jos menisit niin kauas avaruuteen kuin voit kuvitella, mitä kohtaisit? Olisiko rajallista, kuinka pitkälle voisit mennä,vai voisitko kulkea rajattoman matkan? Palaisitko lopulta lähtöpisteeseesi vai jatkaisitko avaruuden läpikulkua, jollaista et ollut ennen kohdannut? Toisin sanoen, onko maailmankaikkeudessa särmää, ja jos on, niin missä se on?

Usko tai älä, on oikeastaan kolme eri tapaa ajatella tätä kysymystä, ja jokaisella on erilainen vastaus. Jos mietit, kuinka pitkälle voisit mennä, jos:

• lähti tänään mielivaltaisen voimakkaalla raketilla,
• harkitsi kaikkea, mikä voisi koskaan ottaa meihin yhteyttä tai saada meihin yhteyden kuuman alkuräjähdyksen alusta lähtien,
• tai käytti vain mielikuvitustaan päästäkseen koko universumiin, myös sen tuolle puolen, mikä koskaan on havaittavissa,

voit selvittää, kuinka kaukana se on reunasta. Kussakin tapauksessa vastaus on kiehtova.

keskeinen mielessä pidettävä käsite on, että avaruus ei ole se, miten me sen normaalisti käsitämme. Perinteisesti ajattelemme avaruuden olevan kuin koordinaatisto-kolmiulotteinen ruudukko-jossa Lyhin etäisyys kahden pisteen välillä on suora viiva, ja jossa etäisyydet eivät muutu ajan myötä.

mutta nämä molemmat oletukset, jotka ovat niin läpeensä hyviä arkielämässämme, epäonnistuvat näyttävästi, kun alamme tarkastella oman planeettamme ulkopuolista laajempaa maailmankaikkeutta. Ensinnäkin ajatus siitä, että Lyhin etäisyys kahden pisteen välillä on suora viiva, hajoaa heti, kun alat tuoda massoja ja energistä kvanttia Universumiisi. Koska aika-avaruus on kaareutuva, mihin aineen ja energian läsnäolo on syynä, Lyhin etäisyys kahden pisteen välillä riippuu luonnostaan maailmankaikkeuden muodosta näiden pisteiden välillä.

tämän lisäksi aika-avaruuden itse rakenne ei pysy ajan myötä staattisena. Aineen ja energian täyttämässä maailmankaikkeudessa staattinen, muuttumaton maailmankaikkeus (jossa pisteiden väliset etäisyydet pysyvät ajan mittaan samoina) on luonnostaan epävakaa; maailmankaikkeuden täytyy kehittyä joko laajenemalla tai supistumalla. Jos Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria pitää paikkansa, tämä on pakollista.

havainnollisesti todisteet siitä, että maailmankaikkeus laajenee, ovat ylivoimaisia: näyttävä vahvistus Einsteinin ennustuksille. Mutta tämä tuo mukanaan joukon seurauksia kosmisten etäisyyksien erottamille kohteille, muun muassa sen, että niiden välinen etäisyys laajenee ajan myötä. Nykyään kaukaisimmat näkemämme kohteet ovat yli 30 miljardin valovuoden päässä, vaikka Alkuräjähdyksestä on kulunut vasta 13,8 miljardia vuotta.

kun mittaamme, kuinka kaukana erilaiset kappaleet ovat fyysisistä ja valovoimaisista ominaisuuksistaan — yhdessä sen kanssa, kuinka paljon niiden valoa maailmankaikkeuden laajeneminen on siirtänyt — voimme ymmärtää, mistä maailmankaikkeus on tehty. Meidän kosminen cocktail, tällä hetkellä, koostuu:

