Vesmír

Slovo vesmír pochádza zo starofrancúzskeho slova Univers, ktoré je odvodené z latinského slova universum. Latinské slovo používal Cicero a neskorší latinskí autori v mnohých významoch, v ktorých sa používa aj súčasné anglické slovo.

Iný výklad (spôsob interpretácie) unvorsum je "všetko otočené ako jeden" alebo "všetko otočené o jeden". Odkazuje to na raný grécky model vesmíru. V tomto modeli sa všetka hmota nachádzala v rotujúcich sférach sústredených okolo Zeme; podľa Aristotela rotácia najvzdialenejšej sféry zodpovedala za pohyb a zmenu všetkého vo vnútri. Pre Grékov bolo prirodzené predpokladať, že Zem je nehybná a že nebesá sa otáčajú okolo Zeme, pretože na dokázanie opaku sú potrebné dôkladné astronomické a fyzikálne merania (napríklad Foucaultovo kyvadlo).

Najčastejším výrazom pre "vesmír" u starogréckych filozofov od Pytagora bol pojem το παν (Všetko), ktorý sa definoval ako všetka hmota (το ολον) a všetok priestor (το κενον).

Najširší význam

Najširší význam slova vesmír sa nachádza v diele De divisione naturae stredovekého filozofa Johannesa Scota Eriugeny, ktorý ho definoval jednoducho ako všetko: všetko, čo existuje, a všetko, čo neexistuje.

V Eriugenovej definícii sa čas neberie do úvahy, preto jeho definícia zahŕňa všetko, čo existuje, existovalo a bude existovať, ako aj všetko, čo neexistuje, nikdy neexistovalo a nikdy existovať nebude. Túto všeobjímajúcu definíciu väčšina neskorších filozofov neprijala, ale niečo podobné je v kvantovej fyzike.

Definícia ako skutočnosť

Obvykle sa za vesmír považuje všetko, čo existuje, existovalo a bude existovať. Táto definícia hovorí, že vesmír sa skladá z dvoch prvkov: priestoru a času, ktoré sa spoločne nazývajú časopriestor alebo vákuum, a hmoty a rôznych foriem energie a hybnosti, ktoré zaberajú časopriestor. Tieto dva druhy prvkov sa správajú podľa fyzikálnych zákonov, v ktorých opisujeme, ako na seba tieto prvky vzájomne pôsobia.

Podobná definícia pojmu vesmír je všetko, čo existuje v jednom časovom okamihu, napríklad v súčasnosti alebo na začiatku času, ako vo vete "Vesmír mal veľkosť 0".

V Aristotelovej knihe Fyzika Aristoteles rozdelil το παν (všetko) na tri približne analogické prvky: hmotu (materiál, z ktorého je vesmír zložený), formu (usporiadanie tejto hmoty v priestore) a zmenu (ako hmota vzniká, zaniká alebo sa menia jej vlastnosti a podobne, ako sa mení forma). Fyzikálne zákony boli pravidlá, ktorými sa riadili vlastnosti hmoty, formy a ich zmeny. Neskorší filozofi, ako napríklad Lucretius, Averroes, Avicenna a Baruch Spinoza, toto rozdelenie zmenili alebo spresnili. Napríklad Averroes a Spinoza majú aktívne princípy riadiace vesmír, ktoré pôsobia na pasívne prvky.

Definície časopriestoru

Je možné vytvoriť časopriestory, z ktorých každý existuje, ale nemôže sa dotýkať, pohybovať alebo meniť (vzájomne na seba pôsobiť). Jednoducho si to môžeme predstaviť ako skupinu oddelených mydlových bublín, v ktorej ľudia žijúci na jednej mydlovej bubline nemôžu komunikovať s ľuďmi na iných mydlových bublinách. Podľa jednej z bežných terminológií sa každá "mydlová bublina" časopriestoru označuje ako vesmír, pričom náš konkrétny časopriestor sa označuje ako vesmír, podobne ako náš Mesiac nazývame Mesiac. Celý súbor týchto samostatných časopriestorov sa označuje ako multiverzum. V zásade môžu mať ostatné nespojité vesmíry rôzne dimenzie a topológie časopriestoru, rôzne formy hmoty a energie a rôzne fyzikálne zákony a fyzikálne konštanty, hoci takéto možnosti sú len špekuláciami.

Pozorovateľná realita

Podľa ešte prísnejšej definície je vesmír všetko v našom prepojenom časopriestore, čo by mohlo mať šancu na interakciu s nami a naopak.

