The universe began its cosmic life in a big bang nearly fourteen billion years ago, and has been expanding ever since. But what is it expanding into? That's a complicated question. Here's why: Einstein's equations of general relativity describe space and time as a kind of inter-connected fabric for the universe. This means that what we know of as space and time exist only as part of the universe and not beyond it. Now, when everyday objects expand, they move out into more space. But if there is no such thing as space to expand into, what does expanding even mean? In 1929 Edwin Hubble's astronomy observations gave us a definitive answer. His survey of the night sky found all faraway galaxies recede, or move away, from the Earth. Moreover, the further the galaxy, the faster it recedes. How can we interpret this? Consider a loaf of raisin bread rising in the oven. The batter rises by the same amount in between each and every raisin. If we think of raisins as a stand-in for galaxies, and batter as the space between them, we can imagine that the stretching or expansion of intergalactic space will make the galaxies recede from each other, and for any galaxy, its faraway neighbors will recede a larger distance than the nearby ones in the same amount of time. Sure enough, the equations of general relativity predict a cosmic tug-of-war between gravity and expansion. It's only in the dark void between galaxies where expansion wins out, and space stretches. So there's our answer. The universe is expanding unto itself. That said, cosmologists are pushing the limits of mathematical models to speculate on what, if anything, exists beyond our spacetime. These aren't wild guesses, but hypotheses that tackle kinks in the scientific theory of the Big Bang. The Big Bang predicts matter to be distributed evenly across the universe, as a sparse gas --but then, how did galaxies and stars come to be? The inflationary model describes a brief era of incredibly rapid expansion that relates quantum fluctuations in the energy of the early universe, to the formation of clumps of gas that eventually led to galaxies. If we accept this paradigm, it may also imply our universe represents one region in a greater cosmic reality that undergoes endless, eternal inflation. We know nothing of this speculative inflating reality, save for the mathematical prediction that its endless expansion may be driven by an unstable quantum energy state. In many local regions, however, the energy may settle by random chance into a stable state, stopping inflation and forming bubble universes. Each bubble universe —ours being one of them —would be described by its own Big Bang and laws of physics. Our universe would be part of a greater multiverse, in which the fantastic rate of eternal inflation makes it impossible for us to encounter a neighbor universe. The Big Bang also predicts that in the early, hot universe, our fundamental forces may unify into one super-force. Mathematical string theories suggest descriptions of this unification, in addition to a fundamental structure for sub-atomic quarks and electrons. In these proposed models, vibrating strings are the building blocks of the universe. Competing models for strings have now been consolidated into a unified description, and suggest these structures may interact with massive, higher dimensional surfaces called branes. Our universe may be contained within one such brane, floating in an unknown higher dimensional place, playfully named “the bulk,” or hyperspace. Other branes—containing other types of universes—may co-exist in hyperspace, and neighboring branes may even share certain fundamental forces like gravity. Both eternal inflation and branes describe a multiverse, but while universes in eternal inflation are isolated, brane universes could bump into each other. An echo of such a collision may appear in the cosmic microwave background —a soup of radiation throughout our universe, that’s a relic from an early Big Bang era. So far, though, we’ve found no such cosmic echo. Some suspect these differing multiverse hypotheses may eventually coalesce into a common description, or be replaced by something else. As it stands now, they’re speculative explorations of mathematical models. While these models are inspired and guided by many scientific experiments, there are very few objective experiments to directly test them, yet. Until the next Edwin Hubble comes along, scientists will likely be left to argue about the elegance of their competing models… and continue to dream about what, if anything, lies beyond our universe.
