ВСЕСВІТ

Send

Що таке Всесвіт? Це одне надзвичайно завантажене питання! Незалежно від того, з якого кута ви хочете відповісти на це питання, можна витратити роки на відповідь на це питання і ще ледве почухати поверхню. З точки зору часу та простору, він неймовірно великий (а можливо, навіть нескінченний) і неймовірно старий за людськими мірками. Описувати це докладно - це монументальне завдання. Але ми, тут, у Космічному Журналі, вирішили спробувати!

То що таке Всесвіт? Що ж, коротка відповідь - це загальна сума всього існування. Це весь час, простір, матерія та енергія, які почали розширюватися приблизно 13,8 мільярдів років тому і продовжують розширюватися з тих пір. Ніхто не є абсолютно впевненим, наскільки справді є Всесвіт, і ніхто не зовсім впевнений, чим це все закінчиться. Але постійні дослідження та дослідження багато чого навчили нас у процесі людської історії.

Визначення:

Термін "Всесвіт" походить від латинського слова "universum", яке римський державний діяч Цицерон і пізніші римські автори використовували для позначення світу та космосу так, як вони його знали. Сюди входили Земля та всі живі істоти, які мешкали на ній, а також Місяць, Сонце, відомі тоді планети (Меркурій, Венера, Марс, Юпітер, Сатурн) та зірки.

Термін "космос" часто використовується взаємозамінно із Всесвітом. Він походить від грецького слова космос, що буквально означає "світ". Інші слова, які зазвичай використовуються для визначення всієї сутності існування, включають "Природа" (походить від германського слова natur) і англійське слово "все", яке використовується, можна побачити в науковій термінології - тобто "Теорія всього" (TOE).

Сьогодні цей термін часто використовується для позначення всіх речей, що існують у відомому Всесвіті - Сонячної системи, Чумацького Шляху та всіх відомих галактик та надбудов. У контексті сучасної науки, астрономії та астрофізики вона також стосується всього космічного часу, всіх форм енергії (тобто електромагнітного випромінювання та речовини) та фізичних законів, що їх пов'язують.

Походження Всесвіту:

Сучасний науковий консенсус полягає в тому, що Всесвіт розширилася з точки надвисокої речовини і щільності енергії приблизно 13,8 мільярда років тому. Ця теорія, відома як теорія великого вибуху, не є єдиною космологічною моделлю для пояснення походження Всесвіту та його еволюції - наприклад, існує теорія сталого стану або коливальна теорія Всесвіту.

Це, однак, найбільш широко прийнято і популярно. Це пов’язано з тим, що одна лише теорія Великого вибуху здатна пояснити походження всієї відомої речовини, закони фізики та масштабну структуру Всесвіту. Це пояснює також розширення Всесвіту, існування космічного мікрохвильового фону та широке коло інших явищ.

Працюючи назад від сучасного стану Всесвіту, вчені теоретизували, що він, мабуть, зародився в єдиній точці нескінченної щільності та кінцевого часу, який почав розширюватися. Після початкового розширення теорія стверджує, що Всесвіт охолоджується достатньо, щоб забезпечити утворення субатомних частинок, а пізніше простих атомів. Гігантські хмари цих споконвічних елементів згодом зросталися через гравітацію, утворюючи зірки та галактики.

Все почалося приблизно 13,8 мільярдів років тому, і тому вважається віком Всесвіту. Перевіряючи теоретичні принципи, експерименти за участю прискорювачів частинок і високоенергетичних станів та астрономічних досліджень, які спостерігали глибокий Всесвіт, вчені побудували шкалу подій, що почалися з Великого вибуху і призвели до сучасного стану космічної еволюції .

Однак найдавніші часи Всесвіту - тривалістю приблизно від 10^-43 до 10^-11 секунди після Великого вибуху - є предметом великої спекуляції. Зважаючи на те, що закони фізики, як ми їх знаємо, не могли існувати в цей час, важко зрозуміти, як міг управляти Всесвітом. Більше того, експерименти, які можуть створити види енергії, що займаються, знаходяться в зачатті.

Тим не менш, існує багато теорій щодо того, що мало місце в цей початковий момент, багато з яких сумісні. Відповідно до багатьох із цих теорій, момент, що настає після Великого вибуху, може бути розбитий на наступні періоди часу: епоха сингулярності, епоха надуття та епоха охолодження.

