ماده باریونی» را الکترون‌ها تشکیل می‌دهند.

اندکی پس از مه‌بانگ، پروتون‌ها و نوترون‌های نخستین از سرد شدن پلاسمای کوارک-گلوئون جهان اولیه به میزان ۲ تریلیون درجه پدید آمدند. چند دقیقه بعد در فرایندی به نام هسته‌زایی مه‌بانگ هسته‌ها از پروتون‌ها و نوترون‌های نخستین شکل گرفتند. این فرایند هسته‌زایی سبب پیدایش عناصر سبک‌تر با اعداد اتمی کوچک (حداکثر به سنگینی لیتیم و بریلیم) شد. اما فراوانی عناصر سنگین‌تر با افزایش عدد اتمی به شدت کاهش می‌یابد. ممکن است میزان اندکی بور در این زمان به وجود آمده‌باشد اما از عنصر سنگین‌تر بعدی یعنی کربن میزان قابل توجهی در این فرایند به وجود نیامد. هسته‌زایی مه‌بانگ پس از ۲۰ دقیقه به دلیل افت شدید دما و چگالی جهان در حال انبساط پایان یافت. شکل‌گیری عناصر سنگین‌تر در آینده از هسته‌زایی ستاره‌ای و هسته‌زایی ابرنواختری نتیجه شد.

ذرات

نوشتار اصلی: فیزیک ذرات

مدل استاندارد ذرات بنیادی: ۱۲ فرمیون بنیادی و ۴ بوزون بنیادی. حلقه‌های قهوه‌ای نشان می‌دهند که هر بوزون (قرمز) با چه فرمیون‌هایی (بنفش و سبز) جفت می‌شود. ستون‌ها نشان دهنده سه نسل از ماده (فرمیون‌ها) و یک نسل از نیروها (بوزون‌ها) هستند. در سه ستون نخست، دو ردیف به کوارک‌ها و دو ردیف به لپتون‌ها اختصاص یافته. در دو ردیف بالایی کوارک‌های بالا(u)، پایین (d)، افسون(c)، شگفت(s)، سر(t) و ته(b) و فوتون(γ) و گلوئون(g) قرار دارند. دو ردیف پایینی شامل الکترون نوترینو(ν_e)، الکترون(e)، میون نوترینو(ν_μ)، میون(μ)، تاو نوترینو(ν_τ)، تاو(τ) و بوزن‌های زد(Z⁰) و دبلیو(W^±)، حاملین نیروی هسته‌ای ضعیف قرار گرفته‌اند. جرم بار و اسپین هر ذره نیز نمایش داده شده‌است.

ماده معمولی و نیروهایی که برآن اثر می‌کنند را می‌توان با توجه به ذرات بنیادی توصیف نمود. این ذرات را بنیادی می‌نامند زیرا ساختار آن‌ها ناشناخته‌است و هنوز مشخص نیست که آیا آن‌ها از ذرات کوچکتر و بنیادی‌تری ساخته‌شده‌اند یا خیر. در این میان مدل استاندارد اهمیت فراوانی دارد. مدل استاندارد نظریه‌ای است که با برهمکنش‌های الکترومغناطیسی یا هسته‌ای قوی و ضعیف سروکار دارد. آزمایش‌های تجربی وجود ذرات سازنده ماده: کوارک‌ها و لپتون‌ها و همزادهای ضدماده آن‌ها و همچنین ذرات نیرویی که واسطه برهمکنش‌ها هستند: فوتون‌ها، بوزون‌های دبلیو و زد و گلوئون‌ها، همگی مدل استاندارد را تأیید می‌کنند. مدل استاندارد وجود بوزون هیگز که به تازگی کشف شد را پیش‌بینی کرده‌بود، ذره‌ای که تجلی میدانی در جهان است که به ذرات جرم می‌بخشد. به خاطر موفقیت در توضیح طیف وسیعی از نتایج تجربی، گاهی مدل استاندارد را با نام نظریه تقریباً همه‌چیز می‌شناسند. هرچند که مدل استاندارد گرانش را توصیف نمی‌کند و یک نظریه همه‌چیز واقعی نیرو-ذره هنوز مطرح نشده‌است.

هادرون

نوشتار اصلی: هادرون

هادرون یک ذره مرکب است که از کوارک‌هایی تشکیل می‌شود که توسط نیروی هسته‌ای قوی کنار یکدیگر نگه‌داشته شده‌اند. هادرون‌ها را به دو دسته تقسیم می‌کنند: باریون‌ها (مثل پروتون و نوترون) که از سه کوارک تشکیل شده‌اند و مزون‌ها (مانند پیون) که از یک کوارک و یک ضد کوارک تشکیل شده‌اند. از میان هادرون‌ها پروتون‌ها پایدار هستند و همچنین نوترون‌هایی که محدود به هسته اتم هستند نیز پایدارند. سایر هادرون‌ها در شرایط معمولی ناپایدارند و اجزای کم‌اهمیت‌تری از جهان به‌شمار می‌روند. پس از تقزیبا ^۶−۱۰ ثانیه از مه‌بانگ، در طی دوره‌ای به نام دوره هادرون، دما جهان به اندازه کافی کاهش یافت تا کوارک‌ها بتوانند به هم بپوندند و هادرون‌ها را تشکیل دهند و جرم جهان در تسلط هادرون‌ها بود. در ابتدا دما به اندازه‌ای بالا بود که امکان پدید آمدن جفت‌های هادرون-ضد هادرون وجود داشت و ماده و ضد ماده در تعادل گرمایی بودند. اما با کاهش دمای جهان دیگر جفتهای هادرون-ضد هادرون تشکیل نمی‌شد. بیشتر هادرون‌ها و ضدهادرون‌ها در واکنش‌های نابودسازی ذره-پاد ذره از بین رفتند و پس از یک ثانیه از عمر جهان، تنها میزان اندکی از هادرون‌ها باقی ماند.

لپتون

نوشتار اصلی: لپتون

لپتون یک ذره بنیادی با اسپین نیمه‌صحیح است که در برهم‌کنش‌های هسته‌ای قوی شرکت نمی‌کند اما در اصل طرد پاولی صدق می‌کند. دو لپتون از یک گونه نمی‌توانند هم‌زمان با هم در وضعیت‌های یکسانی قرار داشته باشند. دو رده اصلی از لپتون‌ها وجود دارد: لپتون‌های باردار (لپتون‌های الکترون-مانند) و لپتون‌های خنثی (نوترینوها). الکترون‌ها پایدار هستند و معمول‌ترین نوع لپتون باردار در جهان هستند، در حالیکه میون و تاو ناپایدارند و پس از به وجود آمدن در برخوردهای پرانرژی به سرعت واپاشی می‌شوند. لپتون‌های باردار می‌توانند با بقیه ذرات ترکیب شوند و ذرات مرکبی مانند اتم و پوزیترونیم بسازند. الکترون تقریباً بر کل شیمی حکمرانی می‌کند زیرا در اتم‌ها یافت می‌شود و به خواص شیمیایی مرتبط است. نوترینوها به ندرت برهمکنشی با هرچیز دیگری دارند و به همین دلیل به ندرت مشاهده می‌شوند. نوترینوها در سراسر جهان جریان دارند اما به ندرت با ماده معمولی برهمکنشی دارند.

دوره لپتون، دروه‌ای در تکامل جهان بود که در آن جرم جهان در تسلط لپتون‌ها بود. این دوره تقریباً یک ثانیه پس از مه‌بانگ آغاز شد؛ یعنی زمانی که اکثر هادرون‌ها و ضدهادرون‌ها یکدیگر را در پایان دروه هادرون نابود کرده‌بودند. در حین دوره لپتون دمای جهان هنوز برای تشکیل جفتهای لپتون-ضدلپتون کافی بود و بنابراین لپتون‌ها و ضدلپتون‌ها در تعادل گرمایی بودند. تقریباً ۱۰ ثانیه پس از مه‌بانگ دمای جهان آنقدر کاهش یافته بود که دیگر امکان تشکیل جفت‌های لپتون-ضد لپتون وجود نداشت. بیشتر لپتون‌ها و ضدلپتون‌ها در واکنش‌های نابودسازی از بین رفتند و میزان اندکی از آن‌ها باقی ماند. در این زمان جهان وارد دوره فوتون می‌شد و جرم جهان در تسلط فوتون بود.

فوتون

نوشتار اصلی: دوره فوتون

فوتون کوانتوم نور و سایر اشکال تابش الکترومغناطیسی است. فوتون ذره حامل نیرو برای نیروی الکترومغناطیسی است. آثار این نیرو به سادگی در مقیاس‌های ماکروسکوپیک و میکروسکوپیک قابل مشاهده است زیرا فوتون جرم سکونی برابر صفر دارد؛ و این اجازه برهمکنش در فواصل دور را می‌دهد. مانند همه ذرات بنیادی فوتون‌ها در حال حاضر توسط مکانیک کوانتومی به خوبی توضیح داده می‌شوند و ویژگی دوگانگی موج و ذره از خود نمایش می‌دهند.

دوره فوتون در حدود ۱۰ ثانیه پس از مه‌بانگ و وقتی آغاز شد که در پایان دوره لپتون بیشتر لپتون‌ها و ضدلپتون‌ها در واکنش‌های نابودسازی از بین رفته‌بودند. هسته‌های اتمی در فرایند هسته‌سازی که در نخستین دقایق دوره فوتون رخ داد، پدید آمده‌بودند. در باقی دوران فوتون جهان شامل یک پلاسمای داغ از هسته‌ها الکترون‌ها و فوتون‌ها بود. پس از گذشت ۳۸۰۰۰۰ سال از مه‌بانگ دمای جهان تا حدی کاهش یافت که هسته می‌توانست با الکترون‌ها تشکیل شده و اتم‌های خنثی تشکیل دهد. در نتیجه دیگر فوتون‌ها برهمکنش‌های پرشماری با ماده نداشتند و جهان شفاف شد. فوتون‌ها با انتقال به سرخ بسیار بالا از این دوره تابش زمینه کیهانی (CMB) را شکل می‌دهند. تغییرات جزئی در دما و چگالی تابش زمینه کیهانی نخستین بذرهای تشکیل ساختار بودند که بعدها رخ داد.

