Вселена е понятие, което обикновено означава целия пространствено-времеви континуум, в който съществуваме, заедно с всички форми на енергия и материя в него – планети, звезди, галактики и междугалактично пространство. Вселена може да се употребява като синоним на космос, свят или дори природа.
Вселената е всичко, което може да се наблюдава или има основание да се допусне. Изучаването й е предмет на философията и космологията, която се занимава с произхода, строежа и еволюцията на вселената. На всеки етап от развитието на човечеството е известна само ограничена част от вселената. С усъвършенстване на технологиите и методите на нейното изучаване, наблюдаваният обем става все по-голям. Метагалактика се нарича тази част, която е достъпна за наблюдения в настоящето или в непосредственото бъдеще. Използват се и термините позната вселена, наблюдаема вселена или видима вселена.
Трябва да се отбележи, че някои учени, които се занимават с космология, предлагат различна терминология и дефиниция, приемайки модела на мултивселената, според който нашата вселена не е сумата от цялата енергия и материя, а просто една от многото отделни вселени, които могат да съществуват паралелно и независимо една от друга.
Етимология Думата „вселена“ () идва от старофренски Univers, производна на латинската universum.The Compact Edition of the Oxford English Dictionary, volume II, Oxford: Oxford University Press, 1971, p.3518. която в превод означава „всичко се върти като едно“ или „всичко се съедини в едно“.Lewis and Short, A Latin Dictionary, Oxford University Press, ISBN 0-19-864201-6, pp. 1933, 1977 – 1978. Може да се счита и като превод на гръцката дума за вселена περιφορα, „нещо, което се върти в кръг“.Liddell and Scott, A Greek-English Lexicon, Oxford University Press, ISBN 0-19-864214-8, p.1392. Този израз има връзка с модела на вселената на древните гърци, според който материята е разположена в концентрични сфери, които се въртят около общ център – Земята.
На български език думата вселена идва от старобългарски (въсєлѥнаѩ),Р.М.Цейтлин, Лексика старославянского языка, М.: Наука, 1977, – С.39. с произход от старогръцки ойкуменФасмер М. Этимологический словарь русского языка. Т.1. М., 2004. С.363 (), с основа οἰκέω, „населявам, обитавам“. Най-честите наименования за вселена, давани от древните гръцки философи идват от всичко (το παν), цялото (το ολον) или подредбата (κόσμος).
История
Исторически погледнато, няколко космологически и космогонически теории са предлагани по отношение на наблюдението на Вселената. Първите количествени геоцентрични модели са направени от древните гърци, които предполагат, че Вселената е безкрайна и вечно съществуваща, но притежава концентрични сфери с краен размер, отговарящи на звездите, Слънцето и планетите, които се въртят около сферичната, но неподвижна Земя. След дългогодишни астрономически наблюдения и научни изследвания се стига до хелиоцентричната система на Николай Коперник за строежа на Вселената. Според него Слънцето се намира в центъра на Вселената, а Земята и другите планети обикалят по концентрични кръгови орбити около него. Идеята за хелиоцентризма е изказана още в древността от Аристарх Самоски, но Коперник успява да я обоснове научно и да обори геоцентричното учение на Клавдий Птолемей, господстващо тогава и официално поддържано от Църквата. С помощта на двете основни движения на Земята – въртенето около оста ѝ и около Слънцето – Коперник обяснява сложните движения на планетите, смяната на годишните времена и явлението прецесия и определя относителните разстояния на планетите до Слънцето. Хелиоцентричната система е изложена в безсмъртното му произведение „За въртенето на небесните сфери“ (De revolutionibus orbitum coelestium), над което той работи повече от 40 години. След това Нютон открива закона за всемирното привличане, въз основа на който се обяснява строежът на Слънчевата система и на цялата наша галактика (Млечния път). По-нататъшното развитие на астрономията води до откриването на множество други галактики. С усъвършенстването на оптичните уреди, изучаването на спектралните линии на галактиките и други астрономически обекти, науката установява съществуването на червеното отместване и реликтовото лъчение, които свидетелстват за разширението на Вселената и евентуалното нейно начало. Тези знания залягат в основите на съвременната космология.
Съгласно с теорията за Големия взрив, която е преобладаваща сред научната общност, разширението на Вселената започва от изключително гореща и плътна фаза, наречена епоха на Планк, където цялата маса и енергия на наблюдаемата Вселена е била концентрирана в много малко пространство. Оттогава нататък Вселената се разширява, като достига до съвременното си състояние. Няколко независими експеримента потвърждават теоретичните постановки на теорията за Големия взрив.
Според тях Вселената ще продължи да се разширява безкрайно. Напоследък се счита, че това разширение се ускорява благодарение на тъмната енергия и тъмната материя.S. H. Suyu, P. J. Marshall, M. W. Auger, S. Hilbert, R. D. Blandford, L. V. E. Koopmans, C. D. Fassnacht and T. Treu. Dissecting the Gravitational Lens B1608+656. II. Precision Measurements of the Hubble Constant, Spatial Curvature, and the Dark Energy Equation of State. The Astrophysical Journal, 2010; 711 (1): 201 DOI: 10.1088/0004-637X/711/1/201
Съгласно с общата теория на относителността, пространството може да се разширява със скорост по-голяма от тази на светлината, но ние можем да видим само малка част поради ограничението, наложено от скоростта на светлината. Тъй като не можем да извършим наблюдения извън обсега на светлината (или което и да е друго електромагнитно излъчване), остава неясно дали Вселената е крайна или безкрайна.
