Är universum oändligt? Sanningen bakom dess storlek

Frågan om universums storlek är mer än en filosofisk kuriositet. Den rör vad vi faktiskt kan mäta, hur rummet är uppbyggt och varför ett kosmos kan vara mycket större än allt vi någonsin kommer att se. Här går jag igenom det korta svaret, vad observationerna säger och varför kosmologer fortfarande lämnar dörren öppen för både ändligt och oändligt rum.

Det korta svaret är att vi inte vet än

Det korta svaret är att vi inte vet om hela universum är oändligt. Det vi vet är att det observerbara universum är ändligt och att dagens bästa data pekar mot en rumslig geometri som är mycket nära plan. Med andra ord: oändlighet är fullt möjlig, men den är inte bevisad, och ett enormt men ändligt universum är fortfarande helt förenligt med observationerna.

Jag brukar dela upp frågan i tre nivåer, för annars blandas allt ihop direkt:

1. Vad vi kan se.
2. Hur rummet är krökt lokalt.
3. Om universum har en global topologi som gör det ändligt eller oändligt.

När de tre nivåerna hålls isär blir svaret mycket tydligare, och det är där nästa steg börjar: horisonten vi faktiskt ser genom.

Det observerbara universum är bara vår horisont

Det observerbara universum är inte hela kosmos, utan den del vars ljus hunnit fram till oss sedan universum blev genomskinligt. Eftersom rummet har expanderat medan ljuset färdats är horisonten mycket större än 13,8 miljarder ljusår. I dag talar man om ungefär 46,5 miljarder ljusår i radie och omkring 93 miljarder ljusår i diameter.

• Universums ålder är ungefär 13,8 miljarder år.
• Ljuset från mycket avlägsna objekt har rest länge, men avståndet har samtidigt ökat på grund av expansionen.
• Horisonten är lokal, inte en fysisk vägg eller en ytterkant på hela universum.
• Det finns inget känt centrum för expansionen som allt sprider sig från; varje observatör har i praktiken sin egen horisont.

Det här är en punkt där många går fel. När man hör att vi kan se cirka 46,5 miljarder ljusår bort är det lätt att tro att universum måste sluta där. Men det är bara gränsen för vad ljuset hunnit nå oss med, inte en gräns för hela rumets utbredning. När man har den skillnaden klar blir det lättare att förstå varför geometri och topologi måste analyseras var för sig.

Krökning säger något om formen men inte hela svaret

Här är den viktiga distinktionen: krökning beskriver den lokala geometrin, medan topologi beskriver hur rummet hänger ihop globalt. Ett rum kan alltså vara nästan plant och ändå ha en ändlig struktur, om det ”sluter sig” på ett mer komplicerat sätt.

Det är därför jag aldrig nöjer mig med formuleringen ”platt betyder oändligt”. Den är bara korrekt om man dessutom antar en enkel topologi. Och just den detaljen är avgörande när man vill veta vad observationerna faktiskt räcker till för att säga.

Vad mätningarna faktiskt pekar på

De starkaste ledtrådarna kommer från den kosmiska bakgrundsstrålningen, där små temperaturskillnader fungerar som en standardlinjal. I praktiken använder kosmologer ljudhorisonten, alltså den största sträcka en tryckvåg hann färdas i det tidiga universum, som ett känt mått. Om den linjalen ser ut att ha rätt vinkelstorlek på himlen talar det för att rummet är nästan plant.

NASA:s WMAP-resultat visade redan att rumskurvaturen låg inom 0,4 procent från perfekt plan geometri, och den övergripande bilden har sedan dess förblivit densamma: vi ser inget robust tecken på stark positiv eller negativ krökning. Det betyder inte att frågan är stängd, men det betyder att ett mycket krökt universum inte längre är den mest rimliga bilden. I samma riktning pekar inflation, alltså den korta fas av extremt snabb expansion tidigt i universums historia som skulle ha sträckt ut rummet och gjort det nästan plant på stora skalor.

Jag tycker att inflation är den mest användbara förklaringen här. Den förklarar varför vi förväntar oss en nästan plan geometri utan att behöva anta att universum nödvändigtvis är oändligt. Det är en viktig nyans, eftersom en förklaring till flathet inte är samma sak som ett bevis på oändlighet.

Ett plant universum kan ändå vara ändligt

Det här är den vanligaste missuppfattningen. Om ett universum är plant i den kosmologiska meningen betyder det inte automatiskt att det är oändligt. Tänk dig en spelvärld där du går ut genom högerkanten och kommer in från vänster. Lokalt ser golvet plant ut, men globalt har rummet en begränsad utbredning.

På samma sätt kan ett tredimensionellt rum vara ändligt utan att ha någon kant man kan stå vid. Det skulle inte finnas något ”utanför” i vanlig mening, och expansionen skulle inte utgå från en mittpunkt. Det skulle bara finnas mer rum än vi kan se. Om topologin var tillräckligt liten skulle vi dessutom kunna ana upprepade mönster i himlen, eftersom ljus från samma struktur skulle kunna nå oss via olika vägar. Sådana tydliga upprepningar har inte observerats, vilket i sin tur sätter gränser för hur litet ett eventuellt ändligt universum kan vara.

Här ligger en av kosmologins snyggaste men också mest frustrerande insikter: samma data som talar för nästan plan geometri lämnar fortfarande dörren öppen för flera olika globala lösningar. Därför är det mer korrekt att tala om sannolika modeller än om ett slutgiltigt facit.

Det mest ärliga svaret just nu

• Det observerbara universum är definitivt ändligt.
• Den stora rumsliga geometrin verkar vara mycket nära plan.
• Plan geometri bevisar inte oändlighet, men gör den möjlig.
• Ett enormt ändligt universum är fortfarande förenligt med data, så länge topologin inte avslöjar sig tydligare.

Om jag ska sammanfatta min egen läsning av läget: universum ser ut att vara så nära plant att det mycket väl kan fortsätta utan slut i praktiken, men vi har ännu inte tillräcklig evidens för att säga att hela kosmos faktiskt är oändligt. Det är ett ovanligt bra svar inom kosmologi, eftersom det skiljer mellan det vi vet, det vi mäter och det vi bara kan modellera.