مدل‌های کیهان‌شناسی

مدل جهان بر اساس نسبیت عام

نسبیت عام نظریه هندسی گرانش است که توسط آلبرت اینشتین در سال ۱۹۱۵ ارائه شد و توصیف کنونی گرانش در فیزیک نوین است. پایه مدل‌های کیهان‌شناسی کنونی از جهان است. نسبیت عام، نظریه‌های نسبیت خاص و قانون جهانی گرانش نیوتن را تعمیم می‌دهد و توصیفی یکپارچه از گرانش به عنوان یک ویژگی هندسی فضا و زمان یا فضازمان ارائه می‌کند. خمش فضازمان با انرژی و تکانه همه ماده و تابش موجود رابطه مستقیمی دارد. این رابطه توسط معادلات میدان اینشتین توصیف می‌شود که یک سیستم معادلات دیفرانسیل جزئی است. در نسبیت عام، توزیع ماده و انرژی تعیین‌کننده هندسه فضازمان و آن نیز به نوبه خود توصیف‌کننده شتاب ماده است؛ بنابراین پاسخهای معادلات میدان اینشتین تکامل جهان را توصیف می‌کنند. معادلات نسبیت عام با ترکیب شدن با اندازه‌گیری‌های مقدار، نوع و توزیع ماده در جهان می‌توانند تکامل جهان در گذر زمان را توصیف کنند.

با پذیرفتن اصل کیهان‌شناسی که بیان می‌کند جهان در همه‌جا همگن و همسانگرد است، یکی از پاسخهای ویژه برای معادلات میدان به دست می‌آید که تنسور متریکی است به نام متریک فریدمان-لومتر-رابرتسون-واکر،

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

که در آن (r, θ, φ) متناظر با یک سیستم مختصات کروی است. این متریک تنها دو پارامتر نامعین دارد. یک فاکتور مقیاس طول بدون بعد R مقیاس اندازه جهان را به صورت تابعی از زمان توصیف می‌کند؛ افزایش مقدار R به معنی انبساط جهان است. یک شاخص خمش k هندسه جهان را توصیف می‌کند. شاخص k به شکلی تعریف شده که مقدار آن تنها می‌تواند صفر، متناظر با هندسه اقلیدسی تخت؛ ۱، متناظر با فضایی انحنای مثبت؛ و ۱-، متناظر با فضایی با خمیدگی مثبت یا منفی باشد. مقدار R به عنوان تابعی از زمان به k و ثابت کیهانی بستگی Λ دارد. ثابت کیهانی نماینده چگالی انرژی خلاء فضاست و ممکن است با انرژی تاریک مرتبط باشد. معادله‌ای که تغییرات R در زمان را توصیف می‌کند معادلات فریدمان نام دارد که از روی نام مبتکر آن الکساندر فریدمان گرفته شده‌است.

پاسخ‌های R به k و Λ بستگی دارد اما برخی ویژگی‌های کیفی این پاسخ‌ها عمومی هستند. نخستین و مهم‌ترین ویژگی این است که مقیاس طول R جهان فقط در صورتی ثابت می‌ماند که جهان کاملاً همسانگرد و با انحنای مثبت (k=۱) باشد و چگالی همه نقاط آن دقیقاً برابر با یک مقدار مشخص باشد. هرچند که این تعادل ناپایدار است: زیر جهان در مقیاس‌های کوچکتر ناهمگن است و در نتیجه مقدار R باید با زمان تغییر کند. وقتی R تغییر کند همه فواصل فضایی در جهان تغییر خواهند کرد؛ یعنی خود فضا نیز دچار انبساط یا انقباض خواهد شد. این موضوع توضیح می‌دهد که چرا کهکشان‌ها از هم دور می‌شوند؛ زیرا فضای میان آن‌ها در حال کشیده‌شدن است. کشیده‌شدن فضا همچنین توضیحی برای این پارادوکس ظاهری ارائه می‌دهد که چگونه می‌شود دو کهکشان ۴۰ میلیارد سال نوری از هم فاصله داشته باشند در حالیکه هر دوی آن‌ها ۱۳٫۸ میلیارد سال قبل در یک نقطه بوده‌اند و هرگز نمی‌توانسته‌اند سریعتر از نور هم حرکت کنند.

دوم اینکه از تمام پاسخ‌ها چنین برمی‌آید که یک تکینگی گرانشی در گذشته وجود داردکه در آن R برابر صفر و ماده و انرژی بی‌نهایت فشرده بوده‌اند. ممکن است به نظر برسد که این نتیجه‌گیری نامطمئن است زیرا بر پایه فرض قابل بحث همگنی و همسانگردی جهان بنا شده‌است و همچنین بر این اصل که تنها نیروی گرانشی است که نقش مهمی دارد. اما قضایای تکینگی پنروز-هاوکینگ نشان می‌دهند که نقطه تکینگی در شرایط عمومی نیز باید وجود داشته باشد؛ بنابراین طبق معادلات میدان اینشتین، R به سرعت از حالت بسیار داغ و چگال که بلافاصله پس از تکینگی به وجود آمد، افزایش یافت؛ این موضوع عصاره مدل مه‌بانگ است. درک تکینگی مه‌بانگ احتمالاً نیاز به یک نظریه گرانش کوانتومی دارد که هنوز به‌دست نیامده‌است.

سوم اینکه شاخص خمش k علامت مقدار متوسط خمش فضایی فضازمان را مشخص می‌کند که در یک بازه طولی به اندازه کافی بزرگ (بزرگتر از یک میلیارد سال نوری) به دست آمده‌است. اگر k=۱ باشد، خمش مثبت است و حجم جهان متناهی است. چنین جهانی را اغلب به شکل یک کره سه‌بعدی قرارگرفته در یک فضای چهار بعدی تصور می‌کنند. متقابلاً اگر k صفر یا منفی باشد، حجم جهان بی‌نهایت است. شاید دور از ذهن به نظر برسد که یک جهان بی‌نهایت و در عین حال بی‌نهایت چگال می‌تواند در یک لحظه در مه‌بانگ وقتی R=۰ پدید آید، اما این دقیقاً چیزی است که توسط ریاضیات وقتی k برابر با ۱ نباشد، پیش‌بینی می‌شود. برای مقایسه در نظر بگیرید که یک صفحه تخت خمش صفر دارد اما مساحتش بی‌نهایت است در حالیکه یک استوانه بی‌نهایت در یک جهت متناهی است و یک چنبره در هر دو جهت متناهی است. یک جهان چنبره‌ای ممکن است مانند یک جهان عادی با شرایط مرزی متناوب رفتار کند. یعنی فردی که از یک مرز خارجی فضا به بیرون می‌رود به‌طور هم‌زمان در نقطه مرزی دیگری به درون فضا وارد می‌شود.

سرانجام نهایی جهان هنوز ناشناخته است، زیرا به میزان زیادی به شاخص خَمِش k و ثابت کیهانی Λ بستگی دارد. اگر جهان به حد کافی چگال باشد، k برابر ۱ می‌شود و میانگین خَمِش جهان مثبت است و جهان در نهایت طی یک مه‌رمب در خود فرو می‌ریزد و احتمالاً طی یک مه‌جهش(به انگلیسی: Big Bounce) جهان دیگری به‌وجود می‌آید. اما اگر جهان به‌اندازهٔ کافی چگال نباشد k برابر با ۰ یا ۱− می‌شود و جهان تا ابد منبسط می‌شود و دمای آن کاهش می‌یابد تا اینکه سرانجام برای همه حیات موجود در آن غیرقابل سکونت می‌شود و ستارگان می‌میرند و کل ماده به درون سیاهچاله‌ها سقوط می‌کند (انجماد بزرگ و مرگ گرمایی جهان). همان‌طور که پیشتر اشاره شد داده‌های جدید نشانگر آن است که برخلاف انتظار سرعت انبساط جهان در حال کاهش نیست، بلکه افزایش می‌یابد و چنانچه این روند به مدت نامحدود ادامه یابد جهان سرانجام از هم خواهد گسست (مه‌گسست). بنا بر داده‌های تجربی جهان چگالی نزدیک به میزان بحرانی بین سقوط مجدد و انبساط ابدی دارد. برای پاسخ به این سؤال به مشاهدات نجومی بیشتری نیاز است.

فرضیه چندجهانی

نوشتار‌های اصلی: فرضیه چندجهانی، دنیاهای چندگانه، نظریه جهان حبابی و جهانهای موازی (داستان تخیلی)

تصویر یک چندجهانه متشکل از هفت جهان حبابی که پیوستارهای فضازمان منفصل از هم هستند. هر کدام قوانین و ثوابت فیزیکی خاص خود را دارا هستند و حتی ممکن است از نظر تعداد بعد و توپولوژی متفاوت باشند.

برخی از نظریه‌پردازی‌ها چنین گمانه‌زنی کرده‌اند که این جهان تنها یکی از مجموعه جهان‌های غیرمتصلی است که در مجموع از آن‌ها با عنوان چندجهانه یاد می‌شود و از این طریق تعریف‌های محدودتر از جهان را به چالش می‌کشند. مدل‌های علمی نظریه چندجهانی از مفاهیمی همچون واقعیت شبیه‌سازی‌شده متمایز هستند اما ایده جهان بزرگتر ایده تازه‌ای نیست. مثلاً اسقف پاریس، اتین تاپیه، در سال ۱۲۷۷ چنین حکم کرد که خدا می‌توانسته به هر تعداد که مناسب بوده باشد، جهان خلق کند. این پرسش بحث‌های داغی را در میان خداشناسان فرانسوی برانگیخت.

