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.
Космическая жизнь Вселенной началась с Большого взрыва примерно 14 миллиардов лет назад, с тех самых пор Вселенная расширяется. Но куда же она расширяется? Это очень сложный вопрос. И вот почему: согласно уравнениям Эйнштейна, в рамках общей теории относительности, пространство и время описываются как некая взаимосвязанная материя Вселенной. Это означает, что известные нам пространство и время существуют только в рамках Вселенной и не существуют за её пределами. В нашей повседневной жизни, когда тела расширяются, они занимают дополнительное пространство. Однако что, если пространства, куда можно расширяться, не существует, и что в таком случае будет означать «расширяться»? В 1929 году Эдвин Хаббл, основываясь на астрономических наблюдениях, смог дать определённый ответ на этот вопрос. Исследуя ночное небо, он обнаружил, что все далёкие галактики взаимно удаляются от Земли. Более того, чем дальше галактика, тем быстрее она отдаляется. Как можно интерпретировать это открытие? Представьте себе, что в печи у вас поднимается пирог с изюмом. Пока тесто поднимается, между изюминами образуется одинаковое расстояние. Если вместо изюмин мы представим себе галактики, а вместо теста — пространство между ними, мы сможем представить себе, что по мере расширения межгалактического пространства, галактики будут отдаляться друг от друга, и для любой галактики её отдалённые соседи отдалятся на большее расстояние, чем ближайшие, за один и тот же период времени. Несомненно, в уравнениях общей теории относительности предсказывается «перетягивание каната» между гравитацией и расширением. Расширение происходит в тёмном космическом вакууме между галактиками, и пространство расширяется. Вот и ответ на вопрос. Вселенная расширяется сама по себе. Несмотря на это, космологи расширяют границы математических моделей и выдвигают версии о том, что может существовать за пространством-временем. Это не догадки пальцем в небо, а научные гипотезы, которые рассматривают нестыковки в научной теории Большого взрыва. Согласно теории Большого взрыва, материя одинаково распределилась во Вселенной в виде газа малой плотности, но тогда как сформировались галактики и звёзды? Согласно инфляционной модели, какое-то короткое время наблюдался период ускоренного расширения, когда в результате квантовых колебаний энергии на стадии образования Вселенной сформировались скопления газа, из которых в итоге возникли галактики. Если мы примем эту парадигму, то это может означать, что наша Вселенная в космических масштабах представляет собой единое целое и подвергается бесконечному хаотическому расширению. Нам ничего не известно о гипотетической расширяющейся реальности, за исключением математической модели, в которой утверждается, что этим бесконечным расширением движет нестабильное квантовое состояние энергии. Однако во многих частях Вселенной энергия может произвольно переходить в стабильное состояние, инфляционное расширение прекращается, и формируются вселенные-пузыри. В каждой вселенной-пузыре — и наша не исключение, — действуют свои законы физики и Большого взрыва. Наша Вселенная входит в состав ещё большей Мультивселенной, в которой из-за вечного хаотического расширения на огромных скоростях наши шансы обнаружить соседние вселенные крайне малы. Согласно теории Большого взрыва, в самом начале горячей Вселенной все основные силы, возможно, слились в одну суперсилу. Математические теории струн соглашаются с утверждением о сложении сил, применительно к начальной структуре субатомных кварков и электронов. Согласно этим моделям, колеблющиеся струны являются материей, из которых состоит Вселенная. Недавно удалось упорядочить противоречивые теории струн и разработать единое представление о взаимодействии этих структур с крупными, многомерными поверхностями под названием браны. В одной такой бране может уместиться наша Вселенная, брана дрейфует в неизведанном многомерном пространстве под названием гиперпространство. В гиперпространстве могут существовать другие браны, в которых находятся другие типы вселенных, а в некоторых соседних бранах могут действовать одинаковые основные силы, например гравитации. И хаотическое расширение, и браны описывают мультипространство, и хотя вселенные в хаотическом расширении находятся в изоляции, брановские вселенные могут сталкиваться друг с другом. Эхо от таких столкновений, скорее всего, распространяется в виде микроволн в космическом пространстве, образуя поток излучения в нашей Вселенной, который существует ещё с момента Большого взрыва. Однако до настоящего времени не удалось обнаружить такое космическое эхо. Некоторые учёные полагают, что гипотезы Мультивселенной можно привести к общему описанию или заменить новой теорией. На сегодняшний день эти догадки — всего лишь гипотезы, основанные на математических моделях. И хотя все эти модели были предложены в результате многих научных экспериментов, проведено было слишком мало практических опытов, в ходе которых можно было проверить все эти теории. И пока не появится новый Эдвин Хаббл, учёным остаётся только спорить о том, чья гипотеза наиболее наглядна и проста,