Чи нескінченний Всесвіт? Пласкість його не доводить
Вимірювання реліктового випромінювання, тобто стародавнього світла, яке лишилося від раннього Всесвіту, свідчать, що космос напрочуд плоский. Та це не доводить, що Всесвіт нескінченний. Спостережуваний космос може бути лише малою ділянкою значно більшого викривленого Всесвіту, а простір здатен лишатися пласким і водночас замикатися сам на себе. 1
Зміст
Що ми можемо бачити і знати
Межа спостережуваного Всесвіту — це не просто найбільша відстань, якої сягають телескопи. Вона означає глибшу межу для інформації, що може досягти нас. Навіть якби ми чекали як завгодно довго, доступною стала б лише скінченна її кількість. Усе, що лежить за цією межею, лишається для нас здогадом.
Спостережуваний Всесвіт має близько 93 мільярдів світлових років у поперечнику. Це сфера навколо спостерігача, межі якої визначаються віком Всесвіту, швидкістю світла та розширенням простору. Хоча Всесвіту близько 13,8 мільярда років, радіус спостережуваної його частини становить приблизно 46 мільярдів світлових років. Причина в тому, що за час, поки світло найвіддаленіших доступних нам областей рухалося до нас, сам простір значно розширився.
Астрофізикиня Сара Вебб із Технологічного університету Свінберна в Австралії каже, що фізично немає жодного способу коли-небудь дізнатися справжні розміри Всесвіту. Водночас вона вважає, що простір, цілком можливо, нескінченний, бо немає причин, чому в нього має бути межа.
Як геометрія видає кривизну
Земля показує, як щось може бути скінченним і все одно не мати краю. Її поверхня має скінченну площу, але мандрівник ніколи не впреться в межу, де земля раптово закінчується. Двовимірна поверхня просто загинається назад.
«Космічні кулі» на пляжі в Австралії
Форму космосу можна перевіряти так само, як визначають кривизну Землі, лишаючись на її поверхні. На плоскій площині кути трикутника в сумі дають 180 градусів. Але трикутник, проведений між трьома далеко рознесеними містами, матиме суму кутів понад 180 градусів, бо поверхня під ним викривлена. Паралельні лінії на плоскій площині не перетинаються, а на кривій поверхні можуть зійтися. Так само двоє мандрівників, які рухаються на північ із різних точок екватора, зустрінуться на Північному полюсі, хоча жоден не звертав.
Реліктове випромінювання як лінійка
Один із найпотужніших інструментів для таких вимірювань — космічне мікрохвильове тло, тобто реліктове випромінювання. Воно вивільнилося, коли ранній Всесвіт охолов настільки, що світло почало вільно рухатися крізь те, що раніше було гарячою щільною плазмою. Фізика плазми дозволяє передбачити, які крихітні коливання температури мають бути розсипані в цьому давньому сяйві, і спостереження збігаються з прогнозами.
Якби простір був сильно викривлений, світло, що летіло до нас мільярди років, рухалося б іншим шляхом, і це спотворило б видимий розмір температурних плям. Астрономи порівняли те, що бачать, із тим, який розмір мали б ці плями в різних космічних геометріях. Ознаки з’явилися саме в тому масштабі, який відповідає плоскому простору. Тому науковці кажуть, що Всесвіт виглядає геометрично пласким.
Чому пласкість не означає безмежності
Вимірюючи кривизну Землі в межах власного району, можна схибити: ділянка виглядатиме пласкою, малі трикутники поводитимуться майже за Евклідом, а короткі паралельні шляхи не сходитимуться. Проблема була б не в тому, що Земля насправді плоска, а в тому, що вимірювання замале порівняно з розміром планети. Подібне може стосуватися Всесвіту: наші вимірювання обмежені спостережуваним космосом, і в межах цієї величезної ділянки простір виглядає максимально пласким. Але поза нею Всесвіт може бути значно більшим, а його кривизна здатна проявлятися лише на масштабах, більших за доступні нам.
Якщо це так, простір може загинатися і замикатися. Тоді рух в одному напрямку рано чи пізно повернув би мандрівника в точку старту, як подорож навколо Землі. Утім розширення Всесвіту назавжди виносить області за космічним горизонтом поза досяжність, тому така подорож лишається суто теоретичним експериментом.
Коли геометрія і топологія розходяться
Плаский Всесвіт не зобов’язаний бути нескінченним у кожному напрямку. Тут важливо розрізняти геометрію і топологію. Геометрія описує кривизну, а топологія — те, як простір з’єднаний загалом. Звичайний аркуш паперу можна зігнути в циліндр, не розтягуючи і не розриваючи. Локально геометрія лишиться плоскою: трикутники поводитимуться звично, паралельні лінії не перетинатимуться, але один напрямок тепер замикається в петлю.
Куди вказує компас у відкритому космосі?
Стрічка Мебіуса утворюється, якщо з’єднати кінці смужки після повороту, а пляшка Кляйна — ще одна незвична замкнена поверхня. Циліндри, тори, стрічки Мебіуса і пляшки Кляйна показують, як локально плоска геометрія може поєднуватися з дуже різними загальними структурами. У трьох вимірах математики нарахували 17 топологій, які можуть лишатися геометрично плоскими. Один із прикладів — простір Ганца—Вендта, пов’язаний із повторюваними шестикутними структурами.
Пошуки замкнених петель
Астрономи шукали докази того, що Всесвіт має замкнену топологію. Одна стратегія — шукати повторювані візерунки в реліктовому випромінюванні. Інша — галактики, які з’являлися б у різних місцях на протилежних боках неба, бо їхнє світло подолало шлях через Всесвіт, що замикається сам на себе. Переконливих доказів цього поки що немає.
За всіма наявними спостереженнями, космос виглядає геометрично плоским і топологічно простим, без ознак того, що його виміри замикаються. Але космічний горизонт створює фундаментальне обмеження. Якщо масштаб такої петлі більший за спостережуваний Всесвіт, ми, можливо, ніколи не зможемо її виявити. Тож цілком можливо, що ми ніколи з упевненістю не дізнаємося, чи Всесвіт нескінченний, скінченний, викривлений чи з’єднаний у якийсь більший і дивніший спосіб.
Що означала б нескінченність
У нескінченному Всесвіті наслідки стають ще дивнішими. У спостережуваному космосі лише 1080 частинок, а можливих конфігурацій матерії в межах кубометра значно більше. Тому, рухаючись від Землі досить далеко, можна натрапити на повторний кубометр простору, а ще далі — на цілі дублікати спостережуваних усесвітів. Для цього не потрібен мультивсесвіт: це дублікати всередині самого нескінченного космосу. 2
У деяких космологічних ідеях усе, що ми називаємо Всесвітом, включно з регіонами далеко за нашим горизонтом, — лише одна бульбашка серед потенційно незліченної кількості інших. Такі бульбашки могли б розширюватися, віддаляючись одна від одної, поки нові області переживають власні початки, схожі на Великий вибух.
Найважливіші наукові події 2024 року
Найцікавіше за тиждень
Один лист на тиждень. Без спаму.
Нові статті, добірки та корисні матеріали DAY TODAY — в одному короткому листі.