Також відома як епоха Планка (або епоха Планка), Епоха Сингулярності була найдавнішим відомим періодом Всесвіту. У цей час вся матерія конденсувалася на одній точці нескінченної щільності та надзвичайного тепла. В цей період вважається, що квантові ефекти сили тяжіння домінували у фізичних взаємодіях і що жодна інша фізична сила не мала рівну силу гравітації.

Цей період Планка поширюється від точки 0 до приблизно 10^-43секунд, і так його називають, оскільки його можна виміряти лише за час Планка. Через надзвичайну теплоту та щільність речовини стан Всесвіту був надзвичайно нестабільним. Таким чином воно почало розширюватися і охолоджуватися, що призводило до прояву основних сил фізики. Приблизно з 10^-43 другий і 10^-36, Всесвіт почав переходити температури переходу.

Саме тут, як вважають, фундаментальні сили, які керують Всесвітом, почали відокремлюватися одна від одної. Першим кроком у цьому стала сила тяжіння, що відокремлюється від калібрувальних сил, що обумовлює сильні та слабкі ядерні сили та електромагнетизм. Потім, з 10^-36до 10^-32секунди після Великого вибуху температура Всесвіту була досить низькою (10²⁸ К) що електромагнетизм і слабка ядерна сила також змогли відокремитись.

Зі створенням перших фундаментальних сил Всесвіту розпочалася Інфляційна епоха, що тривала з 10 року^-32секунди часу Планка до невідомої точки. Більшість космологічних моделей припускають, що Всесвіт у цей момент був однорідно наповнений густиною з високою енергією, і що неймовірно високі температури та тиск спричинили швидке розширення та охолодження.

Це почалося о 10^-37 секунди, де фазовий перехід, що спричинив поділ сил, також призвів до періоду, коли Всесвіт зростала в експоненціальному масштабі. І саме в цей час відбувся баріогенез, який стосується гіпотетичної події, коли температури були настільки високими, що випадкові рухи частинок відбувалися з релятивістською швидкістю.

В результаті цього пари частинок - античастинки всіх видів постійно створювались та знищувались у зіткненнях, що, як вважається, призвело до переважання речовини над антиматеріалом у сучасному Всесвіті. Після того як інфляція припинилася, Всесвіт складалася з кварково-глюонної плазми, а також усіх інших елементарних частинок. З цього моменту Всесвіт почала охолоджуватись і речовина зростала і утворювалася.

Коли Всесвіт продовжувала знижувати щільність і температуру, почалася епоха охолодження. Це характеризувалося зменшенням енергії частинок і продовженням фазових переходів до тих пір, поки основні сили фізики та елементарні частинки не змінилися в їх сучасний вигляд. Оскільки енергія частинок впала б до значень, які можна отримати експериментами з фізики частинок, цей період в подальшому піддається меншим спекуляціям.

Наприклад, вчені вважають, що близько 10^-11 секунди після Великого вибуху енергія частинок значно знизилася. Близько 10^-6 секунди, кварки та глюони, поєднані з утворенням баріонів, таких як протони та нейтрони, і невеликий надлишок кварків над антикварками призвів до невеликого надлишку баріонів над антибаріонами.

Оскільки температури були недостатньо високими для створення нових пар протон-антипротон (або нейтрон-анітнейтронні пари), негайно слідувало масове знищення, залишаючи лише одну з 10¹⁰ вихідних протонів та нейтронів та жодної їх античастинки. Аналогічний процес стався приблизно через 1 секунду після Великого вибуху для електронів і позитронів.

Після цих знищень залишилися протони, нейтрони та електрони вже не рухалися релятивістсько, а щільність енергії Всесвіту переважала фотони - і меншою мірою нейтрино. Через кілька хвилин після розширення почався також період, відомий як нуклеосинтез Великого вибуху.

Завдяки зниженню температури до 1 млрд. Кельвінів, а щільність енергії знизилася приблизно до еквіваленту повітря, нейтрони та протони почали поєднуватися, утворюючи перший дейтерій Всесвіту (стабільний ізотоп водню) та атоми гелію. Однак більшість протонів Всесвіту залишилися некомбінованими як водневі ядра.

