Расширяющаяся Вселенная — это растяжение имеющегося пространства или же она создаёт новое пространство?

Модель «булки с изюмом» для описания расширяющейся Вселенной: относительные расстояния увеличиваются по мере расширения пространства («теста»). Чем дальше друг от друга находятся любые две изюмины, тем больше будет наблюдаемое красное смещение к тому моменту, когда свет будет принят. Соотношение «красное смещение — расстояние», предсказываемое расширяющейся Вселенной, подтверждается наблюдениями, однако различные методы измерения космологического расширения дают разные, несовместимые между собой результаты. Источник: Бен Гибсон / Big Think; Adobe Stock

Доказательства расширения Вселенной неопровержимы. Но как именно оно происходит? Как растяжение существующего пространства или за счёт создания нового пространства?

Итан Сигел, 10 сентября 2026

Ключевые тезисы:

• Чем дальше мы смотрим в глубь Вселенной, тем сильнее свет, гравитационные волны и все прочие сигналы удлиняются и растягиваются во времени (то есть испытывают «красное смещение») из‑за расширения пространства.

• Этот эффект наблюдается для всех объектов за пределами нашей Местной группы. Но как именно расширяется само пространство: путём растяжения или путём создания нового пространства в «промежутках», возникающих из‑за космологического расширения?

• Неожиданный ответ состоит в том, что обе интерпретации в чём‑то полезны, но обе аналогии принципиально ограничены и подведут вас, если применять их неправильно. Расширение Вселенной реально, но ни одна аналогия не является идеальной.

Прошёл целый век, почти сто лет с тех пор, как человечество впервые пришло к революционному выводу о природе нашей Вселенной: само пространство не может оставаться и не остаётся статичным — оно эволюционирует с течением времени. Одно из самых контринтуитивных предсказаний общей теории относительности Эйнштейна состоит в том, что любая Вселенная, при условии, что она равномерно (или почти равномерно) заполнена одним или несколькими видами материи, излучения или энергии, не может оставаться статичной и стабильной во времени. Она должна либо расширяться, либо сжиматься. И этот вывод был впервые получен независимо тремя исследователями:

• Александром Фридманом (1922), который сделал это первым на чисто теоретических основаниях;

• Жоржем Леметром (1927), который первым заключил, что Вселенная расширяется, объединив теорию с наблюдениями;

• и Говардом Робертсоном (1929), который независимо пришёл к тем же выводам, что и Леметр, для частного случая пространства‑времени; решение Робертсона позже было обобщено Артуром Уокером (1936).

Примерно в то же время, когда Фридман проделал свою блестящую работу, начиная с 1923 года, наблюдения стали показывать, что спиральные и эллиптические объекты на нашем небе на самом деле являются галактиками, или «островными вселенными», находящимися далеко за пределами нашего Млечного Пути. Благодаря новым, более точным измерениям мы смогли определить, что чем дальше от нас находится галактика, тем сильнее приходящий от неё свет в наших приборах наблюдения оказывается смещённым в красную сторону, то есть наблюдается на больших длинах волн по сравнению с первоначально испущенным светом. Казалось, будто бы само путешествие сквозь пространство изменяет длину волны движущегося света.

Но что именно происходит с самой тканью пространства, пока идёт этот процесс? Как лучше всего интерпретировать эти факты? Растягивается ли само пространство, словно оно становится тоньше и вытягивается? Или, наоборот, постоянно создаётся дополнительное пространство, словно «заполняя промежутки», которые образует расширение? Это одна из самых сложных для осмысления идей в современной астрофизике. Однако, если как следует подумать, мы обнаружим, что вполне способны в этом разобраться. Давайте разберёмся, что происходит.

