چون بیشتر ماده جهان در ستارگان قرار دارد، پلاسما فراوان ­ترین ماده جهان است. فقط کسر کوچکی از ماده به شکل جامد ـ مایع و گاز است. این سه حالت ماده فقط در سیارات، ستاره­های نوترونی (پالسارها) و ابرهای غبار و گاز بین ستارگان یافت می­شوند. خود منظومه شمسی با ابر بزرگی از میلیونها دنباله دار احاطه شده است که مدارهایشان در جهت گوناگون آسمان را می­پیمایند. گاز بین ستاره­ای بیشتر هیدروژن است که چگالی آن در حدود یک اتم در هر سانتی­متر مکعب می باشد. ابر ستارگانی که خورشید ما در آن واقع شده است به بازوی مارپیچی (جبار) جوزا تعلق دارد. خورشید ما در راه شیری واقع است. کهکشان ما یک کهکشان مارپیچی است. برآمدگی پر نور مرکزی هسته کهکشان است که کم و بیش شکل کروی دارد. ناحیه احاطه کننده همراه با بازوهای مارپیچی، قرص کهکشان است. ضخامت این قرص خیلی کم و فقط حدود 3% قطر آن است. ستارگانی که قرص را تشکیل می­دهند به دور مرکز کهکشان در جهتی خلاف جهت حرکت عقربه­های ساعت می­چرخند. تعداد کل ستارگان راه شیری حدود 10¹¹ است. خورشید در یکی از بازوهای مارپیچی و فاصله حدود  شعاع از لبه قرص به طرف مرکز قرار دارد. در حدود 250 میلیون سال طول می­کشد تا خورشید یک دور کامل به گرد مرکز کهکشان بچرخد. رصدهای اخیر مرکز کهکشان با تلسکوپها مبین این است که سیاه چالی بزرگ در مرکز راه شیری وجود دارد.

کهکشان راه شیری:

کهکشان ما قسمتی از خوشه کوچکی است به نام گروه محلی که از کهکشان ما، کهکشان بزرگ آندورمدا (زن به زنجیر بسته شده)، کهکشان مثلثی ـ ابر ماژلانی بزرگ و 16 کهکشان کوچک دیگر تشکیل شده است. کوچکترین این کهکشانها، کهکشانهای کوتوله هستند که در حدود 10⁵ ستاره دارند. گروه محلی در حاشیه یک خوشه بسیار بزرگ از کهکشانها به نام ابر خوشه محلی جای گرفته است. این خوشه­ای متشکل از خوشه های کهکشان است. در مرکز ابر خوشه محلی، خوشه سنبله (عذرا) قرار دارد که شامل چند هزار کهکشان است. تمام کهکشانهای دور دست از ما و یکدیگر دور می­شوند. به طور مثال خوشه شجاع با سرعت 6030 کیلومتر در ثانیه از کهکشان ما می­گریزد.

این دور شدن کهکشانها از یکدیگر را می توان با حرکت تکه­های یک نارنجک به اطراف، پس از انفجار، مقایسه کرد. حرکت کهکشانها بر این دلالت دارد که جهان با انفجار بزرگی، موسوم به انفجار بزرگ Big Bang شروع شده است.

DNA و حیات:

DNA در هسته سلول­ها یافت می­شود. این ماده مولکول طویلی است که از به دنبال هم قرار گرفتن تعداد زیادی مولکولهای بازی نیتروژن دار روی بنیانی از مولکولهای قندی و فسفات ساخته شده است. این مولکولها بازی چهار نوعند که در تمام ارگانیسم­های زنده یکسانند ولی ترتیب قرار گرفتن آنها به دنبال هم از یک ارگانیسم به ارگانیسم دیگر متفاوت است. این ترتیب حامل یک پیام است. مولکولهای بازی حروف موجود در کلمات این پیامند. این پیام شامل تمامی دستورالعمل­های ژنتیکی حاکم بر سوخت و ساز، رشد و تولید مثل سلول است.

کوارک:

پروتونها و الکترونهای درون هسته از ذرات ریزتری به نام کوارک تشکیل شده­اند. کوارکهای درون پرتونها و نوترونها دو نوعند که آنها را کوارک بالا یا UP و کوارک پایین یا down می­نامند. پروتون شامل دو کوارک بالا و یک کوارک پایین است که به هم متصلند. نوترون شامل یک کوارک بالا و دو کوارک پایین است که به هم متصل شده­اند. علاوه بر این دو نوع کوارک، فیزیکدانها چهار نوع دیگر نیز کشف کرده­اند که شگفت ـ دلربا ـ سروته نامیده شده­اند. این کوارکهای جالب توجه در نمونه­های ماده معمولی وجود ندارند و فقط می­توانند در شرایط ویژه ای در ضمن برخوردهای پرانرژی بین ذرات زیر اتمی به وجود آیند.

