Spørgsmålet
Hvis universet udvider sig, hvad udvider det sig så ud i?
For hvis der slet ingen "rum" eller "stof" er udover universet, hvordan kan det udvide sig ud i "ingenting", når "ingenting" jo slet ikke eksisterer?
Maja.
Det korte svar
Universet udvider sig ikke ud i noget. Det udvider sig i sig selv.
Baggrundsviden fra encyklopædien
Du kan læse lidt mere om Universets geometri i encyklopædien her:
Det lange svar
Universets geometri
Dit spørgsmål er et af de mest naturlige spørgsmål at stille, og noget af det sværeste at forstå til bunds. At forklare til bunds kræver en del matematik, men lad mig prøve alligevel.
Som jeg allerede har afsløret i det korte svar ovenfor, udvider Universet sig ikke i noget, selvom det udvider sig. Universet har en underliggende geometri, dvs. et sæt af matematiske regler, som definerer sådan noget som vinkler, afstande, positioner og dimensioner. Universets geometri svarer dog ikke helt til den geometri, du er vant til, og kan være "krum" på forskellig vis. Men denne krumning er også "i sig selv".
Den bedste måde at forstå, hvad det egentlig betyder, uden brug at matematik, er ved hjælp af nogle analogier:
1- og 2-dimensionale analogier
Lad os starte med en 1-dimensional analogi: Hvis du lever i et 1D-univers, kan du kun bevæge sig frem og tilbage. Ikke til højre og venstre, og ikke op og ned. Du kan også kun kigge frem og tilbage. Der findes ingen verden uden for din ene dimension. En snor eller et hår er 1D (hvis vi ser bort fra tykkelsen). En elastik er også 1D, og man kan sige, at den "krummer tilbage på sig selv", så hvis en lille myre vandrer langs elastikken, kan den gå og gå uden at komme til en ende.
Elastikken har også en anden egenskab: Den kan strække sig og presses sammen langs med sin egen retning. Står der to myrer på elastikken, kan deres indbyrdes afstand altså ændre sig, selv uden at de bevæger sig, og selv om elastikken ikke udvider sig andet end i sig selv.
Lad os gå én dimension op, og kigge på en 2D-verden. Det kunne f.eks. være et bord, som har en "flad" geometri, men lad os hellere forestille os et fladt gummilagen. Forestil dig nogle myrer, der trasker rundt på gummilagenet, og ikke kan se andet end denne 2D-verden. De kan gå og kigge frem og tilbage, og til højre og venstre, men ikke op og ned.
"Men hvorfor kan de ikke kigge op?" spørger du, og jeg er nødt til at krybe til korset og sige, at min analogi ikke er perfekt. Så her må jeg bede dig om ikke at tænke alt for dybt over dette 2D-univers og bare acceptere, at sådan er det. Der findes i denne analogi ikke en tredimensional verden udenfor gummilagenets overflade; kun overfladen eksisterer.
En myre, som vandrer ligeud gennem sin 2D-verden, vil følge en lige linje, men hvis vi nu skubber og hiver lidt i lagenet hist og her, kan myrens bane bliver afbøjet. Myrerne fatter ikke noget, men undrer sig over, at det kan tage længere eller kortere tid at bevæge sig en vis afstand. De konkluderer, at rummet har udvidet sig og trukket sig sammen.
Selv om lagenet sådan set stadig er fladt, kalder vi det ikke længere fladt, fordi vi har ændret dets geometri. På matematisk kaldes den "flade", klassiske geometri for euklidisk geometri, efter grækeren Euklid som omkring 300 f.Kr. skrev bogen Elementer, der ligger til grund for denne geometri. Alle andre former kaldes så "ikke-euklidisk geometri", men det var først i begyndelsen af 1800-tallet, at man begyndte at udforske dette.
Indre vs. ydre krumning
Eksemplet ovenfor viser, hvordan et rum kan krumme, udvide sig, og trække sig sammen "i sig selv". Ved at hive lidt i gummilagenet, gav vi det en "indre" krumning. Normalt, hvis du læser om analogier for Universets krumning og udvidelse, vil du blive vist en 2D-overflade med en "ydre" krumning, dvs. en krumning i ud i en tredje dimension.
