mini|desno|300px|Model geocentričnog sustava: Peter Apian, Cosmographia (1540.).

mini|desno|300px|Model heliocentričnog sustava: Hypothesis Copernicana.

mini|desno|300px|Kretanje Sunca (žuto), Zemlje (plavo) i Marsa (crveno) prema heliocentričnom sustavu (lijevo) i geocentričnom sustavu (desno). Napomena: putanje planeta su kružnice prema Kopernikovom sustavu i putanja Marsa je 2 godine (umjesto stvarnih 1,88 godina) zbog jednostavnosti.

mini|desno|300px|Amisadukina Venerina tablica iz Babilonskog carstva (7. stoljeće pr. Kr.).

mini|desno|300px|Maglica Rakovica snimljena teleskopom Hubbleom (ustupila NASA/ESA).

300px|mini|desno|Newtonov zakon gravitacije: dva tijela se privlače uzajamno silom koja je proporcionalna (u skladu) umnošku njihovih masa, a obrnuto proporcionalna kvadratu njihove međusobne udaljenosti.

mini|300px|desno|Otklon zrake svjetlosti u gravitacijskom polju Sunca se mjeri pri pomrčini Sunca, kad je glavnina snažne Sunčeve svjetlosti zaklonjena. Prvi puta je to mjerenje izvršeno 29. svibnja 1919., čime je bila potvrđena Einsteineva teorija relativnosti.

mini|desno|300px|Crveni pomak (gore) i plavi pomak (dolje).

mini|300px|desno|Prema teoriji velikog praska, svemir se širi iz točke beskonačnog pritiska i gustoće (singularnosti).

mini|desno|300px|Mapa pozadinskog zračenja snimljena umjetnim satelitom COBE.

mini|desno|300px|Gravitacijske leće (slika sa Svemirskog teleskopa Hubble).

mini|desno|300px|Gravitacijski valovi naizmjenično sabijaju i rastežu prostor kroz koji prolaze.

Kozmologija je grana astronomije koja se bavi porijeklom, svojstvima i razvojem svemira u cjelini. Kozmologija ima dodirnih točaka s fizikom, filozofijom, pa čak i s teologijom, jer pokušava objasniti zašto je svemir upravo takav kakav jest. Mitovi o stvaranju, koji su postojali kod svih starih naroda, primjeri su pradavnih kozmologija. Današnja kozmologija se čvrsto zasniva na danas poznatim zakonima fizike.

Povijest kozmologije

Razdoblje 3500 pr. Kr. - 650 pr. Kr. Babilonci i stari Egipćani su vjerovali da život potječe od prvobitnog oceana. Prema Babiloncima, Tiamat, prva žena i Apsu, bog podzemnog oceana, začeli su boga neba koji se zvao Anou. Egipćani su vjerovali da je prvobitni ocean bio obitavalište prvog bića, Atuma, koji je kasnije nazvan bog Sunca (Ra).

(v. članak: Mitovi o stvaranju)

Razdoblje 650. pr. Kr. - 1500. Grčki su filozofi uveli revolucionarnu ideju da je svemir vođen zakonima koje je ljudski um u stanju pojmiti. Grčki astronom Tales iz Mileta (~625. pr. Kr. - ~547. pr. Kr.) je vjerovao da je voda primarni element svemira. Prema njemu, Zemlja, u obliku ravnog diska, pliva na prvobitnom oceanu. Anaksimandar (~610. pr. Kr. - ~547. pr. Kr.) je tvrdio da je svemir zasnovan na međudjelovanju suprotnosti (toplo/hladno, svijetlo/tamno...). Filozof Pitagora (~580. pr. Kr. - ~500. pr. Kr.) je vjerovao da je svemir vođen matematičkim zakonima s brojevima u osnovi svih pojava. Platon (~428. pr. Kr. - ~348. pr. Kr.) je postulirao sustav svijeta s dvije sfere, sa Zemljom u središtu. Eudoksus (~400. pr. Kr. - ~350. pr. Kr.) je kasnije broj sfera povećao na 27, a Aristotel (~348. pr. Kr. - ~322. pr. Kr.) ga je nadopunio. Aristotelov sustav je bio prihvaćen sve do 16. stoljeća. Oko 200. pr. Kr. je Aristarh iz Samosa predložio teoriju po kojoj Zemlja kruži oko Sunca, a ne obratno, međutim trebalo je čak 2000 godina da bude ozbiljno shvaćena.

Godine 1054. kineski astronomi su zabilježili pojavu "nove zvijezde" u zviježđu Bika koja se kroz cijeli mjesec mogla vidjeti i po danu. Po njihovim vrlo preciznim kartama, astronomi novijeg doba su u maglici M1 (Rakovica, Rakova maglica) prepoznali ostatke supernove koju su kinezi promatrali. Zanimljivo je da su, osim Kineza, nastanak Rakovice zabilježili i mnogi drugi narodi (američki starosjedioci), ali nitko iz "civilizirane" Europe.