Приблизно через 379 000 років електрони об'єдналися з цими ядрами, утворюючи атоми (знову ж таки, головним чином водень), а випромінювання виводилося з речовини і продовжувало розширюватися через космос, значною мірою безперешкодно. Зараз це випромінювання, як відомо, являє собою космічний мікрохвильовий фон (СМВ), який на сьогодні є найстарішим світлом у Всесвіті.

Коли КМБ розширювався, він поступово втрачав щільність та енергію, і в даний час, за оцінками, температура становить 2,7260 ± 0,0013 К (-270,424 ° С / -454,763 ° F) та щільність енергії 0,25 еВ / см³ (або 4.005 × 10^-14 Дж / м³; 400–500 фотонів / см³). CMB можна побачити в усіх напрямках на відстані приблизно 13,8 мільярда світлових років, але оцінки його фактичної відстані розміщують його приблизно в 46 мільярдів світлових років від центру Всесвіту.

Еволюція Всесвіту:

Протягом кількох наступних мільярдів років дещо щільніші регіони Всесвіту (які були майже рівномірно розподілені) стали гравітаційно притягуватися один до одного. Тому вони зростали ще щільніше, утворюючи газові хмари, зірки, галактики та інші астрономічні структури, які ми регулярно спостерігаємо сьогодні.

Це те, що відомо як епоха Структури, оскільки саме в цей час почав формуватися сучасний Всесвіт. Це полягало у видимій речовині, розподіленій у структурах різних розмірів (тобто зірок і планет до галактик, кластерів галактик та надкластерів), де зосереджена матерія, і які розділені величезними затоками, що містять небагато галактик.

Деталі цього процесу залежать від кількості та типу речовини у Всесвіті. Холодна темна речовина, тепла темна речовина, гаряча темна речовина та баріонова матерія - це чотири запропоновані типи. Однак модель Lambda-Cold Dark Matter (Lambda-CDM), в якій частинки темної речовини повільно рухалися порівняно зі швидкістю світла, вважається стандартною моделлю космології Великого вибуху, оскільки найкраще відповідає наявним даним .

У цій моделі холодна темна речовина оцінюється приблизно 23% речовини / енергії Всесвіту, тоді як баріонова речовина складає близько 4,6%. Ламбда посилається на Космологічну Константну, теорію, спочатку запропоновану Альбертом Ейнштейном, яка намагалася показати, що баланс маси-енергії у Всесвіті залишається статичним.

У цьому випадку вона пов'язана з темною енергією, яка служила для прискорення розширення Всесвіту і збереження його масштабної структури в основному рівномірною. Існування темної енергії ґрунтується на безлічі доказів, які вказують на те, що Всесвіт пройнята нею. На основі спостережень оцінюється, що 73% Всесвіту складається з цієї енергії.

Під час ранніх фаз Всесвіту, коли вся баріонова матерія була тісніше простору разом, гравітація переважала. Однак після мільярдів років розширення, зростаюча кількість темної енергії змусила її розпочати домінуючі взаємодії між галактиками. Це викликало прискорення, яке відоме як епоха космічного прискорення.

Коли цей період почався, він підлягає дискусії, але, за оцінками, він почався приблизно через 8,8 мільярда років після Великого вибуху (5 мільярдів років тому). Космологи покладаються як на квантову механіку, так і на загальну відносність Ейнштейна, щоб описати процес космічної еволюції, що відбувся в цей період і в будь-який час після інфляційної епохи.

Шляхом суворого процесу спостережень та моделювання вчені визначили, що цей еволюційний період відповідає польовим рівнянням Ейнштейна, хоча справжня природа темної енергії залишається ілюзивною. Більше того, не існує добре підтримуваних моделей, здатних визначити, що мало місце у Всесвіті до періоду, що передує 10^-15секунди після Великого вибуху.

Однак постійні експерименти з використанням великого адронного колайдера CERN (LHC) прагнуть відтворити енергетичні умови, які існували б під час Великого вибуху, а також, як очікується, виявлять фізику, що виходить за межі сфери Стандартної моделі.

Будь-який прорив у цій галузі, ймовірно, призведе до єдиної теорії квантової гравітації, де вчені нарешті зможуть зрозуміти, як гравітація взаємодіє з трьома іншими основними силами фізики - електромагнетизмом, слабкою ядерною силою та сильною ядерною силою. Це, у свою чергу, також допоможе нам зрозуміти, що насправді сталося в найдавніші епохи Всесвіту.

