Vesmír

Slovo vesmír pochází ze starofrancouzského slova Univers, které je odvozeno z latinského slova universum. Toto latinské slovo používal Cicero a pozdější latinští autoři v mnoha stejných významech, v jakých se používá současné anglické slovo.

Jiný výklad (způsob interpretace) unvorsum je "vše se otáčí jako jedna" nebo "vše se otáčí o jednu". To odkazuje na raný řecký model vesmíru. V tomto modelu se veškerá hmota nacházela v rotujících sférách se středem na Zemi; podle Aristotela byla rotace nejvzdálenější sféry zodpovědná za pohyb a změnu všeho uvnitř. Pro Řeky bylo přirozené předpokládat, že Země je nehybná a že se nebesa otáčejí kolem Země, protože k prokázání opaku je zapotřebí pečlivých astronomických a fyzikálních měření (např. Foucaultovo kyvadlo).

Nejběžnějším výrazem pro "vesmír" byl u starořeckých filozofů od Pythagora pojem το παν (Vše), který byl definován jako veškerá hmota (το ολον) a veškerý prostor (το κενον).

Nejširší význam

Nejširší význam slova vesmír najdeme v díle De divisione naturae středověkého filozofa Johannese Scota Eriugeny, který jej definoval jednoduše jako vše: vše, co existuje, a vše, co neexistuje.

V Eriugenově definici se neuvažuje o čase; jeho definice tedy zahrnuje vše, co existuje, existovalo a bude existovat, stejně jako vše, co neexistuje, nikdy neexistovalo a nikdy existovat nebude. Tuto všeobjímající definici většina pozdějších filozofů nepřijala, ale něco podobného je v kvantové fyzice.

Definice jako realita

Obvykle se za vesmír považuje vše, co existuje, existovalo a bude existovat. Tato definice říká, že vesmír se skládá ze dvou prvků: prostoru a času, které se společně nazývají časoprostor nebo vakuum, a hmoty a různých forem energie a hybnosti, které zaujímají časoprostor. Tyto dva druhy prvků se chovají podle fyzikálních zákonů, v nichž popisujeme, jak na sebe prvky vzájemně působí.

Podobná definice pojmu vesmír je vše, co existuje v jednom časovém okamžiku, například v současnosti nebo na počátku času, jako ve větě "Vesmír měl velikost 0".

V Aristotelově knize Fyzika rozdělil Aristoteles το παν (vše) na tři zhruba analogické prvky: hmotu (materiál, z něhož je vesmír složen), formu (uspořádání této hmoty v prostoru) a změnu (jak hmota vzniká, zaniká nebo se mění její vlastnosti, a podobně, jak se mění forma). Fyzikální zákony představovaly pravidla, jimiž se řídí vlastnosti hmoty, formy a jejich změny. Pozdější filozofové, jako například Lucretius, Averroes, Avicenna a Baruch Spinoza, toto dělení změnili nebo upřesnili. Averroes a Spinoza například mají aktivní principy řídící vesmír, které působí na pasivní prvky.

Časoprostorové definice

Je možné vytvořit časoprostory, z nichž každý existuje, ale nemůže se dotýkat, pohybovat ani měnit (vzájemně na sebe působit). Snadno si to lze představit jako skupinu oddělených mýdlových bublin, v níž lidé žijící na jedné mýdlové bublině nemohou interagovat s lidmi na jiných mýdlových bublinách. Podle jedné běžné terminologie se každá "mýdlová bublina" časoprostoru označuje jako vesmír, zatímco náš konkrétní časoprostor se označuje jako vesmír, stejně jako náš Měsíc nazýváme Měsíc. Celý soubor těchto jednotlivých časoprostorů se označuje jako multivesmír. V principu mohou mít ostatní nespojité vesmíry různé dimenze a topologie časoprostoru, různé formy hmoty a energie a různé fyzikální zákony a fyzikální konstanty, i když takové možnosti jsou spekulací.

Pozorovatelná realita

Podle ještě přísnější definice je vesmír vše, co se nachází v našem propojeném časoprostoru a co by mohlo mít šanci na interakci s námi a naopak.

