Vesmír či kosmos (z řeckého κόσμος, ozdoba, šperk ale později také vše uspořádané, řádné a jisté, vesmír) je souhrnné označení veškeré hmoty, energie a časoprostoru, který je obsahuje Zahrnuje tedy hvězdy, planety, galaxie, mezigalaktický prostor, temnou hmotu a další. V užším smyslu se vesmír také někdy užívá jako označení pro kosmický prostor, tedy část/díl vesmíru mimo Zemi. Díky měření evropského kosmického dalekohledu Planck mezi lety 2009 a 2013 se výrazně zpřesnil odhad stáří vesmíru, to se nyní odhaduje na přibližně 13,799 ± 0,021 miliardy let. Rozpíná se rychlostí asi 75 km/s na Mpc.

 

Historie

Během historie lidstva vzniklo několik kosmologií a kosmogonií pro pozorovatelný vesmír. Nejstarší kvantitativní geocentrické modely vznikly ve starověkém Řecku. Předpokládaly, že vesmír je v prostoru konečný a existuje věčně, a obsahuje soubor soustředných sfér konečných velikostí – které odpovídají stálicím, Slunci a různým planetám – rotujících kolem kulaté, ale nehybné Země. V průběhu staletí, díky přesnějším měřením a lepším teoriím gravitace vedl vývoj k heliocentrickému modelu Sluneční soustavy Mikuláše Koperníka a k modelu vesmíru Isaaca Newtona. Další vývoj astronomie přinesl poznání, že Sluneční soustava je součástí galaxie složené z miliard hvězd, Mléčné dráhy, a že mimo Mléčnou dráhu existují v dosahu astronomických přístrojů jiné galaxie. Pečlivé studium rozložení těchto galaxií a jejich spektrálních čar vedlo ke vzniku moderní kosmologie. Objevy rudého posuvu v roce 1924 Edwinem Hubblem a reliktního záření v roce 1964 Arnem Penziasem a Robertem Wilsonem ukázaly, že vesmír se rozpíná, a že měl patrně svůj počátek.

Podle dnes převládajícího vědeckého modelu vesmíru, známého jako Velký třesk, se vesmír začal rozpínat v tzv. Planckově čase z extrémně horkého a hustého bodu, v němž byla soustředěna veškerá hmota a energie pozorovatelného vesmíru. Od Planckova času se vesmír rozšířil do dnešní podoby, po velice krátkou dobu (méně než 10⁻³² sekundy) trvala kosmická inflace. Několik nezávislých experimentálních měření tuto teoretickou inflaci i teorii velkého třesku podpořilo. Nedávná pozorování ukazují, že rychlost rozpínání vesmíru se zvětšuje, a to díky temné energii (energii vakua), o níž první data získal v 1933 švýcarsko-americký astronom Fritz Zwicky: většina hmoty ve vesmíru se vyskytuje ve formě, kterou nelze zjistit současnými přístroji, a proto není zahrnuta v současných modelech vesmíru, což je případ temné hmoty. Nepřesnosti současných pozorování vesmíru nedovolují předpovědět konečný osud vesmíru.

Současný výklad astronomických pozorování ukazuje, že stáří vesmíru je 13,799 ±0,021 miliardy let a že průměr pozorovatelného vesmíru je minimálně 93 miliard světelných let čili 8,80×10²⁶ metrů. Podle obecné teorie relativity se prostor může rozšiřovat rychlostí větší, než je rychlost světla, a proto můžeme pozorovat jen malou část vesmíru v důsledku omezené rychlosti světla. Protože nemůžeme pozorovat prostor ve vzdálenosti větší než dokázalo uletět světlo (či jakékoli jiné elektromagnetické záření) od velkého třesku, není jisté, zda velikost vesmíru je konečná nebo nekonečná. 

Etymologie, synonyma a definice

České slovo vesmír pochází z ruského slova весь мир (ves mir – „celý svět“), které se začalo používat v době národního obrozenímísto staročeského vesvět. Anglické slovo pro vesmír (universe) pochází ze starofrancouzského slova univers, a to z latinského slova universum. Toto slovo používal Cicero i pozdější autoři latinských textů ve stejném smyslu, jako se dnes používá slovo vesmír. Latinské slovo pochází z poetického zkrácení slova unvorsum, poprvé použitého v Lukreciově knize De rerum natura (O přírodě) IV.262. 

Alternativní výklad slova unvorsum je „vše se otáčí jako jedno“, nebo „vše je otáčeno jedním“. V tomto smyslu může být slovo překladem staršího řeckého slova pro vesmír, περιφορά, „něco přepravovat v kruhu“, které původně znamenalo roznášení jídla v kruhu hostů. Toto řecké slovo odkazuje na časné řecké modely vesmíru. Ohledně Platónovy metafory o Slunci Aristotelés uvažoval o tom, že rotace nejvzdálenější sféry stálic prostřednictvím Slunce působí pohyb a změny na Zemi. Řekové celkem přirozeně předpokládali, že Země je pevná a že se nebe otáčí kolem ní, a teprve důmyslná astronomická a fyzikální měření (jako Foucaultovo kyvadlo) musela prokázat opak.

