Ученые теперь знают, что Вселенная расширяется со все возрастающей скоростью. А если она расширяется, то во что? Другими словами, что находится за пределами Вселенной?
Определение этого «за пределами Вселенной» будет означать, что Вселенная имеет край. И здесь все становится сложнее, потому что ученые не уверены, существует ли такой край.
Одна из форм вопроса выглядит так:
«не могли бы мы пойти куда-нибудь, чтобы мы смогли посмотреть» за пределы «Вселенной», например, как заглянуть за край скалы или посмотреть в окно, чтобы увидеть что снаружи здания?»
Ответ на этот вопрос: «вероятно, нет.»
Одна из причин связана с «космологическим принципом», — говорит Роберт Макнис, адъюнкт-профессор физики в университете Лойола в Чикаго. Космологический принцип утверждает, что распределение материи в любой части Вселенной выглядит примерно так же, как и в любой другой части, независимо от того, в каком направлении вы смотрите. С точки зрения ученых Вселенная изотропна.
Космологический принцип отчасти является следствием идеи о том, что законы физики везде одинаковы.
«Существует много местных вариаций — звезд, галактик, кластеров и т. д. — но усредненное по большим кускам пространства, никакое место на самом деле не отличается от другого где-либо еще»
, — сказал Макнис
Подразумевается, что нет «края»; нет места, где Вселенная просто заканчивается, и можно посмотреть в каком-то направлении и увидеть, что за ней находится.
Одной из аналогий, часто используемых для описания этой бескрайней вселенной является поверхность воздушного шара. Муравей на такой поверхности может идти в любом направлении, и это выглядело бы так, как будто поверхность была «неограниченной» — то есть муравей мог бы вернуться туда, где он начал, но не было бы конца пути. Так что даже если поверхность шара состоит из конечного числа квадратных единиц, у него нет края и границ (так можно идти вечно в каком-то одном направлении). Кроме того, нет «центра», поэтому нет предпочтительной точки на сферической поверхности шара.
Вселенная представляет собой трехмерную версию оболочки воздушного шара.
Художественная масштабная концепция наблюдаемой Вселенной. Галактики уступают место крупномасштабной структуре и горячей плотной плазме Большого взрыва на окраинах. Этот «край» является границей только во времени
Но как Вселенная может расширяться, если у нее нет конца или края?
Используем аналогию с воздушным шаром еще раз. Если добавить больше воздуха воздушному шару, то муравей будет наблюдать, как другие вещи на поверхности воздушного шара становятся все дальше. И чем больше становится расстояние между муравьем и каким-то объектом, тем быстрее этот объект будет отдаляться. Но независимо от того, где муравей скитался, скорость, с которой эти объекты отдалялись, будет следовать тем же отношениям — если бы муравей придумал уравнение, описывающее, как быстро удаляются самые дальние объекты, оно бы работало одинаково в любом месте на поверхности воздушного шара.
Однако воздушные шары при взрыве расширяются в трехмерное пространство. Проблема в том, что это не относится ко Вселенной. По определению, Вселенная содержит все, поэтому нет «снаружи».
Физик Стивен Хокинг часто говорил, что весь вопрос не имеет смысла, потому что если Вселенная возникла из ничего и привела все к существованию, то спрашивать, что лежит за пределами Вселенной, — это как спрашивать, что находится к северу от Северного полюса.
Д-р Кэти Мак, теоретический астрофизик из Мельбурнского университета в Австралии, говорит, что было бы более полезно думать о Вселенной как о менее плотной, а не о расширяющейся. То есть концентрация материи во Вселенной уменьшается по мере расширения Вселенной, сказала она.
Так происходит потому, что галактики не удаляются друг от друга через пространство — это само пространство становится больше. Таким образом, любые инопланетяне в галактиках, которых видят люди, придут к тому же выводу, что и земляне: все остальное движется во всех направлениях, а местная Галактика находится в покое.
Поскольку пространство расширяется, галактики могут выглядеть так, как будто они движутся быстрее света, не нарушая относительности, которая говорит, что ничто не может идти быстрее света в вакууме. Фактический размер наблюдаемой Вселенной составляет 46 миллиардов световых лет в любом направлении, хотя Вселенная появилась только 13,8 миллиарда лет назад, говорит Мак.
Но это все еще устанавливает ограничение на размер Вселенной, которую люди могут видеть, называемую наблюдаемой Вселенной. Ничего за пределами этого радиуса в 46 миллиардов световых лет не видно землянам, и никогда не будет видно, потому что расстояния между объектами во Вселенной становятся больше со скоростью, которая быстрее, чем световые лучи могут добраться до Земли.
Кроме того, темпы роста были неодинаковыми. В течение короткой доли секунды после Большого взрыва был период ускоренного расширения, называемого инфляцией, в течение которого Вселенная росла гораздо более быстрыми темпами, чем она растет сейчас. По этой причине целые регионы космоса никогда не будут наблюдаться с Земли.
Бесконечный космос?
Между тем, остается открытым вопросом, бесконечна ли Вселенная в космосе с самого начала. Или Вселенная может обернуться вокруг себя в более высокое измерение так же, как ДВУМЕРНАЯ поверхность сферы обертывается вокруг себя в трех измерениях.
Дополнительным фактором является то, возникла ли Вселенная из ничего, через небольшие колебания в вакууме, или, как предложили Хокинг и Джеймс Хартл, время и пространство становятся взаимозаменяемыми близко к началу. Если любой вариант из них имел место, то спрашивать, что было до Вселенной и что находится за ее пределами, не имеет смысла.
Мак сказала, что продолжаются попытки решить вопрос о том, похожа ли Вселенная на сферу, изгибающуюся назад на себя, так что, если вы путешествуете в одном направлении, вы в конечном итоге вернетесь к своей отправной точке.
«Мы ищем повторяющиеся пятна на небе»
, — сказала она.
Это то, что люди ищут, когда ищут доказательства того, что Вселенная конечна. … Наше пространство может быть трехмерным пространством, встроенным в четырехмерное пространство.(Вселенная имеет четыре измерения, с которыми взаимодействуют люди, три пространства и одно время, но это будет означать, что существует дополнительное, четвертое пространственное измерение.)
Если бы астрономы нашли два места на противоположных сторонах неба, которые были точно такими же, это было бы сильным признаком того, что Вселенная изогнута таким образом. Однако нет никаких гарантий этого. В то время как некоторые космологические теории, такие как теория струн, позиционируют более высокие измерения, большинство из них будут «свернутыми» и малыми, тогда как «дополнительное» пространственное измерение изогнутой Вселенной должно быть большим.
Все это означает, что если есть конец Вселенной, люди вполне могут никогда не увидеть его, и есть реальная возможность того, что Вселенная сформирована так, что у нее не может быть границы для начала.