Podle obecné myšlenky teorie relativity se může stát, že některé oblasti vesmíru nebudou nikdy interagovat s naším vesmírem, a to ani za celou dobu existence vesmíru, protože rychlost světla je omezená a prostor se neustále rozpíná. Například rádiové zprávy vysílané ze Země nemusí do některých oblastí vesmíru nikdy dorazit, i kdyby vesmír existoval věčně; prostor se může rozpínat rychleji, než jím může procházet světlo.

Je třeba zdůraznit, že tyto vzdálené oblasti vesmíru jsou považovány za existující a jsou součástí reality stejně jako my, přesto s nimi nikdy nemůžeme interagovat, a to ani v principu. Prostorová oblast, v níž můžeme ovlivňovat a být ovlivňováni, se označuje jako pozorovatelný vesmír.

Přesně řečeno, pozorovatelný vesmír závisí na poloze pozorovatele. Cestováním se pozorovatel může dostat do kontaktu s větší oblastí časoprostoru než pozorovatel, který zůstává na místě, takže pozorovatelný vesmír je pro něj větší než pro toho druhého. Nicméně ani ten nejrychlejší cestovatel nemusí být schopen zasáhnout celý prostor. Obvykle se "pozorovatelným vesmírem" rozumí vesmír viděný z našeho pohledu v galaxii Mléčná dráha.

Vesmír je obrovský a možná nekonečný. Hmota, kterou můžeme pozorovat, se rozprostírá na ploše nejméně 93 miliard světelných let. Pro srovnání, průměr typické galaxie je pouze 30 000 světelných let a typická vzdálenost mezi dvěma sousedními galaxiemi je pouze 3 miliony světelných let. Pro příklad: naše galaxie Mléčná dráha má průměr zhruba 100 000 světelných let a naše nejbližší sesterská galaxie, galaxie v Andromedě, se nachází ve vzdálenosti zhruba 2,5 milionu světelných let. Pozorovatelný vesmír obsahuje více než 2 biliony (10¹² ) galaxií a celkově odhadem až 1×10²⁴ hvězd (více hvězd než všech zrnek písku na planetě Zemi).

Typické galaxie se pohybují od trpasličích galaxií s pouhými deseti miliony hvězd (10⁷ ) až po obry s jedním bilionem hvězd (10¹² ), které obíhají kolem centra hmoty galaxie. Velmi hrubý odhad z těchto čísel by tedy naznačoval, že v pozorovatelném vesmíru je přibližně jeden sextilion (10²¹ ) hvězd; ačkoli výsledkem studie astronomů z Australské národní univerzity z roku 2003 je číslo 70 sextilionů (7 x 10²² ).

Hmota, kterou lze pozorovat, je rozptýlena po celém vesmíru, pokud se zprůměruje na vzdálenost větší než 300 milionů světelných let. Na menších délkových škálách je však pozorováno, že hmota tvoří "shluky", mnoho atomů je kondenzováno do hvězd, většina hvězd do galaxií, většina galaxií do skupin a kup galaxií a nakonec do struktur největšího měřítka, jako je Velká zeď galaxií.

Celková hustota vesmíru je v současnosti velmi nízká, zhruba 9,9 × 10⁻³⁰ gramů na centimetr krychlový. Zdá se, že tato hmota-energie se skládá ze 73 % z temné energie, 23 % z chladné temné hmoty a 4 % z běžné hmoty. Hustota atomů je přibližně jeden atom vodíku na každé čtyři metry krychlové objemu. Vlastnosti temné energie a temné hmoty nejsou známy. Temná hmota zpomaluje rozpínání vesmíru. Temná energie jeho rozpínání urychluje.

Vesmír je starý a mění se. Nejlepší odhad stáří vesmíru je 13,798±0,037 miliardy let na základě pozorování kosmického mikrovlnného záření pozadí. Nezávislé odhady (založené na měřeních, jako je radioaktivní datování) se shodují, i když jsou méně přesné a pohybují se od 11-20 mld. let do 13-15 mld. let.

Vesmír nebyl ve všech dobách své historie stejný. To, že se vesmír zvětšuje, vysvětluje, proč lidé žijící na Zemi mohou vidět světlo z galaxie vzdálené 30 miliard světelných let, i když toto světlo putovalo pouhých 13 miliard let; samotný prostor mezi nimi se zvětšil. Toto rozpínání je v souladu s pozorováním, že světlo ze vzdálených galaxií bylo červeně posunuto; emitované fotony se během své cesty protáhly na delší vlnové délky a nižší frekvence. Na základě studií supernov typu Ia a dalších údajů se rychlost tohoto prostorového rozpínání zrychluje.

