Di mana berakhirnya apa yang dapat kita lihat — dan di mana bermulanya spekulasi semata-mata? Satu perjalanan ke penghujung paling jauh pengetahuan kosmologi: dari ufuk boleh diperhatikan hingga ke persoalan yang fizik sendiri tidak dapat jawab.
"Berapa besarkah alam semesta?" kedengaran seperti soalan mudah — tetapi sebenarnya tidak, kerana ia sebenarnya boleh bermaksud dua perkara yang berbeza. Alam semesta boleh diperhatikan ialah sfera di sekeliling kita, tempat cahaya sejak Dentuman Besar sempat mencapai kita. Sempadannya bukan dinding fizikal, tetapi satu tarikh: segala yang terletak lebih jauh mungkin wujud, tetapi cahayanya belum sampai kepada kita. Alam semesta secara keseluruhan pula boleh jadi jauh lebih besar daripada bahagian yang kelihatan ini — atau malah tidak terhingga. Pemerhatian tidak dapat menunjukkan ini secara langsung, kerana pada dasarnya kita hanya dapat mengukur bahagian yang cahayanya sampai kepada kita.
Kekaburan ini adalah sebab mengapa "sempadan alam semesta" sering menimbulkan kekeliruan dalam penjelasan popular. Kemungkinan besar tiada sempadan dalam erti kata sebuah tepi atau dinding — bukan untuk alam semesta boleh diperhatikan (yang hanya menandakan had pemerhatian kita) mahupun untuk alam semesta secara keseluruhan (yang nampaknya tidak memerlukan sempadan langsung, sama ada terhingga atau tidak terhingga).
Setiap kenyataan tentang alam semesta di luar ufuk pemerhatian kita bergantung pada satu andaian yang tidak dapat dibuktikan secara langsung: prinsip kosmologi. Ia menyatakan bahawa alam semesta pada skala besar kelihatan hampir sama di mana-mana (homogen) dan tidak mengutamakan sebarang arah (isotropik) — bahawa Bumi tidak menduduki kedudukan pemerhatian yang istimewa. Semua pengukuran dalam lingkungan boleh diperhatikan menyokong andaian ini setakat ini, tetapi tidak dapat menjaminnya sepenuhnya: secara semula jadi kita hanya dapat melihat satu bahagian sahaja.
Dari sistem suria kita hingga ke sempadan alam semesta boleh diperhatikan, jaraknya merentasi lebih daripada 25 kuasa sepuluh. Setiap lapisan dalam rajah ini menandakan struktur kosmik peringkat yang lebih tinggi — dan di bahagian paling luar, perbezaan halus tetapi penting antara tiga istilah yang sering digunakan seolah-olah sama dalam kosmologi, sedangkan sebenarnya tidak.
Yang menarik: ufuk peristiwa terletak di dalam alam semesta boleh diperhatikan, bukan di luarnya. Alam semesta boleh diperhatikan mengumpul cahaya daripada seluruh masa lalu dan oleh itu bersaiz besar; ufuk peristiwa pula menggambarkan sejauh mana kita masih boleh mempengaruhi atau melihat sesuatu pada masa depan — dan secara relatifnya semakin mengecil kerana Tenaga Gelap mempercepatkan pengembangan. Galaksi yang masih kelihatan hari ini akan lama-kelamaan hilang di sebalik ufuk ini.
Model Dentuman Besar klasik semata-mata tidak dapat menjelaskan dua pemerhatian: Mengapakah sinaran latar kosmik mempunyai suhu yang hampir sama ke semua arah, sedangkan kawasan yang jauh tidak pernah mempunyai cukup masa untuk mencapai keseimbangan haba (masalah ufuk)? Dan mengapakah geometri alam semesta begitu hampir dengan rata sempurna, sedangkan sebarang penyimpangan kecil sepatutnya membesar secara eksponen sepanjang berbilion tahun (masalah kerataan)? Pada 1980/81, ahli fizik Alan Guth mencadangkan satu penyelesaian: satu fasa pengembangan yang amat pantas sejurus selepas Dentuman Besar.
Inflasi pada asalnya merupakan penyelesaian ad hoc untuk dua masalah — namun kini ia turut meramalkan butiran sinaran latar kosmik yang telah disahkan secara bebas, seperti corak statistik tepat bagi turun naik suhu yang amat kecil. Ini menjadikan inflasi jauh lebih daripada sekadar pembaikan: ia adalah salah satu idea kosmologi awal yang paling banyak diuji, walaupun sifat sebenar medan inflaton masih belum diketahui.
Teori Relativiti Am membenarkan tiga geometri asas bagi ruang, bergantung pada parameter ketumpatan Ω: tertutup dan sfera (Ω>1), terbuka dan hiperbolik (Ω<1), atau rata sepenuhnya (Ω=1). Satelit Planck milik ESA mengukur turun naik suhu yang amat kecil dalam sinaran latar kosmik pada 2018 — taburan saiznya amat peka terhadap kelengkungan ruang yang dilalui cahaya sepanjang 13.8 bilion tahun.