Den analogi er sådan set også god, fordi den er lettere at visualisere og forklare geometri på, men den er også lidt farlig, fordi den giver indtryk af, at en højere dimension er nødvendig for at have krumning.
Men lad os nu forestille os en 2D-overflade med en ydre krumning, som krummer ud i en tredje dimension. Et rigtig godt eksempel er nogle myrer på overfladen af en ballon.
Myrerne er kloge, og kunne godt tænke sig at vide, om de bor i et fladt eller et krumt univers. Men kan de dét? Hvordan kan de se forskel, hvis ikke de kan se deres verden "udefra"?
Dét kan de faktisk på flere måder: Hvis de f.eks. tegner en trekant, måler vinklerne af de tre hjørner, og lægger dem sammen, så vil resultatet fortælle dem, hvor meget deres verden krummer.
I skolen har du måske lært, at vinkelsummen af en trekant altid er 180°, uanset hvordan trekanten ser ud. Men den regel gælder kun i et "fladt" univers. På overfladen af en kugle, eller ballon, eller Jordkloden, er vinkelsummen større. Hvis du f.eks. tegner en trekant fra Nordpolen til Equador, videre langs ækvator til Gabon i Afrika, og tilbage til Nordpolen, vil vinkelsummen være 270°.
En anden måde at måle geometrien på at at følge to parallelle linjer: Hvis de forbliver parallelle, er geometrien flad; hvis de nærmer sig hinanden, er geometrien "sfærisk". Der findes flere måder, f.eks. at måle omkredsen af en cirkel, eller ved at flytte en pil lidt rundt, om se om dens retning ændrer sig.
Og nu kommer vi så til udvidelsen: Hvis du puster ballonen op, som myrerne kravler rundt på, så vil myrerne ikke selv ændre størrelse, men de vil se deres univers udvide sig, for afstanden til alle de andre myrer øges. Som en "flad" 2D-analogi kan du forestille dig gummilagenet fra ovenfor, hvor der står en person i hvert hjørne og trækker jævnt udad.
Videre fra analogien
Alle disse analogier kan måske give dig en ide om, hvad der virkelig foregår. Universets geometri er beskrevet ved det, der hedder generel relativitetsteori, som beskriver Universet som havende en indre krumning, ikke en ydre. Universet ligger altså — så vidt vi ved — ikke i nogen fjerde dimension.
Jeg siger "så vidt vi ved", fordi vi aldrig har set nogen evidens for en "omsluttende" dimension, der ikke er nogen grund til at antage det, det ikke er nødvendigt ift. vores forståelse af fysikken eller matematikken, og selv hvis der var en større dimension, ville vi ikke kunne se det, ligesom myrerne heller ikke "havde lov" til at kigge udenfor ballonens overflade.
En yderligere komplikation er, at Universet muligvis er uendeligt stort. Det gør det måske endnu sværere at forestille sig en udvidelse, for hvordan kan noget uendeligt stort blive endnu større?
Måske tænker du "Ok, hvis Universet er uendeligt stort, så kan der jo ikke være noget udenom". Hvordan skulle der kunne ligge noget udenfor noget uendeligt stort? Dén tanke holder desværre ikke, for det kan faktisk godt lade sig gøre at have et uendeligt stort "n-dimensionalt" rum indhyllet i et (n+1)-dimensionalt rum. (For eksempel kan du have en uendelig stor 2D-flade liggende i et uendeligt stort 3D-rum).
Men altså, vi har ingen grund til at tro, at vi udvider os i noget, selvom vi ikke kan se det. Det vi kan se er, at afstandene mellem alle galakserne bliver større og større. Vi kan også måle Universets geometri (ligesom myrerne gjorde ovenfor), og faktisk ser det ud til — indenfor måleusikkerhederne — at det er meget tæt på at være "fladt". Altså, ikke 2D-fladt som en pandekage, men fladt på den måde, at trekanter har 180°, parallelle linjer forbliver parallelle, og alle de andre regler vi er vant til gælder.
Fladt, men i gang med at udvide sig.
I sig selv.