Relativní množství různých chemických prvků - zejména nejlehčích atomů, jako jsou vodík, deuterium a helium - se zdá být v celém vesmíru a v celé jeho historii, kterou známe, stejné. Zdá se, že ve vesmíru je mnohem více hmoty než antihmoty. Zdá se, že vesmír nemá žádný čistý elektrický náboj. Dominantní interakcí na kosmologických vzdálenostech je gravitace. Zdá se také, že vesmír nemá žádný čistý moment hybnosti nebo úhlový moment. Absence čistého náboje a hybnosti je očekávaná, pokud je vesmír konečný.

Zdá se, že vesmír má plynulé časoprostorové kontinuum složené ze tří prostorových rozměrů a jednoho časového rozměru. V průměru je prostor velmi plochý (téměř nulové zakřivení), což znamená, že euklidovská geometrie experimentálně platí s vysokou přesností ve většině vesmíru. Vesmír však může mít více rozměrů a jeho prostoročas může mít mnohonásobně propojenou globální topologii.

Ve vesmíru platí stále stejné fyzikální zákony a fyzikální konstanty. Podle převládajícího standardního fyzikálního modelu se veškerá hmota skládá ze tří generací leptonů a kvarků, které jsou fermiony. Tyto elementární částice na sebe vzájemně působí prostřednictvím nejvýše tří základních interakcí: elektroslabé interakce, která zahrnuje elektromagnetismus a slabou jadernou sílu, silné jaderné síly popsané kvantovou chromodynamikou a gravitace, kterou v současnosti nejlépe popisuje obecná teorie relativity.

Speciální teorie relativity platí v celém vesmíru v lokálním prostoru a čase. V opačném případě platí obecná relativita. Neexistuje žádné vysvětlení pro konkrétní hodnoty, které fyzikální konstanty zřejmě nabývají v celém našem vesmíru, jako je Planckova konstanta h nebo gravitační konstanta G. Bylo identifikováno několik zákonů zachování, jako je zachování náboje, zachování hybnosti, zachování momentu hybnosti a zachování energie.

Obecná teorie relativity

Přesné předpovědi minulosti a budoucnosti vesmíru vyžadují přesnou teorii gravitace. Nejlepší dostupnou teorií je obecná teorie relativity Alberta Einsteina, která zatím prošla všemi experimentálními testy. Protože však nebyly provedeny přísné experimenty na kosmologických délkových škálách, může být obecná teorie relativity nepřesná. Nicméně její předpovědi se zdají být v souladu s pozorováními, takže není důvod přijímat jinou teorii.

Obecná teorie relativity obsahuje soubor deseti nelineárních parciálních diferenciálních rovnic pro metriku prostoročasu (Einsteinovy polní rovnice), které je třeba řešit na základě rozložení hmoty, energie a hybnosti v celém vesmíru. Protože tyto rovnice nejsou přesně známy, byly kosmologické modely založeny na kosmologickém principu, který říká, že vesmír je homogenní a izotropní. Tento princip v podstatě tvrdí, že gravitační působení různých galaxií tvořících vesmír je ekvivalentní gravitačnímu působení jemného prachu rovnoměrně rozloženého v celém vesmíru se stejnou průměrnou hustotou. Předpoklad homogenního prachu usnadňuje řešení Einsteinových rovnic pole a předpovídání minulosti a budoucnosti vesmíru na kosmologických časových škálách.

Einsteinovy polní rovnice obsahují kosmologickou konstantu (Lamda: Λ), která souvisí s hustotou energie prázdného prostoru. V závislosti na svém znaménku může kosmologická konstanta rozpínání vesmíru buď zpomalovat (záporné Λ), nebo urychlovat (kladné Λ). Ačkoli mnoho vědců včetně Einsteina předpokládalo, že Λ je nulová, nedávná astronomická pozorování supernov typu Ia odhalila velké množství temné energie, která urychluje rozpínání vesmíru. Předběžné studie naznačují, že tato temná energie souvisí s kladným Λ, ačkoli zatím nelze vyloučit ani alternativní teorie.

