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 sua vida cósmica em um Big Bang, há cerca de 14 bilhões de anos, e vem se expandindo desde então. Mas em que está se expandindo? Essa é uma pergunta complicada. Eis o motivo: as equações de campo de Einstein descrevem o espaço e o tempo como uma espécie de tecido interligado para o universo. Ou seja, o que conhecemos como espaço e tempo só existe como parte do universo e não para além dele. Quando objetos do cotidiano se expandem, ocupam um espaço maior. Mas, se não existe essa coisa que chamamos de espaço, o que significa se expandir? Em 1929, as observações astronômicas de Edwin Hubble nos deram uma resposta definitiva. Seu estudo sobre o céu à noite constatou que todas as galáxias distantes recuam ou afastam-se da Terra. Além disso, quanto mais distante estiver a galáxia, mais rápido ela irá se afastar. Como podemos interpretar isso? Considere um pedaço de pão de passas crescendo no forno. A massa cresce proporcionalmente entre cada uma das passas. Se pensarmos nas passas como se fossem as galáxias, e na 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 qualquer uma das galáxias, suas vizinhas mais distantes irão recuar uma distância maior do que as mais próximas no mesmo período de tempo. Conforme esperado, as equações de campo preveem uma disputa cósmica entre a gravidade e a expansão. É apenas no vazio escuro entre as galáxias que a expansão pode ocorrer, e o espaço pode se tornar mais amplo. Então, temos nossa resposta. O universo está se expandindo em si mesmo. Dito isso, os cosmologistas pressionam os limites dos modelos matemáticos para especular sobre o que existe, se é que existe, para além de nosso espaço-tempo. Não são palpites absurdos, e sim hipóteses 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 disperso, mas, então, como as galáxias e as estrelas se formaram? O modelo inflacionário descreve uma era breve de expansão incrivelmente rápida que relaciona flutuações quânticas na energia do universo primitivo à formação de massas gasosas que acabaram formando as galáxias. Se aceitarmos esse paradigma, isso também pode implicar que nosso universo representa uma região numa realidade cósmica maior submetida a inflação eterna e infinita. Nada sabemos sobre essa realidade de inflação especulativa, a não ser quanto à previsão matemática de que sua expansão infinita possa ser motivada por um estado de energia quântica instável. Em muitas regiões locais, no entanto, a energia pode se instalar ao acaso em um estado estável, detendo a inflação e formando universos-bolha. Cada universo-bolha, sendo o nosso um deles, seria descrito por seu próprio Big Bang e pelas leis da física. Nosso universo faria parte de uma coleção de universos maior, em que o ritmo fantástico da inflação eterna tornaria impossível encontrar um universo vizinho. O Big Bang também prevê que, no início do universo quente, nossas forças fundamentais podem se unificar em uma superforça. As teorias matemáticas das cordas sugerem descrições dessa unificação, além de uma estrutura fundamental para elétrons e quarks subatômicos. Nesses modelos propostos, as cordas que vibram são os blocos de construção do universo. Modelos concorrentes para as cordas foram consolidados em uma descrição unificada, e sugerem que essas estruturas podem interagir com enormes superfícies dimensionais superiores chamadas p-branas. Nosso universo pode estar contido dentro de uma dessas p-branas, flutuando em um lugar de dimensão superior desconhecido chamado hiperespaço. Outras p-branas, contendo outros tipos de universos, podem coexistir no hiperespaço, e as p-branas vizinhas podem até compartilhar certas forças fundamentais como a gravidade. Tanto a inflação eterna quanto as p-branas descrevem uma coleção de universos, mas, enquanto os universos na inflação eterna estão isolados, os universos das p-branas podem colidir uns com os outros. Um eco de uma colisão pode aparecer no fundo das micro-ondas cósmicas, uma mistura de radiações pelo nosso universo, que é uma relíquia de uma época inicial do Big Bang. Mas, até agora, não encontramos nenhum eco cósmico. Há quem suspeite que as hipóteses divergentes de coleção de universos possam finalmente se fundir em uma descrição comum, ou sejam substituídas por outra coisa qualquer. Por enquanto, são explorações especulativas de modelos matemáticos. Enquanto esses modelos são inspirados e guiados por muitas experiências científicas, há muito poucas experiências objetivas que as testem diretamente. Até aparecer o próximo Edwin Hubble, os cientistas deverão continuar a discutir sobre a elegância de seus modelos concorrentes