Ten artykuł dotyczy kosmosu. Zapoznaj się również z: inne znaczenia tego słowa.

Mapa mikrofalowego promieniowania tła, pokazująca obraz wczesnego Wszechświata (na podstawie danych zebranych przez sondę WMAP)

Wszechświat – wszystko, co fizycznie istnieje: cała przestrzeń, czas, wszystkie formy materii i energii oraz prawa fizyki i stałe fizyczne określające ich zachowanie. Słowo wszechświat może być też używane w innych kontekstach jako synonim słów kosmos (w rozumieniu filozofii), świat czy natura. W naukach ścisłych słowa wszechświat i kosmos są równoważne.

Obserwacje astronomiczne pokazują, że Wszechświat istnieje od 13,75 ± 0,11 miliarda lat. Średnica widzialnego wszechświata to około 92 miliardy lat świetlnych, czyli 8,8 × 10 metrów. Zgodnie ze współczesną wiedzą Wszechświat powstał z osobliwości (punktu, w którym była skupiona cała jego materia i energia) w Wielkim Wybuchu. Od tego momentu Wszechświat powiększył się do obecnej postaci, prawdopodobnie przechodząc przez krótki okres kosmologicznej inflacji, która spowodowała, że jego gęstość jest równa gęstości krytycznej. Wielki Wybuch i ekspansja Wszechświata zostały potwierdzone przez różne niezależne obserwacje. Odkryto także, że ekspansja Wszechświata przyspiesza, oraz że większość materii i energii Wszechświata ma całkowicie inną postać niż to, co bezpośrednio obserwujemy (patrz: ciemna materia i ciemna energia).

Według współczesnej wiedzy prawa fizyki i stałe fizyczne decydujące o ewolucji Wszechświata nie zmieniały się przez cały czas jego istnienia. Dominującą siłą na odległościach kosmologicznych jest grawitacja. Pozostałe siły: elektromagnetyzm, oddziaływanie silne i oddziaływanie słabe mają dominujące znaczenie w małych odległościach. Wszechświat ma trzy obserwowalne wymiary przestrzenne i jeden czasowy, choć niewykluczone, że ma więcej wymiarów zwiniętych do mikroskopijnych wielkości. Czasoprzestrzeń jest gładką i spójną rozmaitością, a jej średnia krzywizna jest bardzo mała, co oznacza, że w dużej skali jej geometria jest w przybliżeniu euklidesowa.

Z powyższej definicji Wszechświata wynika, że nic nie może istnieć poza nim. Istnieją jednak alternatywne definicje, dopuszczające że nasz "wszechświat" jest jednym z wielu "wszechświatów", których zbiór określa się jako wieloświat. Przykładowo teoria chaotycznej inflacji dopuszcza istnienie nieskończenie wielu wszechświatów różniących się obowiązującymi w nich stałymi fizycznymi. Wieloświatowa interpretacja mechaniki kwantowej mówi natomiast, że każdy pomiar kwantowego układu w superpozycji powoduje powstanie osobnego wszechświata dla każdego wyniku pomiaru. Ponieważ z definicji takie wszechświaty są rozłączne z naszym, tych spekulacji nie da się przetestować eksperymentalnie.

Wielkość, struktura i zawartość Wszechświata

Uważa się, że Wszechświat składa się głównie z ciemnej energii i ciemnej materii, których natury nie znamy. Zaledwie 4% Wszechświata to zwykła materia.

Współczesna wiedza kosmologiczna nie pozwala jednoznacznie określić wielkości Wszechświata, nie jest także znany kształt Wszechświata.

Według współczesnych teorii Wszechświat może być płaski lub zakrzywiony. Większość naukowców przyjmuje, że Wszechświat jest płaski ale na ten temat istnieje wiele różnorakich teorii.

Nieznane są także wymiary Wszechświata. Możliwe, że jego rozmiary są nieskończone. Badacze podają dolne ograniczenie wynikające z ekstrapolacji oddalania się od Drogi Mlecznej najdalszych obserwowanych obiektów. Wynika z niego, że widzialny wszechświat ma średnicę około 93 miliardów lat świetlnych.

W skalach powyżej 300 milionów lat świetlnych obserwowalna materia jest rozłożona równomiernie w przestrzeni.

W mniejszych skalach materia skupiona jest w hierarchiczną strukturę: atomy formują gwiazdy, gwiazdy skupiają się w galaktyki, galaktyki skupiają się w gromady i supergromady, a supergromady układają się w włókna rozdzielone pustkami. Obserwowalna materia jest również rozłożona izotropowo, co oznacza, że w każdym kierunku jest jej mniej więcej taka sama ilość. Wszechświat wypełnia dodatkowo bardzo równomierne mikrofalowe promieniowanie odpowiadające równowadze termicznej ciała doskonale czarnego o temperaturze 2,7249–2,7252 K.