Анимированный взгляд на то, как пространство‑время реагирует на движущуюся сквозь него массу, помогает наглядно показать, почему пространство не просто лист ткани. Всё трёхмерное пространство искривляется присутствием и свойствами материи и энергии во Вселенной. Пространство не «меняет форму» мгновенно и повсюду, ведь изменения ограничены скоростью, с которой гравитация может распространяться сквозь него: скоростью света. Общая теория относительности релятивистски инвариантна, как и квантовые теории поля, а это означает, что хотя разные наблюдатели не согласны друг с другом в том, что они измеряют, все их измерения согласуются при правильном преобразовании. Источник: LucasVB

Отправной точкой нашего разговора должна быть общая теория относительности, или современная теория гравитации, впервые предложенная Эйнштейном. В своей основе общая теория относительности — это теоретический каркас, связывающий две вещи, которые на первый взгляд могут казаться несвязанными:

• количество, распределение и типы энергии, включая материю, антиматерию, тёмную материю, излучение, нейтрино и всё остальное, что только можно вообразить, присутствующие повсюду во Вселенной;

• и геометрию лежащего в основе пространства‑времени, включая то, искривлено ли оно и как искривлено, а также то, эволюционирует ли само пространство‑время и как именно.

Если бы мы населяли совершенно пустую Вселенную, или Вселенную, в которой вообще ничего нет, ни материи, ни излучения, ни энергии в любой форме, мы получили бы плоское, Ньютоново пространство, к которому мы интуитивно привыкли: статичное, неискривлённое и неизменное.

Но как насчёт того, если мы рассмотрим абсолютно простейший случай непустой Вселенной? Если мы поместим во Вселенную точечную массу, мы обнаружим, что пространство искривлено определённым образом: так, как описывается пространство Шварцшильда. Любая «пробная частица», которую мы поместим в нашу Вселенную, будет вынуждена двигаться по направлению к этой массе, следуя определённой траектории.

А если мы затем немного усложним нашу физическую картину, поместив точечную массу, которая к тому же вращается, мы получим пространство, искривлённое более сложным образом: по правилам метрики Керра. У него будет горизонт событий, но вместо точечной сингулярности сингулярность растянется в круговое одномерное кольцо. Опять же, любая «пробная частица», которую мы поместим, будет следовать траектории, заданной созданной кривизной пространства.

В окрестностях чёрной дыры пространство течёт либо как движущаяся дорожка, либо как водопад, в зависимости от того, как мы хотим это визуализировать. На горизонте событий, даже если бы мы бежали (или плыли) со скоростью света, преодолеть поток пространства‑времени было бы невозможно — он увлекает нас к сингулярности в центре. Однако вне горизонта событий другие силы (например, электромагнетизм) иногда могут преодолеть гравитационное притяжение, позволяя даже падающей внутрь материи вырваться наружу. Вращающиеся чёрные дыры обладают кольцеобразными, а не точечными сингулярностями. Источник: Эндрю Гамильтон / JILA / Колорадский университет в Боулдере

Это пространство‑время, очевидно, гораздо сложнее, чем простое плоское пространство‑время. Однако оно по‑прежнему «статично» в том смысле, что любые масштабы расстояний, которые мы могли бы включить или измерить (такие как размер горизонта событий или расстояние между двумя произвольными точками в этом пространстве‑времени) не меняются со временем. Если бы мы могли каким‑то образом «выйти» из Вселенной с таким пространством‑временем и вернуться в неё позже, через секунду, час или миллиард лет, то структура этого пространства‑времени была бы идентичной, независимо от того, когда бы мы вернулись. В таком пространстве‑времени нет никакого космологического расширения. Расстояние или время распространения света между любыми точками этого пространства‑времени не меняется. Всего с одним, или даже меньшим числом источников массы внутри, и без других форм энергии, эти «модельные вселенные» действительно обладают статичным, неизменным пространством‑временем.

Но всё становится совсем иначе, когда мы решаем не размещать в одной точке изолированные источники массы или энергии, а вместо этого равномерно заполняем свою Вселенную веществом повсюду. На самом деле есть два критерия, которые мы обычно предполагаем о нашей Вселенной и которые убедительно подтверждаются наблюдениями на больших масштабах. Они называются изотропией и однородностью.

