Логарифмическое изображение наблюдаемой Вселенной в представлении художника
13,8 млрд лет назад Вселенная началась с горячего Большого взрыва. С тех пор она расширяется и охлаждается, вплоть до сегодняшнего дня. С нашей точки зрения мы можем наблюдать Вселенную в радиусе 46 млрд лет, благодаря ограничению скорости света и расширению Вселенной. И хотя это расстояние огромно, оно конечно. Но это только та часть, что мы видим. Что находится за её пределами, и возможно ли, что там лежит бесконечность? Адам Стивенс хочет знать:
Что вы думаете по поводу бесконечности вселенной? Многие космологи говорили мне, что бесконечность вселенной не доказана. А как это вообще можно доказать эмпирически?
Во-первых, мы можем узнать больше, чем то, что мы видим в пределах 46 млрд световых лет.
Наблюдая находящиеся всё дальше от нас объекты, мы видим их всё глубже погружёнными в прошлое
Чем дальше мы смотрим в любом направлении, тем дальше мы заглядываем в глубины времён. Ближайшая галактика, расположенная в 2,5 млн световых лет от нас, видна нам такой, какой она была 2,5 млн лет назад, поскольку свету на путешествие оттуда до наших глаз с момента его испускания нужно именно столько времени. Более удалённые галактики видны нам такими, какими они были десятки миллионов, сотни миллионов или даже миллиарды лет назад. Заглядывая ещё дальше, мы видим свет Вселенной с тех времён, когда она была моложе. Так что если мы посмотрим на свет, испущенный 13,8 млрд лет назад, на пережиток Большого взрыва, мы увидим реликтовое излучение.
Лишь несколько сотен мкK отделяют самые горячие участки от самых холодных, но корреляция флуктуаций по масштабу и силе содержит огромное количество информации о ранней Вселенной
Рисунок флуктуаций чрезвычайно запутан, на разных угловых масштабах он содержит разные средние температуры. Также в нём зашифровано огромное количество информации о Вселенной, включая и поразительный факт: кривизна у пространства, насколько мы можем судить, отсутствует, то есть, оно плоское. Если бы пространство обладало положительной кривизной, как если бы мы жили на поверхности четырёхмерной сферы, мы бы увидели схождение удалённых лучей света. Если бы у него была отрицательная кривизна, как на поверхности четырёхмерного седла, мы бы увидели, как удалённые лучи света расходятся. Вместо этого лучи света двигаются, как двигались, и флуктуации говорят нам об идеальной плоскости.
Величина температуры горячих и холодных участков, и их масштабы, говорят нам о кривизне Вселенной. Насколько мы можем судить, она плоская.
Из набора данных по реликтовому излучению и крупномасштабным структурам Вселенной (доступных через изучение барионных акустических осцилляций) мы можем заключить, что если Вселенная конечна и замыкается на себя, она должна быть как минимум в 250 раз больше той части, что мы можем видеть. Поскольку мы живём в трёх измерениях, увеличение радиуса в 250 раз означает увеличение объёма в 2503 раз, или в 15 млн раз больше пространства. Но это всё равно не бесконечный объём. Минимальная оценка размера Вселенной, 11 трлн световых лет во всех направлениях, что ужасно много, но всё равно не бесконечно.
Наблюдаемая нами Вселенная – 46 млрд световых лет во всех направлениях, но за этим рубежом обязательно есть что-то ещё.
Есть основания полагать, что она ещё больше. Горячий Большой взрыв может отмечать начало наблюдаемой Вселенной, но не рождение пространства и времени. До Большого взрыва Вселенная переживала период космической инфляции. Вместо того, чтобы быть заполненной материей и излучением, и быть горячей, Вселенная была:
• была заполнена энергией, присущей самому пространству,
• расширялась с экспоненциальной скоростью,
• создавала новое пространство так быстро, что самый малый физический размер, планковская длина, растягивалась до размера наблюдаемой сегодня Вселенной каждые 10-32 с.
Инфляция приводит к экспоненциальному росту пространства, из-за чего существовавшее искривлённое пространство может казаться плоским
В нашем регионе Вселенной инфляция действительно закончилась. Но есть несколько вопросов, ответы на которые нам неизвестны, имеющих огромное влияние на размер Вселенной и её конечность или бесконечность.
