gdybyś poleciał w kosmos jak najdalej, co byś napotkał? Czy istnieje granica co do tego, jak daleko można się posunąć, czy też można przebyć nieograniczony dystans? Czy w końcu powróciłbyś do punktu wyjścia, czy też nadal przemierzałbyś przestrzeń, z którą nigdy wcześniej nie miałeś do czynienia? Innymi słowy, czy wszechświat ma krawędź, a jeśli tak, to gdzie ona jest?

Wierzcie lub nie, istnieją trzy różne sposoby myślenia o tym pytaniu, a każdy z nich ma inną odpowiedź. Jeśli zastanowisz się, jak daleko możesz się posunąć, jeśli:

• opuścił dziś w arbitralnie potężnej rakiecie,
• rozważał wszystko, co kiedykolwiek mogło się z nami skontaktować lub skontaktować Od początku gorącego Wielkiego Wybuchu,
• lub użył swojej wyobraźni, aby uzyskać dostęp do całego wszechświata, w tym poza tym, co kiedykolwiek będzie obserwowalne,

możesz dowiedzieć się, jak daleko jest do krawędzi. W każdym przypadku odpowiedź jest fascynująca.

kluczową koncepcją, o której należy pamiętać, jest to, że przestrzeń nie jest taka, jak zwykle ją pojmujemy. Konwencjonalnie myślimy o przestrzeni jako o układzie współrzędnych-trójwymiarowej siatce – gdzie Najkrótsza odległość między dwoma punktami jest linią prostą i gdzie odległości nie zmieniają się w czasie.

ale oba te założenia, tak bardzo dobre w naszym codziennym życiu, zawodzą spektakularnie, gdy zaczynamy patrzeć na Wszechświat na większą skalę poza naszą własną planetą. Na początek, idea, że Najkrótsza odległość między dwoma punktami jest linią prostą, rozpada się, gdy tylko zaczniesz wprowadzać masy i kwanty energetyczne do swojego wszechświata. Ponieważ czasoprzestrzeń podlega krzywiźnie, której przyczyną jest obecność materii i energii, Najkrótsza odległość między dwoma punktami jest z natury zależna od kształtu wszechświata między tymi punktami.

poza tym tkanina czasoprzestrzeni nie pozostaje statyczna w czasie. We wszechświecie wypełnionym materią i energią, statyczny, niezmienny wszechświat (gdzie odległości między punktami pozostają takie same w czasie) jest z natury niestabilny; wszechświat musi ewoluować poprzez rozszerzanie się lub kurczenie. Jeśli ogólna teoria względności Einsteina jest poprawna, jest to obowiązkowe.

Obserwacyjnie dowody na to, że nasz wszechświat się rozszerza są przytłaczające: spektakularne potwierdzenie przewidywań Einsteina. Niesie to jednak ze sobą szereg konsekwencji dla obiektów oddzielonych kosmicznymi odległościami, włączając w to, że odległość między nimi rozszerza się w czasie. Obecnie najbardziej odległe obiekty, jakie widzimy, znajdują się w odległości ponad 30 miliardów lat świetlnych, pomimo faktu, że od Wielkiego Wybuchu minęło zaledwie 13,8 miliarda lat.

Kiedy zmierzymy, jak odległe są różne obiekty od ich właściwości fizycznych i świetlnych — wraz z ilością, jaką ich światło zostało przesunięte przez ekspansję wszechświata — możemy zrozumieć, z czego zbudowany jest wszechświat. Nasz kosmiczny koktajl składa się obecnie z:

• 0,01% promieniowania w postaci fotonów,
• 0,1% neutrin, nieuchwytnej cząstki o niskiej masie prawie tak licznej jak fotony,
• 4,9% normalnej materii, zbudowanej głównie z tego samego co my: protony, neutrony i elektrony,
• 27% ciemnej materii, nieznanej substancji, która grawituje, ale nie emituje ani nie absorbuje światła,
• i 68% ciemnej energii, która jest energią nieodłączną dla przestrzeni, która powoduje, że odległe obiekty przyspieszają od nas swoją recesję.

kiedy połączysz te efekty razem, otrzymasz unikalną i jednoznaczną prognozę, jak daleko jest, przez cały czas przeszłości i teraźniejszości, do krawędzi obserwowalnego wszechświata.

To jest wielka sprawa! Większość ludzi zakłada, że jeśli wszechświat istnieje 13,8 miliarda lat od Wielkiego Wybuchu, to granica tego, jak daleko możemy zobaczyć, wyniesie 13,8 miliarda lat świetlnych, ale to nie do końca prawda.

tylko gdyby Wszechświat był statyczny i nie rozszerzał się, byłoby to prawdą, ale faktem jest, że: im dalej patrzymy, tym szybciej oddalają się od nas obiekty. Tempo tego ekspansji zmienia się w sposób przewidywalny w oparciu o to, co jest we wszechświecie, a z kolei wiedza o tym, co jest we wszechświecie i obserwacja jak szybko Obiekty się rozszerzają, mówi nam, jak daleko są. Kiedy zbierzemy wszystkie dostępne Dane razem, osiągniemy wyjątkową wartość dla wszystkiego razem, łącznie z odległością do obserwowalnego kosmicznego horyzontu: 46,1 miliarda lat świetlnych.

ta granica nie jest jednak „krawędzią” wszechświata w żadnym konwencjonalnym znaczeniu tego słowa. W ogóle nie jest to granica w przestrzeni; gdybyśmy przypadkiem znaleźli się w jakimkolwiek innym punkcie przestrzeni, nadal bylibyśmy w stanie wykryć i obserwować wszystko wokół nas w obrębie tej 46,1 miliarda lat świetlnych sfery skupionej wokół nas.