• Изотропия говорит нам, что Вселенная одинакова во всех направлениях: куда бы мы ни посмотрели на космологических масштабах, никакое направление не выглядит особенным или выделенным по сравнению с любым другим.

• Однородность, с другой стороны, говорит нам, что Вселенная одинакова во всех местах: одинаковые плотность, температура и скорость расширения наблюдаются с точностью лучше 99,99% на самых больших масштабах.

Насколько мы можем судить, наша Вселенная на больших космологических масштабах действительно и изотропна, и однородна.

Наш взгляд на небольшую область Вселенной вблизи северного галактического полюса. Здесь каждый пиксель изображения представляет одну картографированную галактику. На самых больших масштабах Вселенная одинакова во всех направлениях и во всех измеримых местах, с той лишь разницей, что далёкие галактики выглядят меньше, моложе, плотнее и менее эволюционно развитыми, чем те, что мы находим поблизости: свидетельство космической эволюции во времени, но без изменений изотропии или однородности. Источник: М. Блэнтон / SDSS‑III

В этом случае, когда Вселенная равномерно заполнена какой‑либо энергией (или несколькими различными видами энергии), правила общей теории относительности не только требуют, чтобы Вселенная эволюционировала, но и говорят нам, как именно. Уравнения, управляющие эволюцией Вселенной, известны как уравнения Фридмана: они были выведены Александром Фридманом ещё в 1922 году, за год до того, как было открыто, что самая большая и заметная спираль на небе, великая туманность Андромеды, на самом деле является галактикой, находящейся за пределами Млечного Пути. (Вскоре после этого знание о внегалактической природе Андромеды было распространено практически на все известные спиральные и эллиптические туманности.)

Пространственно‑временная ткань Вселенной, если она равномерно заполнена одним или несколькими видами материи и/или энергии, должна расширяться или сжиматься согласно этим уравнениям. Математика говорит однозначно нам, что это должно происходить и как.

Но что именно на самом деле означает «расширение» или «сжатие», когда речь идёт о самом пространстве?

Трудность, с которой мы здесь сталкиваемся, состоит в том, что само пространство не является чем‑то непосредственно измеримым. Мы не можем просто выйти, взять кусок пространства и поставить на нём эксперимент. Вместо этого всё, что мы можем сделать, так это наблюдать воздействие пространства на наблюдаемые объекты, такие как материя, антиматерия и свет, а затем использовать эту информацию, чтобы понять, что должно делать само лежащее в основе этого пространство, чтобы вызывать такие эффекты.

Когда звезда приближается к перицентру своей орбиты вокруг сверхмассивной чёрной дыры и достигает его, её гравитационное красное смещение и её скорость возрастают. Кроме того, чисто релятивистские эффекты прецессии орбиты должны влиять на движение этой звезды вокруг центра галактики. Тесные орбиты вокруг больших масс отклоняются от предсказаний Ньютона; для согласования с наблюдениями необходима общая теория относительности. Источник: Николл Рэйгер Фуллер / Национальный научный фонд

Например, если мы вернёмся к примеру чёрной дыры (хотя это применимо и к любой массе), мы можем вычислить, насколько сильно искривлено пространство в окрестностях этой чёрной дыры. Если чёрная дыра вращается, мы можем вычислить, насколько значительно пространство «увлекается» вместе с чёрной дырой из‑за наличия у неё момента импульса. Если затем мы измерим, что происходит с объектами в окрестностях этих тел, мы сможем сравнить наблюдаемое с предсказаниями общей теории относительности.

Иными словами, мы действительно можем ставить эксперименты так, чтобы самыми разными способами определить, искривляется ли пространство, и как искривляется, и соответствует ли это утверждениям теории Эйнштейна. Как только возникнет первое противоречие, как только хотя бы одно наблюдение окажется несовместимым с предсказаниями Эйнштейна, у нас появится веское основание для расширения теории гравитации за пределы общей теории относительности Эйнштейна.