Razdoblje 1500. – 1899. Godine 1543. poljski astronom Nikola Kopernik (1473. – 1543.) izdaje svoju knjigu "O revoluciji nebeskih sfera". Kopernik je izmijenio geocentrični sustav u heliocentrični sustav: pomaknuo Zemlju iz središta svemira i tamo postavio Sunce. Zemlja je tada postala samo jedan od planeta koji obilaze Sunce. Kopernikove ideje se nisu uklapale u crkvene dogme, pa su njegova djela izdana tek nakon njegove smrti.

Giordano Bruno izložio je kozmologiju (1584.) u kojoj Sunčev sustav nije središte svemira, već relativno beznačajan sustav među beskonačnim mnoštvom drugih.

Danski astronom Tycho Brahe (1546. – 1601.) je 1572. promatrao u zviježđu Kasiopeje "novu zvijezdu" koja je bila toliko sjajna da ju je bilo moguće vidjeti po danu tokom cijelog jednog mjeseca. Pošto zvijezda nije mijenjala svoj položaj prema ostalim zvijezdama, Brahe je zaključio da se nalazi iza planetne sfere. Danas znamo da je Brahe, kao i Kinezi 1054. godine, promatrao supernovu. Brahe je promatrao i veliki komet koji se pojavio 1577. godine. Pomoću paralakse je dokazao da se kometi nalaze izvan atmosfere, te daleko iza Mjeseca.

Talijanski matematičar Galileo Galilei (1564. – 1642.) je prvi negirao Aristotelovu tvrdnju da Zemljom i nebom vladaju različiti prirodni zakoni. Prema Galileiju, svemir mora biti vođen čovjeku dokučivim zakonima. Galileo je 1609. prvi iskoristio teleskop (izumljen za navigacijske svrhe) za promatranje neba. Njegova najznačajnija otkrića su Jupiterovi sateliti (4 najveća, kasnije nazvani galilejanski), faze Venere, te mjesečeve planine. Dokazao je da sva tijela (ako ne postoji otpor zraka) padaju jednakim ubrzanjem, bez obzira na težinu. Objavljivanja knjige u kojoj je podržao heliocentrični sustav imalo je za posljedicu kućni pritvor, po naredbi crkve.

Njemački matematičar Johannes Kepler (1571. – 1630.) je iskoristio precizna Braheova mjerenja za odgonetanje putanja planeta. Prema Kepleru, planeti se ne gibaju po kružnicama, već po elipsama, sa Suncem u jednom od žarišta (fokusa) elipse. Kepler je, nadalje, otkrio da se planeti brže gibaju kada su na dijelu putanje bliže Suncu, te otkrio matematičku vezu perioda ophoda planeta oko Sunca i njegove prosječne udaljenosti od Sunca.

Engleski fizičar Isaac Newton (1642. – 1727.) je uspio dokučiti fizikalne zakone koji drže planete u eliptičnim orbitama. Prema Newtonu, uzrokuje ih univerzalna sila gravitacije. Ova uvijek privlačna sila je proporcionalna masi obaju nebeskih tijela koje se privlače, te obrnuto proporcionalna kvadratu njihove međusobne udaljenosti. Newton je zamišljao potpuno deterministički svemir, vođen zakonima fizike, u kojem je sve unaprijed određeno. Newtonovi zakoni gibanja (1687.) omogućili su matematički opis gibanja i gravitacijskoga međudjelovanja nebeskih tijela.

William Herschel je na temelju promatranja i mjerenja izradio model Mliječne staze (1785.) u obliku diska sa Suncem u središtu. Heinrich Wilhelm Olbers postavio je Olbersov paradoks (1826.) prema kojem bi, da je svemir beskonačan, noćno nebo bilo jednoliko sjajno.

Moderna kozmologija

Einsteinova teorija relativnosti

Moderna kozmologija počinje 1915. s Albertom Einsteinom (1879. – 1955.) i njegovom specijalnom teorijom relativnosti u kojoj iznosi teoriju da ništa ne može putovati brže od svjetlosti. Kasnije, u općoj teoriji relativnosti, Einstein postulira princip ekvivalencije između gravitacije i akceleracije te principe relativnosti - po kojima zakoni fizike ne ovise o promatraču. Einstenove matematičke jednadžbe objašnjavaju vezu između zakrivljenosti svemira i rasporeda mase u svemiru. Prema Einsteinu, masa i prostor su u međudjelovanju: masa određuje zakrivljenost prostora, a zakrivljeni prostor određuje kako će se masa gibati. Nadalje, masa i energija su ekvivalentne: mogu se pretvarati jedna u drugu. Albert Einstein je u specijalnoj teoriji relativnosti pretpostavio da prostor i vrijeme nisu odvojeni (1905.), a u svojoj je kozmološkoj teoriji pretpostavio da je svemir statičan (1917.).

