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.
L'univers a débuté sa vie cosmique lors d'un Big Bang, il y a environ quatorze milliards d'années, et il n'a pas cessé de s'étendre depuis. Mais vers quoi est-il en expansion ? C'est une question difficile. Voilà pourquoi : les équations d'Einstein sur la relativité générale décrivent l'espace et le temps comme un tissu inter-connecté de l'univers. Cela signifie que ce que nous connaissons de l'espace et du temps n'existe qu'en tant que partie de l'univers et n'existe pas au-delà. Aujourd'hui, quand les objets habituels sont en expansion, ils se déplacent dans un espace plus large. Mais s'il n'y a pas vraiment d'espace pour s'étendre, que signifie être en expansion ? En 1929, les observations astronomiques d'Edwin Hubble nous ont apporté une réponse définitive. Son étude du ciel a montré que toutes les galaxies lointaines s'éloignaient de la Terre. De plus, plus la galaxie est lointaine, plus elle s'éloigne rapidement. Comment pouvons-nous interpréter cela ? Pensez à un pain au raisin qui gonfle dans le four. La pâte gonfle dans les mêmes proportions entre chaque raisin. Si nous considérons les raisins comme des galaxies, et la pâte comme l'espace qui les sépare, nous pouvons imaginer que l'expansion de l'espace intergalactique provoquera l'éloignement des galaxies les unes par rapport aux autres. Et pour n'importe quelle galaxie, ses voisines lointaines vont plus s'éloigner que celles qui sont plus proches, pour le même laps de temps. L'équation de la relativité générale prédit une lutte acharnée cosmique entre la gravité et l'expansion. C'est dans le vide intersidéral entre les galaxies que l'expansion l'emporte, et l'espace s'étire. Voilà notre réponse. L'Univers est en expansion à l'intérieur de lui-même. Cela dit, les cosmologistes poussent les limites des modèles mathématiques pour s'interroger sur ce qui existe au-delà de notre Espace-temps. Ce ne sont pas des propositions folles, mais des hypothèses qui traitent des failles dans la théorie scientifique du Big Bang. Le Big Bang prédit une distribution uniforme de la matière à travers l'univers comme un gaz rare. Mais alors, comment les galaxies et les étoiles existent-elles ? Le modèle inflationnaire décrit une ère d'expansion incroyablement rapide qui relie les fluctuations quantiques de l'énergie de l'univers primitif à la formation de nuages de gaz qui vont finir par créer des galaxies. Si l'on accepte ce modèle, cela impliquerait que notre Univers représente une région dans une réalité cosmique plus large soumise à une inflation éternelle. Nous ne savons rien de cette réalité inflationnaire spéculative, gardée pour la prédiction mathématique qui dit que son expansion sans fin peut être causée par un état instable d'énergie quantique. Dans plusieurs régions, cependant, l'énergie peut trouver de façon aléatoire un état stationnaire, arrêtant l'inflation et formant des « univers-bulles ». Chaque « univers-bulle », le nôtre en faisant partie, pourrait être décrit par son propre Big Bang et ses lois de la physique. Notre Univers ferait partie d'un plus grand multivers, dans lequel l'incroyable taux d'inflation éternelle rendrait impossible le fait de trouver un univers voisin. Le Big Bang prédit aussi que dans l'univers primitif et chaud, nos forces fondamentales peuvent s'unifier en une super-force. Les théories mathématiques des cordes décrivent cette unification, en plus d'une structure fondamentale des quarks et des électrons subatomiques. Dans ces modèles, des cordes vibrantes constituent la base de l'univers. Différents modèles des cordes ont aujourd'hui été unifiés, et suggèrent qu'elles peuvent interagir avec des surfaces massives et de plus grandes dimensions appelées branes. Notre Univers peut être contenu dans une brane, flottant dans un endroit inconnu de plus grande dimension, malicieusement appelé hyperespace, ou « bulk » en anglais. D'autres branes, contenant d'autres types d'univers, peuvent coexister dans l'hyperespace, et des branes voisines peuvent même partager certaines forces fondamentales comme la gravité. L'inflation éternelle et les branes décrivent un multivers, mais pendant que les univers en inflation éternelle sont isolés, les univers branaires peuvent se rentrer dedans. L'écho d'une telle collision peut apparaître dans le fond diffus cosmologique : des radiations traversant notre univers, comme une relique de l'ère du Big Bang. Mais nous n'avons trouvé aucun écho cosmique similaire jusqu'à maintenant. Certains pensent que ces hypothèses de multivers divergents peuvent s'unir en une description commune, ou être remplacés par autre chose. Aujourd'hui, il existe des explorations spéculatives de modèles mathématiques. Alors que ces modèles sont inspirés par beaucoup d'expériences scientifiques, il y a peu d'expériences objectives pour les tester directement. Jusqu'à ce que le prochain Edwin Hubble se présente, les scientifiques vont discuter l'élégance de leurs modèles en concurrence... et continuer à rêver de ce qu'il y a au-delà de notre Univers.