Podľa všeobecnej myšlienky relativity niektoré oblasti vesmíru nemusia nikdy interagovať s naším vesmírom, a to ani počas celej existencie vesmíru, vzhľadom na konečnú rýchlosť svetla a prebiehajúce rozpínanie priestoru. Napríklad rádiové správy odoslané zo Zeme sa nemusia nikdy dostať do niektorých oblastí vesmíru, aj keby vesmír existoval večne; priestor sa môže rozpínať rýchlejšie, ako ním môže prechádzať svetlo.

Je potrebné zdôrazniť, že tieto vzdialené oblasti vesmíru existujú a sú súčasťou reality rovnako ako my, ale my s nimi nikdy nemôžeme komunikovať, dokonca ani v princípe. Priestorová oblasť, v rámci ktorej môžeme ovplyvňovať a byť ovplyvňovaní, sa označuje ako pozorovateľný vesmír.

Presne povedané, pozorovateľný vesmír závisí od polohy pozorovateľa. Cestovaním sa pozorovateľ môže dostať do kontaktu s väčšou časopriestorovou oblasťou ako pozorovateľ, ktorý zostáva na mieste, takže pozorovateľný vesmír je pre neho väčší ako pre toho druhého. Napriek tomu ani ten najrýchlejší cestovateľ nemusí byť schopný vstúpiť do interakcie s celým priestorom. Obvykle sa pod "pozorovateľným vesmírom" rozumie vesmír, ktorý vidíme z nášho pozorovacieho bodu v galaxii Mliečna dráha.

Vesmír je obrovský a pravdepodobne nekonečný. Hmota, ktorú môžeme vidieť, sa rozprestiera na ploche najmenej 93 miliárd svetelných rokov. Pre porovnanie, priemer typickej galaxie je len 30 000 svetelných rokov a typická vzdialenosť medzi dvoma susednými galaxiami je len 3 milióny svetelných rokov. Ako príklad možno uviesť našu galaxiu Mliečna cesta s priemerom približne 100 000 svetelných rokov a naša najbližšia sesterská galaxia, galaxia v Androméde, sa nachádza vo vzdialenosti približne 2,5 milióna svetelných rokov. Pozorovateľný vesmír obsahuje viac ako 2 bilióny (10¹² ) galaxií a celkovo približne až 1×10²⁴ hviezd (viac hviezd ako všetkých zrniek piesku na planéte Zem).

Typické galaxie sa pohybujú od trpasličích galaxií s iba desiatimi miliónmi hviezd (10⁷ ) až po giganty s jedným biliónom hviezd (10¹² ), ktoré obiehajú okolo centra hmotnosti galaxie. Veľmi hrubý odhad na základe týchto čísel by teda naznačoval, že v pozorovateľnom vesmíre je približne jeden sextillion (10²¹ ) hviezd; hoci výsledkom štúdie astronómov z Austrálskej národnej univerzity z roku 2003 je číslo 70 sextillionov (7 x 10²² ).

Hmota, ktorú možno vidieť, je rozptýlená po celom vesmíre, ak ju spriemerujeme na vzdialenosti väčšie ako 300 miliónov svetelných rokov. Na menších dĺžkových stupniciach sa však pozoruje, že hmota tvorí "zhluky", mnohé atómy sú kondenzované do hviezd, väčšina hviezd do galaxií, väčšina galaxií do skupín a zhlukov galaxií a napokon do štruktúr najväčšieho rozsahu, ako je Veľká stena galaxií.

Celková hustota vesmíru je v súčasnosti veľmi nízka, približne 9,9 × 10⁻³⁰ gramov na kubický centimeter. Zdá sa, že táto hmota-energia pozostáva zo 73 % z temnej energie, 23 % z chladnej temnej hmoty a 4 % z bežnej hmoty. Hustota atómov je približne jeden atóm vodíka na každé štyri metre kubické objemu. Vlastnosti temnej energie a temnej hmoty nie sú známe. Temná hmota spomaľuje rozpínanie vesmíru. Temná energia urýchľuje jeho rozpínanie.

Vesmír je starý a mení sa. Najlepší odhad veku vesmíru je 13,798 ± 0,037 miliardy rokov na základe pozorovania kozmického mikrovlnného žiarenia pozadia. Nezávislé odhady (založené na meraniach, napríklad na rádioaktívnom datovaní) sa zhodujú, hoci sú menej presné a pohybujú sa od 11 - 20 mld. rokov do 13 - 15 mld. rokov.

Vesmír nebol vo všetkých obdobiach svojej histórie rovnaký. Toto zväčšovanie vysvetľuje, prečo ľudia žijúci na Zemi môžu vidieť svetlo z galaxie vzdialenej 30 miliárd svetelných rokov, aj keď toto svetlo putovalo len 13 miliárd rokov; samotný priestor medzi nimi sa rozšíril. Toto rozpínanie je v súlade s pozorovaním, že svetlo zo vzdialených galaxií sa posunulo smerom k červenej farbe; vyžarované fotóny sa počas svojej cesty natiahli na dlhšie vlnové dĺžky a nižšiu frekvenciu. Na základe štúdií supernov typu Ia a ďalších údajov sa rýchlosť tohto priestorového rozpínania zrýchľuje.

