Сможем ли мы узнать форму Вселенной и почему она, вероятно, не бесконечна?

Предлагаю эксперимент, который невозможно осуществить технически, но легко провести мысленно. Вы садитесь в космический корабль, выбираете любой вектор движения и включаете двигатели на полную мощность. Вы игнорируете притяжение звезд, огибаете черные дыры и просто летите вперед по прямой линии.

Вы покидаете Солнечную систему, выходите за пределы Млечного Пути, пересекаете войды — гигантские пустоты между галактическими нитями. Вопрос, который стоит перед современной космологией, звучит обманчиво просто: что произойдет в конце пути?

Сможете ли вы лететь вечно, постоянно открывая новые регионы пространства? Упретесь ли вы однажды в некую физическую границу, за которой прекращается само существование материи и времени? Или, спустя миллиарды лет полета строго по прямой, вы увидите в иллюминаторе Землю, вернувшись в точку старта с противоположной стороны?

Это фундаментальная проблема физики. Мы до сих пор не знаем точных параметров структуры, в которой существует наша реальность. Ответ на этот вопрос определит не только строение космоса, но и его будущее — ждет ли нас вечное холодное расширение или неизбежный коллапс.

Евклид против Эйнштейна

В обыденном понимании пространство — это просто пустота, внутри которой разворачиваются события. Однако Общая теория относительности доказала, что пространство — это активный участник физических процессов. Оно может изгибаться, сжиматься и растягиваться.

Чтобы понять форму Вселенной, астрофизики используют методы геометрии. В школьном курсе мы изучали евклидову геометрию, работающую на плоских поверхностях. Главное правило: сумма углов любого треугольника всегда равна 180 градусам, а две параллельные линии никогда не пересекаются.

Но на космологических масштабах, измеряемых гигапарсеками, правила могут меняться. Существует три вероятных сценария геометрии Вселенной, зависящих от ее кривизны:

1. Нулевая кривизна (плоская Вселенная). Это трехмерный аналог обычного листа бумаги. Параллельные лучи света, запущенные сквозь пустоту, всегда остаются параллельными. Геометрия Евклида работает безупречно.
2. Положительная кривизна (замкнутая Вселенная). Пространство искривлено само на себя, подобно поверхности сферы. Если вы построите гигантский треугольник между тремя далекими галактиками, сумма его углов будет больше 180 градусов. В таком мире параллельные линии в конечном итоге пересекаются.
3. Отрицательная кривизна (открытая Вселенная). Пространство имеет форму седла (или гиперболоида). Сумма углов треугольника здесь меньше 180 градусов, а параллельные линии расходятся в разные стороны, удаляясь друг от друга.

Определить, в каком из этих миров мы живем, крайне сложно, поскольку локально — в масштабах Солнечной системы или даже Галактики — пространство кажется нам абсолютно плоским. Кривизна проявляет себя только на расстояниях, сопоставимых с размером видимой части Вселенной.

Гравитационный баланс

Форма пространства не случайна. Это результат динамического противостояния двух основных сил, действующих в космосе с момента Большого взрыва.

На одной чаше весов находится гравитация. Вся материя во Вселенной — звезды, газ, темная материя — обладает массой и создает притяжение. Гравитация стремится замедлить расширение Вселенной и стянуть пространство, придавая ему положительную кривизну (сферическую форму).

На другой чаше весов — темная энергия. Это сила, природа которой до сих пор не ясна, но эффект очевиден: она заставляет пространство расширяться с ускорением. Темная энергия действует как своего рода антигравитация, стремясь распрямить пространство или даже придать ему отрицательную кривизну.

Судьба геометрии зависит от так называемой критической плотности.

• Если плотность материи и энергии во Вселенной превышает критическое значение, побеждает гравитация. Вселенная замкнется в сферу, расширение остановится и сменится сжатием.
• Если плотность ниже критической, побеждает расширение. Вселенная станет седловидной и открытой, продолжая разлетаться вечно.
• Если плотность идеально совпадает с критической, Вселенная будет плоской.

Современные наблюдения, основанные на изучении реликтового излучения (теплового отпечатка ранней Вселенной), указывают на то, что мы живем в плоской Вселенной. Погрешность измерений составляет менее 0,4%. Это означает, что силы гравитации и темной энергии уравновешены с высокой точностью.

Проблема бесконечности

Если Вселенная плоская, самый очевидный вывод — она бесконечна. Плоскость может простираться во все стороны без ограничений. Однако именно этот вывод вызывает наибольшее непринятие у физиков-теоретиков.

Бесконечность — это математическая абстракция, которая плохо уживается с реальностью. В физических уравнениях появление бесконечности (сингулярности) обычно означает ошибку в расчетах или неполноту теории.