Teorija relativnosti dobila je svoju prvu potvrdu 1919., kada je za vrijeme potpune pomrčine Sunca izmjereno skretanje zrake svjetla jedne zvijezde. Naime, zvijezda je trebala biti iza Sunca, ali je ipak viđena izvan okvira Sunčeva diska. Doduše, valja napomenuti sljedeće: ne mali je broj fizičara i astronoma koji negiraju da su pokusi izvedeni 1919. na bilo koji način izmjerili defleksiju sunčanih zraka, nego se, po tim tvrdnjama, radi o grubim mjernim pogreškama koje su neadkvatno interpretirane. Kao potkrjepa takvih stavova navodi se činjenica da daljnji pokusi nisu uspjeli ponoviti taj ključni eksperiment. Ilustracija tih tvrdnji može se naći na sljedećim, engleskim jezikom napisanim Web stranicama: http://www.nature.com/embor/journal/v4/n3/full/embor779.html, http://www.newtonphysics.on.ca/EINSTEIN/Appendix2.html

Einstein se prihvatio i izazova nastanka svemira. U svom kozmološkom modelu iz 1917. uvodi u gravitacijske jednadžbe hipotetsku odbojnu silu, uz koju se pojavljuje i pojam kozmološke konstante. Svrha ove odbojne sile je bila da poništi efekte privlačne gravitacijske sile, čime se stvaraju teoretske osnove za postojanje statičnog svemira, kakvim ga je Einstein zamišljao.

Friedmann i širenje svemira Ruski fizičar i matematičar Aleksandr Aleksandrovič Fridman (1888. – 1925.) je pretpostavio je da se svemir širi i izveo je rješenja za nestacionarni kozmološki model (1922.). Uspio je pronaći rješenje Einsteinovih gravitacijskih jednadžbi bez uvođenja kozmološke konstante. Friedmann je pokazao da svemir može biti u stanju širenja, što bi neutraliziralo sveprisutnu privlačnu gravitacijsku silu. Do sličnih je rješenja 1927. nezavisno došao i belgijski svećenik i matematičar Georges Lemaître (1894. – 1966.). Einstein je previdio ovo rješenje jer nije mogao prihvatiti ideju o svemiru koji se širi. Svemir bi se, ovisno o količini materije u svemiru, mogao nastaviti širiti u beskonačnost (otvoreni model svemira) ili se zaustaviti te početi skupljati (zatvoreni model svemira).

Vesto Melvin Slipher je, promatrajući pomak spektralnih linija u spektrima galaktika, otkrio (1912.) da prevladava crveni pomak, to jest da se većina galaktika udaljava. Henrietta Leavitt Swan otkrila je (1912.) da sjajnije cefeide (pulsirajuće promjenljive zvijezde) imaju duži period promjene sjaja, a to je omogućilo mjerenje velikih udaljenosti u svemiru.

Hubbleov zakon

Edwin Hubble (1888. – 1953.), otkrio je 1929. proporcionalnost između udaljenosti pojedine galaksije i njenog crvenog pomaka. Ova pojava je nazvana Hubbleov zakon. Crveni pomak je protumačen kao Dopplerov pomak zbog udaljavanja galaksije. Jednadžbe za Dopplerov efekt govore da su pomak valne duljine prema crvenom i brzina udaljavanja proporcionalni (za brzine mnogo manje od brzine svjetlosti). Zajedno s Hubbleovim zakonom dobivamo proporcionalnost između udaljenosti galaktike i njene brzine udaljavanja: što je galaktika udaljenija, brže se udaljava od nas. Ovo, pak, navodi na zaključak da je svim galaksijama trebalo podjednako vremena za pomak od početne pozicije do današnjeg položaja.

Hubbleovo otkriće je donekle bilo potpomognuto radom nizozemskog astronoma Willema de Sittera koji je 1917. predložio hipotezu po kojoj svemir posjeduje svojstvo produljivanja valne duljine svjetlosti koja putuje kroz njega. Hubbleov zakon je uvjerljiv dokaz širenja svemira kakav je predložen u Friedmann-Lemaitreovom modelu.

Einstein i de Sitter su 1931. iznijeli hipotezu (Einstein-de Sitterov model) po kojoj svemir ima točno kritičnu gustoću. Takav bi svemir bio beskonačan, s Euklidskom geometrijom to jest "ravan", za razliku od "otvorenog" i "zatvorenog" iz Friedmann-Lemaitreovih modela.

Teorija stalnog stanja