انفجار بزرگ و انبساط جهان

کیهان شناسی جهان را در مقیاس بزرگ مطالعه می­­کند. تا صد سال پیش اخترشناسان تصور می_­کردند که جهان هستی همین کهکشان راه شیری است. اما در سال 1920 میلادی ادوین­ هابل با استفاده از تلسکوپ 100 اینچ مونت ویلسون ثابت کرد که سحابیهای رگه­ای ضعیف که در تمام آسمان یافت می­شوند در واقع مجموعه­های غول پیکری از ستارگان شبیه به کهکشان ما هستند اما در فاصله بسیار زیادی از ما قرار دارند. او برای اندازه­گیری این فواصل بسیار بزرگ کیهان روشهایی را ابداع کرد و کشف کرد بعضی از کهکشانهای دور دست بیشتر از چند میلیارد سال نوری با ما فاصله دارند. هابل همچنین کشف کرد که کیهان در حال انبساط است و قرمز گرایی طیف کهکشانها نشان می دهد که کهکشانها از ما و از یکدیگر دور می­شوند. در میان نیروهای طبیعت، ثقل (گرانش) در شکل دادن به وجوه بزرگ مقیاس جهان و تحول عالم نقش اصلی را دارد. قانون گرانش نیوتون برای توضیح جهان کاملاً کفایت نمی­کند زیرا در فواصل بزرگ کیهانی، آثار نسبیتی اهمیت پیدا می­کنند. بنابراین لازم است که در بررسی های خود از نظریه نسبیت عام اینشتین استفاده کنیم.

کهکشانها و انبساط جهان

با تلسکوپ ما می­توانیم تعداد بسیار بیشتری از ستارگان را ببینیم و نشان می دهد ستارگان قسمتی از یک مجموعه بزرگ یا ابری از ستارگان هستند که آن را کهکشان یا راه شیری می­گویند. این کهکشان به تقریب 100 میلیارد ستاره دارد که در قرص مارپیچی به قطر خوشه کروی ستارگانی است که در نزدیک کهکشان ما یافت می­شوند. هر یک از اینها اجتماعی از 10⁵ یا 10⁶ ستاره است. کم و بیش شبیه یک گروه بزرگ زنبورداران در آسمان است.

2- سن پیرترین خوشه­های کروی بین 10 تا 16 میلیارد سال است که به خوبی با زمان انبساط سازگار است. سن پیرترین خوشه های کروی، تاریخ تولد اولین ستارگان کهکشان را به دست می­دهد. روش دیگر استفاده از سن عناصر شیمیایی استفاده می­شود. پس از انفجار بزرگ ستارگانی به وجود آمدند که عمر آنها خیلی کوتاه بود و با یک انفجار ابر نواختری از بین رفتند و عناصر شیمیایی خود را در همه جا پراکندند. بخشی از این عناصر سرانجام سر از ابر گاز و غباری درآوردند که بعداً منظومه شمسی شد.

قطعی ترین گواه برانفجار بزرگ این است که قسمتی از گرمای تابشی ناشی از انفجار اولیه را هنوز می­توان در آسمان یافت. جهان در لحظه اولیه انفجار بزرگ، باید آکنده از ماده­ای فشرده، در دما و فشار بسیار زیاد بوده باشد. ماده باید با آهنگ عظیمی در حال انبساط بوده باشد. و دوام انبساط تا امروز معلول اندازه حرکتی است که در ابتدا داشته است.

در ابتدا گرمای تابشی گسیل شده از این کره آتشین اولیه از نوع پرتوهای بسیار نافذ گاما و ایکس بوده است. این پرتوها در واقع امواج نوری با طول موج بسیار کوتاهند ولی با انبساط جهان این امواج نوری نیز انبساط یافتند. بنابراین طول موجهای کنونی کره آتشین که هنوز در آسمان هستند بلندتر از طول موجهای نور اولیه­اند.

ما گاهی به اشتباه فکر می­کنیم که کهکشان ما در مرکز عالم واقع است و تمام کهکشانهای دیگر از ما دور می­شوند ولی کهکشان ما جای خاصی را در عالم اشغال نمی­کند. کهکشانهای دیگر فقط از ما دور نمی­شوند. کهکشانها همه از هم دور می­شوند یعنی جهان در حال انبساط است. عالم به تقریب در همه جا یکسان است. این حکم یکنواختی جهان در مقیاس بزرگ، اصل کیهان شناختی نام دارد. گریز کهکشانها از هم را می­توان به کمک یک تشبیه توضیح داد. وقتی نارنجکی در هوا منفجر می­شود، پاره­های نارنجک در تمام جهات پرتاب می­شوند اما پاره­های مختلف ممکن است سرعتهای مختلف داشته باشند یعنی پاره­ای که فاصله­اش از همه بیشتر است، بیشترین سرعت را دارد. این تناسب سرعت و فاصله همان قانون هابل است. در انبساط جهان، تنها فواصل بین کهکشانها است که افزایش می­یابد، خود کهکشانها انبساط پیدا نمی­کنند فقط فاصله بین آنها تغییر می­کند مانند مثال پاره­های نارنجک.

عمر جهان و انفجار بزرگ:

انفجاری که باعث شروع انبساط جهان شد انفجار بزرگ نامیده می­شود. عکس ثابت هابل باید برابر زمان انبساط باشد.

میلیون سال نوری

سال

چون ثقل کهکشانها را به طرف یکدیگر می کشد، می­توان انتظار داشت که ثقل مانع حرکت گریزی آنها شود و انبساط جهان را کُند کند.

چون عمر جهان متناهی است، نور تنها از آن قسمتهایی می­تواند به ما برسد که به اندازه کافی نزدیکند. تندی نور برابر است با:

1 سال نوری = m/s 10⁸×300=C

و نور در زمان t فاصله زیر را می پیماید:

Ct = (سال / سال نوری 1) × (سال 10¹⁰×8/1) = سال نوری 10¹⁰×8/1

این فاصله شعاع جهان قابل مشاهده است.