Главная проблема бесконечной Вселенной — это утрата предсказательной силы. В бесконечном пространстве с бесконечным количеством материи любое событие, имеющее ненулевую вероятность, должно происходить бесконечное число раз.

Это приводит к логическим парадоксам. Если Вселенная бесконечна, то где-то далеко должна существовать точная копия нашей Солнечной системы, нашей планеты и вас лично, читающего этот текст. Более того, должно существовать бесконечное количество вариаций: мир, где вы стали президентом, или мир, где динозавры до сих пор господствуют на планете.

Для науки такая концепция губительна. Если возможно абсолютно всё, то невозможно объяснить, почему мы наблюдаем именно эти законы физики, а не другие. По этой причине многие космологи ищут модели, которые позволяют сохранить плоскую геометрию, но избежать все портящей бесконечности.

Топология пространства

Здесь на сцену выходит различие между геометрией (локальной кривизной) и топологией (глобальной структурой).

Возможно, Вселенная плоская, но конечная. Как это возможно? Возьмем полоску бумаги. Она плоская. Если свернуть её в цилиндр, она останется плоской (параллельные линии на поверхности цилиндра не пересекаются). Если соединить концы цилиндра, получится тор (форма бублика).

Тороидальная Вселенная сохраняет законы евклидовой геометрии: треугольники здесь имеют 180 градусов, лучи света идут прямо. Но объем такого пространства строго ограничен.

В такой модели работает принцип периодических граничных условий. Если вы полетите на космическом корабле в одну сторону, вы не упретесь в стену и не уйдете в бесконечность. В какой-то момент вы просто вернетесь в точку старта с противоположной стороны. Это похоже на движение по поверхности Земли, только в трехмерном объеме.

Свет в такой Вселенной также может совершать полные обороты. Теоретически, глядя в сверхмощный телескоп в глубокий космос, мы могли бы увидеть Млечный Путь в прошлом — собственный затылок. Астрономы активно ищут такие повторения паттернов галактик на небесной сфере, но пока не обнаружили доказательств сложной топологии.

Проблема края

Если мы отбрасываем идею сложной топологии (тора) и возвращаемся к простой плоской модели, но хотим избежать бесконечности, мы сталкиваемся с проблемой границы.

Может ли у Вселенной быть край? Если пространство имеет форму простого плоского листа конечного размера, что происходит на его границе?

В физике понятие края пространства вызывает огромные трудности. Граница подразумевает, что с одной стороны есть пространство-время, а с другой — нет ничего, даже вакуума. Как описать взаимодействие частицы с границей существования? Отскочит ли она? Исчезнет?

Именно поэтому модели замкнутой Вселенной (сферической или тороидальной) выглядят предпочтительнее. Они конечны, измеримы, имеют определенный объем массы и энергии, но не имеют границ. Вы можете двигаться в любом направлении бесконечно долго, но никогда не покинете пределов системы, просто циклически проходя одни и те же координаты.

Наблюдательный горизонт

Важно разделять всю Вселенную и Наблюдаемую Вселенную. Даже если космос бесконечен, для нас он всегда ограничен сферой наблюдаемости.

Свет имеет конечную скорость. Вселенная существует ограниченное время (около 13,8 миллиарда лет). Это означает, что мы физически не можем увидеть объекты, свет от которых идет к нам дольше, чем существует Вселенная. Это создает горизонт частиц — сферу с радиусом около 46 миллиардов световых лет (с учетом расширения пространства).

Мы никогда не узнаем, что находится за этим горизонтом, если не научимся двигаться быстрее света. Там может продолжаться такая же плоская Вселенная, или же может начинаться искривление, или вообще могут действовать другие физические законы.

Заключение: жажда определенности

Вопрос формы Вселенной остается открытым не из-за недостатка теорий, а из-за ограничений наших инструментов. Мы пытаемся определить форму гигантского объекта, находясь глубоко внутри него и видя лишь крошечную часть.

Тем не менее, от ответа зависит наше понимание фундаментальной природы реальности. Если Вселенная бесконечна, наука сталкивается с кризисом вероятностей и невозможностью полного познания. Мы вынуждены признать, что большая часть реальности навсегда останется для нас непостижимой. Если же Вселенная конечна и замкнута, это возвращает нас в уютный, познаваемый мир. Мир, который является единой системой, замкнутым циклом, где материя и энергия сохраняются, а не рассеиваются в бездне.

Физики продолжают анализировать данные, поступающие от космических телескопов нового поколения. Они ищут малейшие отклонения в геометрии, признаки вращения Вселенной или повторяющиеся паттерны реликтового излучения. Но пока что вопрос остается без ответа, балансируя на тонкой грани между понятной нам геометрией и непознаваемой бесконечностью.