نظریه های مختلفی درباره پیدایش جهان ارائه شده است ولی مقبول ترین نظریه ، نظریه انفجار بزرگ است که می گوید، جهان حدود 15 میلیارد سال پیش بر اثر انفجاری عظیم بوجود آمد. جهان در آغاز بسیار کوچک ، درخشان ، داغ و متراکم بود، اما از آن زمان تا کنون در حال انبساط و گسترش بوده است. در مورد پایان جهان هم نظریه های مختلفی وجود دارد:

برخی معتقدند جهان برای همیشه در حال گسترش و انبساط خواهد بود. کائناتی را که همیشه در حال انبساط باشد، کائنات باز می نامند.

به عقیده برخی دیگر ، هنگامی که جهان به اندازه معین رسید ، انبساط آن متوقف شده و در همان حال ثابت می ماند.

گروه دیگر می گویند جهان سرانجام از انبساط باز می ایستد و انقباض و فروپاشی درونی آن آغاز می گردد. طبق این نظریه فروپاشی بزرگ همان مراحل انفجار بزرگ را در جهت عکس طی خواهد کرد تا به یک نقطه واحد تبدیل شود. جهانی با این خصوصیات را کائنات بسته می گویند.

تقابل دو نیرو

کائنات در حال انبساط و گسترش است ولی نیرویی وجود دارد که در مقابل این انبساط قرار می گیرد، آن نیرو ، گرانش است. بدلیل وجود نیروی گرانشی است که ماده ، ماده را جذب می کند. پس مواد تشکیل دهنده کائنات می خواهند همدیگر را جذب کنند، لذا گرایش کل کائنات بر آن است که روی خود فرو افتد و منقبض شود. آیا در این صورت نظر گروه سوم تایید می شود و کائنات فرو می پاشد؟

پاسخ این سوال بطور دقیق مشخص نیست. در اینجا با تقابل دو نیرو مواجهیم. یکی نیروی گرانشی و دیگری نیروی حاصل از انفجار بزرگ. هر کدام قویتر باشد، سرنوشت کائنات را رقم می زند. اگر نیروی گرانشی به اندازه کافی نیرومند باشد ، جریان دور شدن کهکشانها از یکدیگر روزی متوقف خواهد شد. آنها جهت خود را معکوس خواهند کرد و در یک حرکت انقباضی رو به سوی یکدیگر خواهند گذاشت. درجه حرارت و چگالی افزایش خواهد یافت و کائنات با طی روندی معکوس مراحل عظیم انفجار بزرگ را تجربه خواهد کرد و کائنات بسته خواهد بود.

اگر دو نیرو با هم برابر باشند ، نظریه گروه دوم حاکم خواهد بود و جهان ثابت خواهد ماند ولی اگر نیروی حاصل از انفجار بزرگ قویتر از نیروی گرانشی باشد ، جهان همچنان به انبساط خود ادامه خواهد داد، کهکشانها از یکدیگر دورتر خواهند شد و کائنات ما کائناتی باز خواهد بود.

چگالی جهان

با وجود خلا فضای بین ستاره‌ای بنظر می رسد جرم جهان ما کمتر از آن باشد که بتواند در آینده منقبض شود. آینده ما چگونه است؟ یک حریق بزرگ تازه یا شاید پیشروی به سمت سرمای بیشتر و فضای خالی بیشتر؟ برای پاسخگویی به این سوال ، باید نیروی گرانشی کائنات یا معادل آن چگالی ماده موجود در کائنات را حساب کنیم.

جهان در حال انبساط است و نیروهای جاذبه بین مواد باعث کند شدن این انبساط می شوند. هرچه جرم جهان متراکم تر باشد ، به همان اندازه چگالی زیاد شده و انبساط آن کندتر می شود. جهانی که چگالی بالایی دارد ، ممکن است بالاخره به خاطر قدرت نیروهای جاذبه بین قسمتهای تشکیل دهنده اش ، منقبض شود و جهان بسته بماند (کائنات بسته).

اگر جهان به اندازه کافی چگالی نداشته باشد، برای همیشه در حال انبساط و بصورت جهان باز خواهد بود.(کائنات باز)

چگالی بحرانی

اندازه کافی که برای چگالی گفته می شود، چقدر است؟ این اندازه برابر 5x10-27Kg/m3 است که چگالی بحرانی می باشد. چگالی بحرانی معیاری است برای تعیین باز یا بسته بودن جهان.

اگر چگالی جهان از چگالی بحرانی بیشتر باشد، جهان ، جهان بسته خواهد بود.

اگر چگالی جهان از چگالی بحرانی کمتر باشد، جهان ، جهان باز خواهد بود.

اندازه گیری چگالی جهان

حال ببینیم چگالی جهان را چگونه اندازه بگیریم؟ چگالی کمیت یک ماده در واحد حجم معین است. حجم مورد نظر در مورد کائنات باید بسیار بزرگ باشد. حجمی شاید به اندازه یک ابرخوشه. برای محاسبه ماده موجود در این حجم ، جرم کهکشانها را با هم جمع می کنیم. این کار در مورد مواد مرئی که به سمت ما نور می فرستند، میسر است ولی در مورد ماده ای که نمی بینیم ، نمی توانیم جرم آن را حدس بزنیم. موادی مثل ستارگان و سیاره های مرده ، سیاره هایی که دور از هر منشا نوری قرار دارند ، صورتهای احتمالی ماده که هنوز نمی شناسیم ، ماده سیاه و ...

اسحاق نیوتن می گوید: ماده ، چه نورانی چه تاریک ، شناخته شده یا ناشناخته ، از طریق نیروی گرانشی خود را به ما نشان می دهد. فرض کنیم خورشید نور افشانی نمی کرد در این صورت نمی توانستیم آن را ببینیم ولی حرکت سیاره ها به دور خورشید همچنان ادامه داشت و اختر شناسان می توانستند بدون آنکه قادر به دیدن خورشید باشند، به وجود آن پی ببرند و با دنبال کردن حرکات زمین نسبت به ستارگان ، جرم آن را اندازه بگیرند.

اخترشناسان با بهره گیری از روشهای مشابه می‌توانند چگالی کل کائنات را اندازه بگیرند. نتیجه اندازه گیری آنها در کل فضای قابل مشاهده بطور میانگین حدود یک سوم اتم در حجم یک متر مکعب فضا است. به لحاظ نظری برای اینکه حرکت کهکشانها در آینده متوقف یا معکوس شود ، این چگالی باید بیش از ده اتم در هر متر مکعب باشد. با توجه به واقعیات مشهود چنین امری بعید به نظر می رسد، ولی چون ابزار دقیق اندازه گیری نداریم، نمی توانیم این امکان را کاملا منتفی بشماریم، ولی اگر چنین باشد ، کائنات باز خواهد بود.

نسبت فراوانی هیدروژن سنگین (دوتریوم) به هیدروژن سبک از فرضیه کائنات باز حمایت می کند. پس سبک بودن کائنات و فراوانی دوتریوم نشان می دهد که کائنات تا ابد منبسط خواهد شد.

روی دیگر سکه

در بحث فوق ما فرض کردیم می توانیم چگالی همه حفره های سیاه را که بصورت ستاره های تاریک یا هاله های تیره هستند، محاسبه کنیم. ضمنا ما برای نوترینوها جرم در نظر نگرفتیم . ممکن است این ذرات جرمی هرچند بسیار بسیار اندک داشته باشند ولی به دلیل تعداد بیشمار آنها این جرم می تواند نتیجه محاسبات ما را معکوس کند.