مکس تگمارک یک طرح طبقه‌بندی برای انواع مختلف نظریه‌های چندجهانی که دانشمندان مختلف در حوزه مسائل مختلف ارائه داده‌اند، ایجاد نمود. نمونه‌ای از این نظریه‌ها مدل انبساط بی‌نظم از جهان اولیه است. مثال دیگر تفسیر دنیاهای چندگانه در مکانیک کوانتومی است. جهان‌های موازی به شیوه‌ای شبیه به برهم‌نهی کوانتومی و ناپیوستگی کوانتومی ایجاد می‌شوند، هر یک از حالات تابع موج در یک دنیای جداگانه به واقعیت می‌پیوندد. بخشی که در طبقه‌بندی تگمارک کمتر از بقیه بحث‌انگیز است، مرحله یک است که رویدادهای هوافضا را در این جهان و در نقاط دوردست توصیف می‌کند.

جهان تنظیم‌شده

جهان تنظیم شده به این موضوع اشاره می‌کند که شرایطی که حیات را در جهان امکانپذیر می‌سازند تنها زمانی رخ می‌دهند که برخی توابت بنیادین فیزیکی اندازه‌های خاصی از یک دامنه مقادیر بسیار محدود داشته باشند، بنابراین اگر مقدار هر یک از چندین ثابت بنیادین کمی متفاوت بود، احتمال اینکه جهان به گونه‌ای پیش رود که ماده و ساختارهای نجومی و فراوانی عناصر و حیات به شکلی که می‌شناسیم پدید آیند، وجود نمی‌داشت.

تکامل تاریخی کیهان‌شناسی

نوشتار(های) وابسته: 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 پایهٔ 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 به‌وجود آورد که بتوان به‌صورت کمی سرآغاز، تکامل و سرانجام جهان به‌عنوان یک کل را توضیح داد. بیشتر نظریات نوین در کیهان‌شناسی بر پایهٔ نسبیت عام یا به‌طور خاص بر پایهٔ مهبانگ بنا شده‌اند.

آفرینش

نوشتار‌های 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 یا افسانه هندی براهماندا پورانه اشاره نمود. در افسانه‌های مشابهی جهان به‌دست یک موجودیت یکتا آفریده شده‌است که از خود چیزی پراکنده یا تولید می‌نماید، 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 یا روایت آفرینش در کتاب آفرینش. در گونه‌ای دیگر از این داستان‌ها جهان از اجتماع خدایان مؤنث و مذکر پدید آمده‌است، مانند رنگی و پاپا در افسانه مائوری. در دیگر داستان‌ها جهان با استفاده از مواد از پیش موجود همچون پیکر خدایان درگذشته - مثلاً از پیکر تیامات در حماسه بابلی انوما الیش یا از یمیر غول‌پیکر در اساطیر اسکاندیناوی - 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.

در افسانه‌های آفرینش ایرانی پیدایش جهان به یکی از ایزدان باستانی به نام زروان، که به او خدای زمان نیز گفته‌اند، نسبت داده شده‌است، که دو جهان برای دو پسر خود یعنی اورمزد و اهریمن آفرید. زروان زمان بیکران است و از این زمان بیکران، زمان کراندار جهان به‌وجود آمده‌است. پیش از خلقت جهان مینویی بوده و مکان و زمان وجود نداشته و هیچ ماده و حرکتی نیز در جهان نبوده‌است.

مدل‌های فلسفی

نوشتار(های) وابسته: 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. مثلاً آن‌ها متوجه قابلیت تغییر شکل ماده (مثلاً 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 می‌شود که آرخه فشرده شود یا به شکل دیگری درآید. آناکساگوراس عنصر نوس (ذهن) را معرفی نمود. 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 قرار گرفت. 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 - پیشنهاد 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 تقریباً 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 به‌صورت τὸ ἐν (آن یگانه) نمایش داده‌است. نظریهٔ پارامنیدس به‌نظر 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 مدرسهٔ 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 فیلوپونوس، فیلسوف مسیحی، استدلال‌هایی 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 بی‌نهایت واقعی وجود ندارد»

«سیر نامتناهی روبه گذشته 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 قرار گرفته‌اند. به‌ویژه استدلال دومی که کانت در رساله آنتی‌نومی خود در مورد زمان از آن استفاده نمود.

مدل‌های نجومی

نوشتار 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 شده‌است.

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 و این 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 کاملاً در درون کرهٔ خارجی قرار گرفته‌است. این مدل توسط کالیپوس اصلاح شد و بعد از اینکه کره‌های هم‌مرکز از آن حذف شد با مشاهدات نجومیِ بطلمیوس تقریباً در سازگاری کامل بود. موفقیت این مدل تا حدود زیادی مدیون این اصل ریاضی است که هر تابعی (مثلاً 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 شناخته‌شده‌ای است که مدلی خورشیدمرکزی برای جهان ارائه داد. اگرچه متون اصلی وی گم شده‌اند، اما ارشمیدس در کتاب «جدول اعداد ماسه» به این مدل اشاره کرده و نظریهٔ خورشیدمرکزی وی را توصیف می‌کند. ارشمیدس چنین می‌نویسد (ترجمه از متن انگلیسی):

شما شاه گلون مستحضر هستید که جهان نامی است 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 عقیدهٔ 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 می‌گردد تنها کسر کوچکی از فاصلهٔ 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 اختلاف‌منظر ستاره‌ای تنها با ابزارهای دقیق قابل اندازه‌گیری است. در آن دوران مدل زمین-مرکز که با اختلاف‌منظر سیاره‌ای همخوانی داشت را به‌عنوان توضیحی برای علت عدم مشاهدهٔ اختلاف‌منظر ستاره‌ای در نظر می‌گرفتند. آنچنانکه از ظواهر برمی‌آید مدل خورشید-مرکز قویا رد شده‌بود، چنانچه در پاراگرافی از افلاطون چنین آمده‌است:

کلئانتس [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، سلوکوس سلوکیه‌ای 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. احتمالاً استدلال سوکوس مرتبط با پدیدهٔ جزر و مد بوده‌است. 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. احتمال 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 کوپرنیکیِ جهان از توماس دیگز در سال ۱۵۷۶، با این اصلاح که ستارگان دیگر در یک کره قرار نمی‌گیرند، بلکه به‌طور یکنواختی در فضایی که سیارات را دربرمی‌گیرد پخش شده‌اند.

مدل ارسطویی تقریباً به مدت تقریباً دو هزاره مورد پذیرش جهان غرب بود تا اینکه کوپرنیک نظریهٔ آریستارخوس را احیا کرد 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)

چنان‌که 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 فراگرفته شده» (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 پدیدهٔ 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 اندازه‌گیری‌های 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 به‌طور جداگانه اشاره نمودند که فرضیه یک فضای بی‌نهایت که به‌طور یکنواخت از ستارگان پر شده‌است 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 به‌طور 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 به کار برد.

جستارهای وابسته

• کیهان‌شناسی دینی
• کیهان‌شناسی
• کیهان‌شناسی هندو
• فرانک تیپلر
• نظریه جهان تنظیم‌شده
• جهان قابل مشاهده

For other uses, see Universe (disambiguation).

Universe

The Hubble Ultra-Deep Field image shows some of the most remote galaxies visible with present technology, each consisting of billions of stars. (Apparent image area about 1/79 that of a full moon)
Age (within Lambda-CDM model)	13.799 ± 0.021 billion years
Diameter	Unknown. Diameter of the observable universe: 8.8×1026 m (28.5 Gpc or 93 Gly)
Mass (ordinary matter)	At least 1053 kg
Average density (including the contribution from energy)	9.9 x 10−30 g/cm3
Average temperature	2.72548 K
Main contents	Ordinary (baryonic) matter (4.9%) Dark matter (26.8%) Dark energy (68.3%)
Shape	Flat with a 0.4% margin of error

The Universe is all of space and time and their contents, including planets, stars, galaxies, and all other forms of matter and energy. While the spatial size of the entire Universe is unknown, it is possible to measure the size of the observable universe, which is currently estimated to be 93 billion light-years in diameter. In various multiverse hypotheses, a universe is one of many causally disconnected constituent parts of a larger multiverse, which itself comprises all of space and time and its contents; as a consequence, ‘the Universe’ and ‘the multiverse’ are synonymous in such theories.

The earliest cosmological models of the Universe were developed by ancient Greek and Indian philosophers and were geocentric, placing Earth at the center. Over the centuries, more precise astronomical observations led Nicolaus Copernicus to develop the heliocentric model with the Sun at the center of the Solar System. In developing the law of universal gravitation, Isaac Newton built upon Copernicus' work as well as Johannes Kepler's laws of planetary motion and observations by Tycho Brahe.

Further observational improvements led to the realization that the Sun is one of hundreds of billions of stars in the Milky Way, which is one of at least hundreds of billions of galaxies in the Universe. Many of the stars in our galaxy have planets. At the largest scale, galaxies are distributed uniformly and the same in all directions, meaning that the Universe has neither an edge nor a center. At smaller scales, galaxies are distributed in clusters and superclusters which form immense filaments and voids in space, creating a vast foam-like structure. Discoveries in the early 20th century have suggested that the Universe had a beginning and that space has been expanding since then, and is currently still expanding at an increasing rate.

The Big Bang theory is the prevailing cosmological description of the development of the Universe. Under this theory, space and time emerged together 13.799±0.021 billion years ago and the energy and matter initially present have become less dense as the Universe expanded. After an initial accelerated expansion called the inflationary epoch at around 10⁻³² seconds, and the separation of the four known fundamental forces, the Universe gradually cooled and continued to expand, allowing the first subatomic particles and simple atoms to form. Dark matter gradually gathered, forming a foam-like structure of filaments and voids under the influence of gravity. Giant clouds of hydrogen and helium were gradually drawn to the places where dark matter was most dense, forming the first galaxies, stars, and everything else seen today. It is possible to see objects that are now further away than 13.799 billion light-years because space itself has expanded, and it is still expanding today. This means that objects which are now up to 46.5 billion light-years away can still be seen in their distant past, because in the past, when their light was emitted, they were much closer to Earth.

