Velikost, stáří, obsah, struktura a zákony vesmíru
Vesmír je nesmírně velký a možná má i nekonečný objem. Region viditelný 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 toho, kde jsou díky rozpínání vesmíru viditelné nejvzdálenější objekty. Pro srovnání: průměr typické galaxie je přibližně jen 30 000 světelných let a typická vzdálenost mezi dvěma sousedními galaxiemi je pouze 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. 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 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 má zhruba stejný obsah. Ve vesmíru se vyskytuje rovněž izotropní mikrovlnné záření, které odpovídá tepelné rovnováze spektra záření černého tělesa o teplotě asi 2,725 Kelvina. 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% obyčejné hmoty. Na čtyři metry krychlové připadá jeden atom vodíku.[30] 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, 13,73±0,12 miliardy let, vznikl na základě pozorování reliktního kosmického mikrovlnného záření. Nezávislé odhady (založené například na radioaktivním datování) věku vesmíru mají sice menší přesnost, přesto potvrdila 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.
Relativní podíly chemických prvků, především nejlehčích atomů, jako je vodík, deuterium a helium, se zdají být stejné v celém vesmíru a jsou pozorovatelné po celou jeho historii. Zdá se, že ve vesmíru je mnohem více hmoty než antihmoty, asymetrie pravděpodobně souvisí s narušením CP invariance při rozpadech elementárních částic.[36] Zdá se, že vesmír nemá žádný souhrnný elektrický náboj, proto má gravitace dominantní postavení v kosmologických měřítkách délky. Zdá se také, že vesmír nemá žádnou souhrnnou hybnost či moment hybnosti. Absence náboje a hybnosti by vyplývaly ze známých fyzikálních zákonů (Gaussova zákona elektrostatiky a z Landaova-Lifšicova pseudotenzoru), pokud by vesmír byl konečný.
Z pozorování se zdá, že Vesmír tvoří spojité časoprostorové kontinuum, které se skládá ze tří prostorových dimenzí a jednoho časového rozměru. Prostor se zdá být téměř plochý (téměř nulové zakřivení), což znamená, že Eukleidovská geometrie experimentálně platí s vysokou přesností pro většinu vesmíru. Zdá se, že časoprostor má souvislou topologii, alespoň v měřítku pozorovatelného vesmíru. Jsou však také náznaky, že by vesmír mohl být vícedimenzionální, a že časoprostor může mít provázanou globální topologii, obdobně s válcovou nebo toroidní topologie dvourozměrných prostorů.
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 relativity má 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.
Jemné vyladění vesmíru
Z pozorování vyplývá, že mnohé z vlastností vesmíru mají zvláštní hodnoty v tom smyslu, že ve vesmíru, kde se uvedené vlastnosti jen mírně odchylují, nemůže vzniknout inteligentní život. Ve vědecké komunitě neexistuje shoda, zda toto jemné doladění vlastností vesmíru existuje. Zejména není známo, za jakých podmínek může vzniknout inteligentní život, jakých nabývá forem a tvarů, a jak dlouhou má dobu trvání. Důležité konstatování v této diskusi je, že pro pozorovatele existuje vesmír, který je doladěn tak, že je schopen podporovat inteligentní život. Podmíněná pravděpodobnost pozorování vesmíru, který je vyladěný k podpoře inteligentního života, je 1. Tento poznatek je znám jako antropický princip a je zvláště důležitý v případě vzniku vesmíru a pravděpodobnosti vzniku jiných vesmírů s odlišnými vlastnostmi od našeho vesmíru. Antropický princip je náboženské a nikoli vědecké povahy a je zdrojem polemik.