जो हम देख सकते हैं, वह कहां समाप्त होता है — और शुद्ध अटकल कहां से शुरू होती है? ब्रह्मांड विज्ञान के ज्ञान की सबसे बाहरी सीमा तक की एक यात्रा: अवलोकन क्षितिज से लेकर उन प्रश्नों तक, जिन्हें भौतिकी स्वयं खुला छोड़ देती है।
"ब्रह्मांड कितना बड़ा है?" एक सरल प्रश्न लगता है — लेकिन है नहीं, क्योंकि वास्तव में इसका मतलब दो अलग-अलग चीज़ें हो सकती हैं। प्रेक्षणीय ब्रह्मांड हमारे चारों ओर वह गोला है, जिससे बिग बैंग के बाद से प्रकाश को हम तक पहुंचने का समय मिल चुका है। इसकी सीमा कोई भौतिक दीवार नहीं, बल्कि एक तिथि है: जो कुछ इससे अधिक दूर है, वह संभवतः अस्तित्व में तो है, लेकिन उसका प्रकाश अभी तक हम तक नहीं पहुंचा है। इसके विपरीत संपूर्ण ब्रह्मांड इस दृश्य हिस्से से कहीं बड़ा हो सकता है — या यहां तक कि अनंत भी। अवलोकन इसे सीधे नहीं दिखा सकते, क्योंकि हम सैद्धांतिक रूप से केवल उसी हिस्से को माप सकते हैं जहां से प्रकाश हम तक पहुंचता है।
यही दोहरा अर्थ इसका कारण है कि लोकप्रिय प्रस्तुतियों में "ब्रह्मांड की सीमा" अक्सर भ्रम पैदा करती है। बहुत संभावना है कि किसी किनारे या दीवार के अर्थ में कोई सीमा है ही नहीं — न प्रेक्षणीय ब्रह्मांड के लिए (जो केवल हमारी अवलोकन-सीमा को दर्शाता है) और न ही संपूर्ण ब्रह्मांड के लिए (जिसे, चाहे वह परिमित हो या अनंत, वैसे भी किसी सीमा की आवश्यकता प्रतीत नहीं होती)।
हमारे अवलोकन-क्षितिज से परे ब्रह्मांड के बारे में हर कथन एक ऐसी पूर्वधारणा पर टिका है, जिसे सीधे सिद्ध नहीं किया जा सकता: कॉस्मोलॉजिकल सिद्धांत। इसके अनुसार बड़े पैमानों पर ब्रह्मांड हर जगह लगभग एक जैसा दिखता है (समांगी) और किसी दिशा को विशेष महत्व नहीं देता (समदैशिक) — यानी पृथ्वी किसी विशेष अवलोकन-स्थान पर नहीं है। प्रेक्षणीय क्षेत्र के भीतर सभी मापन अब तक इस पूर्वधारणा का समर्थन करते हैं, फिर भी वे इसकी गारंटी नहीं दे सकते: स्वाभाविक रूप से हम केवल एक ही हिस्सा देख पाते हैं।
हमारे सौरमंडल से लेकर प्रेक्षणीय ब्रह्मांड की सीमा तक दूरी में 25 से अधिक कोटि (ऑर्डर ऑफ़ मैग्निट्यूड) का अंतर है। इस चित्र में हर परत एक उच्चतर कॉस्मिक संरचना को दर्शाती है — और सबसे बाहर, कॉस्मोलॉजी में अक्सर पर्यायवाची की तरह प्रयोग किए जाने वाले, लेकिन वास्तव में अलग-अलग तीन शब्दों के बीच के सूक्ष्म किंतु निर्णायक अंतर को।
उल्लेखनीय बात: घटना क्षितिज प्रेक्षणीय ब्रह्मांड के भीतर स्थित है, उससे बाहर नहीं। प्रेक्षणीय ब्रह्मांड पूरे अतीत से आने वाले प्रकाश को समेटता है और तदनुसार बड़ा है; घटना क्षितिज यह बताता है कि भविष्य में हम कितनी दूर तक कुछ प्रभावित या देख पाएंगे — और डार्क एनर्जी के विस्तार को त्वरित करने के कारण यह सापेक्ष रूप से सिकुड़ता जाता है। जो आकाशगंगाएं आज भी दिखाई देती हैं, वे समय के साथ इस क्षितिज के पीछे ओझल हो जाएंगी।