dzieje się tak dlatego, że ta „krawędź” jest granicą w czasie, a nie w przestrzeni. Ta krawędź reprezentuje granicę tego, co możemy zobaczyć, ponieważ prędkość światła-nawet w rozszerzającym się wszechświecie rządzonym przez ogólną teorię względności-pozwala tylko sygnałom podróżować tak daleko ponad 13,8 miliarda lat historii wszechświata. Odległość ta jest większa niż 13.8 miliardów lat świetlnych z powodu ekspansji wszechświata, ale wciąż jest skończony. Nie możemy jednak dotrzeć do całości.

poza pewną odległością, możemy zobaczyć część światła, które zostało już wyemitowane dawno temu, ale nigdy nie zobaczymy światła, które jest emitowane teraz: 13,8 miliarda lat po Wielkim Wybuchu. Poza określoną odległością-obliczoną (przeze mnie) na około 18 miliardów lat świetlnych od nas-nawet sygnał poruszający się z prędkością światła Nigdy do nas nie dotrze.

podobnie, oznacza to, że gdybyśmy byli w statku rakietowym o arbitralnie dużej mocy, wszystkie obiekty znajdujące się obecnie w promieniu 18 miliardów lat świetlnych byłyby w końcu przez nas osiągalne, nawet gdy Wszechświat nadal się rozszerzał i te odległości nadal rosły. Jednak przedmioty poza tym nigdy nie byłyby dostępne. Nawet gdy osiągaliśmy coraz większe odległości, oddalały się one szybciej niż moglibyśmy kiedykolwiek podróżować, uniemożliwiając nam odwiedzenie ich przez całą wieczność. Już 94% wszystkich galaktyk w obserwowalnym wszechświecie jest poza naszym wiecznym zasięgiem.

a jednak istnieje inna „krawędź”, którą warto rozważyć: poza granicami tego, co możemy zaobserwować dzisiaj, a nawet tego, co potencjalnie możemy zaobserwować arbitralnie daleko w przyszłość, jeśli uruchomimy nasz teoretyczny zegar w kierunku nieskończoności. Możemy zastanowić się, jak duży jest cały wszechświat – niezauważalny wszechświat – i czy on sam się składa, czy nie.

sposób, w jaki możemy na to odpowiedzieć, opiera się na ekstrapolacji tego, co obserwujemy, gdy próbujemy zmierzyć krzywiznę przestrzenną wszechświata: ilość tej przestrzeni jest zakrzywiona w największej skali, jaką możemy zaobserwować. Jeśli wszechświat jest dodatnio zakrzywiony, równoległe linie zbiegają się, a trzy kąty trójkąta sumują się do więcej niż 180 stopni. Jeśli wszechświat jest ujemnie zakrzywiony, równoległe linie rozchodzą się, a trzy kąty trójkąta sumują się do mniej niż 180 stopni. A jeśli wszechświat jest płaski, równoległe linie pozostaną równoległe, a wszystkie trójkąty będą zawierały dokładnie 180 stopni.

sposób, w jaki to robimy, polega na pobraniu najbardziej odległych sygnałów ze wszystkich, takich jak światło, które zostało z Wielkiego Wybuchu, i zbadaniu szczegółowo, jak kształtują się fluktuacje. Jeśli wszechświat jest zakrzywiony w kierunku dodatnim lub ujemnym, obserwowane przez nas fluktuacje zostaną zniekształcone i pojawią się na większych lub mniejszych skalach kątowych, w przeciwieństwie do płaskiego wszechświata.

Kiedy weźmiemy najlepsze dostępne dane, które pochodzą zarówno z fluktuacji kosmicznego mikrofalowego tła, jak i szczegółów dotyczących tego, jak gromady galaktyk łączą się w dużych skalach w różnych odległościach, dochodzimy do nieuniknionego wniosku: Wszechświat jest nie do odróżnienia od doskonałej płaskości przestrzennej. Jeśli jest zakrzywiona, to jest na poziomie nie większym niż 0.4%, co oznacza, że jeśli wszechświat jest zakrzywiony jak hipersfera, jego promień jest co najmniej ~250 razy większy niż część, która jest dla nas obserwowalna.

Jeśli zdefiniujesz krawędź Wszechświata jako najdalszy obiekt, do którego moglibyśmy dotrzeć, gdybyśmy natychmiast rozpoczęli naszą podróż, to nasza obecna granica to zaledwie odległość 18 miliardów lat świetlnych, obejmująca zaledwie 6% objętości naszego obserwowalnego wszechświata. Jeśli zdefiniujemy ją jako granicę tego, od czego możemy obserwować sygnał — od kogo możemy widzieć, a kto nas widzi – wtedy krawędź wynosi 46,1 miliarda lat świetlnych. Ale jeśli zdefiniujesz to jako granice niezauważalnego wszechświata, jedyną granicą jaką mamy jest to, że ma on co najmniej 11,500 miliardów lat świetlnych i może być jeszcze większy.

nie oznacza to jednak, że Wszechświat jest nieskończony. Może być płaski i wciąż zakrzywiony, z pączkowym kształtem znanym matematycznie jako torus. Tak duży i rozległy jak obserwowalny Wszechświat, wciąż jest skończony, ze skończoną ilością informacji do nauczenia nas. Poza tym, ostateczne kosmiczne prawdy nadal pozostają nam nieznane.