From studying the movement of galaxies, it has been discovered that the universe contains much more matter than is accounted for by visible objects; stars, galaxies, nebulas and interstellar gas. This unseen matter is known as dark matter (dark means that there is a wide range of strong indirect evidence that it exists, but we have not yet detected it directly). The ΛCDM model is the most widely accepted model of our universe. It suggests that about 69.2%±1.2% [2015] of the mass and energy in the universe is a cosmological constant (or, in extensions to ΛCDM, other forms of dark energy, such as a scalar field) which is responsible for the current expansion of space, and about 25.8%±1.1% [2015] is dark matter. Ordinary ('baryonic') matter is therefore only 4.84%±0.1% [2015] of the physical universe. Stars, planets, and visible gas clouds only form about 6% of ordinary matter, or about 0.29% of the entire universe.

There are many competing hypotheses about the ultimate fate of the universe and about what, if anything, preceded the Big Bang, while other physicists and philosophers refuse to speculate, doubting that information about prior states will ever be accessible. Some physicists have suggested various multiverse hypotheses, in which our universe might be one among many universes that likewise exist.

Part of a series on
Physical cosmology
Big Bang · Universe Age of the universe Chronology of the universe
Early universe Planck epoch Grand unification epoch Electroweak epoch Quark epoch Hadron epoch Lepton epoch Photon epoch Big Bang nucleosynthesis Inflation Dark Ages Backgrounds Cosmic background radiation (CBR) Gravitational wave background (GWB) Cosmic microwave background (CMB) · Cosmic neutrino background (CNB) Cosmic infrared background (INB)
Expansion · Future Hubble's law · Redshift Expansion of the universe Accelerating expansion of the universe Comoving and proper distances FLRW metric · Friedmann equations Inhomogeneous cosmology Future of an expanding universe Ultimate fate of the universe Heat death of the universe Big Rip Big Crunch Big Bounce
Components · Structure Components Lambda-CDM model Baryonic matter Energy Radiation Dark energy Quintessence Phantom energy Dark matter Cold dark matter Warm dark matter Hot dark matter Dark radiation Structure Shape of the universe Reionization · Structure formation Galaxy formation Large-scale structure Large quasar group Galaxy filament Supercluster Galaxy cluster Galaxy group Local Group Galaxy Dark matter halo Star cluster Solar system Planetary system Void
Experiments BOOMERanG Cosmic Background Explorer (COBE) Dark Energy Survey Euclid Illustris project Large Synoptic Survey Telescope Planck space observatory Sloan Digital Sky Survey (SDSS) 2dF Galaxy Redshift Survey ("2dF") UniverseMachine Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP)
Scientists Aaronson Alfvén Alpher Bharadwaj Copernicus de Sitter Dicke Eddington Ehlers Einstein Ellis Friedman Galileo Gamow Guth Hubble Lemaître Linde Mather Newton Penzias Rubin Schmidt Schwarzschild Smoot Starobinsky Steinhardt Suntzeff Sunyaev Tolman Wilson Zeldovich
Subject history Discovery of cosmic microwave background radiation History of the Big Bang theory Religious interpretations of the Big Bang theory Timeline of cosmological theories
Category Astronomy portal

Definition

Play media

Hubble Space Telescope - Ultra deep field galaxies to Legacy field zoom out
(video 00:50; May 2, 2019)

The physical Universe is defined as all of space and time (collectively referred to as spacetime) and their contents. Such contents comprise all of energy in its various forms, including electromagnetic radiation and matter, and therefore planets, moons, stars, galaxies, and the contents of intergalactic space. The Universe also includes the physical laws that influence energy and matter, such as conservation laws, classical mechanics, and relativity.

The Universe is often defined as "the totality of existence", or everything that exists, everything that has existed, and everything that will exist. In fact, some philosophers and scientists support the inclusion of ideas and abstract concepts—such as mathematics and logic—in the definition of the Universe. The word universe may also refer to concepts such as the cosmos, the world, and nature.

Etymology

The word universe derives from the Old French word univers, which in turn derives from the Latin word universum. The Latin word was used by Cicero and later Latin authors in many of the same senses as the modern English word is used.

Synonyms

A term for 'universe' among the ancient Greek philosophers from Pythagoras onwards was τὸ πᾶν, tò pân ("the all"), defined as all matter and all space, and τὸ ὅλον, tò hólon ("all things"), which did not necessarily include the void. Another synonym was ὁ κόσμος, ho kósmos (meaning the world, the cosmos). Synonyms are also found in Latin authors (totum, mundus, natura) and survive in modern languages, e.g., the German words Das All, Weltall, and Natur for Universe. The same synonyms are found in English, such as everything (as in the theory of everything), the cosmos (as in cosmology), the world (as in the many-worlds interpretation), and nature (as in natural laws or natural philosophy).

Chronology and the Big Bang

Main articles: Big Bang and Chronology of the universe

The prevailing model for the evolution of the Universe is the Big Bang theory. The Big Bang model states that the earliest state of the Universe was an extremely hot and dense one, and that the Universe subsequently expanded and cooled. The model is based on general relativity and on simplifying assumptions such as homogeneity and isotropy of space. A version of the model with a cosmological constant (Lambda) and cold dark matter, known as the Lambda-CDM model, is the simplest model that provides a reasonably good account of various observations about the Universe. The Big Bang model accounts for observations such as the correlation of distance and redshift of galaxies, the ratio of the number of hydrogen to helium atoms, and the microwave radiation background.

In this diagram, time passes from left to right, so at any given time, the Universe is represented by a disk-shaped "slice" of the diagram.

The initial hot, dense state is called the Planck epoch, a brief period extending from time zero to one Planck time unit of approximately 10⁻⁴³ seconds. During the Planck epoch, all types of matter and all types of energy were concentrated into a dense state, and gravity—currently the weakest by far of the four known forces—is believed to have been as strong as the other fundamental forces, and all the forces may have been unified. Since the Planck epoch, space has been expanding to its present scale, with a very short but intense period of cosmic inflation believed to have occurred within the first 10⁻³² seconds. This was a kind of expansion different from those we can see around us today. Objects in space did not physically move; instead the metric that defines space itself changed. Although objects in spacetime cannot move faster than the speed of light, this limitation does not apply to the metric governing spacetime itself. This initial period of inflation is believed to explain why space appears to be very flat, and much larger than light could travel since the start of the universe.

Within the first fraction of a second of the universe's existence, the four fundamental forces had separated. As the universe continued to cool down from its inconceivably hot state, various types of subatomic particles were able to form in short periods of time known as the quark epoch, the hadron epoch, and the lepton epoch. Together, these epochs encompassed less than 10 seconds of time following the Big Bang. These elementary particles associated stably into ever larger combinations, including stable protons and neutrons, which then formed more complex atomic nuclei through nuclear fusion. This process, known as Big Bang nucleosynthesis, only lasted for about 17 minutes and ended about 20 minutes after the Big Bang, so only the fastest and simplest reactions occurred. About 25% of the protons and all the neutrons in the universe, by mass, were converted to helium, with small amounts of deuterium (a form of hydrogen) and traces of lithium. Any other element was only formed in very tiny quantities. The other 75% of the protons remained unaffected, as hydrogen nuclei.

After nucleosynthesis ended, the universe entered a period known as the photon epoch. During this period, the Universe was still far too hot for matter to form neutral atoms, so it contained a hot, dense, foggy plasma of negatively charged electrons, neutral neutrinos and positive nuclei. After about 377,000 years, the universe had cooled enough that electrons and nuclei could form the first stable atoms. This is known as recombination for historical reasons; in fact electrons and nuclei were combining for the first time. Unlike plasma, neutral atoms are transparent to many wavelengths of light, so for the first time the universe also became transparent. The photons released ("decoupled") when these atoms formed can still be seen today; they form the cosmic microwave background (CMB).

As the Universe expands, the energy density of electromagnetic radiation decreases more quickly than does that of matter because the energy of a photon decreases with its wavelength. At around 47,000 years, the energy density of matter became larger than that of photons and neutrinos, and began to dominate the large scale behavior of the universe. This marked the end of the radiation-dominated era and the start of the matter-dominated era.

In the earliest stages of the universe, tiny fluctuations within the universe's density led to concentrations of dark matter gradually forming. Ordinary matter, attracted to these by gravity, formed large gas clouds and eventually, stars and galaxies, where the dark matter was most dense, and voids where it was least dense. After around 100 - 300 million years, the first stars formed, known as Population III stars. These were probably very massive, luminous, non metallic and short-lived. They were responsible for the gradual reionization of the Universe between about 200-500 million years and 1 billion years, and also for seeding the universe with elements heavier than helium, through stellar nucleosynthesis. The Universe also 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. In this era, the expansion of the Universe is accelerating due to dark energy.

Physical properties

Main articles: Observable universe, Age of the Universe, and Metric expansion of space

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.

The Universe appears to have much more matter than antimatter, an asymmetry possibly related to the CP violation. This imbalance between matter and antimatter is partially responsible for the existence of all matter existing today, since matter and antimatter, if equally produced at the Big Bang, would have completely annihilated each other and left only photons as a result of their interaction. The Universe also appears to have neither net momentum nor angular momentum, which follows accepted physical laws if the Universe is finite. These laws are the Gauss's law and the non-divergence of the stress-energy-momentum pseudotensor.

Constituent spatial scales of the observable universe
This diagram shows Earth's location in the Universe on increasingly larger scales. The images, labeled along their left edge, increase in size from left to right, then from top to bottom.