Инфляция подготовила всё для Большого взрыва и породила наблюдаемую Вселенную, но нам доступна для измерений лишь малая часть секунды влияния инфляции на нашу Вселенную
1) Какого размера был участок Вселенной после инфляции, породивший наш горячий Большой взрыв? Наблюдая сегодняшнюю Вселенную и однородность послесвечения Большого взрыва, близость Вселенной к плоскости, флуктуации, растянувшиеся по Вселенной на всех масштабах, и т.д., и т.п., мы можем очень многое узнать. Мы можем вычислить верхнее ограничение энергетической шкалы, на которой происходила инфляция, как сильно инфляция увеличила Вселенную, нижнее ограничение на длительность инфляции. Но тот кармашек расширявшейся Вселенной, из которого произошла наша часть, мог очень сильно превышать нижний предел! Он может быть в сотни, миллионы, гуголы раз больше, чем то, что мы можем наблюдать – или быть действительно бесконечным. Без возможности наблюдать больше, чем доступно нам сейчас, мы не получим достаточно информации, чтобы ответить на этот вопрос.
Инфляция заканчивается (вверху), когда шар спускается в низину. Но инфляционное поле – квантовое (в середине), и растягивается во времени. Во многих участках пространства (пурпурный, красный, голубой) инфляция закончится, а во многих других (зелёный, синий) продолжится, возможно, до бесконечности (внизу)
2) Корректна ли идея «вечной инфляции»? Если вы рассмотрите возможность того, что инфляция – это квантовое поле, тогда в любой момент экспоненциального расширения есть вероятность окончания инфляции, что приведёт к Большому взрыву, и вероятность того, что инфляция продолжится, создавая всё больше пространства. Такие расчёты нам доступны (в рамках определённых допущений), и они ведут к заключению: если нам нужно достаточно инфляции до создания наблюдаемой Вселенной, тогда инфляция всегда будет создавать ещё больше пространства, которое будет продолжать расширяться, в отличие от участков, где она закончится и произойдёт Большой взрыв. И хотя наша наблюдаемая Вселенная могла появиться после окончания инфляции в нашем регионе 13,8 млрд лет назад, есть регионы, где инфляция продолжается – и создаёт всё больше и больше пространства, и порождает всё больше Больших взрывов – по сей день. Эта идея известна, как вечная инфляция, и она является общепринятой в физическом сообществе. Так какого же размера вся ненаблюдаемая Вселенная на сегодняшний день?
Хотя инфляция могла закончиться более чем в половине всех участков в любой момент (отмечены красным Х), достаточное количество участков продолжает вечно расширяться, в результате чего инфляция продолжается вечно, при том, что никакие две Вселенные никогда не столкнутся
3) Как долго продолжалась инфляция до того, как она закончилась, и произошёл Большой взрыв? Нам доступна лишь Вселенная, созданная окончанием инфляции и нашим горячим Большим взрывом. Мы знаем, что инфляция должна была продолжаться не менее 10-32 с, но, скорее всего, она шла дольше. Но насколько? Секунды? Годы? Миллиарды лет? Бесконечно? Всегда ли Вселенная была подвержена инфляции? Было ли у инфляции начало? Последовала ли она из предыдущего состояния, длившегося вечно? Или, возможно, пространство и время появились из ничего ограниченное время назад? Есть много возможностей, но в настоящий момент ответ проверить невозможно.
Огромное количество отдельных регионов, где произошёл Большой взрыв, разделено участками расширяющегося в бесконечной инфляции пространства. Мы не знаем, как проверить, измерить или получить доступ к тому, что лежит за пределами наблюдаемой Вселенной
Судя по лучшим наблюдениям, мы знаем, что Вселенная гораздо больше наблюдаемой части. Мы подозреваем, что за этими пределами распространяется ещё больше Вселенной, такой же, как наша, с такими же законами физики, типами структур (звёздами, галактиками, скоплениями, нитями, войдами и т.п.), и с такими же шансами на сложную жизнь. Размеры пузыря, в котором инфляция закончилась, должны быть конечными, а в большем, расширяющемся пространстве-времени, должно содержаться экспоненциально огромное количество таких пузырей. Но, пусть вся эта Вселенная, или Мультивселенная, так непредставимо огромна, она может и не быть бесконечной. На самом деле, если инфляция не продолжалась бесконечное время, Вселенная должна быть конечной.
Наблюдаемая нами часть Вселенной огромна, но это лишь крохотная часть всего существующего
Но самая большая проблема – у нас есть доступ только к информации, содержащейся внутри наблюдаемой части Вселенной, в этих 46 млрд световых лет во всех направлениях. Ответ на крупнейший из вопросов – конечна или бесконечна Вселенная – может быть закодирован во Вселенной, но мы не можем получить доступ к достаточно большой её части, чтобы узнать это. Пока мы либо не решим этот вопрос, или не придумаем хитроумный способ расширить возможности физики, всё это будет находиться в области возможностей.
Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].