Но этот момент, спустя теперь уже 111 лет после того, как впервые была предложена общая теория относительности, так и не наступил. С невероятной точностью каждое наблюдение совпадает и согласуется с предсказаниями общей теории относительности. Свет испытывает фиолетовое смещение, попадая в область экстремальной кривизны, и красное смещение, покидая её. Это гравитационное красное смещение было измерено для звёзд, обращающихся вокруг чёрных дыр, для света, распространяющегося вертикально в гравитационном поле Земли, для света, приходящего от Солнца, и даже для света, проходящего через растущие скопления галактик. Оно было измерено и прямо здесь, на Земле: свет испытывает красное смещение, когда распространяется вверх в гравитационном поле Земли, и фиолетовое смещение, когда движется вниз, ближе к центру Земли.

Точно так же и другие предсказания, такие как:

• гравитационное замедление времени,

• отклонение света большими массами,

• существование, амплитуда и скорость распространения гравитационных волн — всё это получило подтверждение,

• а также прецессия — от планетных орбит до вращающихся сфер, отправленных в космос,

всё это блестяще согласовывалось с предсказаниями Эйнштейна.

Физик Глен Ребка у нижнего основания Джефферсоновских башен в Гарвардском университете звонит профессору Паунду по телефону во время подготовки знаменитого эксперимента Паунда‑Ребки. Фотон, испущенный у подножия башни, не был бы поглощён наверху без дополнительных ухищрений: свидетельство гравитационного красного смещения. Когда динамик «подталкивал» испускаемый фотон дополнительной энергией, атомы наверху башни внезапно смогли поглощать эти испущенные фотоны, укрепляя наше понимание гравитационного красного смещения, предсказанного общей теорией относительности. Источник: Corbis Media / Гарвардский университет

Но как насчёт расширения Вселенной? Когда мы, исходя из научных представлений, размышляем о расширяющейся Вселенной, то вопрос, который мы должны себе задать, звучит так:

«Что наблюдаемо меняется в тех вещах, которые мы способны измерить во Вселенной?»

Ведь именно это мы можем физически предсказывать, именно это физически наблюдаемо, и именно это подскажет нам, что в действительности происходит физически. Всё остальное — это когда мы наводим лоск, надевая маску, отражающую пределы нашей собственной интуиции, поверх того, что мы в действительности понимаем о реальности.

Простейшая эволюционирующая величина, которую мы можем рассмотреть в расширяющейся Вселенной, — это плотность. Если наша Вселенная заполнена «веществом», то по мере её расширения объём пространства, который занимает это «вещество», будет увеличиваться.

Обычно, когда мы думаем о «веществе», мы имеем в виду материю. На самом простом уровне материя — это фиксированное количество массивного «вещества», существующего в пространстве. По мере расширения Вселенной полное количество вещества остаётся неизменным, но количество пространства, в котором это вещество существует, увеличивается. Для материи плотность — это просто масса, делённая на объём, и поэтому, если масса остаётся неизменной (или, для таких объектов, как атомы, если неизменным остаётся число частиц), а объём растёт, плотность должна уменьшаться. Когда мы проводим расчёт в рамках общей теории относительности, именно это мы и получаем для материи.

Хотя материя и излучение становятся менее плотными по мере расширения Вселенной из‑за увеличения объёма, тёмная энергия (а также энергия поля в период инфляции) представляют собой форму энергии, присущую самому пространству. По мере того как в расширяющейся Вселенной создаётся новое пространство, плотность тёмной энергии остаётся постоянной, даже когда плотности других компонентов падают. Источник: И. Сигел / Beyond the Galaxy

Но хотя во Вселенной существует несколько видов материи (обычная материя, чёрные дыры, тёмная материя, нейтрино и так далее), не всё во Вселенной является материей.

Например, у нас также есть излучение: оно, как и материя, квантуется на отдельные объекты, но не имеет массы, а его энергия определяется длиной волны. По мере расширения Вселенной и пока свет путешествует сквозь расширяющуюся Вселенную, не только увеличивается объём при неизменном числе частиц, но и каждый квант излучения испытывает смещение длины волны в более красную часть спектра: к большим длинам волн. Именно этот эффект красного смещения позволил впервые обнаружить расширение Вселенной, и он проявляется в каждой галактике и квазаре, которые мы измеряем за пределами нашей Местной группы.