Hasilnya: parameter kelengkungan Ω_K bernilai 0.0007 ± 0.0037 (keyakinan 95%) — secara statistik tidak dapat dibezakan daripada sifar. Alam semesta boleh diperhatikan dengan itu adalah rata setakat ketepatan pengukuran. Ini tidak menolak kemungkinan kelengkungan yang amat lemah dengan jejari yang jauh lebih besar daripada alam semesta boleh diperhatikan — tepat seperti yang dijangkakan sekiranya inflasi (Bab 03) telah meregangkan hampir semua, tetapi tidak sepenuhnya, kelengkungan asal.
Semua idea berikut mempunyai motivasi matematik dan dibincangkan oleh ahli fizik yang serius — tetapi tiada satu pun daripadanya, setakat ini, membuat ramalan yang boleh diuji dan boleh disangkal tentang alam semesta boleh diperhatikan kita sendiri. Inilah masalah asasnya: jika alam semesta lain, mengikut definisi, tidak pernah dapat diperhatikan, maka tiada pemerhatian yang dapat menyangkal hipotesis tersebut — satu kriteria utama bagi apa yang dianggap sebagai teori sains menurut Karl Popper. Oleh itu, ramai ahli fizik menganggap model multiverse sebagai konsekuensi spekulatif tetapi bermanfaat daripada teori yang telah mantap — bukan sebagai fizik yang telah disahkan.
Ahli fizik George Ellis dan lain-lain berhujah bahawa hipotesis multiverse semata-mata melangkaui sempadan kepada metafizik, selagi ia tidak memberikan konsekuensi yang boleh diuji untuk alam semesta kita. Penyokong pula berpendapat: menerima konsekuensi yang tidak dapat diperhatikan daripada satu teori yang sebaliknya telah diuji dengan baik (seperti inflasi) bukanlah sesuatu yang luar biasa dari segi metodologi — ini turut dilakukan dalam ekstrapolasi fizik yang lain. Perdebatan ini masih belum selesai hingga kini.
Cara alam semesta berakhir bergantung besar kepada bagaimana Tenaga Gelap berkelakuan sepanjang tempoh masa kosmologi — topik yang dibincangkan dengan lebih terperinci dalam halaman topik sebelumnya tentang Jirim Gelap & Tenaga. Di sini hanya empat senario masa depan yang paling banyak dibincangkan, disusun mengikut kebarangkalian semasa.
Fakta bahawa pengembangan semakin pantas dan bukannya perlahan — seperti yang dijangka akibat graviti semua jirim — merupakan satu kejutan pada 1998. Dua pasukan penyelidik yang bebas mengukur supernova jenis Ia, yang kecerahan mutlaknya diketahui, dan mendapati bahawa contoh yang jauh bersinar lebih malap daripada yang dibenarkan oleh alam semesta yang perlahan secara seragam — bermakna ia lebih jauh daripada yang diramalkan oleh model yang perlahan. Pada 2011, penemuan ini dianugerahkan Hadiah Nobel Fizik. Ia kekal sebagai sokongan empirik utama bagi kewujudan Tenaga Gelap sehingga kini, dan dengan itu bagi senario Big Freeze sebagai masa depan yang paling digemari pada masa ini.
Tiga pemikiran yang menunjukkan betapa pemikiran kosmologi jauh berbeza daripada intuisi harian.
Bukan kerana kita bergerak melalui ruang — tetapi semata-mata kerana masa berlalu. Semakin lama Dentuman Besar berlalu, semakin banyak masa yang ada bagi cahaya daripada kawasan yang lebih jauh untuk sampai kepada kita. Setiap saat yang berlalu, cahaya baharu dari lebih jauh secara literalnya sampai kepada kita, dan sfera alam semesta boleh diperhatikan membesar — tanpa mengira sama ada dan sepantas mana Bumi sendiri bergerak.
Bagi ramai ahli fizik, soalan ini mungkin tidak bermakna langsung — bukan kerana jawapannya tidak diketahui, tetapi kerana "sebelum" adalah konsep berkaitan masa, dan menurut model yang lazim, masa itu sendiri baru wujud bersama Dentuman Besar. Bertanya apa yang wujud sebelum itu ketika itu sama tersasar kategorinya seperti bertanya apa yang terletak di utara Kutub Utara. Model seperti "cadangan tanpa sempadan" Hartle & Hawking cuba menangkap perkara ini secara matematik: masa "membulat" berbanding bermula secara mendadak pada satu titik. Tiada satu pun daripada model ini telah dibuktikan.
Sementara alam semesta boleh diperhatikan mempunyai jejari kira-kira 10²⁶ meter, panjang Planck (1.6 × 10⁻³⁵ m) dianggap sebagai jarak paling kecil yang bermakna secara fizik — di bawah nilai ini, tanggapan kita tentang ruang yang licin gagal, kerana kesan kuantum graviti sepatutnya mendominasi. Antara skala terkecil dan terbesar yang diketahui, terdapat kira-kira 61 kuasa sepuluh — satu julat yang hanya dapat difahami oleh daya bayangan manusia dalam bentuk angka, bukan lagi dalam bentuk gambaran.