Насколько велика вся ненаблюдаемая Вселенная?

Вселенная — это огромное, казалось бы, бесконечное чудо существования. За прошедшее столетие мы узнали, что Вселенная простирается за пределы миллиардов звезд нашего Млечного Пути, через десятки миллиардов световых лет, в которых содержится триллион галактик.

И все же, это просто наблюдаемая нами Вселенная. Есть веские основания полагать, что Вселенная продолжается и выходит за пределы того, что мы можем видеть; вопрос в том, как далеко она продолжается? Бесконечно? Или в какой-то момент она заканчивается?

Чтобы помочь лучше понять этот вопрос, давайте обратимся к чему-то более знакомому (и меньшему), о чем мы знаем, как измерить размер: к Земле.

С вершины высокой горы, такой как Эверест, вы можете надеяться измерить кривизну Земли, но все ваши усилия будут напрасны. Даже с высоты более 8000 метров искривление Земли почти совершенно неотличимо от плоскости.

Можно найти изображения, где Земля выглядит изогнутой, когда вы смотрите на воду, и действительно, их нетрудно найти. Но так получается из-за искривления Земли?

Нет, так получается из-за атмосферных искажений. Если бы вы попытались вычислить окружность Земли по фотографии, подобной этой, вы бы получили мир, который был бы меньше, чем даже Луна; Вы не сможете измерить кривизну Земли из любого известного местоположения на поверхности планеты сколь-нибудь точно.

Более того, когда мы говорим о поверхности Земли, сама Земля не совсем гладкая. Некоторые места изогнуты вверх, другие — вниз, и любой небольшой регион, видимый нам, вряд ли будет хорошим представлением всей планеты.

Однако вы можете сказать, какова форма и размер планеты в действительности. Все, что нужно сделать, это провести соответствующие измерения и использовать геометрию. Это так же просто, как добраться до трех отдельных мест на Земле и нарисовать треугольник, чтобы соединить эти три точки.

Как вы знаете, на плоском листе бумаги три угла любого треугольника всегда будут составлять 180 °. Но если вы находитесь на поверхности сферы (или, математически, на любой поверхности положительной кривизны), эти углы составят более 180 °. Зная расстояние между каждой из этих трех точек и меру всех трех углов, вы можете рассчитать, какова окружность Земли.

И, конечно же, чем дальше ваши три точки находятся друг от друга, тем менее важны горы, долины и океаны, и тем важнее общая форма Земли для вашего измерения.

На практике самый первый расчет окружности Земли — датирован третьим веком до нашей эры, — использовал очень похожий метод, опять же полагаясь на простую геометрию.

Но только в 20-м веке мы смогли достичь высот, с которых возможно измерить кривизну Земли из космоса, и мы можем сделать это только потому, что можем сойти с двухмерной поверхности Земли и посмотреть на нее издалека (свысока).

Но само пространство немного сложнее. Да, это всего лишь геометрическая конструкция (хотя и несколько более сложная), но она имеет внутреннюю кривизну. Согласно правилам Общей теории относительности Эйнштейна, количество искривленного пространства нашей Вселенной напрямую связано с количеством вещества и энергии, которое там есть, а также с его глобальным расширением.

Плотные, тяжелые массы, такие как Солнце, вызывают очень большое количество кривизны в очень маленьких пространствах, достаточно значительных, чтобы изгибать звездный свет на достаточно значительные величины. Но это локальная кривизна, точно так же, как горы, долины и океанские волны являются локальной кривизной здесь, на Земле.

Что нас интересует, так это то, может ли вся Вселенная когда-нибудь снова замкнуться на себя, и если да, то насколько она велика. Другими словами, эти локальные источники кривизны — это то, что нам не нужно принимать.

Земля тоже изгибает пространство вокруг себя. Помните, что мы используем два измерения в качестве иллюстрации, но в отличие от измерения кривизны двумерной поверхности Земли, где мы можем взлететь «вверх» и наблюдать планету внизу, для нас нет никакого дополнительного пространственного измерения, через которое можно было бы двигаться назад от кривизны нашего трехмерного пространства. И все пространственные измерения изогнуты.

Поскольку отойти от Вселенной и наблюдать ее издалека не вариант, единственный способ получить хорошую оценку ее кривизны — это исследовать ее в самых больших масштабах, какие только возможны — так же, как мы делали это до космического полета на Земле — и попробовать сделать вывод о ее геометрии.