Големина, форма, възраст и структура Размери и плътност
Наблюдаемата вселена е разпръсната поне на пространство от 93 милиарда светлинни години. За сравнение, диаметърът на типична галактика е само 30 000 светлинни години и типичното разстояние между две съседни галактики е 3 милиона светлинни години.Rindler (1977), p.196. Примерно Млечният път е около 100 000 светлинни години в диаметър и най-близката галактика Андромеда е на 2,5 милиона светлини години. Вероятно има 100 милиарда (1011) галактики в наблюдаемата вселена. Най-малките галактики имат около 10 милиона звезди, (107) а най-големите са с по няколко трилиона (1012) звезди. Една груба оценка показва, че броят на звездите в наблюдаемата вселена е повече от един секстилион (1021), макар че някои астрономи дават оценка от около 70 секстилиона (7 × 1022).
Материята е хомогенно разпределена, ако се усредни на разстояние 300 милиони светлинни години. На по-малка скала обаче материята има струпвания. Атомите формират звезди, звездите формират галактики, галактиките образуват купове галактики и най-накрая свръхкупове (купове от купове). Материята е също така изотропна, което означава че няма разлика в разпределението ѝ в различните посоки. Вселената има и силно изтропно микровълново електромагнитно излъчване, което отговаря на топлинното излъчване на абсолютно черно тяло при температура 2.725 K. Хипотезата, че едромащабната структура на вселената е хомогенна и изотропна се нарича космологичен принцип,Rindler (1977), p. 202. което се подкрепя от астрономични наблюдения.
Сегашната плътност на вселената е много ниска, грубо казано около 9,9 × 10−30 грама на кубичен сантиметър. Съотношението маса-енергия се състои от 73% тъмна енергия, 23% студена тъмна маса и 4% обикновена материя. Свойствата и характеристиките на тъмната материя и тъмната маса са почти напълно неизвестни. Тъмната материя се държи като обикновена материя и забавя разширението на вселената. Тъмната енергия, от друга страна, ускорява разширението.
Възраст на вселената Вселената е много стара и както самата тя, така и представите за нея продължават да еволюират. Най-точното приближение за възрастта ѝ e 13,73±0,12 милиарда години, базирано на наблюдения на реликтовото излъчване. Съществуват и други методи (като използване на радиоактивни изотопи), но те са значително по-неточни и дават приближения от 11 до 20 милиарда години или от 13 до 15 милиарда години. Вселената се променя непрекъснато и погледнато исторически, никога не е била една и съща. Така например броят на квазарите и галактиките се мени, а самото галактическо пространство се разширява. Учените, които правят приземни наблюдения (и по този начин свързани с редица ограничения) трябва да имат предвид, че когато наблюдават светлината от галактика на разстояние 30 милиарда светлинни години, тази светлина е пътувала всъщност само 13 милиарда години, защото пространството между тях се е разширило. Това се потвърждава от наблюденията на далечни галактики, при които се забелязва червено отместване. Излъчваните фотони преминават към по-голяма дължина на вълната и по-малка честота по време на пътуването си. Наблюденията на супернова от тип Ia показват, че този процес на разширение се ускорява.
Състав и структура
Изобилието на различни химически елементи – по-специално на леки като водород, деутерий и хелий изглежда едно и също в цялата наблюдаема вселена. Количеството материя е много по-голямо от количеството антиматерия, което вероятно се дължи на нарушението на CP инвариантността. Не съществува електрически заряд като цяло, така че изглежда, че гравитацията е преобладаващата сила на взаимодействие, когато става въпрос за космически размери. Не съществува нито импулс, нито момент на импулса на вселената.Landau and Lifshitz (1975), p.361.
Космосът има гладък пространствено-времеви континуум състоящ се от три пространствени и едно времево измерения. Тримерният космос е плосък (кривината му е много близка до нула), което означава, че в много добри приближения може да се ползва Евклидова геометрия.WMAP Mission: Results – Age of the Universe Пространство-времето изглежда също с проста топология. Въпреки това не бива да се изключва възможността за съществуването на повече измерения и много по-сложни топологии и връзки между тях.
Физични закони Вселената следва едни и същи физични закони. Съгласно стандартния модел материята е съставена от три поколения лептони и кварки, които са фермиони. Тези елементарни частици взаимодействат помежду си чрез три фундаментални взаимодействия: електрическо, което включва електромагнетизъм и слабото ядрено взаимодействие; силното ядрено взаимодействие, което е описано от квантовата хромодинамика; и гравитацията, описана от общата теория на относителността. Първите две могат да бъдат описани от квантовата теория на полето. С известни ограничения специалната теория на относителността е валидна за метагалактиката. Няма отговор на въпроса защо физичните константи запазват стойностите си и защо имат тези стойности, като например константата на Планк h и гравитационната константа G. Известни са няколко закона за запазване: закон за запазване на електрическия заряд, закон за запазване на импулса, закон за запазване на момента на импулса и закон за запазване на енергията. Те са свързани със симетрии и математически тъждества.
Форма
Формата или геометрията на вселената бива локална и глобална. Под форма обикновено се разбира топологията и кривината, макар истинската картина да е много по-сложна от това. Анализ на данни от реликтовото излъчване водят до извода, че вселената, пространствено погледната, е плоска, което означава, че може да се приложи Евклидовата геометрия. Грешката е по-малко от два процента.Shape of the Universe, WMAP website at NASA.
Космолозите обикновено работят с „отрязък“ от пространствено-времевия континуум. Що се отнася до наблюдения, участъкът от пространство-време, който може да се наблюдава, е обратният светлинен конус. Ако наблюдаемата вселена е по-малка от цялата вселена, глобалната структура не може да бъде определена само с наблюдения, защото ни ограничава само с малка част от нея.