Size and regions

See also: Observable universe and Observational cosmology

The size of the Universe is somewhat difficult to define. According to the general theory of relativity, far regions of space may never interact with ours even in the lifetime of the Universe due to the finite speed of light and the ongoing expansion of space. For example, radio messages sent from Earth may never reach some regions of space, even if the Universe were to exist forever: space may expand faster than light can traverse it.

Distant regions of space are assumed to exist and to be part of reality as much as we are, even though we can never interact with them. The spatial region that we can affect and be affected by is the observable universe. The observable universe depends on the location of the observer. By traveling, an observer can come into contact with a greater region of spacetime than an observer who remains still. Nevertheless, even the most rapid traveler will not be able to interact with all of space. Typically, the observable universe is taken to mean the portion of the Universe that is observable from our vantage point in the Milky Way.

The proper distance—the distance as would be measured at a specific time, including the present—between Earth and the edge of the observable universe is 46 billion light-years (14 billion parsecs), making the diameter of the observable universe about 93 billion light-years (28 billion parsecs). The distance the light from the edge of the observable universe has travelled is very close to the age of the Universe times the speed of light, 13.8 billion light-years (4.2×10^⁹ pc), but this does not represent the distance at any given time because the edge of the observable universe and the Earth have since moved further apart. For comparison, the diameter of a typical galaxy is 30,000 light-years (9,198 parsecs), and the typical distance between two neighboring galaxies is 3 million light-years (919.8 kiloparsecs). As an example, the Milky Way is roughly 100,000–180,000 light-years in diameter, and the nearest sister galaxy to the Milky Way, the Andromeda Galaxy, is located roughly 2.5 million light-years away.

Because we cannot observe space beyond the edge of the observable universe, it is unknown whether the size of the Universe in its totality is finite or infinite. Estimates for the total size of the universe, if finite, reach as high as $10^{10^{10^{122}}}$ megaparsecs, implied by one resolution of the No-Boundary Proposal.

Age and expansion

Main articles: Age of the universe and Metric expansion of space

Astronomers calculate the age of the Universe by assuming that the Lambda-CDM model accurately describes the evolution of the Universe from a very uniform, hot, dense primordial state to its present state and measuring the cosmological parameters which constitute the model. This model is well understood theoretically and supported by recent high-precision astronomical observations such as WMAP and Planck. Commonly, the set of observations fitted includes the cosmic microwave background anisotropy, the brightness/redshift relation for Type Ia supernovae, and large-scale galaxy clustering including the baryon acoustic oscillation feature. Other observations, such as the Hubble constant, the abundance of galaxy clusters, weak gravitational lensing and globular cluster ages, are generally consistent with these, providing a check of the model, but are less accurately measured at present. Assuming that the Lambda-CDM model is correct, the measurements of the parameters using a variety of techniques by numerous experiments yield a best value of the age of the Universe as of 2015 of 13.799 ± 0.021 billion years.

Astronomers discovered stars in the Milky Way galaxy that are almost 13.6 billion years old.

Over time, the Universe and its contents have evolved; for example, the relative population of quasars and galaxies has changed and space itself has expanded. Due to this expansion, scientists on Earth can observe the light from a galaxy 30 billion light-years away even though that light has traveled for only 13 billion years; the very space between them has expanded. This expansion is consistent with the observation that the light from distant galaxies has been redshifted; the photons emitted have been stretched to longer wavelengths and lower frequency during their journey. Analyses of Type Ia supernovae indicate that the spatial expansion is accelerating.

The more matter there is in the Universe, the stronger the mutual gravitational pull of the matter. If the Universe were too dense then it would re-collapse into a gravitational singularity. However, if the Universe contained too little matter then the self-gravity would be too weak for astronomical structures, like galaxies or planets, to form. Since the Big Bang, the universe has expanded monotonically. Perhaps unsurprisingly, our universe has just the right mass-energy density, equivalent to about 5 protons per cubic meter, which has allowed it to expand for the last 13.8 billion years, giving time to form the universe as observed today.

There are dynamical forces acting on the particles in the Universe which affect the expansion rate. Before 1998, it was expected that the expansion rate would be decreasing as time went on due to the influence of gravitational interactions in the Universe; and thus there is an additional observable quantity in the Universe called the deceleration parameter, which most cosmologists expected to be positive and related to the matter density of the Universe. In 1998, the deceleration parameter was measured by two different groups to be negative, approximately -0.55, which technically implies that the second derivative of the cosmic scale factor ${\ddot {a}}$ has been positive in the last 5-6 billion years. This acceleration does not, however, imply that the Hubble parameter is currently increasing; see deceleration parameter for details.

Spacetime

Main articles: Spacetime and World line

See also: Lorentz transformation

Spacetimes are the arenas in which all physical events take place. The basic elements of spacetimes are events. In any given spacetime, an event is defined as a unique position at a unique time. A spacetime is the union of all events (in the same way that a line is the union of all of its points), formally organized into a manifold.

The Universe appears to be a smooth spacetime continuum consisting of three spatial dimensions and one temporal (time) dimension (an event in the spacetime of the physical Universe can therefore be identified by a set of four coordinates: (x, y, z, t) ). On the average, space is observed to be very nearly flat (with a curvature close to zero), meaning that Euclidean geometry is empirically true with high accuracy throughout most of the Universe. Spacetime also appears to have a simply connected topology, in analogy with a sphere, at least on the length-scale of the observable Universe. However, present observations cannot exclude the possibilities that the Universe has more dimensions (which is postulated by theories such as the String theory) and that its spacetime may have a multiply connected global topology, in analogy with the cylindrical or toroidal topologies of two-dimensional spaces. The spacetime of the Universe is usually interpreted from a Euclidean perspective, with space as consisting of three dimensions, and time as consisting of one dimension, the "fourth dimension". By combining space and time into a single manifold called Minkowski space, physicists have simplified a large number of physical theories, as well as described in a more uniform way the workings of the Universe at both the supergalactic and subatomic levels.

Spacetime events are not absolutely defined spatially and temporally but rather are known to be relative to the motion of an observer. Minkowski space approximates the Universe without gravity; the pseudo-Riemannian manifolds of general relativity describe spacetime with matter and gravity.

Shape

Main article: Shape of the universe

The three possible options for the shape of the Universe

General relativity describes how spacetime is curved and bent by mass and energy (gravity). The topology or geometry of the Universe includes both local geometry in the observable universe and global geometry. Cosmologists often work with a given space-like slice of spacetime called the comoving coordinates. The section of spacetime which can be observed is the backward light cone, which delimits the cosmological horizon. The cosmological horizon (also called the particle horizon or the light horizon) is the maximum distance from which particles can have traveled to the observer in the age of the Universe. This horizon represents the boundary between the observable and the unobservable regions of the Universe. The existence, properties, and significance of a cosmological horizon depend on the particular cosmological model.

An important parameter determining the future evolution of the Universe theory is the density parameter, Omega (Ω), defined as the average matter density of the universe divided by a critical value of that density. This selects one of three possible geometries depending on whether Ω is equal to, less than, or greater than 1. These are called, respectively, the flat, open and closed universes.

Observations, including the Cosmic Background Explorer (COBE), Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), and Planck maps of the CMB, suggest that the Universe is infinite in extent with a finite age, as described by the Friedmann–Lemaître–Robertson–Walker (FLRW) models. These FLRW models thus support inflationary models and the standard model of cosmology, describing a flat, homogeneous universe presently dominated by dark matter and dark energy.

Support of life

Main article: Fine-tuned universe

The Universe may be fine-tuned; the Fine-tuned Universe hypothesis is the proposition that the conditions that allow the existence of observable life in the Universe can only occur when certain universal fundamental physical constants lie within a very narrow range of values, so that if any of several fundamental constants were only slightly different, the Universe would have been unlikely to be conducive to the establishment and development of matter, astronomical structures, elemental diversity, or life as it is understood. The proposition is discussed among philosophers, scientists, theologians, and proponents of creationism.

Composition

See also: Galaxy formation and evolution, Galaxy cluster, Illustris project, and Nebula

The Universe is composed almost completely of dark energy, dark matter, and ordinary matter. Other contents are electromagnetic radiation (estimated to constitute from 0.005% to close to 0.01% of the total mass-energy of the Universe) and antimatter.

The proportions of all types of matter and energy have changed over the history of the Universe. The total amount of electromagnetic radiation generated within the universe has decreased by 1/2 in the past 2 billion years. Today, ordinary matter, which includes atoms, stars, galaxies, and life, accounts for only 4.9% of the contents of the Universe. The present overall density of this type of matter is very low, roughly 4.5 × 10⁻³¹ grams per cubic centimetre, corresponding to a density of the order of only one proton for every four cubic meters of volume. The nature of both dark energy and dark matter is unknown. Dark matter, a mysterious form of matter that has not yet been identified, accounts for 26.8% of the cosmic contents. Dark energy, which is the energy of empty space and is causing the expansion of the Universe to accelerate, accounts for the remaining 68.3% of the contents.

The formation of clusters and large-scale filaments in the cold dark matter model with dark energy. The frames show the evolution of structures in a 43 million parsecs (or 140 million light-years) box from redshift of 30 to the present epoch (upper left z=30 to lower right z=0).

A map of the superclusters and voids nearest to Earth

Matter, dark matter, and dark energy are distributed homogeneously throughout the Universe over length scales longer than 300 million light-years or so. However, over shorter length-scales, matter tends to clump hierarchically; many atoms are condensed into stars, most stars into galaxies, most galaxies into clusters, superclusters and, finally, large-scale galactic filaments. The observable Universe contains more than 2 trillion (10¹²) galaxies and, overall, as many as an estimated 1×10²⁴ stars (more stars than all the grains of sand on planet Earth). Typical galaxies range from dwarfs with as few as ten million (10⁷) stars up to giants with one trillion (10¹²) stars. Between the larger structures are voids, which are typically 10–150 Mpc (33 million–490 million ly) in diameter. The Milky Way is in the Local Group of galaxies, which in turn is in the Laniakea Supercluster. This supercluster spans over 500 million light-years, while the Local Group spans over 10 million light-years. The Universe also has vast regions of relative emptiness; the largest known void measures 1.8 billion ly (550 Mpc) across.