В принципе, это довольно просто. Точно так же, как любые три точки на поверхности могут помочь нам вычислить кривизну этой поверхности, вы можете сделать то же самое со всей Вселенной. Возьмите любые три точки, которые достаточно далеко друг от друга, измерьте расстояния между этими точками и относительные углы между ними, и вы сможете выяснить не только то, как изогнуто наше пространство, но и каков радиус кривизны!

Конечно, вы можете представить три возможных случая. Во-первых, когда Вселенная изогнута положительно, как сфера более высокой размерности, во-вторых, когда Вселенная полностью плоская, как сетка более высокого измерения, и где Вселенная изогнута отрицательно, как «седло» более высокой размерности. В контексте общей теории относительности именно кривизна плотности энергии — количество вещества и всех других форм энергии — определяет эту кривизну.

В реальной жизни у нас нет искусственных объектов достаточно далеко, чтобы общаться с ними на расстоянии, необходимом для измерения кривизны. Даже если бы мы это сделали, это заняло бы миллиарды лет. Но у нас есть световые сигналы, отправившиеся в путь, когда Вселенной было всего 380 000 лет, и они говорят нам, что такое Вселенная на расстоянии 46 миллиардов световых лет (в одну сторону).

Флуктуации космического микроволнового фона — остатки большого взрыва — дают нам окно, позволяющее нам увидеть, как изгибается наша Вселенная.

Первые достоверные измерения этого результата были получены в эксперименте BOOMERANG в конце 1990-х годов, когда ученые впервые определили что  Вселенная была неотличима от плоской и не была  положительно или отрицательно изогнутой.

Это не значит, что она плоская, конечно. Если бы вы вышли на улицу и попытались измерить кривизну Земли прямо сейчас, но только в пределах 5 км от вашего текущего местоположения, вы бы обнаружили, что Земля соответствует плоскости, но она также может быть положительно или отрицательно изогнутой в большем масштабе, чем вы измеряете в настоящее время.

Так же и со Вселенной. Мы смогли измерить, что Вселенная, если она искривлена, имеет гораздо больший радиус кривизны, чем радиус нашей наблюдаемой Вселенной, который составляет около 46 миллиардов световых лет. Но если бы мы могли сделать это измерение более точным, мы могли бы измерить гораздо меньшую кривизну, чем даже эта. Благодаря спутнику Планка у нас теперь есть колебания температуры по всему небу, измеренные с очень узким разрешением в десятые доли градуса.

И эти данные показывают нам то, что Вселенная не только согласуется с тем, чтобы быть плоской, она действительно плоская. Если Вселенная изгибается назад и замыкается сама в себе, ее радиус кривизны по меньшей мере в 250 раз больше той части, которую мы наблюдаем!

Это означает, что — даже без спекулятивной физики, такой как космическая инфляция и мульти-вселенные, — мы знаем, что вся Вселенная простирается на диаметр не менее 23 триллионов световых лет, включая ту часть, которая нам сегодня не видна.

То, что та ее часть, которую мы видим, неотличима от плоской, не означает, что она полностью плоская. Но это значит, что Вселенная намного больше, чем мы когда-либо увидим. Даже принятие этой минимально допустимой оценки для размера Вселенной означает, что самое большее, менее 0,00001% от объема Вселенной в настоящее время или когда-либо будет возможно к наблюдению для нас.

Как только вы добавите наши знания о темной материи и темной энергии и рассмотрите, как Вселенная будет расширяться в будущее, вы поймете, что мы никогда не увидим больше Вселенной, чем можем видеть сейчас.

Так что все, что мы видим — от миллиардов звезд в нашей галактике до сотен миллиардов галактик, освещающих наблюдаемую Вселенную, — это лишь крошечная доля того, что на самом деле существует, за пределами того, что скорость света позволяет нам видеть.

Однако, можно весьма убедительно утверждать, что ненаблюдаемая Вселенная должна быть значительно больше, чем 23 триллиона световых лет в диаметре и размер наблюдаемой Вселенной к ненаблюдаемой соотносится как размер атома к размеру наблюдаемой Вселенной.

Однако самая большая проблема заключается в том, что у нас недостаточно информации для окончательного ответа на вопрос о размере Вселенной.

Мы знаем только, как получить доступ к информации, доступной в нашей наблюдаемой Вселенной: это 46 миллиардов световых лет во всех направлениях. Ответ на самый большой из всех вопросов, является ли Вселенная конечной или бесконечной, может быть закодирован в самой Вселенной, но мы пока не можем получить достаточно информации, чтобы узнать ответ.

Предыдущая версия этой статьи была опубликована в августе 2019 года.