पारंपरिक बिग बैंग मॉडल अकेले दो अवलोकनों की व्याख्या नहीं करता: कॉस्मिक माइक्रोवेव पृष्ठभूमि विकिरण हर दिशा में लगभग समान तापमान की क्यों है, जबकि दूर के क्षेत्रों को ऊष्मीय रूप से संतुलित होने के लिए कभी पर्याप्त समय नहीं मिल पाया होगा (क्षितिज समस्या)? और ब्रह्मांड की ज्यामिति लगभग पूर्णतः समतल क्यों है, जबकि हर छोटा-सा विचलन अरबों वर्षों में तेज़ी से बढ़ जाना चाहिए था (समतलता समस्या)? 1980/81 में भौतिक विज्ञानी एलन गुथ ने एक समाधान प्रस्तावित किया: बिग बैंग के तुरंत बाद अत्यंत तीव्र विस्तार का एक चरण।
इन्फ्लेशन मूल रूप से दो समस्याओं का एक तदर्थ (ad-hoc) समाधान था — लेकिन इस बीच यह कॉस्मिक माइक्रोवेव पृष्ठभूमि विकिरण के स्वतंत्र रूप से पुष्ट किए गए विवरणों की भी भविष्यवाणी करती है, जैसे उसके सूक्ष्म तापमान-उतार-चढ़ावों का सटीक सांख्यिकीय पैटर्न। इससे इन्फ्लेशन एक साधारण मरम्मत से कहीं अधिक बन जाती है: यह प्रारंभिक ब्रह्मांड विज्ञान के सबसे अच्छी तरह परखे गए विचारों में से एक है, भले ही इन्फ्लेटॉन क्षेत्र की सटीक प्रकृति अभी भी अज्ञात हो।
सामान्य सापेक्षता सिद्धांत घनत्व-प्राचल Ω के आधार पर अंतरिक्ष के लिए तीन मूलभूत ज्यामितियों की अनुमति देता है: बंद और गोलाकार (Ω>1), खुला और अतिपरवलयिक (Ω<1), या ठीक-ठीक समतल (Ω=1)। ESA के प्लैंक उपग्रह ने 2018 में कॉस्मिक माइक्रोवेव पृष्ठभूमि विकिरण में सूक्ष्म तापमान-उतार-चढ़ावों को मापा — जिनका आकार-वितरण अंतरिक्ष की उस वक्रता पर संवेदनशील रूप से निर्भर करता है, जिससे होकर प्रकाश 13.8 अरब वर्षों तक यात्रा करता रहा।
परिणाम: वक्रता-प्राचल Ω_K का मान 0.0007 ± 0.0037 (95% विश्वास स्तर) है — जो सांख्यिकीय रूप से शून्य से अलग नहीं पहचाना जा सकता। इस प्रकार प्रेक्षणीय ब्रह्मांड मापन-सटीकता की सीमा तक समतल है। इससे एक बहुत ही हल्की वक्रता का होना खारिज नहीं होता, जिसकी त्रिज्या प्रेक्षणीय ब्रह्मांड से कहीं बड़ी हो — ठीक यही अपेक्षित होता अगर इन्फ्लेशन (अध्याय 03) ने किसी भी मूल वक्रता को लगभग, पर पूरी तरह नहीं, खींचकर सीधा कर दिया हो।
निम्नलिखित सभी विचार गणितीय रूप से प्रेरित हैं और गंभीर भौतिक विज्ञानियों के बीच चर्चा में हैं — लेकिन इनमें से कोई भी अब तक हमारे स्वयं के प्रेक्षणीय ब्रह्मांड के बारे में कोई जांचने योग्य, मिथ्याकरणीय भविष्यवाणी नहीं करता। यही इनकी मूलभूत समस्या है: यदि कोई अन्य ब्रह्मांड परिभाषा के अनुसार ही कभी अवलोकनयोग्य नहीं है, तो कोई भी अवलोकन उस परिकल्पना को कभी खंडित नहीं कर सकता — जबकि कार्ल पॉपर के अनुसार यही वह मूल मानदंड है जो किसी विचार को प्राकृतिक-वैज्ञानिक सिद्धांत माने जाने के योग्य बनाता है। इसलिए अधिकांश भौतिक विज्ञानी बहुविश्व मॉडलों को स्थापित सिद्धांतों के काल्पनिक, पर सार्थक परिणामों की तरह मानते हैं — पुष्ट भौतिकी की तरह नहीं।
भौतिक विज्ञानी जॉर्ज एलिस और अन्य लोग तर्क देते हैं कि शुद्ध बहुविश्व-परिकल्पनाएं तत्वमीमांसा की सीमा पार कर जाती हैं, जब तक वे हमारे ब्रह्मांड के लिए कोई जांचने योग्य परिणाम प्रस्तुत नहीं करतीं। समर्थक इसके विपरीत तर्क देते हैं: किसी अन्यथा अच्छी तरह परखे गए सिद्धांत (जैसे इन्फ्लेशन) के अनदेखे परिणामों को स्वीकार करना पद्धति की दृष्टि से कुछ असामान्य नहीं है — ऐसा अन्य भौतिक बहिर्वेशनों (एक्स्ट्रापोलेशन) में भी किया जाता है। यह विवाद आज तक अनसुलझा है।