Comparison of the contents of the Universe today to 380,000 years after the Big Bang as measured with 5 year WMAP data (from 2008). (Due to rounding errors, the sum of these numbers is not 100%). This reflects the 2008 limits of WMAP's ability to define dark matter and dark energy.

The observable Universe is isotropic on scales significantly larger than superclusters, meaning that the statistical properties of the Universe are the same in all directions as observed from Earth. The Universe is bathed in highly isotropic microwave radiation that corresponds to a thermal equilibrium blackbody spectrum of roughly 2.72548 kelvins. The hypothesis that the large-scale Universe is homogeneous and isotropic is known as the cosmological principle. A Universe that is both homogeneous and isotropic looks the same from all vantage points and has no center.

Dark energy

Main article: Dark energy

An explanation for why the expansion of the Universe is accelerating remains elusive. It is often attributed to "dark energy", an unknown form of energy that is hypothesized to permeate space. On a mass–energy equivalence basis, the density of dark energy (~ 7 × 10⁻³⁰ g/cm³) is much less than the density of ordinary matter or dark matter within galaxies. However, in the present dark-energy era, it dominates the mass–energy of the universe because it is uniform across space.

Two proposed forms for dark energy are the cosmological constant, a constant energy density filling space homogeneously, and scalar fields such as quintessence or moduli, dynamic quantities whose energy density can vary in time and space. Contributions from scalar fields that are constant in space are usually also included in the cosmological constant. The cosmological constant can be formulated to be equivalent to vacuum energy. Scalar fields having only a slight amount of spatial inhomogeneity would be difficult to distinguish from a cosmological constant.

Dark matter

Main article: Dark matter

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.

Ordinary matter

Main article: Matter

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. As a matter of fact, 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 per cent of the ordinary matter contribution to the mass-energy density of the universe.

Ordinary matter commonly exists in four states (or phases): solid, liquid, gas, and plasma. However, advances in experimental techniques have revealed other previously theoretical phases, such as Bose–Einstein condensates and fermionic condensates.

Ordinary matter is composed of two types of elementary particles: quarks and leptons. For example, the proton is formed of two up quarks and one down quark; the neutron is formed of two down quarks and one up quark; and the electron is a kind of lepton. An atom consists of an atomic nucleus, made up of protons and neutrons, and electrons that orbit the nucleus. Because most of the mass of an atom is concentrated in its nucleus, which is made up of baryons, astronomers often use the term baryonic matter to describe ordinary matter, although a small fraction of this "baryonic matter" is electrons.

Soon after the Big Bang, primordial protons and neutrons formed from the quark–gluon plasma of the early Universe as it cooled below two trillion degrees. A few minutes later, in a process known as Big Bang nucleosynthesis, nuclei formed from the primordial protons and neutrons. This nucleosynthesis formed lighter elements, those with small atomic numbers up to lithium and beryllium, but the abundance of heavier elements dropped off sharply with increasing atomic number. Some boron may have been formed at this time, but the next heavier element, carbon, was not formed in significant amounts. Big Bang nucleosynthesis shut down after about 20 minutes due to the rapid drop in temperature and density of the expanding Universe. Subsequent formation of heavier elements resulted from stellar nucleosynthesis and supernova nucleosynthesis.

Particles

Standard model of elementary particles: the 12 fundamental fermions and 4 fundamental bosons. Brown loops indicate which bosons (red) couple to which fermions (purple and green). Columns are three generations of matter (fermions) and one of forces (bosons). In the first three columns, two rows contain quarks and two leptons. The top two rows' columns contain up (u) and down (d) quarks, charm (c) and strange (s) quarks, top (t) and bottom (b) quarks, and photon (γ) and gluon (g), respectively. The bottom two rows' columns contain electron neutrino (ν_e) and electron (e), muon neutrino (ν_μ) and muon (μ), tau neutrino (ν_τ) and tau (τ), and the Z⁰ and W^± carriers of the weak force. Mass, charge, and spin are listed for each particle.

Main article: Particle physics

Ordinary matter and the forces that act on matter can be described in terms of elementary particles. These particles are sometimes described as being fundamental, since they have an unknown substructure, and it is unknown whether or not they are composed of smaller and even more fundamental particles. Of central importance is the Standard Model, a theory that is concerned with electromagnetic interactions and the weak and strong nuclear interactions. The Standard Model is supported by the experimental confirmation of the existence of particles that compose matter: quarks and leptons, and their corresponding "antimatter" duals, as well as the force particles that mediate interactions: the photon, the W and Z bosons, and the gluon. The Standard Model predicted the existence of the recently discovered Higgs boson, a particle that is a manifestation of a field within the Universe that can endow particles with mass. Because of its success in explaining a wide variety of experimental results, the Standard Model is sometimes regarded as a "theory of almost everything". The Standard Model does not, however, accommodate gravity. A true force-particle "theory of everything" has not been attained.

Hadrons

Main article: Hadron

A hadron is a composite particle made of quarks held together by the strong force. Hadrons are categorized into two families: baryons (such as protons and neutrons) made of three quarks, and mesons (such as pions) made of one quark and one antiquark. Of the hadrons, protons are stable, and neutrons bound within atomic nuclei are stable. Other hadrons are unstable under ordinary conditions and are thus insignificant constituents of the modern Universe. From approximately 10⁻⁶ seconds after the Big Bang, during a period is known as the hadron epoch, the temperature of the universe had fallen sufficiently to allow quarks to bind together into hadrons, and the mass of the Universe was dominated by hadrons. Initially the temperature was high enough to allow the formation of hadron/anti-hadron pairs, which kept matter and antimatter in thermal equilibrium. However, as the temperature of the Universe continued to fall, hadron/anti-hadron pairs were no longer produced. Most of the hadrons and anti-hadrons were then eliminated in particle-antiparticle annihilation reactions, leaving a small residual of hadrons by the time the Universe was about one second old.

Leptons

Main article: Lepton

A lepton is an elementary, half-integer spin particle that does not undergo strong interactions but is subject to the Pauli exclusion principle; no two leptons of the same species can be in exactly the same state at the same time. Two main classes of leptons exist: charged leptons (also known as the electron-like leptons), and neutral leptons (better known as neutrinos). Electrons are stable and the most common charged lepton in the Universe, whereas muons and taus are unstable particle that quickly decay after being produced in high energy collisions, such as those involving cosmic rays or carried out in particle accelerators. Charged leptons can combine with other particles to form various composite particles such as atoms and positronium. The electron governs nearly all of chemistry, as it is found in atoms and is directly tied to all chemical properties. Neutrinos rarely interact with anything, and are consequently rarely observed. Neutrinos stream throughout the Universe but rarely interact with normal matter.

The lepton epoch was the period in the evolution of the early Universe in which the leptons dominated the mass of the Universe. It started roughly 1 second after the Big Bang, after the majority of hadrons and anti-hadrons annihilated each other at the end of the hadron epoch. During the lepton epoch the temperature of the Universe was still high enough to create lepton/anti-lepton pairs, so leptons and anti-leptons were in thermal equilibrium. Approximately 10 seconds after the Big Bang, the temperature of the Universe had fallen to the point where lepton/anti-lepton pairs were no longer created. Most leptons and anti-leptons were then eliminated in annihilation reactions, leaving a small residue of leptons. The mass of the Universe was then dominated by photons as it entered the following photon epoch.

Photons

Main article: Photon epoch

See also: Photino

A photon is the quantum of light and all other forms of electromagnetic radiation. It is the force carrier for the electromagnetic force, even when static via virtual photons. The effects of this force are easily observable at the microscopic and at the macroscopic level because the photon has zero rest mass; this allows long distance interactions. Like all elementary particles, photons are currently best explained by quantum mechanics and exhibit wave–particle duality, exhibiting properties of waves and of particles.

The photon epoch started after most leptons and anti-leptons were annihilated at the end of the lepton epoch, about 10 seconds after the Big Bang. Atomic nuclei were created in the process of nucleosynthesis which occurred during the first few minutes of the photon epoch. For the remainder of the photon epoch the Universe contained a hot dense plasma of nuclei, electrons and photons. About 380,000 years after the Big Bang, the temperature of the Universe fell to the point where nuclei could combine with electrons to create neutral atoms. As a result, photons no longer interacted frequently with matter and the Universe became transparent. The highly redshifted photons from this period form the cosmic microwave background. Tiny variations in temperature and density detectable in the CMB were the early "seeds" from which all subsequent structure formation took place.

Cosmological models

Model of the Universe based on general relativity

Main article: Solutions of the Einstein field equations

See also: Big Bang and Ultimate fate of the Universe

General relativity is the geometric theory of gravitation published by Albert Einstein in 1915 and the current description of gravitation in modern physics. It is the basis of current cosmological models of the Universe. General relativity generalizes special relativity and Newton's law of universal gravitation, providing a unified description of gravity as a geometric property of space and time, or spacetime. In particular, the curvature of spacetime is directly related to the energy and momentum of whatever matter and radiation are present. The relation is specified by the Einstein field equations, a system of partial differential equations. In general relativity, the distribution of matter and energy determines the geometry of spacetime, which in turn describes the acceleration of matter. Therefore, solutions of the Einstein field equations describe the evolution of the Universe. Combined with measurements of the amount, type, and distribution of matter in the Universe, the equations of general relativity describe the evolution of the Universe over time.

