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'universo ha iniziato la sua vita cosmica con il big bang circa quattordici miliardi di anni fa, e da allora non ha smesso di espandersi. Ma in che cosa si sta espandendo? Questa è una domanda complicata. Ecco perché: la teoria della relatività generale di Einstein descrive lo spazio e il tempo come un tessuto interconnesso dell'universo Ciò significa che quello che noi conosciamo come spazio e tempo esiste solo come parte dell'universo e non oltre. Ora, quando gli oggetti quotidiani si espandono, si muovono verso uno spazio maggiore. Ma se non c'è spazio in cui espandersi, che cosa vuol veramente dire espandersi? Nel 1929, le osservazioni astronomiche di Edwin Hubble ci diedero una risposta definitiva. Esaminando il cielo notturno, ha scoperto che le galassie lontane retrocedono, cioè si allontanano dalla Terra. Inoltre, più è lontana la galassia, più velocemente retrocede. Come lo possiamo interpretare? Pensiamo a una pagnotta di pane all'uvetta che cresce nel forno. L'impasto cresce in maniera omogenea in mezzo a ogni uvetta. Se pensiamo all'uvetta come a un sostituto per le galassie, e l'impasto allo spazio tra di loro, possiamo immaginare che l'allungamento o l'espansione dello spazio intergalattico allontana le galassie una dall'altra, e per ogni galassia, quelle più lontane arretreranno di una distanza maggiore rispetto a quelle più vicine nello stesso periodo di tempo. Quindi, le equazioni della relatività generale prevedono un tiro alla fune cosmico tra la gravità e l'espansione. È solo nel vuoto oscuro tra le galassie che l'espansione ha la meglio, e lo spazio si allunga. Questa è la nostra risposta. L'universo si espande su se stesso. Detto ciò, i cosmologi stanno spingendo i limiti dei modelli matematici per speculare su cosa, semmai, esiste oltre il nostro spazio-tempo. Questi non sono supposizioni casuali, ma ipotesi che affrontano le imperfezioni della teoria scientifica del Big Bang. Il Big Bang prevede una distribuzione uniforme della materia nell'universo, come un gas rarefatto, ma allora, come sarebbero nate le galassie e le stelle? Il modello inflazionario descrive una breve fase di espansione estremamente rapida, legata alle fluttuazioni quantistiche nell'energia agli inizi dell'universo, fino alla formazione di agglomerati di gas che col tempo sono diventati galassie. Se accettiamo questo paradigma, ciò implica che il nostro universo rappresenta una regione in una realtà cosmica più grande in continua, eterna espansione. Non sappiamo nulla di questa realtà speculativa in espansione, a parte la previsione matematica che questa espansione continua possa essere causata da uno stato di energia quantistica instabile. In molte zone, però, l'energia può essersi addensata casualmente in uno stato stabile, fermando l'espansione e formando bolle di universo. Ogni bolla di universo, come la nostra, può essere spiegata dal proprio Big Bang e dalle proprie leggi fisiche. Il nostro universo farebbe parte di un multiverso più grande, in cui il fantastico tasso di eterna espansione rende impossibile l'incontro con un universo vicino. Il Big Bang prevede anche che, in quell'iniziale universo caldo, le nostre forze fondamentali possano essersi unite in una super forza. La teoria matematica delle stringhe propone una spiegazione di questa unione, in aggiunta alla struttura fondamentale di quark subatomici e degli elettroni. Nei modelli proposti, le corde vibranti sono mattoni che costituiscono l'universo. I modelli delle stringhe in competizione sono stati unificati in un'unica definizione, e si suggerisce che queste strutture possano interagire con superfici di grandissima dimensione chiamate brane. Il nostro universo può essere contenuto in una di queste brane, mentre fluttua in una dimensione superiore sconosciuta, scherzosamente chiamata "l'ammasso", o iperspazio. Altre brane, contenenti vari universi, potrebbero coesistere nell'iperspazio, e brane vicine potrebbero condividere alcune forze fondamentali come la gravità. Sia l'espansione eterna sia le brane descrivono un multiverso, ma mentre gli universi in eterna espansione sono isolati, gli universi di brane possono collidere l'uno contro l'altro. Potrebbe esserci un'eco di tale collisione nello sfondo cosmico di microonde, un mix di radiazioni nel nostro universo, reliquia dell'era del Big Bang. Fino ad ora, però, non abbiamo trovato nessun'eco cosmico. Alcuni sospettano che queste varie ipotesi sul multiverso possono alla fine fondersi in una descrizione unica o essere sostituite da qualcos'altro. Per ora, sono ricerche speculative di modelli matematici. Mentre questi modelli sono ispirati e guidati da molti esperimenti scientifici, sono pochi gli esperimenti oggettivi per testarli direttamente, per ora. Mentre aspettiamo l'arrivo del prossimo Edwin Hubble, gli scienziati si troveranno a discutere l'eleganza dei loro modelli concorrenti, e continueranno a immaginare, casomai, che cosa c'è oltre il nostro universo.