El universo empezó su vida cósmica en una gran explosión hace aproximadamente 14 mil millones de años, y se ha estado expandiendo desde entonces. Pero ¿en qué se está expandiendo? Es una pregunta complicada. Este es el porqué: las ecuaciones de Einstein sobre la relatividad general describen espacio y tiempo como una especie de tejido interconectado para el universo. Esto significa que lo que conocemos como espacio y tiempo existen solo como parte del universo y no más allá de él. Cuando los objetos cotidianos se expanden, estos se mueven hacia más espacio. Pero si no hay tal cosa como un espacio para expandirse, ¿qué significa expandirse? En 1929, las observaciones astronómicas de Edwin Hubble nos dieron la respuesta definitiva. Su estudio del cielo nocturno encontró que todas las galaxias lejanas se alejan o se retiran de la Tierra. Además, cuanto más lejana es la galaxia, más rápido se aleja. ¿Cómo podemos interpretar esto? Imagina un pan de pasas creciendo en el horno. La masa entre cada una de las pasas se eleva en la misma proporción. Si pensamos que las pasas son las galaxias, y la masa como el espacio entre ellas, podemos imaginar que el estiramiento o expansión del espacio intergaláctico hará que las galaxias se alejen, y para cada galaxia, sus vecinas lejanas retrocederán una distancia más larga que las cercanas en la misma cantidad de tiempo. En efecto, las ecuaciones de relatividad general predicen un tira y afloja cósmico entre la gravedad y la expansión. Es solo en el oscuro vacío entre galaxias donde la expansión gana y el espacio se estira. Ahí está nuestra respuesta. El universo se está expandiendo en sí mismo. Dicho esto, los cosmólogos van más allá de los límites de los modelos matemáticos para especular en qué, si hay algo, existe más allá de nuestro espacio-tiempo. Estas no son conjeturas al azar, sino hipótesis que abordan problemas en la teoría científica del Big Bang. El Big Bang predice que la materia estaría distribuida uniformemente por el universo, como un gas disperso, pero ¿cómo nacieron las galaxias y las estrellas? El modelo inflacionario describe una breve era de expansión increíblemente rápida que relaciona las fluctuaciones cuánticas en la energía del universo temprano a la formación de grupos de gas que finalmente llegaron a ser galaxias. Si aceptamos este paradigma, eso implica que nuestro universo representa una región en una realidad cósmica mayor que sufre inflación eterna y sin fin. No sabemos nada sobre esta realidad de inflación especulativa salvo por la predicción matemática de que su expansión sin fin puede ser impulsada por un inestable estado de energía cuántica. En muchas regiones locales, sin embargo, la energía puede establecerse al azar en un estado estable, deteniéndose la inflación y formando universos burbuja. Cada universo burbuja --el nuestro uno de ellos-- sería descrito por su propio Big Bang y leyes de la física. Nuestro universo sería parte de un multiverso mayor, en el cual la fantástica tasa de eterna inflación nos hace imposible encontrar un universo vecino. El Big Bang también predice que en ese universo caliente del principio, nuestras fuerzas fundamentales pudieron unificarse en una superfuerza única. La teoría matemática de cuerdas sugiere descripciones de esta unificación, además de una estructura fundamental para cuarks y electrones subatómicos. En estos modelos, las cuerdas vibrantes son los bloques de construcción del universo. Los modelos de cuerdas en competencia tienen ahora una descripción unificada, y estas estructuras podrían interactuar con dimensiones masivas y mayores: las branas. Nuestro universo podría estar dentro de una de estas branas, flotando en una dimensión desconocida mayor, llamada "la mole", o hiperespacio. Otras branas que contienen otros tipos de universos coexistirían en el hiperespacio, y las branas cercanas pueden compartir ciertas fuerzas fundamentales, como la gravedad. Tanto la inflación eterna y las branas describen un multiverso, pero si los universos en eterna inflación están aislados, los universos brana chocarían. Un eco de tal colisión podría aparecer en el fondo del microondas cósmico, una sopa de radiación en todo nuestro universo, una reliquia del Big Bang. Hasta ahora, no hemos encontrado ese eco cósmico. Las diferentes hipótesis del multiverso podrían unirse en una descripción común o ser reemplazadas por algo más. Hasta ahora, son exploraciones especulativas de modelos matemáticos. Mientras estos modelos son inspirados y guiados por experimentos científicos, hay muy pocos experimentos objetivos para probarlos directamente aún. Hasta que llegue el próximo Edwin Hubble, los científicos quizás dejarán de discutir la elegancia de sus modelos competitivos y continuarán soñando sobre qué, si hay algo, se encuentra más allá del universo.