Между тем наша Вселенная также обладает тёмной энергией, то есть формой энергии, которая вообще не существует в виде частиц, а, по‑видимому, присуща самой ткани пространства. Хотя мы не можем измерить тёмную энергию напрямую так же, как измеряем длину волны и/или энергию фотонов, существует способ вывести её значение и свойства: нужно посмотреть, как именно свет от далёких объектов, испытывающий красное смещение, меняется в зависимости от расстояния. Мы помним, что существует связь между различными формами энергии во Вселенной и скоростью расширения. Когда мы измеряем расстояния и красные смещения различных объектов на протяжении космического времени, они могут рассказать нам, сколько существует тёмной энергии и каковы её свойства. Мы обнаруживаем, что сегодня Вселенная примерно на 2/3 состоит из тёмной энергии и что плотность тёмной энергии не меняется: по мере расширения Вселенной плотность тёмной энергии остаётся постоянной.

График кажущейся скорости расширения (ось y) в зависимости от расстояния (ось x) согласуется с Вселенной, которая в прошлом расширялась быстрее, но в которой далёкие галактики сегодня ускоряются в своём удалении. Это современная версия оригинальной работы Хаббла, простирающаяся в тысячи раз дальше. Обратите внимание, что точки не ложатся на прямую линию, что указывает на изменение скорости расширения со временем. Тот факт, что Вселенная следует именно такой кривой, свидетельствует о присутствии тёмной энергии и её доминировании на поздних этапах. Источник: Нед Райт / Betoule et al., 2014

Когда мы собираем полную картину из всех имеющихся у нас различных источников данных, вырисовывается единая, в целом непротиворечивая картина. Сегодня наша Вселенная расширяется со скоростью около 70 км/с/Мпк, что означает: на каждый мегапарсек (примерно 3,26 миллиона световых лет) расстояния, разделяющего один объект с другим, расширяющаяся Вселенная вносит красное смещение, эквивалентное удалению со скоростью 70 км/с.

Заметьте, что это то, что Вселенная делает сегодня. Но, глядя на всё большие и большие расстояния и измеряя там красные смещения, мы можем узнать, как скорость расширения отличалась в прошлом, а, значит, и то, из чего состоит Вселенная, притом не только сегодня, но и в любой момент истории. Сегодня наша Вселенная состоит из следующих форм энергии:

• около 0,008% — излучение в форме фотонов, то есть электромагнитное излучение;

• около 0,1% — нейтрино, которые теперь ведут себя как материя, но на ранних этапах вели себя как излучение, когда их масса была очень мала по сравнению с количеством (кинетической) энергии, которой они обладали;

• около 4,9% — обычная материя, включающая атомы, плазму, чёрные дыры и всё, что когда‑либо было сделано из протонов, нейтронов или электронов;

• около 27% — тёмная материя, природа которой до сих пор неизвестна, но которая должна быть массивной и которая образует скопления и гравитирует как материя;

• и около 68% — тёмная энергия, которая ведёт себя так, словно это энергия, присущая самому пространству.

Если мы экстраполируем назад, основываясь на том, что мы знаем о сегодняшнем моменте, мы сможем узнать, какой тип энергии доминировал в расширяющейся Вселенной в различные эпохи космической истории.

Относительная значимость различных энергетических компонентов Вселенной в различные моменты прошлого. Тёмная материя была в основном значима на протяжении чрезвычайно долгих космических времён, и мы можем увидеть её следы даже в самых ранних сигналах Вселенной. Между тем излучение доминировало в первые ~10 000 лет существования Вселенной после Большого взрыва. Обратите внимание, что в будущем, когда доля тёмной энергии достигнет почти 100%, плотность энергии Вселенной (а значит, и скорость расширения) будет оставаться постоянной сколь угодно далеко в будущем. Источник: И. Сигал.

