Бесконечность за горизонтом: что наука говорит о размерах Вселенной
Вопрос о том, имеет ли Вселенная край или тянется бесконечно, занимает умы человечества с древнейших времен. Сегодня, вооруженные телескопами, суперкомпьютерами и теорией относительности, мы подошли к этому вопросу как никогда близко. И ответ, который предлагает современная космология, удивляет: мы не знаем наверняка, но у нас есть веские основания предполагать, что Вселенная действительно может быть бесконечной. Однако за этим простым «да» скрывается лабиринт нюансов, где переплетаются геометрия, физика элементарных частиц и сама природа времени.
Чтобы говорить о бесконечности, нужно сначала четко определить, что мы имеем в виду. В повседневной жизни мы привыкли к конечным размерам: у стола есть длина, у Земли — длина окружности. Для Вселенной же понятие «размер» распадается на два аспекта. Первый это видимая Вселенная (или наблюдаемая вселенная), или космологический горизонт. Это сфера, ограниченная скоростью света: за 13,8 миллиарда лет с момента Большого взрыва фотоны успели долететь до нас лишь из области радиусом примерно 46,5 миллиарда световых лет. За этим горизонтом лежат объекты, свет от которых просто не имел времени до нас добраться. Второй аспект это вся Вселенная целиком, включая то, что находится за горизонтом. И именно о ней мы можем строить лишь косвенные догадки.
Здесь на сцену выходит общая теория относительности Альберта Эйнштейна, которая описывает гравитацию как искривление ткани пространства-времени. Судьба бесконечности зависит от средней плотности материи и энергии во Вселенной. Если эта плотность превышает некое критическое значение, пространство замкнуто само на себя по аналогии с поверхностью сферы.
В такой конечной, но безграничной Вселенной путешествие по прямой линии в конце концов вернуло бы вас в исходную точку, подобно кругосветному плаванию. Если плотность ниже критической, пространство имеет отрицательную кривизну и напоминает гиперболическое седло, бесконечно простирающееся во все стороны. Наконец, если плотность точно равна критической, пространство является плоским и евклидовым, также уходящим в бесконечность.
Самое захватывающее, что все точнейшие измерения последних двух десятилетий, включая данные спутников WMAP и «Планк», указывают именно на третий сценарий. С беспрецедентной точностью мы видим, что крупномасштабная геометрия Вселенной почти идеально плоская. Это означает, что параллельные лучи света никогда не пересекутся, а сумма углов любого гигантского треугольника будет равна 180 градусам.
Если эта плоскостность подтверждается, и если Вселенная не имеет сложной топологии — например, не скручена в бублик с незаметными для нас периодическими границами, то ее пространство действительно простирается бесконечно. В бесконечной Вселенной существует бесконечное число галактик, звезд и, по законам вероятности, бесконечное количество точных копий вас, читающих эту статью в бесконечном множестве вариантов.
Плоская геометрия сама по себе еще не означает бесконечность. Существуют математические модели плоских, но конечных пространств — например, трехмерный тор, где при движении в одном направлении можно в конечном итоге вернуться в исходную точку.
Однако тут физики делают важную оговорку, связанную с Большим взрывом. Говоря о бесконечности, мы должны различать пространственную бесконечность сейчас и конечность в прошлом. Модель горячей Вселенной утверждает, что в момент рождения она была невероятно плотной и горячей, но могла быть как бесконечно большой, так и очень малой. Если Вселенная бесконечна сегодня, то она была бесконечной и в момент Большого взрыва, просто вся эта бесконечность была сжата до бесконечно большой плотности.
То есть Большой взрыв это не взрыв в центре пустого пространства, а одновременное расширение всей бесконечной материи сразу. Таким образом, бесконечность не противоречит сингулярности; скорее, она дополняет ее, рисуя картину расширяющегося бесконечного океана, в котором расстояние между галактиками растет повсеместно.
Но ключевой вызов этой идее кроется в инфляции — теории стремительного экспоненциального расширения Вселенной в первые мгновения ее существования. Инфляция была придумана для решения проблем горизонта и плоскостности. Она с поразительной эффективностью «выгладила» любые изначальные искривления, сделав наблюдаемую часть пространства практически плоской, независимо от ее глобальной формы.
Допустим, вы стоите на поверхности огромного шара: вблизи она кажется вам плоской, хотя глобально она конечна. Инфляция увеличила масштабы Вселенной до такой степени, что мы не видим ее общей кривизны. Поэтому, даже несмотря на экспериментальные данные о плоскостности, мы не можем исключать, что Вселенная является гигантской трехмерной сферой, радиус которой настолько велик, что ее кривизна лежит за пределами нашей измерительной точности. В этом смысле бесконечность остается математической возможностью, но не строго доказанным фактом.
Критическая плотность — 5,5 атомов водорода на кубический метр
Для того чтобы пространство было плоским и, следовательно, потенциально бесконечным, средняя плотность энергии во Вселенной должна равняться критическому значению — около 9,9 × 10⁻²⁷ кг/м³. В пересчете на обычное вещество это примерно 5,5 протонов на каждый кубический метр пространства. Современные замеры плотности (с учетом темной материи и темной энергии) совпадают с этим числом с точностью до 0,4%.
Более того, современные физики-теоретики, работающие в рамках квантовой гравитации и теории струн, выдвигают еще более радикальную идею о мультивселенной. В этой картине наша Вселенная — лишь один из бесконечных «пузырей» в вечном пространстве-времени. Тогда вопрос о бесконечности одной вселенной уступает место вопросу о бесконечности всей структуры реальности в целом.
Так может ли Вселенная быть бесконечной? Ответ звучит так: она вполне может быть ею, и лучшие на сегодняшний день данные согласуются с этой гипотезой. Но в научном познании «возможно» не равно «доказано». Вместо категорического ответа физика предлагает нам наблюдение: человечество живет внутри крошечного пузыря видимости, и то, что мы принимаем за бесконечную плоскость, может оказаться локальной иллюзией на поверхности невообразимо огромного, но конечного шара. Или же это действительно безбрежный океан, где наша галактика лишь одна из бесконечных песчинок.
Пока у нас нет и не может быть прямого эксперимента, способного пересечь космологический горизонт. Однако именно это незнание движет науку вперед: мы продолжаем искать малейшие аномалии в реликтовом излучении, следы неевклидовой геометрии или таинственные «эхо» соседних вселенных. И даже если истина окажется недосягаемой, сам процесс ее поиска расширяет горизонты нашего понимания.
Присоединяйтесь к нам в соцсетях
