Вселе́нная (от словообразовательной кальки с «ойкумена», «обитаемое, освоенное людьми пространство» — всеобъемлющее понятие в эпоху представлений о Земле как о середине мира) — совокупность всей существующей энергии, материи и пространства-времени, в том числе все образуемые ими структуры, от субатомных частиц до целых галактических нитей, войдов и более крупных структур, а также все происходящие явления. С начала XX века космология на основе различных научных данных установила, что пространство и время возникли одновременно в результате события, получившегося условное название Большой взрыв, по современным научным представлениям произошедшего 13,787 ± 0,020 миллиарда лет назад. Предполагается, что Большому взрыву предшествовала космологическая сингулярность, начальное состояние Вселенной, при котором кривизна пространства-времени и плотность энергии материи имели очень большие величины. С момента Большого взрыва происходит почти однородное и изотропное расширение ВселеннойJohn Soltis, Arya Farahi, Dragan Huterer, C. Michael Liberato II Percent-Level Test of Isotropic Expansion Using Type Ia Supernovae // arXiv.org 19 Feb 2019Известно научное исследование, свидетельствующее об анизотропии расширения Вселенной. // K. Migkas, G. Schellenberger, T. H. Reiprich, F. Pacaud, M. E. Ramos-Ceja, L. Lovisari //Probing cosmic isotropy with a new X-ray galaxy cluster sample through the LX−T scaling relation // arXiv.org 7 Apr 2020.. Размеры Вселенной неизвестны. Изучением Вселенной как целого занимается раздел физики и астрономии, называемый космологией.
Часть Вселенной, доступную для наблюдения (при помощи астрономических средств) человеком с Земли и из Солнечной системы, называют наблюдаемая Вселенная, или Метагалактика (в последнее время последний термин практически вышел из употребления). Диаметр наблюдаемой Вселенной составляет около 93 миллиардов световых лет.
Представления о Вселенной в различных мифологиях, религиозных и философских системах значительно отличается от современной картины мира, известной благодаря научным методам. В мифологии и мифологизированной раннефилософской традиции имелось понятие космоса — целостной, упорядоченной, организованной в соответствии с определённым законом (принципом) вселенной. Основной внутренний смысл мифологии в целом составляет переход из неупорядоченного хаоса к организованному космосу, что присутствует уже в архаичных космогонических мифах. Некоторые из самых ранних космологических моделей Вселенной были геоцентрическими: Земля помещалась в центр Вселенной. Во время европейской научной революции астрономические наблюдения привели к созданию гелиоцентрической модели. Дальнейшие улучшения в наблюдениях привели к пониманию того, что Солнце — одна из нескольких сотен миллиардов звёзд в галактике, получившей название Млечный Путь, которая, в свою очередь, является одной из нескольких сотен миллиардов галактик в наблюдаемой Вселенной.
В самом крупном наблюдаемом масштабе галактики распределены равномерно и одинаково во всех направлениях. В меньших масштабах наблюдаются скопления и сверхскопления галактик, которые образуют огромные нити и пустоты в пространстве, образуя обширную пенистую структуру. Открытия начала XX века, включая общую теорию относительности, привели к формированию современных представлений о расширяющейся, изотропной, однородной Вселенной. Накопились доказательства, подтверждающие теорию Большого взрыва: первоначальная горячая материя остыла и стала менее плотной по мере расширения Вселенной, что позволило образоваться первым субатомным частицам и простым атомам. Облака водорода и гелия постепенно притягивались к местам с наибольшей плотностью материи, образуя первые звёзды и галактики. Изучение влияния гравитации на материю и излучение показало, что во Вселенной имеется значительно больше материи, чем содержат в себе видимые объекты: звезды, галактики, туманности и межзвездный газ. Эта невидимая материя известна как тёмная материя. Согласно широко принятой космологической модели ΛCDM, тёмная материя составляет около 25,8 % ± 1,1 % массы и энергии во Вселенной, в то время как около 69,2 % ± 1,2 % — это тёмная энергия, неизвестная форма энергии, ответственная за ускорение расширения Вселенной. Таким образом, обычная («барионная») материя составляет только 4,84 % ± 0,1 % массы. Звёзды, планеты и видимые газовые облака составляют лишь около 6 % этой обычной материи. Существуют различные конкурирующие гипотезы о конце Вселенной, а также ряд космологических моделей, допускающих вероятность её предсингулярного генезиса.
Слово «вселенная» также может употребляться в отношении вымышленного мира художественного произведения.
История понятия
В историческом плане для обозначения «всего (постигаемого) пространства» использовались различные слова, включая эквиваленты и варианты из различных языков, такие как «космос», «мир», «небесная сфера». Использовался также термин «макрокосмос», хотя он предназначен для определения систем большого масштаба, включая их подсистемы и части. Аналогично, слово «микрокосмос» используется для обозначения систем малого масштаба.
Любое исследование или наблюдение, будь то наблюдение физика за тем, как раскалывается ядро атома, ребёнка за кошкой или астронома, ведущего наблюдения за отдалённой галактикой, — всё это наблюдение за Вселенной, вернее, за отдельными её частями. Эти части служат предметом изучения отдельных наук, а Вселенной в максимально больших масштабах, и даже Вселенной как единым целым занимаются астрономия и космология; при этом под Вселенной понимается или область мира, охваченная наблюдениями и космическими экспериментами, или объект космологических экстраполяций — физическая Вселенная как целое.
Предметом статьи являются знания о наблюдаемой Вселенной как о едином целом: наблюдения, их теоретическая интерпретация и история становления.