Структура Всесвіту:

Фактичні розміри, форма та масштабна структура Всесвіту були предметом постійних досліджень. Тоді як найстаріше світло у Всесвіті, який можна спостерігати, знаходиться на відстані 13,8 мільярда світлових років (CMB), це не є фактичним розмахом Всесвіту. З огляду на те, що Всесвіт перебуває в стані розширення протягом мільярду років, і при швидкостях, що перевищують швидкість світла, фактична межа виходить далеко за межі того, що ми можемо бачити.

Наші нинішні космологічні моделі свідчать про те, що Всесвіт вимірює діаметр приблизно 91 млрд світлових років (28 мільярдів парсек). Іншими словами, спостережуваний Всесвіт поширюється назовні від нашої Сонячної системи на відстань приблизно 46 мільярдів світлових років у всіх напрямках. Однак, враховуючи, що край Всесвіту не спостерігається, поки не ясно, чи має Всесвіт насправді край. Наскільки ми знаємо, це триває назавжди!

Всередині спостережуваного Всесвіту матерія поширюється високоструктурованим способом. У межах галактик це складається з великих концентрацій - тобто планет, зірок та туманностей - перемежованих з великими площами порожнього простору (тобто міжпланетним простором та міжзоряним середовищем).

У великих масштабах речі майже однакові, галактики розділені об'ємами простору, наповненим газом і пилом. У найбільшому масштабі, де існують кластери галактики та надкластери, у вас є мудра мережа великих масштабних структур, що складається з щільних ниток речовини та гігантських космічних порожнеч.

Зважаючи на свою форму, простір-час може існувати в одній з трьох можливих конфігурацій - позитивно-вигнутий, негативно-вигнутий і плоский. Ці можливості ґрунтуються на існуванні щонайменше чотирьох вимірів простору-часу (x-координата, y-координата, z-координата та час) і залежать від природи космічного розширення і від того, чи є Всесвіт чи ні є кінцевим або нескінченним.

Позитивно вигнутий (або замкнутий) Всесвіт нагадував би чотиривимірну сферу, яка була б кінцевою у просторі і не мала помітного краю. Негативно зігнута (або відкрита) Всесвіт виглядатиме як чотиривимірне "сідло" і не має меж у просторі чи часі.

За колишнім сценарієм, Всесвіт повинен був би припинити розширюватися через надмірну кількість енергії. В останньому воно містило б занадто мало енергії, щоб коли-небудь перестати розширюватися. У третьому та остаточному сценаріях - плоскій Всесвіті - існувала б критична кількість енергії, і її розширення зупиниться лише через нескінченну кількість часу.

Доля Всесвіту:

Гіпотеза про те, що Всесвіт мала вихідну точку, природно породжує питання про можливу кінцеву точку. Якщо Всесвіт почався як крихітна точка нескінченної щільності, яка почала розширюватися, це означає, що вона буде продовжуватись розширюватися нескінченно? Або в один прекрасний день воно вичерпає силу, і почне відступати всередину, поки вся матерія не стиснеться назад в крихітному кулі?

Відповідь на це питання займає головну увагу космологів з тих пір, як почалися дискусії щодо того, яка модель Всесвіту була правильною. З прийняттям теорії великого вибуху, але до спостереження темної енергії у 90-х роках, космологи дійшли згоди щодо двох сценаріїв, як найбільш ймовірних результатів для нашої Всесвіту.

У першому, загальновідомому як сценарій «Великого кризу», Всесвіт досягне максимальних розмірів, а потім почне руйнуватися на собі. Це стане можливим лише в тому випадку, якщо щільність маси Всесвіту більша за критичну. Іншими словами, поки густина речовини залишається на рівні або вище певного значення (1-3 × 10)^-26 кг речовини на м³), Всесвіт згодом скорочується.

Крім того, якби щільність у Всесвіті була дорівнює або нижче критичної щільності, розширення сповільниться, але ніколи не зупиниться. За цим сценарієм, відомим як "Велике замерзання", Всесвіт триватиме до тих пір, поки утворення зірок врешті-решт не припиниться при споживанні всього міжзоряного газу в кожній галактиці. Тим часом усі існуючі зірки вигорять і стають білими карликами, нейтронними зірками та чорними дірами.

