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.
Alam semesta memulai kehidupan kosmiknya dengan sebuah ledakan dahsyat hampir empat belas miliar tahun yang lalu, dan telah berkembang sejak saat itu. Tapi ke mana alam semesta berkembang? Itu pertanyaan yang rumit. Ini alasannya: Persamaan Einstein tentang relativitas umum menggambarkan ruang dan waktu sebagai sesuatu yang saling terhubung dasar dari alam semesta. Ini berarti apa yang kita ketahui sebagai ruang dan waktu hanya ada sebagai bagian dari alam semesta dan bukan di luarnya. Sekarang, ketika benda sehari-hari mengembang, mereka bergerak keluar menuju lebih banyak ruang. Tetapi jika tidak ada ruang untuk berkembang, bahkan apa arti dari berkembang? Pada tahun 1929 pengamatan astronomi Edwin Hubble memberi kami jawaban yang pasti. Surveinya tentang langit malam menemukan semua galaksi yang jauh menyusut, atau menjauh, dari Bumi. Terlebih lagi, semakin jauh galaksi, maka semakin cepat ia menyusut. Bagaimana kita bisa menafsirkan hal ini? Pertimbangkan sepotong roti kismis yang mengembang di oven. Adonan naik dengan jumlah yang sama pada masing-masing dan setiap kismis. Jika kita menganggap kismis sebagai pengganti galaksi, dan adonan sebagai ruang di antara mereka, kita dapat membayangkan bahwa peregangan atau ekspansi dari ruang intergalaksi akan membuat galaksi menyusut antara satu sama lain, dan untuk galaksi mana pun, tetangganya yang jauh akan menyusut ke jarak yang lebih besar dari yang di dekatnya dalam waktu yang sama. Tentu saja, persamaan relativitas umum memprediksi sebuah tarik-menarik kosmik antara gravitasi dan ekspansi. Hanya dalam kekosongan gelap antar galaksi di mana ekspansi menang, dan ruang meregang. Jadi, itulah jawaban kita. Alam semesta mengembang pada dirinya sendiri. Berdasarkan itu, kosmolog mendorong batas-batas model matematika untuk berspekulasi tentang apa, jika ada, yang berada di luar ruang dan waktu kita. Ini bukan tebakan liar, tetapi hipotesis yang mengatasi kekurangan dalam teori ilmiah Big Bang. Big Bang memprediksi bahwa materi akan didistribusikan merata di alam semesta, sebagai gas tipis -- tetapi kemudian, bagaimana galaksi dan bintang terbentuk? Model inflasi menggambarkan era singkat dari ekspansi yang sangat cepat yang menghubungkan fluktuasi kuantum pada energi alam semesta awal, dengan pembentukan gumpalan gas yang akhirnya mengarah ke galaksi. Jika kita menerima paradigma ini, mungkin itu berarti alam semesta kita mewakili satu wilayah dalam realitas kosmik besar yang mengalami inflasi tanpa akhir. Kita tidak tahu apa-apa tentang kenyataan inflasi spekulatif ini, kecuali untuk prediksi matematika bahwa ekspansi tanpa akhir mungkin didorong oleh keadaan energi kuantum yang tidak stabil. Namun, pada banyak daerah setempat, energi dapat menetap secara acak berkesempatan menjadi stabil, menghentikan inflasi, membentuk gelembung alam semesta. Setiap gelembung alam semesta —kita adalah salah satunya —akan dijelaskan oleh teori Big Bang dan hukum fisika mereka sendiri. Alam semesta kita menjadi bagian dari multiversum yang lebih besar, di mana tingkat inflasi abadi yang fantastis tidak memungkinkan bagi kita untuk menemukan alam semesta tetangga. Big Bang juga meramal di alam semesta awal yang panas, kekuatan fundamental kita dapat bersatu menjadi satu kekuatan super. Teori dawai matematika menyarankan deskripsi unifikasi ini, menjadi struktur dasar untuk kuark sub-atom dan elektron. Dalam model yang diusulkan ini, dawai yang bergetar adalah pembangun alam semesta. Model yang bersaing untuk teori ini telah digabung menjadi deskripsi terpadu, dan menyarankan untuk berinteraksi dengan permukaan masif berdimensi tinggi, <i>bran</i>. Alam semesta kita mungkin terkandung dalam satu <i>bran</i> seperti itu, mengambang di dimensi tinggi tak dikenal, dinamakan "the bulk," atau <i>hyperspace</i>. <i>Bran</i> lain —yang berisi alam semesta lain —dapat hidup berdampingan di <i>hyperspace</i>, dan <i>bran</i> tetangga bahkan dapat berbagi kekuatan fundamental seperti gravitasi. Baik inflasi abadi dan <i>bran</i> menggambarkan multiversum, tapi saat alam semesta terisolasi dalam inflasi abadi, <i>bran</i> dapat bertabrakan. Gema dari tabrakan tersebut dapat muncul di latar belakang gelombang mikro kosmik — membawa radiasi ke alam semesta kita, itu peninggalan dari era Big Bang awal. Namun, sejauh ini, kami belum menemukan gema kosmik seperti itu. Beberapa curiga hipotesis multiversum yang berlainan, menyatu menjadi deskripsi umum, atau digantikan oleh sesuatu yang lain. Seperti yang ada sekarang, mereka adalah eksplorasi spekulatif model matematika. Sementara model ini terinspirasi dan dipandu oleh banyak eksperimen ilmiah, hanya ada sedikit percobaan objektif untuk mengujinya secara langsung. Sampai Edwin Hubble berikutnya datang, mungkin ilmuwan akan dibiarkan berdebat tentang keanggunan setiap model mereka ... dan terus bermimpi tentang apa, jika ada, yang ada di luar alam semesta kita.