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.
کائنات حیات کیهانی خود را با یک انفجار بزرگ شروع کرد نزدیک به چهارده میلیارد سال پیش، و از آن زمان در حال بزرگ شدن بوده است. اما در چه منبسط میشود؟ این سوالی پیچیده است. دلیل این است که: معادله نسبیت عام انیشتین فضا و زمان را به گونهای در هم تنیده توصیف میکند که تار و پود کائنات هستند. این یعنی آنچه به عنوان فضا و زمان میشناسیم تنها به عنوان بخشی از کائنات وجود دارد و نه ورای آن. خوب، وقتی اشیای هر روزه منبسط میشوند، فضای بیشتری اشغال میکنند. اما اگر چیزی به عنوان فضای بیشتر برای اشغال وجود نداشته باشد چه، انبساط اصلا چه معنایی پیدا میکند؟ در سال ۱۹۲۹ مشاهدات ستارهشناسی ادوین هابل پاسخی قطعی به ما داد. تحقیق او بر آسمان شب نشان داد که تمام کهکشانهای دوردست پس میروند، یا از زمین دور میشوند. علاوه بر این، هرچه کهکشان دورتر باشد سرعت پسروی آن بیشتر است. چطور میتوانیم این را درک کنیم؟ یک قرص نان کشمشی را در نظر بگیرید که در فر پف میکند. خمیر بین تمام کشمشها به یک اندازه پف میکند. اگر کشمشها را به عنوان کهکشانها در نظر بگیریم، و خمیر را به عنوان فضای بین آنها، میتوانیم تصور کنیم که کش آمدن یا منبسط شدن فضای بین کهکشانی باعث دور شدن کهکشانها از هم میشود، و برای هر کهکشان، همسایههای دوردستش فاصله بیشتری نسبت به همسایههای نزدیک میگیرند در یک بازه زمانی مساوی. قطع یقین، معادله نسبیت عام یک مسابقه طنابکشی کیهانی را پیشبینی میکند میان گرانش و انبساط. تنها در فضای تاریک بین کهکشانهاست که انبساط برنده میشود، و فضا کش میآید. پس جواب ما همین است. کائنات در خودش منبسط میشود. به همین دلیل، کیهانشناسان در حال گسترش دادن مرزهای مدلهای ریاضی هستند تا ببینند چه چیزی، در صورت وجود، ورای فضا-زمان وجود دارد. اینها حدس و گمانهای بی اساس نیستند، بلکه فرضیاتی هستند که پیچ و تاب علمی نظریه انفجار بزرگ را برطرف میکنند. انفجار بزرگ پیشبینی میکند که ماده به صورت یکنواخت در تمام کائنات پراکنده شده است، به عنوان گاز فضایی -- اما بعد، چطور کهکشانها و ستارهها به وجود آمدند؟ مدل تورمی دورهای کوتاه را وصف میکند که انبساط با سرعتی باورنکردنی رخ میداده است و نوسانات کوانتومی انرژی جهان جوان را به شکلگیری تودههای گاز که در نهایت تبدیل به کهکشان شدند مرتبط میسازد. اگر این فرض را بپذیریم، ممکن است همچنین القا کند که جهان ما بخشی از یک واقعیت کیهانی بزرگتر است که دچار تورمی بیپایان و ابدی است. ما هیچ چیز از این واقعیت نظری متورم نمیدانیم، غیر از این پیشبینی ریاضی که میگوید انبساط بیانتهای آن ممکن است ناشی از یک شرایط انرژی کوانتومی ناپایدار باشد. اما در بسیاری از منطقههای محلی، انرژی ممکن است به صورت تصادفی نشست کند و به شرایط پایدار برسد، تورم متوقف شود و جهانهای حبابی پدید بیایند. هر جهان حبابی -- که مال ما هم یکی از آنهاست -- میتواند با انفجار بزرگ و قوانین فیزیک خود توصیف شود. جهان ما ممکن است بخشی از یک چندجهانی بزرگتر باشد، که در آن نرخ بینظیر انبساط ابدی دیدار با یک جهان همسایه را برای ما ناممکن میکند. انفجار بزرگ همچنین پیشبینی میکند که در کائنات جوان و داغ، نیروهای بنیادین ما ممکن است در یک ابرنیرو متمرکز شده باشند. نظریههای ریاضی ریسمان توصیفی برای این اتحاد پیشنهاد میدهد، علاوه بر ساختاری اساسی برای کوارکها و الکترونهای زیراتمی. در این مدلهای پیشنهادی، ریسمانهای مرتعش واحدهای سازنده جهان هستند. مدلهای رقیب ریسمان، حال در توصیفی واحد اتفاق نظر دارند، و میگویند ممکن است این ساختارها با ابعاد عظیم بالاتر تعامل داشته باشند که غشا نام دارند. جهان ما ممکن است در چنین غشائی محدود شده باشد، و در جایی ناشناخته با ابعاد بالاتر شناور باشد، که "توده" یا ابرفضا نامیده میشود. غشاهای دیگر -- حاوی گونههای دیگر جهان -- ممکن است در ابرفضا توامان وجود داشته باشند، و غشاهای همسایه ممکن است نیروهای اساسی خاص مثل گرانش را به اشتراک بگذارند. هم تورم ابدی و هم غشاها یک چندجهانی را توصیف میکنند، اما در حالی که جهانها در تورم ابدی از هم جدا هستند، جهانهای غشایی میتوانند با هم برخورد کنند. پژواک چنین برخوردی میتواند در تابش زمینه کیهانی نمود پیدا کند -- آشی از تابش در تمام کائنات، بازمانده از دوران انفجار بزرگ در ابتدا. اما تا کنون چنین پژواک کیهانی را پیدا نکردهایم. بعضی فکر میکنند این نظریههای چندجهانی متفاوت درنهایت در یک نظریه عام ادغام میشوند یا با چیزی دیگر جایگزین میشوند. اما فعلا، اینها توضیحات نظری مدلهای ریاضی هستند. از آنجا که این مدلها از آزمایشهای علمی بسیاری الهام گرفته و توسط آنها هدایت میشوند، هنوز، آزمایشهای عینی اندکی برای آزمایش مستقیم آنها در دست است. تا وقتی که ادوین هابل بعدی از راه برسد، دانشمندان احتمالا به دعوا بر سر زیبایی مدلهایشان ادامه خواهند داد ... و رویا پردازی میکنند که چه چیزی، اگر باشد، ورای جهان ما نهفته است.