Куда расширяется Вселенная, если она уже бесконечна?

Когда вы печете пирог или кекс, вы кладете тесто в форму. По мере того, как тесто выпекается в духовке, оно расширяется в форме. Любые кусочки шоколада или изюм в тесте для становятся дальше друг от друга по мере того, как тесто расширяется.

Расширение Вселенной в некотором смысле похоже. Но эта аналогия ошибается в одном: в то время как тесто расширяется в форме для выпечки, вселенной не во что расширяться. Она просто расширяется в себя.

Это может показаться странным, но вселенная считается всем во вселенной. В расширяющейся вселенной нет кастрюли или формы. Только тесто. Даже если бы была кастрюля, она была бы частью вселенной и, следовательно, расширялась бы вместе со вселенной.

Даже мне, преподавателю физики и астрономии, который годами изучал вселенную, эти идеи трудно понять. Вы не испытываете ничего подобного в своей повседневной жизни. Это как спросить, какое направление севернее Северного полюса.

Другой способ думать о расширении Вселенной — думать о том, как другие галактики удаляются от нашей галактики, Млечного Пути. Ученые знают, что Вселенная расширяется, потому что они могут отслеживать другие галактики, удаляющиеся от нашей. Они определяют расширение, используя скорость, с которой другие галактики удаляются от нас. Это определение позволяет им представить расширение без необходимости во что-то расширяться.

Расширяющаяся Вселенная

Вселенная началась с Большого взрыва 13,8 миллиарда лет назад. Большой взрыв описывает происхождение Вселенной как чрезвычайно плотную, горячую сингулярность. Эта крошечная точка внезапно прошла через быстрое расширение, называемое инфляцией, где каждое место во Вселенной расширилось наружу. Но название Большой взрыв вводит в заблуждение. Это был не гигантский взрыв, как следует из названия, а время, когда Вселенная быстро расширялась.

Затем Вселенная быстро сгустилась и остыла, и начала производить материю и свет. В конце концов, она эволюционировала в то, что мы знаем сегодня как нашу Вселенную.

Идея о том, что наша Вселенная не статична и может расширяться или сжиматься, была впервые опубликована физиком Александром Фридманом в 1922 году. Он математически подтвердил, что Вселенная расширяется.

В то время как Фридман доказал, что Вселенная расширяется, по крайней мере в некоторых местах, именно Эдвин Хаббл изучил скорость расширения. Многие другие ученые подтвердили, что другие галактики удаляются от Млечного Пути, но в 1929 году Хаббл опубликовал свою знаменитую статью, которая подтвердила, что вся Вселенная расширяется, и что скорость ее расширения увеличивается.

Это открытие продолжает озадачивать астрофизиков. Какое явление позволяет Вселенной преодолевать силу гравитации, удерживающую ее вместе, и в то же время расширяться, растаскивая объекты во Вселенной? И вдобавок ко всему, скорость ее расширения со временем ускоряется.

Многие ученые используют визуальное представление, называемое воронкой расширения, чтобы описать, как ускорилось расширение Вселенной с момента Большого взрыва. Представьте себе глубокую воронку с широким краем. Левая сторона воронки — узкий конец — представляет начало Вселенной. Двигаясь вправо, вы движетесь вперед во времени. Расширение конуса представляет расширение Вселенной.

Ученые не смогли напрямую измерить, откуда берется энергия, вызывающая это ускоряющееся расширение. Они не смогли обнаружить или измерить ее. Поскольку они не могут увидеть или непосредственно измерить этот тип энергии, они называют его темной энергией.

Согласно моделям исследователей, темная энергия должна быть наиболее распространенной формой энергии во Вселенной, составляя около 68 процентов от общей энергии во Вселенной. Энергия от повседневной материи, из которой состоят Земля, Солнце и все, что мы можем видеть, составляет всего около 5 процентов всей энергии.

За пределами воронки расширения

Итак, что находится за пределами воронки расширения?

У ученых нет доказательств существования чего-либо за пределами известной нам вселенной. Однако некоторые предсказывают, что может быть несколько вселенных. Модель, включающая несколько вселенных, могла бы решить некоторые проблемы, с которыми ученые сталкиваются в текущих моделях нашей вселенной.

Одной из основных проблем современной физики является то, что исследователи не могут интегрировать квантовую механику, описывающую работу физики в очень малых масштабах, и гравитацию, которая управляет физикой в ​​больших масштабах.

Правила поведения материи в малых масштабах зависят от вероятности и квантованных, или фиксированных, объемов энергии. В этом масштабе объекты могут возникать и исчезать. Материя может вести себя как волна. Квантовый мир сильно отличается от того, как мы видим мир обычный.

В больших масштабах, которые физики называют классической механикой, объекты ведут себя так, как мы ожидаем, что они будут вести себя в повседневной жизни. Объекты не квантуются и могут иметь непрерывные количества энергии. Объекты не появляются и не исчезают.

Квантовый мир ведет себя как выключатель света, где энергия имеет только опцию «вкл-выкл». Мир, который мы видим и с которым взаимодействуем, ведет себя как диммер, допускающий все уровни энергии.

Но исследователи сталкиваются с проблемами, когда пытаются изучать гравитацию на квантовом уровне. В малых масштабах физикам пришлось бы предположить, что гравитация квантуется. Но исследования, которые провели многие из них, не подтверждают эту идею.

Один из способов заставить эти теории работать вместе — теория мультивселенной. Существует множество теорий, которые выходят за рамки нашей нынешней вселенной, чтобы объяснить, как гравитация и квантовый мир работают вместе. Некоторые из ведущих теорий включают теорию струн, бранную космологию, петлевую квантовую теорию и многие другие.

Несмотря на это, Вселенная продолжит расширяться, и расстояние между Млечным Путем и большинством других галактик со временем будет увеличиваться.