Obecna średnia gęstość Wszechświata wynosi około 9,9 × 10 gramów na centymetr sześcienny. Energia we Wszechświecie istnieje w większości w postaci ciemnej energii (73%) i ciemnej materii (23%). Jedynie 4,56% to materia barionowa, którą jesteśmy w stanie bezpośrednio obserwować. Gęstość atomów we Wszechświecie wynosi średnio jeden atom wodoru na cztery metry sześcienne. Właściwości ciemnej materii i ciemnej energii są w dużym stopniu nieznane. Wiadomo że ciemna materia oddziałuje grawitacyjnie tak jak zwykła materia, spowalniając ekspansję Wszechświata, natomiast ciemna energia przyspiesza tę ekspansję.

Najdokładniejsze obecnie oszacowanie wieku Wszechświata opiera się na obserwacji promieniowania tła przez sondę WMAP. Według tych obserwacji Wszechświat ma 13,75 ± 0,11 miliarda lat. Inne pomiary, oparte na soczewkowaniu grawitacyjnym dają zgodne wyniki 13,75 ± 0,17 mld lat.

Cząstki elementarne z których zbudowana jest znana materia: sześć leptonów i sześć kwarków, oraz bozony cechowania przenoszące oddziaływania. Diagram przedstawia również dotychczas niezaobserwowany bozon Higgsa, mający nadawać masę cząstkom z którymi oddziałuje.

Częstość występowania pierwiastków we Wszechświecie jest prawie identyczna z tą, jaka była w momencie jego powstania (szczególnie dotyczy to pierwiastków lekkich). To oznacza, że procesy tworzenia pierwiastków w gwiazdach i supernowych tylko nieznacznie zmieniły skład chemiczny Wszechświata. Wszechświat zawiera wielokrotnie więcej materii niż antymaterii. Ta asymetria jest prawdopodobnie związana z łamaniem parzystości CP. Wszechświat wydaje się nie posiadać sumarycznego ładunku elektrycznego ani momentu pędu. Ich wystąpienie oznaczałoby złamanie odpowiednio prawa Gaussa i zasady zachowania momentu pędu, jeśli Wszechświat jest skończony.

Prawa fizyki, wedle współczesnej wiedzy, nie zmieniały się od początku istnienia Wszechświata. Zgodnie z obowiązującym obecnie Modelem Standardowym cała materia składa się z trzech generacji kwarków i leptonów, oddziałujących poprzez cztery siły podstawowe: elektromagnetyzm (przenoszony przez fotony), oddziaływanie słabe (przenoszone przez bozony W i Z), oddziaływanie silne (przenoszone przez gluony) oraz grawitację (której mechanizm przenoszenia jest nieznany). Nie istnieje obecnie teoria wyjaśniająca wartości podstawowych stałych fizycznych, takich jak stała Plancka czy stała grawitacji. Zidentyfikowano kilka praw zachowania, którym podlegają wszystkie procesy we Wszechświecie, np. zasada zachowania energii czy zasada zachowania ładunku elektrycznego. W większości te prawa są konsekwencjami symetrii praw fizyki.

Historyczne modele Wszechświata

 Główny artykuł: Kosmologia.

W historii ludzkości powstało wiele hipotez na temat tego, jak wygląda i jak powstał Wszechświat. Większość z nich oparta jest na opisywaniu aktów stworzenia dokonanych przez różne bóstwa. Z upływem czasu rozwój technik obserwacyjnych i teorii fizycznych pozwolił na stworzenie dokładniejszych modeli wszechświata i weryfikowania hipotez dotyczących jego wieku i wielkości. Współczesne modele opierają się głównie na ogólnej teorii względności, która umożliwia ilościowe przewidywania dotyczące początków, kształtu i dalszej ewolucji Wszechświata jako całości. Obecnie brak teorii opisujących własności ciemnej materii i ciemnej energii uniemożliwia stworzenie spójnego modelu weryfikowalnego eksperymentalnie.

Modele filozoficzne

Najstarsze znane filozoficzne modele wszechświata można znaleźć w Wedach, napisanych w 2 tysiącleciu p.n.e. Opisują one mitologię hinduską, w której wszechświat stwarza Brahma – jako Brahmandę – kosmiczne Jajo, które przechodzi poprzez cykle powstania, zniszczenia i odrodzenia, zwane Kalpami. Występuje tam też teoria pięciu żywiołów tworzących wszechświat: Waju (powietrze), Ap (woda), Agni (ogień), Prythiwi (ziemia) i Akaśa (eter). W VI wieku p.n.e. indyjski filozof Kanada opracował teorię atomizmu i twierdził, że światło i ciepło są przejawami tej samej substancji. Koncepcja ta przeniknęła później do starożytnej Grecji i została rozwinięta przez Leucypa, Empedoklesa i Demokryta.