Обратите внимание, это очень важно, что Вселенная реагирует принципиально различным образом на эти разные формы энергии. Когда мы спрашиваем:

«Что делает пространство, пока оно расширяется?»,

мы на самом деле спрашиваем, какое описание пространства имеет смысл для рассматриваемого нами явления. Если рассмотреть Вселенную, заполненную излучением, то, поскольку длина волны увеличивается по мере расширения Вселенной, аналогия «пространство растягивается» работает очень хорошо. (Если бы Вселенная вместо этого сжималась, «пространство сжимается» столь же хорошо объясняло бы, как длина волны укорачивается, а энергия увеличивается.)

С другой стороны, когда что‑то растягивается обычным образом, оно становится тоньше, так же как когда что‑то сжимается, оно утолщается. Это разумный ход мысли для описания поведения света и других форм излучения, но не для тёмной энергии или любой формы энергии, присущей самой ткани пространства. Когда мы рассматриваем тёмную энергию, плотность энергии всегда остаётся постоянной. По мере расширения Вселенной её объём увеличивается, а плотность энергии не меняется, и поэтому полная энергия растёт. С точки зрения тёмной энергии, это выглядит так, словно новое пространство создаётся из‑за расширения Вселенной.

Главный урок состоит в том, что ни одно из объяснений не работает хорошо во всех случаях: одно объяснение успешно описывает, что происходит с излучением (и другими энергичными частицами), тогда как другое работает для объяснения того, что происходит с тёмной энергией (и всем остальным, что является внутренним свойством пространства или квантовым полем, непосредственно связанным с пространством), когда Вселенная расширяется или сжимается.

Эта диаграмма показывает в масштабе, как пространство‑время эволюционирует/расширяется через равные промежутки времени, если во Вселенной доминирует материя, излучение или энергия, присущая самому пространству (то есть в период инфляции или в эпоху доминирования тёмной энергии). Самый нижний сценарий соответствует экспоненциальному расширению как за счёт тёмной энергии (сегодня), так и за счёт инфляции (на ранних этапах). Обратите внимание: визуализация расширения как «растяжения существующего пространства» или как «создания нового пространства» не подойдёт для всех случаев. Источник: И. Сигел / Beyond the Galaxy

Пространство, вопреки тому, что мы могли бы подумать, не является какой‑то измеримой физической субстанцией, с которой можно обращаться так же, как с частицами или какой‑либо другой формой энергии, которая проявилась бы внутри детектора. Вместо этого пространство — это просто фон, сцена, если хотите, на которой разворачивается «пьеса» Вселенной. Мы можем использовать измерения частиц и квантов, которые мы способны детектировать со всей Вселенной, чтобы выводить свойства пространства, и по правилам общей теории относительности, если мы можем знать, что присутствует в этом пространстве, мы можем предсказать, как пространство будет искривляться и эволюционировать. Затем эта кривизна и эта эволюция определят будущую траекторию каждого кванта энергии, который существует, включая все кванты, которые мы способны детектировать.

Всё излучение в нашей Вселенной, включая каждую гравитационную волну, ведёт себя так, словно пространство растягивается, хотя само пространство не становится тоньше. Тёмная энергия в нашей Вселенной ведёт себя так, словно создаётся новое пространство, хотя мы не можем ничего измерить, чтобы обнаружить это создание пространства. В действительности общая теория относительности может лишь сказать нам, как пространство ведёт себя, эволюционирует и влияет на энергию внутри него; она принципиально не может сказать нам, чем пространство «является» в философском смысле.

В наших попытках осмыслить Вселенную мы должны признать, что нет никаких оснований добавлять посторонние конструкции поверх того, что измеримо. Пространство не растягивается и не создаётся, оно просто таково, каким его описывает теория Эйнштейна. По крайней мере, в рамках общей теории относительности мы можем точно узнать, «каково» оно, даже если знание о том, «что» оно такое, в настоящее время лежит за пределами науки.

Эта статья впервые была опубликована в мае 2024 года. Она была обновлена в сентябре 2026 года.