Model velkého třesku

Převládající model velkého třesku vysvětluje mnoho výše popsaných experimentálních pozorování, jako je korelace vzdálenosti a červeného posuvu galaxií, univerzální poměr atomů vodíku a hélia a všudypřítomné izotropní mikrovlnné zářivé pozadí. Jak bylo uvedeno výše, červený posuv vzniká v důsledku metrického rozpínání prostoru; jak se prostor sám rozpíná, zvětšuje se i vlnová délka fotonu putujícího prostorem, čímž se snižuje jeho energie. Čím déle foton cestuje, tím větší expanzi prodělal; proto mají starší fotony ze vzdálenějších galaxií největší červený posun. Určení korelace mezi vzdáleností a červeným posuvem je důležitým problémem experimentální fyzikální kosmologie.

Další experimentální pozorování lze vysvětlit kombinací celkového rozpínání prostoru s jadernou a atomovou fyzikou. S rozpínáním vesmíru klesá hustota energie elektromagnetického záření rychleji než hustota energie hmoty, protože energie fotonu klesá s jeho vlnovou délkou. Ačkoli tedy nyní v hustotě energie vesmíru převládá hmota, kdysi v něm převládalo záření; poeticky řečeno, vše bylo světlo. Jak se vesmír rozpínal, jeho hustota energie klesala a ochlazoval se; díky tomu se elementární částice hmoty mohly stabilně sdružovat do stále větších kombinací. Na počátku éry, kdy převládala hmota, tak vznikaly stabilní protony a neutrony, které se pak sdružovaly do atomových jader. V této fázi byla hmota ve vesmíru převážně horkým, hustým plazmatem záporných elektronů, neutrálních neutrin a kladných jader. Jaderné reakce mezi jádry vedly k současnému množství lehčích jader, zejména vodíku, deuteria a helia. Nakonec se elektrony a jádra spojily a vytvořily stabilní atomy, které jsou průhledné pro většinu vlnových délek záření; v tomto okamžiku se záření oddělilo od hmoty a vytvořilo všudypřítomné izotropní pozadí mikrovlnného záření, které pozorujeme dnes.

Na další pozorování nedává známá fyzika jasnou odpověď. Podle převládající teorie byl mírný nepoměr hmoty a antihmoty přítomen již při vzniku vesmíru nebo se vyvinul velmi krátce poté. Přestože hmota a antihmota většinou vzájemně anihilovaly a vznikly fotony, malý zbytek hmoty přežil a dal vzniknout současnému vesmíru s převahou hmoty.

Několik důkazů také naznačuje, že k rychlé kosmické inflaci vesmíru došlo velmi brzy v jeho historii (zhruba 10⁻³⁵ sekund po jeho vzniku). Nedávná pozorování také naznačují, že kosmologická konstanta (Λ) není nulová a že v čistém hmotnostně-energetickém obsahu vesmíru převládá temná energie a temná hmota, které nebyly vědecky charakterizovány. Liší se svými gravitačními účinky. Temná hmota gravituje stejně jako běžná hmota, a tím zpomaluje rozpínání vesmíru; temná energie naopak slouží k urychlování rozpínání vesmíru.

Někteří lidé si myslí, že existuje více než jeden vesmír. Domnívají se, že existuje soubor vesmírů zvaný multivesmír. Podle definice neexistuje způsob, jak by něco v jednom vesmíru mohlo ovlivnit něco v jiném. Multivesmír zatím není vědeckou myšlenkou, protože neexistuje způsob, jak ji otestovat. Myšlenka, kterou nelze otestovat nebo která není založena na logice, není vědecká. Není tedy známo, zda je multivesmír vědeckou myšlenkou.

Budoucnost vesmíru je záhadou. Existuje však několik teorií založených na možných podobách vesmíru:

• Pokud je vesmír uzavřená koule, přestane se rozpínat. Vesmír udělá pravý opak a stane se singularitou pro další velký třesk.
• Pokud je vesmír otevřenou koulí, urychlí se jeho rozpínání. Po 22 000 000 000 (22 miliardách) let se vesmír silou roztrhne.
• Pokud je vesmír plochý, bude se rozpínat věčně. Všechny hvězdy kvůli tomu ztratí svou energii a stanou se trpasličími hvězdami. Po googolovém roce zaniknou i černé díry.