För 13,8 miljarder år sedan började universum med en het Big Bang. Sedan dess har den expanderat och svalnat, fram till idag. Ur vår synvinkel kan vi observera universum inom en radie av 46 miljarder år, tack vare begränsningen av ljusets hastighet och universums expansion. Och även om detta avstånd är enormt, är det ändligt. Men detta är bara den del som vi ser. Vad är bortom det, och är det möjligt att det finns oändlighet?
Adam Stevens vill veta:
Vad tycker du om universitetets oändlighet? Många kosmologer har sagt till mig att universitetets oändlighet inte har bevisats. Hur kan detta bevisas empiriskt?
Först kan vi lära oss mer än vad vi ser inom 46 miljarder ljusår.
Ju längre vi tittar i valfri riktning, desto längre tittar vi in i djupet av tiden. Den närmaste galaxen, som ligger 2,5 miljoner ljusår från oss, är synlig för oss som för 2,5 miljoner år sedan, eftersom ljuset reser därifrån till våra ögon från det ögonblick det släpps ut. Mer avlägsna galaxer är synliga för oss eftersom de var tiotals miljoner, hundratals miljoner eller till och med miljarder år sedan. När vi tittar ännu längre har vi sett universums ljus sedan dess yngre dagar. Så om vi ser på ljuset som släpptes ut för 13,8 miljarder år sedan, en relik från Big Bang, ser vi relikstrålningen.
Fluktuationsmönstret är extremt förvirrande med olika medeltemperaturer i olika vinkelskalor. Det krypterar också en enorm mängd information om universum, inklusive ett fantastiskt faktum: rymdets krökning, så långt vi kan bedöma, är frånvarande, det vill säga den är platt. Om rymden hade en positiv krökning, som om vi bodde på ytan av en fyrdimensionell sfär, skulle vi se konvergensen från avlägsna ljusstrålar. Om den hade negativ krökning, som på ytan av en fyrdimensionell sadel, skulle vi se de avlägsna ljusstrålarna divergera. Istället rör sig ljusstrålarna som de gjorde, och fluktuationerna berättar om ett idealiskt plan.
Från en uppsättning data om universums strålning och storskaliga strukturer i universum (tillgängliga genom studier av akustiska baryons oscillationer) kan vi dra slutsatsen att om universum är begränsat och stängt på sig själv, måste det vara minst 250 gånger större än vad vi kan se. Eftersom vi lever i tre dimensioner betyder en ökning av radien 250 gånger en ökning i volym 250 ^ 3 gånger, eller 15 miljoner gånger mer utrymme. Men detta är fortfarande inte en oändlig volym. Minsta uppskattning för universums storlek är 11 biljoner ljusår i alla riktningar, vilket är mycket hemskt, men ändå inte oändligt.
Det finns anledning att tro att det är ännu större. En varm Big Bang kan markera början på det observerbara universum, men inte födelsen av rum och tid. Innan Big Bang gick universum genom en period med kosmisk inflation. Istället för att vara fylld med materia och strålning och vara het, var universumet:
Kampanjvideo:
• fylldes med energi i själva rymden,
• expanderat i exponentiell takt, • skapade nytt utrymme så snabbt att den minsta fysiska storleken, Planck-längden, sträckte sig till universums storlek som observeras idag var 10 ^ -32 sek.
I vår region av universum är inflationen verkligen över. Men det finns flera frågor, med vilka svaren är okända för oss, som har en enorm inverkan på universums storlek och dess slutlighet eller oändlighet.
1) Vilken storlek var avsnittet av universum efter inflationen som gav upphov till vår heta Big Bang? Genom att observera dagens universum och homogeniteten i Big Bang-efterglödet, universums närhet till ett plan, fluktuationer som sträcker sig över universumet på alla skalor osv. Etc., kan vi lära oss mycket. Vi kan beräkna den övre gränsen på energiskalan som inflationen inträffade på, hur mycket inflation som har ökat universumet, den nedre gränsen för inflationens varaktighet. Men den fickan i det expanderande universum, som vår del härstammade från, kunde mycket överskrida den nedre gränsen! Det kan vara hundratals, miljoner, googoler gånger större än vad vi kan observera - eller vara verkligen oändliga. Utan förmågan att observera mer än vad som är tillgängligt för oss nu kommer vi inte att få tillräckligt med information för att besvara denna fråga.
2) Är idén om "evig inflation" korrekt? Om du överväger möjligheten att inflation är ett kvantfält, så finns det någon gång i exponentiell expansion en möjlighet att inflationen kommer att sluta, vilket leder till Big Bang, och sannolikheten för att inflationen kommer att fortsätta och skapa mer utrymme. Sådana beräkningar är tillgängliga för oss (inom ramen för vissa antaganden), och de leder till slutsatsen: om vi behöver tillräcklig inflation innan skapandet av det observerbara universum, kommer inflationen alltid att skapa ännu mer utrymme som kommer att fortsätta att expandera, till skillnad från avsnitten där det kommer att sluta och det kommer att bli en Big Bang. Och även om vårt observerbara universum kunde ha dykt upp efter slutet av inflationen i vår region för 13,8 miljarder år sedan, finns det regioner där inflationen fortsätter - och skapar mer och mer utrymme,och genererar fler och fler Big Bangs - till denna dag. Denna idé är känd som evig inflation, och den accepteras allmänt i det fysiska samhället. Så hur stort är hela det oobserverbara universum idag?
3) Hur länge varade inflationen innan den slutade och Big Bang inträffade? Vi har bara tillgång till universum som skapats i slutet av inflationen och vår heta Big Bang. Vi vet att inflationen borde ha fortsatt i minst 10 ^ -32 s, men troligen gick den längre. Men hur mycket? Sekunder? Åren? Miljarder år? Oändligt? Har universum alltid varit utsatt för inflation? Började inflationen? Följde det från ett tidigare tillstånd som varade för evigt? Eller kanske utrymme och tid uppstod från ingenting för en begränsad tid sedan? Det finns många möjligheter, men svaret kan inte verifieras för närvarande.
Baserat på våra bästa observationer vet vi att universum är mycket större än den observerbara delen. Vi misstänker att ännu mer av universum sprider sig utöver dessa gränser, samma som våra, med samma fysiklagar, typer av strukturer (stjärnor, galaxer, kluster, filament, tomrum etc.), och med samma chanser att ett komplex ett liv. Bubblan där inflationen har slutat måste vara begränsad, och den större, expanderande rymdtiden måste innehålla ett exponentiellt stort antal sådana bubblor. Men även om hela universum, eller multiverset, är så oerhört enormt, kanske det inte är oändligt. I själva verket, om inflationen inte varade på obestämd tid, måste universumet vara ändligt.
Men det största problemet är att vi bara har tillgång till den information som finns i den observerbara delen av universumet, under dessa 46 miljarder ljusår i alla riktningar. Svaret på den största frågan - om universum är ändligt eller oändligt - kan kodas i universum, men vi har inte tillgång till en tillräckligt stor del av det för att veta. Tills vi antingen löser denna fråga, eller har kommit med ett smart sätt att utöka fysikens möjligheter, kommer allt detta att ligga i möjligheterna.