• 0,01% säteilystä fotonien muodossa,
• 0,1% neutriinoista, vaikeasti lähestyttävästä, pienimassaisesta hiukkasesta, joka on lähes yhtä suuri kuin fotonit,
• 4,9% normaalista aineesta, joka koostuu enimmäkseen samasta aineesta, jota olemme: protonit, neutronit ja elektronit,
• 27% pimeää ainetta, tuntematonta ainetta, joka gravitoituu, mutta ei emittoi eikä absorboi valoa,
• ja 68% pimeää energiaa, joka on avaruudelle luontaista energiaa, joka saa kaukaiset kappaleet kiihtymään taantuessaan meistä.

kun nämä efektit yhdistää, saa ainutlaatuisen ja yksiselitteisen ennusteen siitä, kuinka kaukana se on, kaikkina aikoina menneisyydessä ja nykyisyydessä, havaittavan maailmankaikkeuden laidalla.

Tämä on iso juttu! Useimmat ihmiset olettavat, että jos maailmankaikkeus on ollut olemassa 13,8 miljardia vuotta alkuräjähdyksen jälkeen, niin raja sille, kuinka pitkälle voimme nähdä, on 13,8 miljardia valovuotta, mutta se ei ole aivan oikein.

vain jos kaikkeus olisi staattinen eikä laajenisi, tämä olisi totta, mutta tosiasia on tämä: mitä kauemmas katsomme, sitä nopeammin kaukaiset kohteet näyttävät kiitävän poispäin meistä. Tämän laajenemisen nopeus muuttuu tavalla, joka on ennustettavissa sen perusteella, mitä maailmankaikkeudessa on, ja vuorostaan sen tietäminen, mitä maailmankaikkeudessa on ja kuinka nopeasti kappaleet laajenevat, kertoo meille, kuinka kaukana ne ovat. Kun otamme kaiken saatavilla olevan tiedon yhteen, saamme ainutlaatuisen arvon kaikelle yhdessä, mukaan lukien etäisyys havaittavaan kosmiseen horisonttiin: 46,1 miljardia valovuotta.

tämä raja ei kuitenkaan ole ”reuna” Kaikkeudelle sanan missään tavanomaisessa merkityksessä. Se ei ole avaruuden raja ollenkaan; jos sattuisimme sijaitsemaan jossakin muussa avaruuden pisteessä, pystyisimme silti havaitsemaan ja havainnoimaan kaiken ympärillämme olevan 46,1 miljardin valovuoden pallon sisällä, jonka keskipisteenä olemme.

Tämä johtuu siitä, että tuo ”reuna” on raja ajassa eikä avaruudessa. Tämä reuna edustaa näkemämme rajaa, koska valonnopeus — jopa laajenevassa universumissa, jota hallitsee yleinen suhteellisuusteoria — sallii signaalien kulkea vain niin kauas maailmankaikkeuden 13,8 miljardin vuoden historian yli. Tämä etäisyys on kauempana kuin 13.8 miljardia valovuotta maailmankaikkeuden laajenemisen takia, mutta se on silti äärellinen. Emme kuitenkaan voi saavuttaa kaikkea.

tietyn etäisyyden takaa voimme nähdä osan jo kauan sitten säteilevästä valosta, mutta emme koskaan näe sitä valoa, joka säteilee juuri nyt: 13,8 miljardia vuotta alkuräjähdyksen jälkeen. Tietyn etäisyyden ulkopuolella-jonka olen laskenut olevan tällä hetkellä noin 18 miljardin valovuoden päässä-edes valonnopeudella liikkuva signaali ei koskaan saavuta meitä.

vastaavasti se tarkoittaa, että jos olisimme mielivaltaisen suuritehoisessa rakettialuksessa, kaikki tällä hetkellä tämän 18 miljardin valovuoden säteellä olevat kohteet olisivat lopulta saavutettavissa, vaikka maailmankaikkeus laajenisi ja nämä etäisyydet kasvaisivat jatkuvasti. Sen ulkopuoliset esineet eivät kuitenkaan koskaan olisi tavoitettavissa. Vaikka saavuttaisimme yhä suurempia etäisyyksiä, ne perääntyisivät nopeammin kuin voisimme koskaan matkustaa, estäen meitä käymästä niissä ikuisesti. Jo 94% havaittavan universumin galakseista on ikuisen ulottumattomissamme.