Zdá sa, že relatívne množstvo rôznych chemických prvkov - najmä najľahších atómov, ako sú vodík, deutérium a hélium - je v celom vesmíre a v celej jeho histórii, ktorú poznáme, rovnaké. Zdá sa, že vo vesmíre je oveľa viac hmoty ako antihmoty. Zdá sa, že vesmír nemá žiadny čistý elektrický náboj. Gravitácia je dominantnou interakciou na kozmologických vzdialenostiach. Zdá sa, že vesmír nemá ani čistú hybnosť alebo uhlový moment. Absencia čistého náboja a hybnosti sa očakáva, ak je vesmír konečný.

Zdá sa, že vesmír má hladké časopriestorové kontinuum, ktoré sa skladá z troch priestorových rozmerov a jedného časového rozmeru. V priemere je priestor veľmi plochý (takmer nulová krivosť), čo znamená, že euklidovská geometria experimentálne platí s vysokou presnosťou vo väčšine vesmíru. Vesmír však môže mať viac rozmerov a jeho časopriestor môže mať viacnásobne prepojenú globálnu topológiu.

Vo vesmíre platia rovnaké fyzikálne zákony a fyzikálne konštanty. Podľa prevládajúceho štandardného modelu fyziky sa všetka hmota skladá z troch generácií leptónov a kvarkov, ktoré sú fermóny. Tieto elementárne častice interagujú prostredníctvom najviac troch základných interakcií: elektroslabej interakcie, ktorá zahŕňa elektromagnetizmus a slabú jadrovú silu; silnej jadrovej sily, ktorú opisuje kvantová chromodynamika, a gravitácie, ktorú v súčasnosti najlepšie opisuje všeobecná teória relativity.

Špeciálna teória relativity platí v celom vesmíre v lokálnom priestore a čase. V opačnom prípade platí všeobecná teória relativity. Neexistuje vysvetlenie konkrétnych hodnôt, ktoré majú fyzikálne konštanty v celom vesmíre, ako napríklad Planckova konštanta h alebo gravitačná konštanta G. Bolo identifikovaných niekoľko zákonov zachovania, ako napríklad zachovanie náboja, zachovanie hybnosti, zachovanie uhlového momentu a zachovanie energie.

Všeobecná teória relativity

Presné predpovede minulosti a budúcnosti vesmíru si vyžadujú presnú teóriu gravitácie. Najlepšou dostupnou teóriou je všeobecná teória relativity Alberta Einsteina, ktorá doteraz prešla všetkými experimentálnymi testami. Keďže však neboli vykonané prísne experimenty na kozmologických dĺžkových stupniciach, všeobecná teória relativity by mohla byť nepresná. Napriek tomu sa zdá, že jej predpovede sú v súlade s pozorovaniami, takže nie je dôvod na prijatie inej teórie.

Všeobecná teória relativity obsahuje súbor desiatich nelineárnych parciálnych diferenciálnych rovníc pre metriku časopriestoru (Einsteinove rovnice poľa), ktoré sa musia riešiť na základe rozloženia hmoty, energie a hybnosti v celom vesmíre. Keďže tieto nie sú presne známe, kozmologické modely boli založené na kozmologickom princípe, podľa ktorého je vesmír homogénny a izotropný. Tento princíp v podstate tvrdí, že gravitačné účinky rôznych galaxií tvoriacich vesmír sú ekvivalentné účinkom jemného prachu rovnomerne rozloženého v celom vesmíre s rovnakou priemernou hustotou. Predpoklad rovnomerného prachu uľahčuje riešenie Einsteinových rovníc poľa a predpovedanie minulosti a budúcnosti vesmíru v kozmologických časových mierkach.

Einsteinove rovnice poľa obsahujú kozmologickú konštantu (Lamda: Λ), ktorá súvisí s hustotou energie prázdneho priestoru. V závislosti od svojho znamienka môže kozmologická konštanta buď spomaľovať (záporné Λ), alebo urýchľovať (kladné Λ) rozpínanie vesmíru. Hoci mnohí vedci vrátane Einsteina predpokladali, že Λ je nulová, nedávne astronomické pozorovania supernov typu Ia odhalili veľké množstvo temnej energie, ktorá urýchľuje rozpínanie vesmíru. Predbežné štúdie naznačujú, že táto temná energia súvisí s kladným Λ, hoci zatiaľ nemožno vylúčiť ani alternatívne teórie.

