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.
O universo começou a sua vida cósmica num grande Big Bang, há quase 14 mil milhões de anos e, desde então, tem estado em expansão. Mas em que é que se está a expandir? É uma pergunta complicada. A razão é esta: As equações de Einstein da relatividade geral descrevem o espaço e o tempo como uma espécie de tecido interligado para o universo. Ou seja, o que sabemos sobre o tempo e o espaço só existem como parte do universo e não para além dele. Quando os objetos do nosso quotidiano se expandem, ocupam um espaço maior. Mas se não existir essa coisa a que chamamos espaço, o que é que significa expandir-se? Em 1929, as observações astronómicas de Edwin Hubble deram-nos uma resposta definitiva. O seu estudo do céu noturno descobriu que todas as galáxias distantes recuam, ou afastam-se da Terra. Além disso, quanto mais distante está a galáxia, mais depressa se afasta. Como interpretamos isso? Considerem um pão de passas a crescer no forno. A massa cresce proporcionalmente entre cada uma das passas. Se pensarmos nas passas como sendo galáxias, e a massa como o espaço entre elas, podemos imaginar que a expansão do espaço intergaláctico fará com que as galáxias se afastem umas das outras. Para cada uma das galáxias, as suas vizinhas mais afastadas recuarão a uma distância maior do que as mais próximas no mesmo período de tempo. Claro que as equações da relatividade geral preveem um jogo de forças cósmico entre a gravidade e a expansão. É apenas no vazio escuro entre galáxias que a expansão pode ocorrer e o espaço pode esticar. Portanto, a nossa resposta é esta. O universo está a expandir-se em si mesmo. Dito isto, os cosmólogos ultrapassam os limites dos modelos matemáticos para especular sobre o que existe, se é que existe, para lá do nosso espaço-tempo. Não são conjeturas à toa, são hipóteses de estudo, que abordam problemas na teoria científica do Big Bang. O Big Bang prevê que a matéria está distribuída uniformemente por todo o universo, como um gás escasso — mas, então, como apareceram as galáxias e as estrelas? O modelo inflacionário descreve uma era curta de uma expansão incrivelmente rápida que relaciona as flutuações quânticas na energia do universo primitivo com a formação de maciços de gás que acabaram por formar as galáxias. Se aceitarmos este paradigma, isso também pode implicar que o universo representa uma região numa realidade cósmica maior que sofre uma inflação infindável e eterna. Nada sabemos sobre esta realidade de inflação especulativa, a não ser quanto à previsão matemática de que a sua expansão sem fim talvez seja motivada por um estado de energia quântica instável. Contudo, em muitas regiões locais, a energia pode instalar-se ao acaso num estado estável, detendo a inflação e formando universos bolha. Cada universo bolha — sendo o nosso um deles — seria descrito pelo seu próprio Big Bang e pelas leis da física. O nosso universo faria parte de um multiverso maior, em que o ritmo fantástico da inflação eterna nos tornasse impossível encontrar um universo vizinho. O Big Bang também prevê que, no primitivo universo quente, as forças fundamentais podem unificar-se numa super força. As teorias matemáticas da corda sugerem descrições dessa unificação, para além de uma estrutura fundamental para quarks e eletrões subatómicos. Nestes modelos propostos, as cordas em vibração são os blocos constitutivos do universo. Modelos concorrentes para as cordas têm sido consolidados numa descrição unificada e sugerem que essas estruturas podem interagir com superfícies maciças, altamente dimensionais chamadas p-branas. O nosso universo pode estar contido dentro de uma dessas p-branas, a flutuar num local desconhecido, de dimensão mais alta, chamado hiperespaço. Outras p-branas — contendo outros tipos de universos — podem coexistir no hiperespaço e as p-branas vizinhas podem até partilhar certas forças fundamentais, como a gravidade. Tanto a inflação eterna como as p-branas descrevem um multiverso mas, enquanto os universos, numa inflação eterna, estão isolados, os universos das p-branas podem chocar uns com os outros. Um eco duma colisão dessas pode aparecer no fundo das micro-ondas cósmicas — uma sopa de radiações pelo nosso universo, que seja uma relíquia de uma antiga era Big Bang. Mas, até agora, não encontrámos nenhum eco cósmico. Há quem suspeite de que estas hipóteses divergentes de multiverso possam vir a dar origem a uma descrição comum, ou sejam substituídas por outra coisa qualquer. Por enquanto, são explorações especulativas de modelos matemáticos. Embora estes modelos sejam inspirados e guiados por muitas experiências científicas, há muito poucas experiências objetivas que as testem diretamente. Até aparecer o próximo Edwin Hubble, os cientistas continuarão a discutir a elegância dos seus modelos concorrentes e continuarão a sonhar com o que existe — se é que existe —