ब्रह्मांड का अंत कैसे होगा, यह मुख्यतः इस बात पर निर्भर करता है कि डार्क एनर्जी कॉस्मोलॉजिकल समय-अवधि में कैसा व्यवहार करती है — यह विषय डार्क मैटर और डार्क एनर्जी पर पिछले विषय-पृष्ठ में विस्तार से बताया गया है। यहां केवल चार सबसे अधिक चर्चित भविष्य-परिदृश्य दिए गए हैं, जो आज की संभाव्यता के अनुसार क्रमबद्ध हैं।
विस्तार का धीमा होने के बजाय — जैसा कि सारे पदार्थ के गुरुत्वाकर्षण से अपेक्षित था — तेज़ होना 1998 में एक आश्चर्य था। दो स्वतंत्र टीमों ने टाइप Ia सुपरनोवा को मापा, जिनकी निरपेक्ष चमक ज्ञात है, और पाया कि दूर के नमूने उतनी तेज़ चमक नहीं रहे थे जितना एक समान रूप से मंद होते ब्रह्मांड में संभव होता — यानी वे एक मंद होते मॉडल की भविष्यवाणी से कहीं अधिक दूर थे। 2011 में इस खोज को भौतिकी के नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया। यह आज भी डार्क एनर्जी के अस्तित्व और इस तरह वर्तमान में सबसे संभावित भविष्य के रूप में बिग-फ्रीज़-परिदृश्य के लिए केंद्रीय अनुभवजन्य आधार है।
तीन विचार, जो दिखाते हैं कि कॉस्मोलॉजिकल सोच रोज़मर्रा की सहज-बुद्धि से कितनी अलग है।
इसलिए नहीं कि हम अंतरिक्ष में गति कर रहे हैं — बल्कि सीधे-सीधे इसलिए, क्योंकि समय बीत रहा है। बिग बैंग जितना अधिक समय पहले हुआ, उतना ही अधिक समय दूर-दराज़ के क्षेत्रों से आने वाले प्रकाश को हम तक पहुंचने के लिए मिल चुका होता है। हर बीतता सेकंड शाब्दिक रूप से और दूर से नया प्रकाश हम तक ले आता है, और प्रेक्षणीय गोला बढ़ता जाता है — चाहे पृथ्वी स्वयं गति करे या नहीं और कितनी तेज़ी से करे, इससे स्वतंत्र।
कई भौतिक विज्ञानियों के अनुसार यह प्रश्न शायद अर्थपूर्ण ही नहीं है — इसलिए नहीं कि उत्तर अज्ञात है, बल्कि इसलिए कि "पहले" एक कालिक अवधारणा है और प्रचलित मॉडलों के अनुसार स्वयं समय का अस्तित्व बिग बैंग के साथ ही शुरू होता है। तब यह पूछना कि उससे पहले क्या था, उतना ही श्रेणी-भ्रम होगा जितना यह पूछना कि उत्तरी ध्रुव के उत्तर में क्या है। हार्टल और हॉकिंग का "नो-बाउंड्री प्रस्ताव" जैसे मॉडल ठीक इसी बात को गणितीय रूप से पकड़ने की कोशिश करते हैं: समय किसी बिंदु पर अचानक शुरू होने के बजाय "गोल होकर" बंद हो जाता है। इनमें से कोई भी मॉडल सिद्ध नहीं है।
जहां प्रेक्षणीय ब्रह्मांड की त्रिज्या लगभग 10²⁶ मीटर है, वहीं प्लैंक-लंबाई (1.6 × 10⁻³⁵ मी) को सबसे छोटी भौतिक रूप से सार्थक दूरी माना जाता है — इससे नीचे चिकने अंतरिक्ष की हमारी सामान्य समझ काम नहीं करती, क्योंकि वहां गुरुत्वाकर्षण के क्वांटम प्रभाव हावी होने चाहिए। सबसे छोटे और सबसे बड़े ज्ञात पैमाने के बीच इस तरह लगभग 61 कोटि (ऑर्डर ऑफ़ मैग्निट्यूड) का अंतर है — एक ऐसा फासला, जिसे मानवीय कल्पना अब केवल संख्याओं में समझ सकती है, चित्रों में नहीं।