ja silti on olemassa toisenlainen ”reuna”, jota meidän kannattaisi harkita: niiden rajojen yli, mitä voimme tänään havaita, tai jopa sen, mitä voimme mahdollisesti havaita mielivaltaisesti pitkälle tulevaisuuteen, jos ajamme teoreettisen kellomme kohti äärettömyyttä. Voimme tarkastella, miten suuri koko maailmankaikkeus on-havaitsematon maailmankaikkeus-ja taittuuko se itseensä vai ei.

tapa, jolla voimme vastata tähän, perustuu ekstrapolointiin siitä, mitä havaitsemme yrittäessämme mitata kaikkeuden avaruudellista kaarevuutta: avaruuden kaarevuus on suurin mahdollinen mittakaava. Jos kaikkeus on positiivisesti kaareva, yhdensuuntaiset viivat yhtyvät ja kolmion kolme kulmaa summautuvat yli 180 asteeseen. Jos maailmankaikkeus on negatiivisesti kaareva, yhdensuuntaiset viivat eroavat toisistaan ja kolmion kolme kulmaa summautuvat alle 180 asteeseen. Ja jos maailmankaikkeus on tasainen, yhdensuuntaiset viivat pysyvät samansuuntaisina,ja kaikissa kolmioissa on tasan 180 astetta.

näin tehdään ottamalla kaikista kaukaisimmat signaalit, kuten Alkuräjähdyksestä jäljelle jäänyt valo, ja tutkimalla yksityiskohtaisesti, miten vaihtelut ovat kuvioituja. Jos maailmankaikkeus kaartuu joko positiiviseen tai negatiiviseen suuntaan, havaitut vaihtelumallit vääristyvät niin, että ne näkyvät joko suuremmilla tai pienemmillä kulmikkailla asteikoilla, toisin kuin tasainen maailmankaikkeus.

kun otamme parhaan saatavilla olevan tiedon, joka on peräisin sekä kosmisen mikroaaltotaustan vaihteluista että yksityiskohdista, miten galaksit ryhmittyvät toisiinsa suurilla mittakaavoilla eri etäisyyksillä, päädymme väistämättömään johtopäätökseen: maailmankaikkeutta ei voi erottaa täydellisestä avaruudellisesta tasaisuudesta. Jos se on kaareva, se on tasolla, joka on enintään 0.4%, mikä tarkoittaa, että jos maailmankaikkeus on kaareva kuin hypersphere, sen säde on vähintään ~250 kertaa suurempi kuin se osa, joka on havaittavissa meille.

Jos määrittelet maailmankaikkeuden reunan kaukaisimmaksi kappaleeksi, jonka voisimme koskaan saavuttaa, jos aloittaisimme matkamme välittömästi, niin nykyinen rajamme on vain 18 miljardin valovuoden etäisyys, joka kattaa vain 6% havaittavan universumimme tilavuudesta. Jos määrittelet sen rajaksi, mistä voimme havaita signaalin — keneltä voimme nähdä ja kuka voi nähdä meidät — reuna ulottuu 46,1 miljardiin valovuoteen. Mutta jos sen määrittelee havaitsemattoman universumin rajaksi, ainoa rajamme on, että se on vähintään 11 500 miljardin valovuoden kokoinen, ja se voi olla vielä suurempi.

Tämä ei kuitenkaan välttämättä tarkoita, että kaikkeus olisi ääretön. Se voisi olla litteä ja silti käyrä takaisin itselleen, jonka donitsimainen muoto tunnetaan matemaattisesti toruksena. Niin suuri ja laaja kuin havaittava maailmankaikkeus onkin, se on silti äärellinen, ja sillä on rajallinen määrä tietoa opetettavanaan. Sen lisäksi perimmäiset kosmiset totuudet ovat edelleen tuntemattomia meille.