Дуже поступово зіткнення між цими чорними дірами призвело б до накопичення маси у більші та більші чорні діри. Середня температура Всесвіту наблизилася б до абсолютного нуля, а чорні діри випарувались після випромінювання останнього випромінювання Хокінга. Нарешті, ентропія Всесвіту зростатиме до того моменту, коли жодна організована форма енергії не може бути витягнута з неї (сценарії, відомі як «теплова смерть»).

Сучасні спостереження, які включають існування темної енергії та її вплив на космічну експансію, привели до висновку, що все більше і більше видимого в даний час Всесвіту буде виходити за межі нашого горизонту подій (тобто CMB, край того, що ми можемо бачити) і стати для нас невидимими. Можливий результат цього наразі не відомий, але "теплова смерть" вважається ймовірною кінцевою точкою і в цьому сценарії.

Інші пояснення темної енергії, які називаються теоріями фантомної енергії, дозволяють припустити, що в кінцевому рахунку кластери галактик, зірки, планети, атоми, ядра та сама матерія будуть розірвані від все більшого розширення. Цей сценарій відомий як "Великий розрив", в результаті якого розширення Всесвіту зрештою стане його скасуванням.

Історія навчання:

Власне кажучи, люди споглядали і вивчали природу Всесвіту ще з доісторичних часів. Таким чином, найдавніші відомості про те, як утворився Всесвіт, мали міфологічну природу і передавались усно від одного покоління до другого. У цих історіях світ, простір, час і все життя починалися з події створення, де Бог або Боги відповідали за створення всього.

Астрономія також почала зароджуватися як поле вивчення часів стародавніх вавилонян. Системи сузір'їв та астрологічних календарів, підготовлені вавілонськими вченими ще у II тисячолітті до н.е., продовжуватимуть інформувати космологічні та астрологічні традиції культур протягом наступних тисяч років.

За класичної античності почало формуватися поняття Всесвіту, яке було продиктовано фізичними законами. Між грецькими та індійськими вченими пояснення до творення почали набувати філософського характеру, підкреслюючи причину та наслідки, а не божественну силу. До найдавніших прикладів належать Фалес і Анаксимандр, два досократські грецькі вчені, які стверджували, що все народжувалося з первісної форми матерії.

До 5 століття до н.е. досократичний філософ Емпедокл став першим західним вченим, який запропонував Всесвіт, що складається з чотирьох стихій - землі, повітря, води та вогню. Ця філософія стала дуже популярною у західних колах і була схожа на китайську систему з п’яти стихій - металу, дерева, води, вогню та землі - що виникла приблизно в той же час.

Лише Демокріт, грецький філософ V / IV ст. До н.е., запропонував Всесвіт, що складається з нероздільних частинок (атомів). Індійський філософ Канада (який жив у 6 або 2 столітті до н. Е.) Продовжив цю філософію, запропонувавши, що світло і тепло є одними і тими ж речовинами в різній формі. Буддистський філософ V ст. Н. Е. Дігнана взяв це ще далі, запропонувавши, що вся матерія складається з енергії.

Поняття кінцевого часу було також ключовою ознакою абрагамічних релігій - іудаїзму, християнства та ісламу. Можливо, натхненна зороастрийською концепцією Судного дня, віра в те, що Всесвіт мав початок і кінець, продовжуватиме інформувати західні концепції космології навіть до наших днів.

Між ІІ тисячоліттям до нашої ери та ІІ століття н.е., астрономія та астрологія продовжували розвиватися та розвиватися. Окрім моніторингу правильних рухів планет та руху сузір'їв через Зодіак, грецькі астрономи також сформулювали геоцентричну модель Всесвіту, де Сонце, планети та зірки обертаються навколо Землі.

Ці традиції найкраще описані в математичному та астрономічному трактаті другого століття нашої ериАльмагест, яку написав греко-єгипетський астроном Клавдій Птолемей (ака. Птолемей). Цей трактат та космологічна модель, яку він оприлюднював, вважатимуться середньовічними європейськими та ісламськими вченими каноном протягом наступної тисячі років.

Однак ще до наукової революції (приблизно з 16 по 18 століття) астрономи запропонували геліоцентричну модель Всесвіту - там, де Земля, планети та зірки обертаються навколо Сонця. Серед них грецький астроном Арістарх Самоський (приблизно 310 - 230 рр. До н. Е.) Та елліністичний астроном і філософ Селевк Селевкийський (190 - 150 рр. До н.е.).

