pienoiskuva|Kokoomakuva havaittavissa olevasta maailmankaikkeudesta logaritmisessa etäisyysmittakaavassa
Maailmankaikkeus () eli kaikkeus eli universumi tarkoittaa kaiken olemassa olevan kokonaisuutta. Maailmankaikkeus käsittää avaruuden ja siinä olevan aineen ja energian.
Maailmankaikkeutta määriteltäessä erotetaan toisistaan havaittava maailmankaikkeus ja koko maailmankaikkeus. Havaittava maailmankaikkeus tarkoittaa maailmankaikkeuden havaitsijalle näkyvää osaa. Havaittava maailmankaikkeus on alue, jolta tuleva valo on ehtinyt saavuttaa Maan. Nykyhetkellä havaittavan maailmankaikkeuden halkaisijaksi on arvioitu 93 miljardia valovuotta. Kaikki tieto maailmankaikkeudesta perustuu havaittavaan maailmankaikkeuteen. Maailmankaikkeutta voi tutkia, mutta koko maailmankaikkeuden kokoa ei voi havaita. Koko maailmankaikkeudesta on kuitenkin mahdollista luoda teoreettisia malleja, esimerkiksi alkuräjähdysteoria. Kaikkeuden syntyä, rakennetta ja kehitystä tutkiva tieteenala on nimeltään kosmologia.
Alkuräjähdysteoria on käsitys maailmankaikkeuden synnystä ja kehityksestä. Teorian mukaan maailmankaikkeus syntyi äärimmäisen tiheästä ja kuumasta tilasta noin 13,82 miljardia vuotta (= 13,82 Ga) sitten ja on siitä lähtien laajentunut jatkuvasti. Mittaukset tukevat tätä teoriaa Einsteinin teorioiden mukaisessa maailmassa.
Maailmankaikkeuden lopullisesta tulevaisuudesta ei ole toistaiseksi päästy selvyyteen. Tiedetään kuitenkin, että maailmankaikkeuden alun perin hidastuva laajenemistahti on muuttunut kiihtyväksi joitain miljardeja vuosia sitten. Todennäköisesti tulevaisuudessa maailmankaikkeus laajenee kiihtyvästi kohti aina vain viileämpää ja harvempaa olotilaa, mikä johtanee lopulta lämpökuolemaan.
Käsityksen ja tutkimuksen historia pienoiskuva|Hubble Ultra Deep Field -kuva, Hubble-avaruusteleskoopilla otettu syvä taivaan kuva. Syvin koskaan otettu taivaan kuva on Hubble Extreme Deep Field, tarkennus pieneen osaan Hubble Ultra Deep Fieldin keskellä. Käsitys maailmankaikkeudesta on muuttunut voimakkaasti historian aikana. Ensimmäiset mallit olivat erilaisia myyttejä korkeamman voiman luomasta maailmankaikkeudesta. Tähtitieteellisten havaintovälineiden kehittyminen on johtanut yhä tarkentuvaan tieteelliseen maailmankuvaan aina maakeskisestä maailmankuvasta nykyaikaisiin malleihin, kuten yleiseen suhteellisuusteoriaan ja alkuräjähdysteoriaan. Käsitys maailmankaikkeudesta muuttuu edelleen uusien löytöjen valossa ja teorioita on useita.
Uskonnolliset myytit ja kertomukset Useissa kulttuureissa kautta historian esiintyy luomismyyttejä tai kertomuksia varhaisina selityksinä maailman tai maailmankaikkeuden synnystä. Näissä myyteissä on usein toistuvia teemoja, joista yksi tyypillisimmistä on pirstoutuvasta alkumunasta syntyvä maailma. Esimerkiksi kiinalaisessa mytologiassa ensimmäinen elävä olento, P'An Ku, kehittyy jättimäisen kosmisen alkumunan sisällä yhdessä luonnon aineiden kanssa. Olento kuitenkin kuolee munan kuoriutuessa, mutta jäänteet viimeistelevät syntyvän maailman, esimerkiksi Aurinko ja Kuu syntyvät olion silmistä. Myytti alkumunasta esiintyy myös Suomen kansalliseepoksessa Kalevalassa.
Toinen yleinen myytti on jokin jumalolennon teko, joka vaikuttaa maailman syntyyn tyhjyydestä, järjestäytymättömänä tai järjestyneenä. Esimerkiksi egyptiläisessä mytologiassa ensimmäinen jumala, Atum, aloittaa luomistyönsä sisaristaan. Myös Raamatun luomiskertomus on tunnettu esimerkki luojajumalan sisältävästä luomiskertomuksesta. Joissakin myyteissä jumalolento saattaa varsinaisen teon sijaan luoda maailman vain ajattelemalla sitä, ja mahdollista on myös maailman hidas ja asteittainen luominen useiden jumalsukupolvien aikana, kuten kreikkalaisessa mytologiassa. Jokainen sukupolvista vaikuttaa omalta osaltaan maailman syntyyn.