With the assumption of the cosmological principle that the Universe is homogeneous and isotropic everywhere, a specific solution of the field equations that describes the Universe is the metric tensor called the Friedmann–Lemaître–Robertson–Walker metric,

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

where (r, θ, φ) correspond to a spherical coordinate system. This metric has only two undetermined parameters. An overall dimensionless length scale factor R describes the size scale of the Universe as a function of time; an increase in R is the expansion of the Universe. A curvature index k describes the geometry. The index k is defined so that it can take only one of three values: 0, corresponding to flat Euclidean geometry; 1, corresponding to a space of positive curvature; or −1, corresponding to a space of positive or negative curvature. The value of R as a function of time t depends upon k and the cosmological constant Λ. The cosmological constant represents the energy density of the vacuum of space and could be related to dark energy. The equation describing how R varies with time is known as the Friedmann equation after its inventor, Alexander Friedmann.

The solutions for R(t) depend on k and Λ, but some qualitative features of such solutions are general. First and most importantly, the length scale R of the Universe can remain constant only if the Universe is perfectly isotropic with positive curvature (k=1) and has one precise value of density everywhere, as first noted by Albert Einstein. However, this equilibrium is unstable: because the Universe is known to be inhomogeneous on smaller scales, R must change over time. When R changes, all the spatial distances in the Universe change in tandem; there is an overall expansion or contraction of space itself. This accounts for the observation that galaxies appear to be flying apart; the space between them is stretching. The stretching of space also accounts for the apparent paradox that two galaxies can be 40 billion light-years apart, although they started from the same point 13.8 billion years ago and never moved faster than the speed of light.

Second, all solutions suggest that there was a gravitational singularity in the past, when R went to zero and matter and energy were infinitely dense. It may seem that this conclusion is uncertain because it is based on the questionable assumptions of perfect homogeneity and isotropy (the cosmological principle) and that only the gravitational interaction is significant. However, the Penrose–Hawking singularity theorems show that a singularity should exist for very general conditions. Hence, according to Einstein's field equations, R grew rapidly from an unimaginably hot, dense state that existed immediately following this singularity (when R had a small, finite value); this is the essence of the Big Bang model of the Universe. Understanding the singularity of the Big Bang likely requires a quantum theory of gravity, which has not yet been formulated.

Third, the curvature index k determines the sign of the mean spatial curvature of spacetime averaged over sufficiently large length scales (greater than about a billion light-years). If k=1, the curvature is positive and the Universe has a finite volume. A Universe with positive curvature is often visualized as a three-dimensional sphere embedded in a four-dimensional space. Conversely, if k is zero or negative, the Universe has an infinite volume. It may seem counter-intuitive that an infinite and yet infinitely dense Universe could be created in a single instant at the Big Bang when R=0, but exactly that is predicted mathematically when k does not equal 1. By analogy, an infinite plane has zero curvature but infinite area, whereas an infinite cylinder is finite in one direction and a torus is finite in both. A toroidal Universe could behave like a normal Universe with periodic boundary conditions.

The ultimate fate of the Universe is still unknown, because it depends critically on the curvature index k and the cosmological constant Λ. If the Universe were sufficiently dense, k would equal +1, meaning that its average curvature throughout is positive and the Universe will eventually recollapse in a Big Crunch, possibly starting a new Universe in a Big Bounce. Conversely, if the Universe were insufficiently dense, k would equal 0 or −1 and the Universe would expand forever, cooling off and eventually reaching the Big Freeze and the heat death of the Universe. Modern data suggests that the rate of expansion of the Universe is not decreasing, as originally expected, but increasing; if this continues indefinitely, the Universe may eventually reach a Big Rip. Observationally, the Universe appears to be flat (k = 0), with an overall density that is very close to the critical value between recollapse and eternal expansion.

Multiverse hypothesis

Main articles: Multiverse, Many-worlds interpretation, Bubble universe theory, and Parallel universe (fiction)

Depiction of a multiverse of seven "bubble" universes, which are separate spacetime continua, each having different physical laws, physical constants, and perhaps even different numbers of dimensions or topologies.

See also: Eternal inflation

Some speculative theories have proposed that our Universe is but one of a set of disconnected universes, collectively denoted as the multiverse, challenging or enhancing more limited definitions of the Universe. Scientific multiverse models are distinct from concepts such as alternate planes of consciousness and simulated reality.

Max Tegmark developed a four-part classification scheme for the different types of multiverses that scientists have suggested in response to various Physics problems. An example of such multiverses is the one resulting from the chaotic inflation model of the early universe. Another is the multiverse resulting from the many-worlds interpretation of quantum mechanics. In this interpretation, parallel worlds are generated in a manner similar to quantum superposition and decoherence, with all states of the wave functions being realized in separate worlds. Effectively, in the many-worlds interpretation the multiverse evolves as a universal wavefunction. If the Big Bang that created our multiverse created an ensemble of multiverses, the wave function of the ensemble would be entangled in this sense.

The least controversial category of multiverse in Tegmark's scheme is Level I. The multiverses of this level are composed by distant spacetime events "in our own universe". If space is infinite, or sufficiently large and uniform, identical instances of the history of Earth's entire Hubble volume occur every so often, simply by chance. Tegmark calculated that our nearest so-called doppelgänger, is 10¹⁰¹¹⁵ meters away from us (a double exponential function larger than a googolplex). In principle, it would be impossible to scientifically verify the existence of an identical Hubble volume. However, this existence does follow as a fairly straightforward consequence from otherwise unrelated scientific observations and theories.

It is possible to conceive of disconnected spacetimes, each existing but unable to interact with one another. An easily visualized metaphor of this concept is a group of separate soap bubbles, in which observers living on one soap bubble cannot interact with those on other soap bubbles, even in principle. According to one common terminology, each "soap bubble" of spacetime is denoted as a universe, whereas our particular spacetime is denoted as the Universe, just as we call our moon the Moon. The entire collection of these separate spacetimes is denoted as the multiverse. With this terminology, different Universes are not causally connected to each other. In principle, the other unconnected Universes may have different dimensionalities and topologies of spacetime, different forms of matter and energy, and different physical laws and physical constants, although such possibilities are purely speculative. Others consider each of several bubbles created as part of chaotic inflation to be separate Universes, though in this model these universes all share a causal origin.

Historical conceptions

See also: Cosmology, Timeline of cosmological theories, Nicolaus Copernicus § Copernican system, and Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica § Beginnings of the Scientific Revolution

Historically, there have been many ideas of the cosmos (cosmologies) and its origin (cosmogonies). Theories of an impersonal Universe governed by physical laws were first proposed by the Greeks and Indians. Ancient Chinese philosophy encompassed the notion of the Universe including both all of space and all of time. Over the centuries, improvements in astronomical observations and theories of motion and gravitation led to ever more accurate descriptions of the Universe. The modern era of cosmology began with Albert Einstein's 1915 general theory of relativity, which made it possible to quantitatively predict the origin, evolution, and conclusion of the Universe as a whole. Most modern, accepted theories of cosmology are based on general relativity and, more specifically, the predicted Big Bang.

Mythologies

Main articles: Creation myth, Cosmogony, and Religious cosmology

Many cultures have stories describing the origin of the world and universe. Cultures generally regard these stories as having some truth. There are however many differing beliefs in how these stories apply amongst those believing in a supernatural origin, ranging from a god directly creating the Universe as it is now to a god just setting the "wheels in motion" (for example via mechanisms such as the big bang and evolution).

Ethnologists and anthropologists who study myths have developed various classification schemes for the various themes that appear in creation stories. For example, in one type of story, the world is born from a world egg; such stories include the Finnish epic poem Kalevala, the Chinese story of Pangu or the Indian Brahmanda Purana. In related stories, the Universe is created by a single entity emanating or producing something by him- or herself, as in the Tibetan Buddhism concept of Adi-Buddha, the ancient Greek story of Gaia (Mother Earth), the Aztec goddess Coatlicue myth, the ancient Egyptian god Atum story, and the Judeo-Christian Genesis creation narrative in which the Abrahamic God created the Universe. In another type of story, the Universe is created from the union of male and female deities, as in the Maori story of Rangi and Papa. In other stories, the Universe is created by crafting it from pre-existing materials, such as the corpse of a dead god — as from Tiamat in the Babylonian epic Enuma Elish or from the giant Ymir in Norse mythology – or from chaotic materials, as in Izanagi and Izanami in Japanese mythology. In other stories, the Universe emanates from fundamental principles, such as Brahman and Prakrti, the creation myth of the Serers, or the yin and yang of the Tao.

Philosophical models

Further information: Cosmology

See also: Pre-Socratic philosophy, Physics (Aristotle), Hindu cosmology, Islamic cosmology, and Philosophy of space and time

The pre-Socratic Greek philosophers and Indian philosophers developed some of the earliest philosophical concepts of the Universe. The earliest Greek philosophers noted that appearances can be deceiving, and sought to understand the underlying reality behind the appearances. In particular, they noted the ability of matter to change forms (e.g., ice to water to steam) and several philosophers proposed that all the physical materials in the world are different forms of a single primordial material, or arche. The first to do so was Thales, who proposed this material to be water. Thales' student, Anaximander, proposed that everything came from the limitless apeiron. Anaximenes proposed the primordial material to be air on account of its perceived attractive and repulsive qualities that cause the arche to condense or dissociate into different forms. Anaxagoras proposed the principle of Nous (Mind), while Heraclitus proposed fire (and spoke of logos). Empedocles proposed the elements to be earth, water, air and fire. His four-element model became very popular. Like Pythagoras, Plato believed that all things were composed of number, with Empedocles' elements taking the form of the Platonic solids. Democritus, and later philosophers—most notably Leucippus—proposed that the Universe is composed of indivisible atoms moving through a void (vacuum), although Aristotle did not believe that to be feasible because air, like water, offers resistance to motion. Air will immediately rush in to fill a void, and moreover, without resistance, it would do so indefinitely fast.

Although Heraclitus argued for eternal change, his contemporary Parmenides made the radical suggestion that all change is an illusion, that the true underlying reality is eternally unchanging and of a single nature. Parmenides denoted this reality as τὸ ἐν (The One). Parmenides' idea seemed implausible to many Greeks, but his student Zeno of Elea challenged them with several famous paradoxes. Aristotle responded to these paradoxes by developing the notion of a potential countable infinity, as well as the infinitely divisible continuum. Unlike the eternal and unchanging cycles of time, he believed that the world is bounded by the celestial spheres and that cumulative stellar magnitude is only finitely multiplicative.