Протягом середньовіччя індійські, перські та арабські філософи та вчені підтримували та розширювали класичну астрономію. Окрім збереження живих птолемейських та неарістотелівських ідей, вони також пропонували такі революційні ідеї, як обертання Землі. Деякі вчені - такі як індійський астроном Аріябхата та перські астрономи Альбамасар та Аль-Сіджзі - навіть вдосконалені версії геліоцентричної Всесвіту.

До 16 століття Ніколаус Коперник запропонував найбільш повну концепцію геліоцентричної Всесвіту шляхом вирішення затяжних математичних задач з теорією. Його ідеї вперше були висловлені в рукописі на 40 сторінок під назвою Commentariolus ("Маленький коментар"), де описана геліоцентрична модель, заснована на семи загальних принципах. Ці сім принципів зазначають, що:

Небесні тіла не всі обертаються навколо однієї точки
Центр Землі - це центр місячної сфери - орбіта Місяця навколо Землі; всі сфери обертаються навколо Сонця, яке знаходиться поблизу центру Всесвіту
Відстань між Землею та Сонцем - незначна частка відстані від Землі та Сонця до зірок, тому паралакс у зірок не спостерігається
Зірки нерухомі - їх очевидний щоденний рух зумовлений щоденним обертанням Землі
Земля переміщується у сфері навколо Сонця, викликаючи очевидну щорічну міграцію Сонця
Земля має більше одного руху
Орбітальний рух Землі навколо Сонця призводить до зовнішнього зворотного напрямку руху планет.

Більш всебічне трактування його ідей було випущено в 1532 р., Коли Коперник завершив свій магнум опус - De revolutionibus orbium coelestium (Про революції Небесних Сфер). У ньому він висунув свої сім основних аргументів, але в більш детальній формі та з детальними обчисленнями, щоб їх підкріпити. Через побоювання переслідування та люту, цей том не був виданий до його смерті в 1542 році.

Його ідеї будуть вдосконалені математиками 16-17 століття, астрономом та винахідником Галілео Галілеєм. Використовуючи телескоп власного творіння, Галілей робив записані спостереження за Місяцем, Сонцем та Юпітером, які демонстрували вади геоцентричної моделі Всесвіту, демонструючи також внутрішню узгодженість моделі Копернікана.

Його спостереження були опубліковані в декількох різних томах протягом початку 17 століття. Його спостереження над крейдованою поверхнею Місяця та його спостереженнями Юпітера та його найбільших лун були детально описані в 1610 р. Сидерей Нунцій (Зоряний вісник) в той час як його спостереження були сонячними плямами, описані в На плямах, що спостерігаються на сонці (1610).

Галілей також записав свої спостереження щодо Чумацького Шляху в с Зоряний месенджер, який раніше вважався неясним. Натомість Галілей виявив, що це безліч зірок, зібраних настільки щільно разом, що здалека здається схожими на хмари, але це насправді зорі, що набагато далі, ніж вважалося раніше.

У 1632 році Галілей нарешті звернувся до «Великої дискусії» у своєму трактатіДіалогове сопра та завдяки масовим системам дель Мондо (Діалог щодо двох головних світових систем), в якій він виступав за геліоцентричну модель над геоцентричною. Використовуючи власні телескопічні спостереження, сучасну фізику та сувору логіку, аргументи Галілея фактично підірвали основу системи Арістотеля та Птолемея для зростаючої та сприйнятливої аудиторії.

Йоганнес Кеплер удосконалив модель далі своєю теорією еліптичних орбіт планет. У поєднанні з точними таблицями, які прогнозували положення планет, модель Копернікана була ефективно доведена. Починаючи з середини XVII століття, астрономів було небагато, котрі не були коперниками.

Наступний великий внесок прийшов від сера Ісаака Ньютона (1642/43 - 1727), який працював із законами Кеплера про планетарний рух спонукав його до розробки теорії загальної гравітації. У 1687 році він опублікував свій відомий трактат Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica ("Математичні засади натурфілософії"), де детально описано його три закони руху. Ці закони зазначали, що:

При огляді в інерціальній системі відліку об'єкт або залишається в спокої, або продовжує рухатися з постійною швидкістю, якщо на нього не впливає зовнішня сила.
Векторна сума зовнішніх сил (F) на об’єкт дорівнює масі (м) цього об'єкта, помноженого на вектор прискорення (a) об'єкта. У математичній формі це виражається як: F =ма
Коли одне тіло чинить силу на друге тіло, друге тіло одночасно чинить силу, рівну за величиною і протилежну за напрямом на перше тіло.