Среди однозначно интерпретируемых фактов относительно свойств Вселенной приведём здесь следующие:
Самый распространённый элемент — водород. Расширение Вселенной с хорошей точностью линейно до . Реликтовый фон флуктуирует на масштабах четвёртого порядка малости.Температура реликтового фона зависит от .Наличие Lα-леса в спектрах далёких объектов (квазаров) с .Наличие сильной неоднородности в распределении галактик на масштабах .
В основу теоретических объяснений и описаний этих явлений положен космологический принцип, суть которого в том, что наблюдатели, независимо от места и направления наблюдения, в среднем обнаруживают одну и ту же картину. Сами теории стремятся объяснить и описать происхождение химических элементов, ход развития и причину расширения, возникновение крупномасштабной структуры.
Первый значительный толчок в сторону современных представлений о Вселенной совершил Коперник. Второй по величине вклад внесли Кеплер и Ньютон. Но поистине революционные изменения в наших представлениях о Вселенной произошли лишь в XX веке.
Этимология Русское слово «Вселенная» является заимствованием из , что является калькой с древнегреческого слова Фасмер М. Этимологический словарь русского языка. Т.1. М., 2004. С.363, от глагола «населяю, обитаю» и в первом значении имело смысл лишь обитаемой части мира. Поэтому русское слово «Вселенная» родственно существительному «вселение» и лишь созвучно определительному местоимению «всё». Самое общее определение для «Вселенной» среди древнегреческих философов, начиная с пифагорейцев, было (всё), включавшее в себя как всю материю (), так и весь космос ()Логика Космоса (физика античной Греции). .
Облик Вселенной Химический составAbundance in the Universe for all the elements in the Periodic Table. Средняя температура реликтового излученияПлотность материи во Вселенной (from NASA’s WMAP Documents. page)Уравнение состоянияH — 75 %He — 23 %O — 1 %C — 0,5 %2,725 К10−29г/см3. Из них:Тёмная энергия — 68,3 %Тёмная материя — 26,8 %Барионное вещество — 4,9 % -1,1±0,4
Представляя Вселенную как весь окружающий мир, мы сразу делаем её уникальной и единственной. И вместе с этим лишаем себя возможности описать её в терминах классической механики: из-за своей уникальности Вселенная ни с чем не может взаимодействовать, она — система систем, и поэтому в её отношении теряют свой смысл такие понятия, как масса, форма, размер. Вместо этого приходится прибегать к языку термодинамики, употребляя такие понятия как плотность, давление, температура, химический состав.
Однако Вселенная мало похожа на обычный газ. Уже на самых крупных масштабах мы сталкиваемся с расширением Вселенной и реликтовым фоном. Природа первого явления — гравитационное взаимодействие всех существующих объектов. Именно его развитием определяется будущее Вселенной. Второе же явление — это наследство ранних эпох, когда свет горячего Большого взрыва практически перестал взаимодействовать с материей, отделился от неё. Сейчас, из-за расширения Вселенной, из видимого диапазона большинство излучённых тогда фотонов перешли в микроволновой радиодиапазон.
При переходе к масштабам меньше обнаруживается чёткая ячеистая структура. Внутри ячеек пустота — войды. А стенки образованы из сверхскоплений галактик. Эти сверхскопления — верхний уровень целой иерархии, затем идут скопления галактик, потом локальные группы галактик, а самый нижний уровень (масштаб —) — это огромное многообразие самых различных объектов. Конечно, все они — галактики, но все они различны: это и линзовидные, неправильные, эллиптические, спиральные, с полярным кольцами, с активными ядрами и т. д.
Из них отдельно стоит упомянуть квазары, отличающихся очень высокой светимостью и настолько малым угловым размером, что в течение нескольких лет после открытия их не удавалось отличить от «точечных источников» — звёзд. Болометрическая светимость квазаров может достигать 1046 — 1047 эрг/с.
Переходя к составу галактики мы обнаруживаем: тёмную материю, космические лучи, межзвёздный газ, шаровые скопления, рассеянные скопления, двойные звёзды, звёздные системы большей кратности, сверхмассивные чёрные дыры и чёрные дыры звёздной массы, и, наконец, одиночные звёзды разного населения.
Их индивидуальная эволюция и взаимодействие друг с другом порождает множество явлений. Так предполагается, что источником энергии у упомянутых уже квазаров служит аккреция межзвёздного газа на сверхмассивную центральную чёрную дыру.
Отдельно стоит упомянуть и о гамма-всплесках — это внезапные кратковременные локализуемые повышения интенсивности космического гамма-излучения с энергией в десятки и сотни кэВ. Из оценок расстояний до гамма-всплесков можно сделать вывод, что излучаемая ими энергия в гамма-диапазоне достигает 1050 эрг. Для сравнения, светимость всей галактики в этом же диапазоне составляет «всего» 1038 эрг/c. Такие яркие вспышки видны из самых далёких уголков Вселенной, так у GRB 090423 красное смещение z = 8,2.
Сложнейшим комплексом, включающим в себя множество процессов, является эволюция галактики:
В центре диаграммы представлены важные этапы эволюции одной звезды: от её формирования до смерти. Их ход малозависим от того, что происходит со всей галактикой в целом. Однако общее число вновь образующихся звёзд и их параметры подвержены значительному внешнему влиянию. Процессы, масштабы которых сравнимы или больше размера галактики (на диаграмме это все остальные, не вошедшие в центральную область), меняют морфологическую структуру, темп звездообразования, а значит, и скорость химической эволюции, спектр галактики и так далее.
Наблюдения