W Europie pierwsze znane modele wszechświata pochodzą od filozofów przedsokratejskich. Zauważyli oni, że to, co widzimy, może być mylące, w szczególności że materia może zmieniać swoją formę (np. lód w wodę, woda w parę). Pojawiły się koncepcje mówiące, że wszystkie istniejące substancje są formami jednej, pierwotnej, arché: u Talesa była to woda, u Anaksymenesa powietrze, u Heraklita ogień, u Pitagorasa były to liczby, a u Anaksymandera chaotyczna substancja, którą nazwał apeironem.

W odróżnieniu do starożytnych filozofów, którzy uważali wszechświat za istniejący wiecznie i nieposiadający początku, filozofowie średniowieczni uznawali, że miał on swój początek. Było to zainspirowane podstawami religii abrahamowych: judaizmu, chrześcijaństwa i islamu – stworzeniem świata przez Boga. Opierając się na niemożliwości istnienia aktualnej nieskończoności, żydowski filozof Saadja ben Josef oraz arabscy filozofowie Al-Kindi i Al-Ghazali dowodzili, że wszechświat istniejący bez początku jest logicznie niemożliwy. Argumenty te zostały później przejęte przez chrześcijańskich filozofów i teologów.

Modele astronomiczne

Astronomiczne modele Wszechświata powstały równocześnie z początkami astronomii w starożytnym Sumerze. Pierwsze modele zakładały, że świat składa się z płaskiej ziemi unoszącej się na oceanie. Model ten był uznawany potem przez wczesnych greckich filozofów, np. Anaksymandera i Hekatajosa. Późniejsi greccy filozofowie, obserwując ruch ciał niebieskich, budowali modele w większym stopniu oparte na faktach obserwacyjnych. Najstarszy znany taki model zaproponował Eudoksos z Knidos. W tym modelu przestrzeń i czas są nieskończone, Ziemia jest sferyczna i spoczywa w centrum Wszechświata, a pozostałą materię ograniczono do koncentrycznych sfer obracających się wokół niej. Model ten został rozwinięty przez Arystotelesa, a później bardzo uściślony przez Ptolemeusza. Odniósł on wielki sukces dzięki dużej precyzji przewidywań, możliwej z matematycznego powodu: dowolną funkcję (jak np. położenie planety) można przedstawić za pomocą sumy orbit (patrz szereg Fouriera).

Model geocentryczny nie był jedynym uznawanym przez Greków. Według relacji Archimedesa, model heliocentryczny jako pierwszy zaproponował Arystarch z Samos. W jego modelu gwiazdy były umieszczone na sferze ze Słońcem w środku. Nie zdobył on jednak szerokiego poparcia, między innymi z powodu pozornej sprzeczności z brakiem paralaksy gwiazd (w rzeczywistości powodowanej przez odległość do nich znacznie większą, niż wtedy zakładano). Jedynym znanym astronomem, który w tych czasach poparł model Arystarcha, był Seleukos z Seleucji.

W czasach średniowiecznych podobny model był proponowany w Indiach przez Aryabhata, a w krajach arabskich przez Albumasara i Al-Sijzi.

Kopernikański model Wszechświata w ilustracji Thomasa Diggesa z 1576 roku, rozszerzony o koncepcję, mówiącą że gwiazdy nie znajdują się na sferze, ale są równomiernie rozłożone w przestrzeni otaczającej planety.

Mikołaj Kopernik był pierwszym, który użył modelu heliocentrycznego do opracowania prostszego sposobu wyliczania położenia planet, co spowodowało stopniowe zaakceptowanie tego modelu w cywilizacji zachodniej. Model Kopernika zakładał, że Ziemia obraca się wokół własnej osi, co pozwoliło z czasem odejść od pojęcia sfer niebieskich. Thomas Digges wprowadził do tego modelu poprawkę, stwierdzając, że gwiazdy są rozmieszczone równomiernie w przestrzeni. Giordano Bruno rozwinął dalej tę ideę przyjmując, że przestrzeń jest nieskończona i zawiera nieskończenie wiele gwiazd, wokół których krążą planety podobne do Ziemi.

Koncepcja ta została później zaakceptowana przez naukowców takich, jak Isaac Newton i Christiaan Huygens, choć prowadziła do kilku paradoksów. Po pierwsze, zakładała, że gwiazdy o skończonej wielkości świecą przez nieskończony czas, co oznacza, że produkują nieskończenie wiele energii. Po drugie, jak zauważył Edmund Halley i niezależnie Jean-Philippe de Cheseaux, w nieskończonym Wszechświecie nocne niebo powinno świecić blaskiem równie jasnym jak powierzchnia Słońca (jest to dzisiaj znane jako paradoks Olbersa). Po trzecie, jak zauważył Newton, nieskończona ilość materii w takiej przestrzeni przyciągałaby się grawitacyjnie z nieskończoną siłą, co powinno spowodować jej natychmiastowe zapadnięcie się. Paradoksy te zostały ostatecznie rozwiązane przez ogólną teorię względności Alberta Einsteina oraz uznanie rozszerzania się Wszechświata. Wszystkie współczesne modele wszechświata buduje się w oparciu o tę teorię.