Velikost, stáří, obsah, struktura a zákony vesmíru

Oblast vesmíru viditelná ze Země (pozorovatelný vesmír) je koule o poloměru přibližně 46 miliard světelných let,; (celý vesmír podle nejnovějších odhadů má zhruba 96 miliard světelných let). Poloměr byl určen z nejvzdálenějších viditelných objektů se zahrnutím rozpínání vesmíru. Pro srovnání: typická galaxie má průměr přibližně 30 000 světelných let a obvyklá vzdálenost mezi dvěma sousedními galaxiemi je 3 milióny světelných let. Například naše Galaxie má průměr zhruba 100 000 světelných let, a galaxie v Andromedě se nachází zhruba ve vzdálenosti 2,5 milionů světelných let od Mléčné dráhy. V pozorovaném vesmíru existuje pravděpodobně více než 100 miliard (10¹¹) galaxií. V roce 2016 britští astronomové odhadli počet galaxií na více než jeden bilion. Velikosti galaxií se pohybují od trpasličích galaxií s méně než deseti miliony (10⁷) hvězd, až po obří eliptické galaxie s biliónem (10¹²) hvězd, všechny se otáčejí kolem těžiště ve středu galaxie. Z velice hrubého odhadu vyplývá, že v pozorovatelném vesmíru je kolem jedné triliardy hvězd (10²¹), nicméně v roce 2010 astronomové zveřejnili studii, která došla k číslu 300 triliard hvězd (3×10²³). 

Pozorovatelná hmota ve vesmíru je rozšířena rovnoměrně (homogenně), pokud se berou průměrné hodnoty ve vzdálenostech větších než 300 miliónů světelných let. Nicméně v menším měřítku pozorujeme, jak se hmota hierarchicky „shlukuje“: atomy do hvězd, většina hvězd do galaxií, většina galaxií do kup galaxií, kupy se sdružují v nadkupách galaxií, tvoří vlákna (filamenty) o velikosti desítek až stovek milionů světelných let a nakonec tu jsou největší struktury ve vesmíru, jako je např. Sloanova velká zeď galaxií. Také pozorovatelná hmota je ve vesmíru rozložena izotropně, což znamená, že vesmír se jeví ve všech směrech pozorování stejný, v každém směru pozorování tedy obsahuje přibližně stejné množství objektů. Ve vesmíru se vyskytuje rovněž izotropní mikrovlnné záření, které odpovídá tepelné rovnováze spektra záření černého tělesa o teplotě asi 2,725 Kelvinů. Hypotéza, že celý vesmír je homogenní a izotropní, je známa jako kosmologický princip a astronomická pozorování ji podporují.

Současný vesmír má velmi nízkou celkovou hustotu, zhruba 9,9×10⁻³⁰ gramů na centimetr krychlový. Tato hmota a energie je rozdělena na 74 % temné energie, 22 % chladné temné hmoty a 4 % baryonové (běžné) hmoty. Na čtyři metry krychlové připadá jeden atom vodíku. Vlastnosti temné energie a temné hmoty jsou z velké části neznámé. Temná hmota podléhá gravitaci stejně jako obyčejná hmota a tudíž zpomaluje expanzi vesmíru, naopak temná energie toto rozpínání urychluje.

Nejpřesnější odhad věku vesmíru, 13,799±0,021 miliardy let, vznikl na základě pozorování reliktního kosmického mikrovlnného záření. Nezávislé odhady (založené například na radioaktivním datování) věku vesmíru mají sice menší přesnost, přesto potvrdily věk 11–20 miliard let, či 13–15 miliard let. Vesmír nebyl stejný po celou dobu své existence; například poměr mezi populacemi kvasarů a galaxií se změnil a sám prostor se patrně rozšířil. Tato expanze umožnila, že pozemští vědci mohou pozorovat světlo z galaxie vzdálené třicet miliard světelných let od Země, a to i v případě, že světlo k nám cestovalo pouhých třináct miliard roků. Tato expanze je v souladu s pozorováním, že fotony emitované ze vzdálených galaxií mají posunutou vlnovou délku do červeného oboru spektra a nižší frekvenci. Rychlost prostorové expanze vesmíru se zrychluje, jak ukazuje studium supernov typu Ia a expanze byla potvrzena i dalším pozorováním. Novější výzkum s mnohem větším počtem supernov typu Ia však zrychlenou expanzi zpochybnil. 

Vesmír se podle pozorování řídí souborem fyzikálních zákonů a fyzikálních konstant. Podle převažujícího standardního modelu fyziky se veškerá hmota skládá ze tří generací leptonů a kvarků, což jsou fermiony. Tyto elementární částice spolu interagují prostřednictvím nejvýše tří základních interakcí: elektroslabé interakce, která zahrnuje elektromagnetismus a slabou jadernou sílu, silnou jadernou sílou, jak ji popisuje kvantová chromodynamika, a gravitaci, která se v současné době dá nejlépe popsat obecnou teorií relativity. První dvě interakce mohou být popsány renormalizovanou kvantovou teorií pole, interakce zprostředkovávají kalibrační bosony, které odpovídají určité kalibrační symetrii. Renormalizované kvantové teorie obecné relativity dosud nebylo dosaženo, i když různé formy teorie strun jsou nadějné. Speciální teorie relativitymá platnost v celém vesmíru, za předpokladu, že prostorové a časové délky jsou dostatečně malé, jinak musí být použita obecná teorie relativity. Neexistuje žádné vysvětlení pro konkrétní hodnoty fyzikálních konstant, jako je Planckova konstanta h nebo gravitační konstanta G a jeví se, že jsou platné v celém vesmíru. Platí zákony zachování, jako např. zákon zachování náboje, hybnosti, momentu hybnosti a energie; v mnoha případech mohou tyto zákony zachování souviset se symetrií a matematickou identitou.