Разом ці закони описували взаємозв'язок між будь-яким об'єктом, силами, що діють на нього, і рухом, що виникає, тим самим заклавши основу класичної механіки. Закони також дозволили Ньютону обчислити масу кожної планети, обчислити сплющення Землі на полюсах та опуклість на екваторі та те, як гравітаційне тягнення Сонця та Місяця створює припливи Землі.

Його методика геометричного аналізу, схожа на числення, також змогла врахувати швидкість звуку в повітрі (заснована на законі Бойла), прецедент рівнодення - який він показав, як результат гравітаційного тяжіння Місяця до Землі - і визначити орбіти комет. Цей обсяг мав би глибокий вплив на науки, його принципи залишатимуться каноном протягом наступних 200 років.

Ще одне велике відкриття відбулося в 1755 р., Коли Іммануїл Кант запропонував, що Чумацький Шлях - це велика колекція зірок, яка тримається разом взаємною силою тяжіння. Так само, як Сонячна система, ця колекція зірок оберталася б і сплющувалася як диск, із Сонячною системою, вбудованою всередину неї.

У 1785 році астроном Вільям Гершель спробував намітити форму Чумацького Шляху, але він не зрозумів, що великі ділянки галактики затьмарені газом і пилом, що приховує її справжню форму. Наступний великий стрибок у вивченні Всесвіту та законів, які керують ним, відбувся лише в 20 столітті, з розвитком теорій особливої та загальної відносності Ейнштейна.

Новаторські теорії про простір і час Ейнштейна (підсумовані просто як E = mc²) почасти були результатом його спроб розв'язати закони механіки Ньютона із законами електромагнетизму (як характеризують рівняння Максвелла та закон сили Лоренца). Врешті-решт Ейнштейн вирішить невідповідність між цими двома сферами, запропонувавши особливу відносність у своєму документі 1905 р. "Про електродинаміку рухомих тіл“.

В основному ця теорія заявляла, що швидкість світла однакова у всіх інерційних системах відліку. Це розірвалося з дотриманим раніше консенсусом, що світло, що рухається через рухоме середовище, буде перетягуватися цим середовищем, що означало, що швидкість світла є сумою його швидкості наскрізь середній плюс швидкість з що середовище. Ця теорія призвела до багатьох питань, які виявилися непереборними до теорії Ейнштейна.

Особлива відносність не тільки узгодила рівняння Максвела для електрики та магнетизму із законами механіки, але й спростила математичні розрахунки, усунувши сторонні пояснення, які використовували інші вчені. Це також зробило існування середовища абсолютно зайвим, відповідно до безпосередньо спостерігається швидкості світла, і враховувало спостережувані аберації.

У період з 1907 по 1911 рік Ейнштейн почав розглядати, як спеціальну відносність можна застосувати до гравітаційних полів - що стане відомим як теорія загальної відносності. Це завершилося в 1911 р. Публікаціями "Про вплив гравітації на поширення світла", В якому він передбачив, що час відносно спостерігача і залежить від їх положення в гравітаційному полі.

Він також просунув те, що відомо як "Принцип еквівалентності", який говорить, що гравітаційна маса ідентична інерційній масі. Ейнштейн також передбачив явище гравітаційного розширення часу - коли два спостерігачі, розташовані на різній відстані від гравітаційної маси, сприймають різницю в часі між двома подіями. Іншим значним зростанням його теорій було існування Чорних дірок і Всесвіту, що розширюється.

У 1915 році, через кілька місяців після того, як Ейнштейн опублікував свою «Теорію загальної відносності», німецький фізик і астроном Карл Шварцшильд знайшов рішення рівнянь Ейнштейна, де описано поле гравітації точки і сферичної маси. Це рішення, яке тепер називається радіусом Шварцшильда, описує точку, коли маса кулі настільки стиснута, що швидкість втечі з поверхні дорівнювала б швидкості світла.

У 1931 р. Індійсько-американський астрофізик Субрахманян Чандрасехар підрахував, використовуючи Спеціальну відносність, що не обертається тіло електрон-виродженої речовини вище певної обмежувальної маси обвалиться саме на себе. У 1939 р. Роберт Оппенгеймер та інші погодилися з аналізом Чандрасехара, стверджуючи, що нейтронні зірки вище встановленої межі впадуть у чорні діри.