Model veľkého tresku

Prevládajúci model veľkého tresku vysvetľuje mnohé z vyššie uvedených experimentálnych pozorovaní, ako napríklad koreláciu vzdialenosti a červeného posunu galaxií, univerzálny pomer atómov vodíka a hélia a všadeprítomné izotropné mikrovlnné žiarenie pozadia. Ako už bolo uvedené, červený posun vzniká v dôsledku metrického rozpínania priestoru; ako sa priestor sám rozpína, vlnová dĺžka fotónu putujúceho priestorom sa rovnako zväčšuje, čím sa znižuje jeho energia. Čím dlhšie fotón cestuje, tým väčším rozpínaním prešiel; preto sú staršie fotóny zo vzdialenejších galaxií najviac posunuté do červena. Určenie korelácie medzi vzdialenosťou a červeným posunom je dôležitým problémom experimentálnej fyzikálnej kozmológie.

Ďalšie experimentálne pozorovania možno vysvetliť kombináciou celkového rozpínania priestoru s jadrovou fyzikou a atómovou fyzikou. S rozpínaním vesmíru klesá hustota energie elektromagnetického žiarenia rýchlejšie ako hustota energie hmoty, pretože energia fotónu klesá s jeho vlnovou dĺžkou. Hoci teda v súčasnosti v hustote energie vesmíru prevláda hmota, kedysi v ňom prevládalo žiarenie; poeticky povedané, všetko bolo svetlo. Ako sa vesmír rozpínal, jeho hustota energie klesala a ochladzoval sa; vďaka tomu sa elementárne častice hmoty mohli stabilne spájať do stále väčších kombinácií. Na začiatku éry, v ktorej dominovala hmota, tak vznikali stabilné protóny a neutróny, ktoré sa potom združovali do atómových jadier. V tomto štádiu bola hmota vo vesmíre prevažne horúcou, hustou plazmou záporných elektrónov, neutrálnych neutrín a kladných jadier. Jadrové reakcie medzi jadrami viedli k súčasnému množstvu ľahších jadier, najmä vodíka, deutéria a hélia. Nakoniec sa elektróny a jadrá spojili a vytvorili stabilné atómy, ktoré sú priehľadné pre väčšinu vlnových dĺžok žiarenia; v tomto bode sa žiarenie oddelilo od hmoty a vytvorilo všadeprítomné izotropné pozadie mikrovlnného žiarenia, ktoré pozorujeme dnes.

Na ostatné pozorovania nie je jasná odpoveď na základe známych fyzikálnych zákonov. Podľa prevládajúcej teórie bola mierna nerovnováha medzi hmotou a antihmotou prítomná už pri vzniku vesmíru alebo sa vyvinula veľmi krátko po ňom. Hoci hmota a antihmota väčšinou navzájom anihilovali, pričom vznikali fotóny, malý zvyšok hmoty prežil, čím vznikol súčasný vesmír s prevahou hmoty.

Niekoľko dôkazov tiež naznačuje, že k rýchlej vesmírnej inflácii vesmíru došlo veľmi skoro v jeho histórii (približne 10⁻³⁵ sekúnd po jeho vzniku). Nedávne pozorovania tiež naznačujú, že kozmologická konštanta (Λ) nie je nulová a že v čistom hmotnostno-energetickom obsahu vesmíru dominuje temná energia a temná hmota, ktoré neboli vedecky charakterizované. Líšia sa svojimi gravitačnými účinkami. Temná hmota gravituje rovnako ako bežná hmota, a tým spomaľuje rozpínanie vesmíru; naopak, temná energia slúži na urýchľovanie rozpínania vesmíru.

Niektorí ľudia si myslia, že existuje viac ako jeden vesmír. Myslia si, že existuje súbor vesmírov, ktorý sa nazýva multiverzum. Podľa definície neexistuje spôsob, ako by niečo v jednom vesmíre mohlo ovplyvniť niečo v inom. Multivesmír zatiaľ nie je vedeckou myšlienkou, pretože neexistuje spôsob, ako ho otestovať. Myšlienka, ktorá sa nedá otestovať alebo nie je založená na logike, nie je vedou. Nie je teda známe, či je multivesmír vedeckou myšlienkou.

Budúcnosť vesmíru je záhadou. Existuje však niekoľko teórií založených na možných podobách vesmíru:

• Ak je vesmír uzavretá guľa, prestane sa rozpínať. Vesmír urobí opak a stane sa singularitou pre ďalší veľký tresk.
• Ak je vesmír otvorenou guľou, zrýchľuje sa jeho rozpínanie. Po 22 000 000 000 (22 miliardách) rokov sa vesmír roztrhne silou.
• Ak je vesmír plochý, bude sa rozpínať večne. Všetky hviezdy kvôli tomu stratia svoju energiu a stanú sa trpasličími hviezdami. Po googolovom roku zaniknú aj čierne diery.