Yleinen luomismyyttien teema on myös maailman syntyminen kahden, vastakkaista sukupuolta olevan jumalolennon, joita tyypillisesti kuvataan maana ja taivaana, sukupuolisesta kanssakäymisestä. Maailma saattaa syntyä myös jumalolennon kuolleesta ruumiista, kuten skandinaavisessa mytologiassa, jossa maailma syntyy kuolleen jääjättiläisen Ymirin ruumiinosista.
Varhaiset filosofiset mallit maailmankaikkeudesta on hyvä erottaa uskonnollisista myyteistä. Antiikin filosofiassa ajatuksen maailmankaikkeuden selittämisestä myyteillä hylkäsivät jo esisokraatikot, jotka painottivat sen sijaan järjen ja todisteiden merkitystä. Heidän keskuudessaan maailman toiminnasta esiintyi useita erilaisia ajatuksia, joista yksikään ei saavuttanut yleistä hyväksyntää. Esimerkiksi Thales piti kaiken perustana vettä, Anaksimeneen mukaan taas kaikki oli selitettävissä ilman tiheyden muuttumisella. Tunnetuimpiin esisokraatikkojen teorioihin kuuluu Demokritoksen ajatus siitä, että kaikki aine koostui jakamattomista osasista.
Varhaiset tieteelliset mallit pienoiskuva|left|1700-luvun kaiverrus aurinkokeskisestä maailmankuvasta Tähtitieteilijät tekivät tähtitieteellisiä havaintoja jo muinaisissa Kiinan ja Egyptin kulttuureissa.Nicolson & Moore 1992, s. 5 Myös antiikin Kreikassa tehtiin havaintoihin perustuvaa, empiiristä tutkimusta maailmankaikkeudesta, ja siellä tähtitiede sai varsinaisen tieteen aseman. Maakeskinen maailmankuva, johon muun muassa Aristoteles ja Ptolemaios uskoivat, oli yleinen käsitys. Mallissa maailmankaikkeuden (Aurinkokunnan) keskipisteeksi ajateltiin Maa, jota Aurinko ja muut planeetat kiersivät omilla kehillään. Uloimpana oli tähtien pallo. Vastakkaisiakin näkemyksiä esitettiin, ja esimerkiksi Aristarkhos uskoi Maan kiertävän Aurinkoa. Näkemykset eivät kuitenkaan saaneet maakeskistä maailmankuvaa suurempaa kannatusta.
Ennen tieteellistä vallankumousta Aristoteleen ja Ptolemaioksen maakeskinen maailmankuva oli edelleen yleisesti hyväksytty malli maailmankaikkeudesta. 1500-luvulla sen kuitenkin alkoi syrjäyttää aurinkokeskinen maailmankuva, jonka tunnetuimpiin varhaisiin kannattajiin kuului puolalainen tähtitieteilijä Nikolaus Kopernikus. Myös kaukoputken keksiminen 1600-luvulla vaikutti maailmankuvaan, sillä vakiintui käsitys, että tähdet ovat Aurinkoon verrattavia taivaankappaleita. Tähän myötävaikutti suuresti Isaac Newtonin vuonna 1687 julkaisema teos Philosophiae Naturalis Principia Mathematica.Nicolson & Moore 1992, s. 8 Myöhemmät tieteilijät omaksuivat nämä ajatukset. Newtonin fysiikan mukaan kaikkeuden ajateltiin olevan äärettömässä euklidisessa avaruudessa sijaitseva järjestelmä, jonka massapisteet (galaksit tai galaksijoukot) vaikuttavat toisiinsa vetovoimalain mukaisesti. Newtonin fysiikka riittää edelleen kaikkiin käytännön tarpeisiin.Nicolson ja Moore 1992, s. 101
1900-luvun alkupuolella erityisesti Edwin Hubblen tekemien havaintojen perusteella selkeni myös näkemys siitä, että Linnunrata ei ole ainoa galaksi, ja maailmankaikkeus on paljon aiempia arvioita suurempi. Oli tapahtunut muutos kaiken keskipisteenä olevasta Maasta siihen, että aurinkokuntamme, ja jopa galaksimme on vain häviävän pieni maailmankaikkeuden osa. Nykyaikainen kosmologia sai alkunsa, kun Albert Einstein esitti yleisen suhteellisuusteoriansa vuonna 1915. Kun yksittäisillä tähdillä ja galakseilla havaittiin spektriviivojen punasiirtymää, ilmiö tulkittiin etääntyvän liikkeen aiheuttamaksi Dopplerin ilmiöksi. Näin syntyi nykyinen tieteellinen käsitys laajenevasta maailmankaikkeudesta. Nykyään tiedetään myös, että suurin osa galakseista on ryhmittynyt galaksijoukoiksi, jotka puolestaan muodostavat superjoukkoja ja edelleen useista superjoukosta koostuvia galaksimuureja, maailmankaikkeuden suurimpia tunnettuja rakenteita.
