Bem, a "primeira" hipótese foi que o universo é infinito e o número de objetos espaciais é infinito. Então, a teoria do Big Bang surgiu e descobrimos que nosso universo tem aproximadamente 13 bilhões de anos e o raio do universo observado tem 13 bilhões de anos-luz, e postulamos que o Universo provavelmente está conectado: não há vantagem e se você poderia parar o tempo e se mover em uma direção que você provavelmente chegaria ao mesmo ponto, exatamente como faria na superfície da Terra. Agora sabemos que não era uma ideia muito precisa: o raio do universo observado acabou sendo um pouco maior: cerca de 14 bilhões de anos, e acontece que as galáxias mais distantes se afastam de nós mais rápido que a luz, portanto, esse raio (14 bilhões de anos) é apenas o raio do universo atualmente visível (vemos como era 14 bilhões de anos atrás, quando o universo era muito menor). Agora, esse raio atingiu 45 bilhões de anos-luz, mas só podemos ver o passado (ou 14 bilhões de anos). Então, vemos o passado, não o tamanho atual. O fato de as galáxias muito distantes umas das outras se afastarem mais rapidamente que a luz é atribuído à expansão do espaço em si e não viola a Teoria Geral da Relatividade (podemos dizer que a torna um tanto imprecisa, assim como a relatividade tornou a teoria de Newton um pouco imprecisa). Às vezes, nosso espaço é ilustrado como um elástico elástico no qual, quanto mais afastados os dois pontos, mais rápido eles se afastam quando você estende o elástico. E nosso espaço está se expandindo de maneira um pouco semelhante. Não vemos a parte invisível do universo (o universo inteiro pode ter entre 150 e 600 bilhões de anos-luz de diâmetro - esse tamanho nunca será visível e é muito mais do que a distância de 45 bilhões de anos-luz aos quais os mais distantes galáxias visíveis devem ter se movido agora, mas ainda as observamos como se estivessem a 13-14 bilhões de anos-luz de distância). Também não sabemos se o nosso universo é infinito ou finito. Você pode imaginar um finito como um "universo conectado", ou seja, se pudéssemos parar o tempo e seguir uma direção, chegando finalmente ao nosso ponto de partida. Se, no entanto, não for o caso e nosso universo estiver aberto e não conectado, podemos chamá-lo de infinito. As duas teorias são boas. Infelizmente não sabemos qual é o correto! Se o Universo não estiver conectado, pode haver anormalidades como "arestas", quero dizer, pode haver um ponto no universo em que as galáxias terminam e não há mais galáxias além ou algo muito mais estranho que isso. Infelizmente, isso está além do nosso universo visível e não temos como saber.
Outra coisa é que sua pergunta gira em torno do conceito de espaço. Bem, é aproximadamente tridimensional na vida real, se não considerarmos distâncias muito pequenas (como na mecânica quântica) ou cosmologicamente grandes. No entanto, sabemos que nosso espaço pode distorcer, portanto as coisas não são tão simples. No momento, não sabemos muito sobre a configuração real do nosso espaço métrico.
A meu ver, muitas pessoas têm dificuldade em imaginar o universo conectado. Bem, vamos simplificar muito tudo. Digamos que o nosso Universo seja exatamente como a Terra e imaginemos que a Terra cresce em tamanho, de modo que as cidades distantes umas das outras se afastam mais rapidamente. Então você pode pegar o comprimento do equador e chamá-lo de diâmetro (ou apenas usá-lo em vez do diâmetro) do nosso universo "teste". Metade da distância do equador será o raio (ou apenas o usará em vez do raio) do nosso universo "teste", e será o mesmo em todos os lugares, e tudo estará se expandindo como postulamos inicialmente. Explica o paradoxo com alienígenas e dois círculos que você mencionou. Observe que as cidades não estão crescendo de tamanho, porque, como é o caso das galáxias, presumimos aqui que nossas cidades são mantidas pela "gravitação" da expansão. Observe também que usamos a superfície da Terra neste exemplo, que é bidimensional e o universo é tridimensional (provavelmente, ou, digamos, aproximadamente para evitar imprecisões). Espero que esta ilustração esférica primitiva seja de alguma ajuda.
Aqui está uma citação explicativa e útil do artigo Expansão métrica do espaço da Wikipedia:
O universo pode ser infinito em extensão ou pode ser finito; mas a evidência que leva ao modelo inflacionário do universo primitivo também implica que o "universo total" é muito maior que o universo observável e, portanto, quaisquer arestas ou geometrias ou topologias exóticas não seriam diretamente observáveis, pois a luz não atingiu escalas em quais tais aspectos do universo, se existirem, ainda são permitidos. Para todos os efeitos, é seguro assumir que o universo é infinito em extensão espacial, sem arestas ou conexões estranhas. [15] Independentemente da forma geral do universo, a questão sobre o que o universo está se expandindo é aquele que não requer resposta de acordo com as teorias que descrevem a expansão; a maneira como definimos o espaço em nosso universo de forma alguma exige um espaço exterior adicional para o qual ele possa se expandir, pois uma expansão de uma extensão infinita pode ocorrer sem alterar a extensão infinita da extensão. Tudo o que é certo é que a variedade de espaços em que vivemos simplesmente tem a propriedade de que as distâncias entre os objetos aumentam à medida que o tempo passa. Isso implica apenas as simples consequências observacionais associadas à expansão métrica explorada abaixo. Não é necessário "fora" ou incorporação no hiperespaço para que ocorra uma expansão. As visualizações frequentemente vistas do universo crescendo como uma bolha no nada são enganosas a esse respeito. Não há razão para acreditar que exista algo "fora" do universo em expansão para o qual o universo se expande. Mesmo que a extensão espacial geral seja infinita e, portanto, o universo não possa ficar "maior", ainda dizemos que o espaço está se expandindo porque, localmente, a distância característica entre os objetos está aumentando. À medida que um espaço infinito cresce, ele permanece infinito
Você pode ler o artigo completo. Eu acho que não é ruim e está alinhado com a ciência moderna. Isso lhe dará mais informações do que minhas explicações simplificadas. Você também pode se familiarizar com a geometria euclidiana quadridimensional - acho que pode facilitar algumas coisas quando se fala em nosso espaço métrico. Portanto, recomendo o artigo Expansão métrica do espaço na Wikipedia como um bom começo - espero que não seja muito desafiador.
PS: Observe que minhas explicações são simplificações substanciais. Várias topologias do Universo ou espaço métrico (várias combinações em termos de finitude, infinito, conexão e curvatura) podem ser teoricamente possíveis. Deixe-me acrescentar mais uma noção avançada aqui: Wheeler sugeriu que a topologia do espaço-tempo poderia estar flutuando (espuma do espaço-tempo), trazendo assim a mecânica quântica para cá. Bem, eu acho que ainda temos um conhecimento muito limitado quando se trata de nosso espaço métrico real.