Іншим наслідком загальної відносності було передбачення, що Всесвіт перебуває або в стані розширення, або в стисканні. У 1929 році Едвін Хаббл підтвердив, що це було так. At the time, this appeared to disprove Einstein’s theory of a Cosmological Constant, which was a force which “held back gravity” to ensure that the distribution of matter in the Universe remained uniform over time.

To this, Edwin Hubble demonstrated using redshift measurements that galaxies were moving away from the Milky Way. What’s more, he showed that the galaxies that were farther from Earth appeared to be receding faster – a phenomena that would come to be known as Hubble’s Law. Hubble attempted to constrain the value of the expansion factor – which he estimated at 500 km/sec per Megaparsec of space (which has since been revised).

And then in 1931, Georges Lemaitre, a Belgian physicist and Roman Catholic priest, articulated an idea that would give rise to the Big Bang Theory. After confirming independently that the Universe was in a state of expansion, he suggested that the current expansion of the Universe meant that the father back in time one went, the smaller the Universe would be.

In other words, at some point in the past, the entire mass of the Universe would have been concentrated on a single point. These discoveries triggered a debate between physicists throughout the 1920s and 30s, with the majority advocating that the Universe was in a steady state (i.e. the Steady State Theory). In this model, new matter is continuously created as the Universe expands, thus preserving the uniformity and density of matter over time.

After World War II, the debate came to a head between proponents of the Steady State Model and proponents of the Big Bang Theory – which was growing in popularity. Eventually, the observational evidence began to favor the Big Bang over the Steady State, which included the discovery and confirmation of the CMB in 1965. Since that time, astronomers and cosmologists have sought to resolve theoretical problems arising from this model.

In the 1960s, for example, Dark Matter (originally proposed in 1932 by Jan Oort) was proposed as an explanation for the apparent “missing mass” of the Universe. In addition, papers submitted by Stephen Hawking and other physicists showed that singularities were an inevitable initial condition of general relativity and a Big Bang model of cosmology.

In 1981, physicist Alan Guth theorized a period of rapid cosmic expansion (aka. the “Inflation” Epoch) that resolved other theoretical problems. The 1990s also saw the rise of Dark Energy as an attempt to resolve outstanding issues in cosmology. In addition to providing an explanation as to the Universe’s missing mass (along with Dark Matter) it also provided an explanation as to why the Universe is still accelerating, and offered a resolution to Einstein’s Cosmological Constant.

Significant progress has been made in our study of the Universe thanks to advances in telescopes, satellites, and computer simulations. These have allowed astronomers and cosmologists to see farther into the Universe (and hence, farther back in time). This has in turn helped them to gain a better understanding of its true age, and make more precise calculations of its matter-energy density.

The introduction of space telescopes – such as the Cosmic Background Explorer (COBE), the Hubble Space Telescope, Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) and the Planck Observatory – has also been of immeasurable value. These have not only allowed for deeper views of the cosmos, but allowed astronomers to test theoretical models to observations.

For example, in June of 2016, NASA announced findings that indicate that the Universe is expanding even faster than previously thought. Based on new data provided by the Hubble Space Telescope (which was then compared to data from the WMAP and the Planck Observatory) it appeared that the Hubble Constant was 5% to 9% greater than expected.

Next-generation telescopes like the James Webb Space Telescope (JWST) and ground-based telescopes like the Extremely Large Telescope (ELT) are also expected to allow for additional breakthroughs in our understanding of the Universe in the coming years and decades.

Without a doubt, the Universe is beyond the reckoning of our minds. Our best estimates say hat it is unfathomably vast, but for all we know, it could very well extend to infinity. What’s more, its age in almost impossible to contemplate in strictly human terms. In the end, our understanding of it is nothing less than the result of thousands of years of constant and progressive study.

And in spite of that, we’ve only really begun to scratch the surface of the grand enigma that it is the Universe. Perhaps some day we will be able to see to the edge of it (assuming it has one) and be able to resolve the most fundamental questions about how all things in the Universe interact. Until that time, all we can do is measure what we don’t know by what we do, and keep exploring!

To speed you on your way, here is a list of topics we hope you will enjoy and that will answer your questions. Good luck with your exploration!