Nykymalleja Nykyisin kaikkia maailmankaikkeuden fysikaalisia ilmiöitä kuvaa parhaiten hiukkasfysiikan standardimalliksi kutsuttu teoria, jossa fysikaalisia ilmiöitä voidaan kuvata neljällä perusvuorovaikutuksella: vahvalla vuorovaikutuksella, heikolla vuorovaikutuksella, sähkömagneettisella vuorovaikutuksella ja gravitaatiolla. Vain gravitaatio vaikuttaa merkittävästi maailmankaikkeuden suuren mittakaavan rakenteeseen, sillä vahvan ja heikon vuorovaikutuksen kantama riittää vaikuttamaan vain atomia pienempiin osasiin, ja suuren mittakaavan sähkömagneettiset varaukset kumoavat usein toisensa.
Yleinen suhteellisuusteoria ja aika-avaruus
pienoiskuva|vasen|Massa aiheuttaa aika-avaruuden kaareutumisen. Parhaiten gravitaatiota ja sen vaikutusta maailmankaikkeudessa kuvaa Albert Einsteinin vuonna 1915 esittämä (julkaistu 1916) yleinen suhteellisuusteoria, joka on erityisen suhteellisuusteorian laajennus. Teoria selittää gravitaation kappaleiden massan aiheuttamana aika-avaruuden kaareutumisena ja on edelleen yksi modernin fysiikan keskeisimmistä kulmakivistä. Newtonin mekaniikan tavoin myös yleisessä suhteellisuusteoriassa kappaleet pyrkivät ”luonnostaan” kulkemaan suoraa rataa.Hawking 2001, s. 34 Yleisessä suhteellisuusteoriassa aika-avaruuden kaareutumista kuvaavat yhtälöt voidaan yksinkertaisimmillaan esittää muodossa
jossa G on aika-avaruuden kaareutuminen pisteessä ja T pisteessä sijaitseva massa ja sen ominaisuudet. Tällainen määritelmä on kuitenkin lähes hyödytön käytännön laskuissa, joten yhtälö jaetaankin usein kymmeneen monimutkaiseen Einsteinin kenttäyhtälöön, joista jokainen sisältää useita muuttujia.
Suhteellisuusteoria kumosi 1800-luvulla yleisen teorian avaruuden täyttävästä eetteristä. Eetteriteoria selitti valon ja muun sähkömagneettisen säteilyn niin, että ne etenisivät eetterissä samaan tapaan kuin ääni ilmassa.Hawking 2001, s. 4 Suhteellisuusteorian mukaan fysiikan lait, kuten valonnopeuden arvo, ilmenevät samanlaisina kaikille havaitsijoille heidän liiketilastaan riippumatta.Hawking 2001, s. 9.
Suhteellisuusteorian mukaan massa ja energia kaareuttavat neliulotteista aika-avaruutta, minkä me havaitsemme gravitaationa. Tämä todistettiin vuonna 1919 tarkkailemalla auringonpimennyksen aikana aivan lähellä Auringon kiekon reunaa näkyvien kaukaisten kohteiden havaittua siirtymistä: Auringon massa oli kaareuttanut aika-avaruutta, joten myös valonsäteiden kulkusuunta taittui hieman.Hawking 2001, s. 20–21
Koska Einstein ei saanut yhtälöitään käymään yksiin muuttumattoman maailmankaikkeuden (ns. jatkuva luominen)Nicolson ja Moore, s. 108 kanssa, hän lisäsi niihin kosmologisen vakion, eräänlaisen vastagravitaation, joka venytti aika-avaruutta päinvastaiseen suuntaan. Vaikka Einstein itse myöhemmin pitikin kosmologista vakiota pahana virheenä, se sopii silti nykyfysiikkaan, sillä maailmankaikkeuden kiihtyvän laajenemisen aiheuttavan voiman, pimeän energian, olemassaoloa pidetään nykyään lähes varmana.
Alkuräjähdysteoria ja laajeneva maailmankaikkeus
Alkuräjähdysteoria on kosmologiassa yleisesti hyväksytty malli, jonka mukaan maailmankaikkeus syntyi äärimmäisen kuumasta ja tiheästä alkutilasta, Planckin epookista, noin 13,82 miljardia vuotta sitten. Tämän jälkeen maailmankaikkeus on laajentunut nykytilaansa. Laajenemisen alkuvaiheissa on mahdollisesti tapahtunut kosminen inflaatio, hyvin pienen ajanjakson kestänyt äärimmäisen nopea laajeneminen. Inflaatio selittäisi kosmisen taustasäteilyn lämpötilaerot. Nopean laajenemisen vaiheen takia ne eivät olisi ehtineet tasoittua.Hawking 2001, s. 92. Mahdollisen inflaation jälkeen laajeneminen oli ensimmäisten muutamien miljardien vuosien ajan hidastuvaa. Nykyisin maailmankaikkeus vaikuttaisi laajenevan kiihtyvällä vauhdilla pimeän energian vaikutuksesta. Suurimman osan maailmankaikkeuden massaenergiasta uskotaan olevan juuri pimeää energiaa.
thumb|350px|Nykyinen näkemys maailmankaikkeuden alkuperästä ja laajenemisesta.