The Indian philosopher Kanada, founder of the Vaisheshika school, developed a notion of atomism and proposed that light and heat were varieties of the same substance. In the 5th century AD, the Buddhist atomist philosopher Dignāga proposed atoms to be point-sized, durationless, and made of energy. They denied the existence of substantial matter and proposed that movement consisted of momentary flashes of a stream of energy.

The notion of temporal finitism was inspired by the doctrine of creation shared by the three Abrahamic religions: Judaism, Christianity and Islam. The Christian philosopher, John Philoponus, presented the philosophical arguments against the ancient Greek notion of an infinite past and future. Philoponus' arguments against an infinite past were used by the early Muslim philosopher, Al-Kindi (Alkindus); the Jewish philosopher, Saadia Gaon (Saadia ben Joseph); and the Muslim theologian, Al-Ghazali (Algazel).

Astronomical concepts

Main articles: History of astronomy and Timeline of astronomy

3rd century BCE calculations by Aristarchus on the relative sizes of, from left to right, the Sun, Earth, and Moon, from a 10th-century AD Greek copy.

Astronomical models of the Universe were proposed soon after astronomy began with the Babylonian astronomers, who viewed the Universe as a flat disk floating in the ocean, and this forms the premise for early Greek maps like those of Anaximander and Hecataeus of Miletus.

Later Greek philosophers, observing the motions of the heavenly bodies, were concerned with developing models of the Universe-based more profoundly on empirical evidence. The first coherent model was proposed by Eudoxus of Cnidos. According to Aristotle's physical interpretation of the model, celestial spheres eternally rotate with uniform motion around a stationary Earth. Normal matter is entirely contained within the terrestrial sphere.

De Mundo (composed before 250 BC or between 350 and 200 BC), stated, "Five elements, situated in spheres in five regions, the less being in each case surrounded by the greater—namely, earth surrounded by water, water by air, air by fire, and fire by ether—make up the whole Universe".

This model was also refined by Callippus and after concentric spheres were abandoned, it was brought into nearly perfect agreement with astronomical observations by Ptolemy. The success of such a model is largely due to the mathematical fact that any function (such as the position of a planet) can be decomposed into a set of circular functions (the Fourier modes). Other Greek scientists, such as the Pythagorean philosopher Philolaus, postulated (according to Stobaeus account) that at the center of the Universe was a "central fire" around which the Earth, Sun, Moon and Planets revolved in uniform circular motion.

The Greek astronomer Aristarchus of Samos was the first known individual to propose a heliocentric model of the Universe. Though the original text has been lost, a reference in Archimedes' book The Sand Reckoner describes Aristarchus's heliocentric model. Archimedes wrote:

You, King Gelon, are aware the Universe is the name given by most astronomers to the sphere the center of which is the center of the Earth, while its radius is equal to the straight line between the center of the Sun and the center of the Earth. This is the common account as you have heard from astronomers. But Aristarchus has brought out a book consisting of certain hypotheses, wherein it appears, as a consequence of the assumptions made, that the Universe is many times greater than the Universe just mentioned. His hypotheses are that the fixed stars and the Sun remain unmoved, that the Earth revolves about the Sun on the circumference of a circle, the Sun lying in the middle of the orbit, and that the sphere of fixed stars, situated about the same center as the Sun, is so great that the circle in which he supposes the Earth to revolve bears such a proportion to the distance of the fixed stars as the center of the sphere bears to its surface

Aristarchus thus believed the stars to be very far away, and saw this as the reason why stellar parallax had not been observed, that is, the stars had not been observed to move relative each other as the Earth moved around the Sun. The stars are in fact much farther away than the distance that was generally assumed in ancient times, which is why stellar parallax is only detectable with precision instruments. The geocentric model, consistent with planetary parallax, was assumed to be an explanation for the unobservability of the parallel phenomenon, stellar parallax. The rejection of the heliocentric view was apparently quite strong, as the following passage from Plutarch suggests (On the Apparent Face in the Orb of the Moon):

Cleanthes [a contemporary of Aristarchus and head of the Stoics] thought it was the duty of the Greeks to indict Aristarchus of Samos on the charge of impiety for putting in motion the Hearth of the Universe [i.e. the Earth], ... supposing the heaven to remain at rest and the Earth to revolve in an oblique circle, while it rotates, at the same time, about its own axis

Flammarion engraving, Paris 1888

The only other astronomer from antiquity known by name who supported Aristarchus's heliocentric model was Seleucus of Seleucia, a Hellenistic astronomer who lived a century after Aristarchus. According to Plutarch, Seleucus was the first to prove the heliocentric system through reasoning, but it is not known what arguments he used. Seleucus' arguments for a heliocentric cosmology were probably related to the phenomenon of tides. According to Strabo (1.1.9), Seleucus was the first to state that the tides are due to the attraction of the Moon, and that the height of the tides depends on the Moon's position relative to the Sun. Alternatively, he may have proved heliocentricity by determining the constants of a geometric model for it, and by developing methods to compute planetary positions using this model, like what Nicolaus Copernicus later did in the 16th century. During the Middle Ages, heliocentric models were also proposed by the Indian astronomer Aryabhata, and by the Persian astronomers Albumasar and Al-Sijzi.

Model of the Copernican Universe by Thomas Digges in 1576, with the amendment that the stars are no longer confined to a sphere, but spread uniformly throughout the space surrounding the planets.

The Aristotelian model was accepted in the Western world for roughly two millennia, until Copernicus revived Aristarchus's perspective that the astronomical data could be explained more plausibly if the Earth rotated on its axis and if the Sun were placed at the center of the Universe.

In the center rests the Sun. For who would place this lamp of a very beautiful temple in another or better place than this wherefrom it can illuminate everything at the same time?

— Nicolaus Copernicus, in Chapter 10, Book 1 of De Revolutionibus Orbium Coelestrum (1543)

As noted by Copernicus himself, the notion that the Earth rotates is very old, dating at least to Philolaus (c. 450 BC), Heraclides Ponticus (c. 350 BC) and Ecphantus the Pythagorean. Roughly a century before Copernicus, the Christian scholar Nicholas of Cusa also proposed that the Earth rotates on its axis in his book, On Learned Ignorance (1440). Al-Sijzi also proposed that the Earth rotates on its axis. Empirical evidence for the Earth's rotation on its axis, using the phenomenon of comets, was given by Tusi (1201–1274) and Ali Qushji (1403–1474).

This cosmology was accepted by Isaac Newton, Christiaan Huygens and later scientists. Edmund Halley (1720) and Jean-Philippe de Chéseaux (1744) noted independently that the assumption of an infinite space filled uniformly with stars would lead to the prediction that the nighttime sky would be as bright as the Sun itself; this became known as Olbers' paradox in the 19th century. Newton believed that an infinite space uniformly filled with matter would cause infinite forces and instabilities causing the matter to be crushed inwards under its own gravity. This instability was clarified in 1902 by the Jeans instability criterion. One solution to these paradoxes is the Charlier Universe, in which the matter is arranged hierarchically (systems of orbiting bodies that are themselves orbiting in a larger system, ad infinitum) in a fractal way such that the Universe has a negligibly small overall density; such a cosmological model had also been proposed earlier in 1761 by Johann Heinrich Lambert. A significant astronomical advance of the 18th century was the realization by Thomas Wright, Immanuel Kant and others of nebulae.

In 1919, when Hooker Telescope was completed, the prevailing view still 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 Universe consists of multitude of galaxies.

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.

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

See also

• Chronology of the Universe
• Cosmic Calendar (scaled down timeline)
• Cosmic latte
• Cosmos
• Detailed logarithmic timeline
• Earth's location in the Universe
• Esoteric cosmology
• False vacuum
• Future of an expanding Universe
• Galaxy And Mass Assembly survey
• Heat death of the universe
• History of the Center of the Universe
• Illustris project
• Multiverse (religion)
• Multiverse (set theory) (Hyperverse, Megaverse or Omniverse)
• Non-standard cosmology
• Nucleocosmochronology
• Panspermia
• Rare Earth hypothesis
• Religious cosmology
• Space and survival
• Terasecond and longer
• Timeline of the far future
• Timeline of the formation of the universe
• Timeline of the near future
• Vacuum genesis
• Zero-energy Universe

References

Footnotes

Citations

Bibliography

• Bartel, Leendert van der Waerden (1987). "The Heliocentric System in Greek, Persian and Hindu Astronomy". Annals of the New York Academy of Sciences. 500 (1): 525–45. Bibcode:1987NYASA.500..525V. doi:10.1111/j.1749-6632.1987.tb37224.x.
• Landau L, Lifshitz E (1975). The Classical Theory of Fields (Course of Theoretical Physics). 2 (revised 4th English ed.). New York: Pergamon Press. pp. 358–97. ISBN 978-0-08-018176-9.
• Liddell, H. G. & Scott, R. (1968). A Greek-English Lexicon. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-864214-5.
• Misner, C.W., Thorne, Kip, Wheeler, J.A. (1973). Gravitation. San Francisco: W. H. Freeman. pp. 703–816. ISBN 978-0-7167-0344-0.
• Raine, D. J.; Thomas, E. G. (2001). An Introduction to the Science of Cosmology. Institute of Physics Publishing.
• Rindler, W. (1977). Essential Relativity: Special, General, and Cosmological. New York: Springer Verlag. pp. 193–244. ISBN 978-0-387-10090-6.
• Martin Rees, ed. (2012). Smithsonian Universe (2nd ed.). London: Dorling Kindersley. ISBN 978-0-7566-9841-6.

External links

• NASA/IPAC Extragalactic Database (NED)
• NED-Distances
• This is why we will never know everything about our universe - Forbes, May 2019.