ВСЕЛЕНАТА
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. Тя се състои от три пространствени и едно времево измерения. Не бива да се изключва възможността за съществуването на повече измерения и много по-сложни връзки между тях. 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. Трябва да се отбележи, че някои учени, 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. За да придобиете представа за размерите на вселената Ви показвам снимка на телескопа „Хъбъл“, която показва различни видове галактики, всяка от които се състои от милиарди звезди. Далечни светове, до които никога не ще отидем. В долния ляв ъгъл е показана еквивалентната на снимката площ от небето.

История
Първите 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 кръгови орбити около него. 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. 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 нейното 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 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.

Размери и плътност
Вселената е съставена предимно от тъмна енергия и тъмна материя, като и двете не са добре изучени и разбрани. По-малко от 5% е обикновена материя.

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. 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  галактики в наблюдаемата вселена. Най-малките галактики имат около 10 милиона звезди, а най-големите са с по няколко трилиона 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 x 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 изотрпна се нарича космологичен принцип, 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 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. 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
Елементарните частици от които е съставен космосът:
шест лептона и шест кварки са в състава на почти всичката позната материя; така например протоните и неутроните в ядрото на атома са съставени от кварки, а електронът е лептон. Тези частици взаимодействат помежду си с помощта на калибровъчни бозони, показани в средата. Хигс бозонът (който все още не е експериментално открит) би обяснил как частици без маса (с нулева маса в покой) успяват да създадат маса в материята.

Изобилието на различни химически елементи – по-специално на леките такива като водород и хелий изглежда едно и също в цялата наблюдаема вселена. Количеството материя е много по-голямо от количеството антиматерия. 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.

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. 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;
- 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
Най-популярният модел на вселената, произход и разширение. 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.

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.

Теория на Големия взрив
Големият взрив е научна теория, описваща ранното развитие на Вселената.
От този голям взрив произлязоха материята, времето и пространството, които по-късно се превърнаха в галактики и звездни системи, включително нашия собствен Млечен път, Слънчевата система и накрая самите нас.
Връщайки се назад във времето, може да се направи извода, че Вселената е била или много малка, или дори е била събрана в точка с огоромна маса и безкрайна плътност – така наречената сингулярност.

Преди около 13,7 милиарда години тази мъничка точка експлоадира. Тя растяла и растяла и продължавала да расте. А също и да се охлажда. Веднага след Големия взрив, Вселената била толкова гореща, че светлината не била възможна. Можете ли да си представите това? Никъде нямало светлина. Бавно, когато материята се охлаждала, първите звезди се образували, излъчвайки светлина. Другата материя пък спомогнала за създаването на планети, комети, астероиди и всичко останало във нашата Вселена.

Въз основа на събраните от тях доказателства много експерти смятат, че Големият взрив е бил началото на времето.

Най-често срещаните обекти във вселената

Галактики         
Галактиките са гравитационно-свързани системи от звезди, междузвезден газ и прах, плазма и невидима тъмна материя. Всички обекти в състава на галактиката участват в движението около общия център на масата. В състава на галактиките влизат и различни видове звездни купове и мъглявини, като повечето от звездите в галактиките са част от система от две или повече звезди. Типичните галактики съдържат от един милион до хиляда милиарда звезди, гравитиращи около общ гравитационен център. Въпреки че все още не е добре изучена и разбрана, се предполага, че тъмната материя съставлява около 90% от масата на повечето галактики. Последните изследвания и наблюдения дават основание да се счита, че масивни черни дупки съществуват в центъра на повечето, ако не на всички галактики.

Квазари             
Квазар е астрономически звезден обект, един от най-отдалечените обекти във Вселената. Квазарите излъчват огромно количество енергия – те могат да бъдат няколко милиарда пъти по-ярки от Слънцето. Смята се, че източникът на тяхната енергия са огромни черни дупки в центъра на галактиките, където са разположени самите квазари. Понеже тяхната яркост е много голяма, те закриват светлината на останалите звезди в същата галактика. Въпреки своята огромна яркост, квазарите не се виждат с просто око заради огромното разстояние, което ни разделя от тях. Енергията на квазарите пътува милиарди години, докато достигне до Земята. По тази причина, изучаването на квазарите може да даде на астрономите информация за ранното състояние на Вселената.

Неутронна звезда
Неутронните звезди са вид звезди, най-често срещаните в края на звездната еволюция. Горната гранична стойност за масата на неутронните звезди е от порядъка на 2,5 – 3 слънчеви маси (граница на Толман—Опенхаймер—Волков). При нея веществото е подложено на толкова голям натиск, че налягането на електронния газ не е в състояние да спре гравитационния колапс. Атомните ядра се разпадат до протони и неутрони, а протоните се свързват с електроните и се превръщат в неутрони. Така неутронните звезди са изградени изцяло от неутрони, като плътността на веществото в центъра на неутронните звезди е огромна – 1012 kg/cm3. За сравнение – тази плътност отговаря на масата на цялото човечество, концентрирана в обема на кубче захар.

Диаметърът на неутронните звезди е около 10 – 15 km. Неутронните звезди се въртят с много голяма скорост, способна да достигне 1000 оборота в секунда.

При всяко свое завъртане неутронната звезда излъчва поток светлина. Магнитното поле образувано от тях е изключително силно – индукцията му на повърхността на звездата достига до 108 T. За пример: обект, който е попаднал в обхвата на гравитационното поле на звездата, ще бъде привлечен и ще се сблъска със звездата със скорост от 150 000 km/s.

Някои неутронни звезди излъчват лъчове от електромагнитна радиация, поради което се определяни като пулсари.

Звездни купове             
Звездният куп е група от десетки до стотици хиляди звезди, задържани от взаимната си гравитация и с предполагаем общ произход и химичен състав. Куповете са съществена стъпка в определянето на пространствените мащаби във вселената. Някои от най-близките до Земята купове са достатъчно близки, за да се измерят рзстоянията до тях по метода на паралакса. Звездите от тези купове се нанасят с абсолютните си стойности по оста на светимост в диаграмата на Херцшпрунг-Ръсел. Впоследствие, за всяка подобна диаграма на куп, разстоянието до който не е известно, се правят сравнения спрямо светимостта на звездите в този куп и се прави оценка за разстоянието. Когато се използва този метод, се отчитат червеното отместване и звездната популация в купа.

По-масивните звездни купове преминават по-бързо през етапите на еволюция и се превръщат в компактни релативистки обекти – черни дупки, неутронни звезди или бели джуджета.

 

Тъмна материя              
Тъмна материя е понятие от астрофизиката и космологията, означаващо материя, която е недостъпна за наблюдение със съвременните методи (нито излъчва, нито отразява достатъчно електромагнитни вълни) и е с неизвестен състав, но може да бъде индиректно засечена заради гравитационните си въздействия върху видимата материя. Иначе казано, се приема, че във Вселената има нещо, което не се вижда с обикновени и радиотелескопи или както и да било, но е с много голяма маса, която личи само по неговата гравитация.

Реликтово излъчване
Реликтовото излъчване е електромагнитно лъчение, идващо от всички посоки на небесната сфера, със спектър на абсолютно черно тяло с температура ~2.725 К. Това лъчение ни дава информация за състоянието на младата Вселена, а самото му съществуване се счита за доказателство на теорията за Големия взрив.