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.
Vũ trụ được sinh ra từ vụ nổ Big Bang gần mười bốn tỷ năm trước, và vẫn đang nở rộng cho đến tận ngày nay. Nhưng nó sẽ nở rộng tới đâu? Đó là một câu hỏi khó. Đây là lí do: Các phương trình Einstein về tính tương đối rộng mô tả không gian - thời gian như một màng liên tục nối liền của vũ trụ. Nghĩa là những gì ta biết về không gian - thời gian tồn tại bên trong vũ trụ và không thể vượt lên trên nó. Khi nở rộng, các vật thể nở rộng theo chiều không gian. Nhưng nếu không có không gian, thì nở rộng sẽ như thế nào? Năm 1929, những quan sát thiên văn của Hubble cho ta một câu trả lời đầy đủ. Ông lùng sục bầu trời đêm để tìm những thiên hà xa xôi lùi xa, hay di chuyển khỏi Trái đất. Hơn nữa, thiên hà càng xa, càng lùi xa nhanh hơn. Ta có thể giải thích nó như thế nào? Hãy xem xét một ổ bánh mì nho đang nở trong lò vi sóng. Bột nở ra một lượng giống nhau giữa mỗi hạt nho khô. Nếu xem những hạt nho khô tượng trưng cho các thiên hà, và bột nở tượng trưng cho không gian giữa chúng, ta có thể tưởng tượng sự kéo giãn hoặc nở rộng không gian giữa các thiên hà sẽ khiến chúng rời xa nhau, và những thiên hà ở xa sẽ lùi một khoảng lớn hơn so với những thiên hà gần trong cùng khoảng thời gian. Một cách chắc chắn, các phương trình về tương đối phổ quát dự đoán một cuộc giằng co giữa trọng lực và sự nở rộng. Nó chỉ xảy ra trong không gian tối giữa các thiên hà, nơi sự nở rộng thắng thế, và không gian giãn nở. Nên đây là câu trả lời. Vũ trụ đang giãn nở vào chính nó. Nghĩa là, các nhà vũ trụ học đang chạm đến giới hạn của các mô hình toán để suy đoán rằng, liệu có thứ gì, tồn tại vượt lên không gian-thời gian. Những dự đoán này là có căn cứ, nhưng có những giả thuyết gây cản trở cho học thuyết Big Bang. Big Bang dự đoán rằng vật chất phân bổ đều khắp vũ trụ, như một đám mây - nhưng làm thế nào các thiên hà và sao hình thành? Mô hình lạm phát mô tả một thời kỳ ngắn của siêu giãn nở khi mà các thăng giáng lượng tử trong năng lượng của vũ trụ sơ khai, dẫn tới sự tích tụ của khí dần dẫn đến hình thành thiên hà. Nếu chấp nhận sự tiến hóa này, nó có thể ngụ ý rằng vũ trụ đại diện cho một phần của thực tại lớn hơn đang trải qua sự giãn nở vô tận. Chúng ta không biết gì về thực tại có tính suy đoán này, ngoại trừ các tiên đoán toán học rằng sự giãn nở vĩnh cửu của vũ trụ có thể được dẫn dắt bởi trạng thái lượng tử không ổn định. Tuy nhiên, trong nhiều vùng địa phương, năng lượng có thể phân bố ngẫu nhiên, trong trạng thái ổn định, ngăn sự giãn nở và định hình những vũ trụ bong bóng. Mỗi vũ trụ bong bóng - mà ta là một trong số chúng- sẽ được tạo ra bởi vụ nổ Big Bang của chính nó và các định luật vật lý. Vũ trụ của chúng ta sẽ là một phần của một đa vũ trụ rộng lớn, mà ở đó, tỷ lệ giãn nở rất lớn khiến cho việc đi tới những vũ trụ hàng xóm là một điều bất khả thi. Big Bang cũng dự đoán rằng vũ trụ sơ khai, vô cùng nóng, các lực cơ bản đã từng hợp nhất trong một siêu lực duy nhất. Thuyết dãy toán chứng minh cho sự thống nhất này, cùng với cấu trúc cơ bản của các quark tiền nguyên tử và electron. Trong mô hình này, các vòng rung động tạo ra các khu vực của vũ trụ. Các lí thuyết dãy giờ đây hợp nhất thành một thuyết thống nhất, cho rằng các cấu trúc này tương tác với khối lượng, các chiều bậc cao là brane. Vũ trụ của ta có thể chỉ được chứa trong một brane, trôi lơ lửng trong một chiều bậc cao hơn, có tên "bulk", hoặc siêu không gian. Các brane khác- có những kiểu vũ trụ khác- có thể cùng tồn tại trong siêu không gian, và những brane hàng xóm có thể có chung những lực cơ bản như trọng lực. Cả sự giãn nở vô tận và brane đều mô tả một đa vũ trụ, nhưng khi các vũ trụ hợp nhất, các brane vũ trụ có thể va vào nhau. Âm vọng của một vụ va chạm có thể xuất hiện trong bức xạ nền vi sóng, một hỗn hợp sóng vô tuyến khắp vũ trụ, tàn tích từ thời kỳ Big Bang. Dù vậy, chúng ta vẫn chưa tìm ra bất kỳ âm vọng vũ trụ nào. Vài người nghi ngờ các thuyết đa vũ trụ có thể cuối cùng sẽ hợp nhất, hoặc bị thay thế bởi một lí thuyết khác. Cho đến nay, chúng chỉ là những khảo sát lí thuyết của mô hình toán. Khi các mô hình này được xây dựng và dẫn dắt bởi nhiều suy đoán khoa học, có rất ít thí nghiệm khách quan để trực tiếp kiểm nghiệm. Mãi đến khi kính thiên văn Hubble được lắp đặt, các nhà khoa học dường như vẫn tranh luận về sự tinh tế trong mô hình của mình... và tiếp tục nghĩ về việc, liệu có gì đó tồn tại vượt lên trên vũ trụ của ta.