Космос, как говорится, велик. В "путеводителе Автостопом по Галактике" (1979) Дуглас Адамс уточняет: "Космос велик. Страшно велик. Вы просто не поверите, насколько умопомрачительно он велик".
Трудно передать в повседневных терминах необъятность космоса, когда большинству из нас трудно даже представить себе размеры Земли, не говоря уже о галактике или огромных пространствах межгалактического пространства. Мы часто говорим в терминах световых лет-расстояние, которое свет может преодолеть за год – - как будто скорость света каким-то образом более интуитивна, чем число, записанное в триллионах километров. Мы даем ориентиры в тех же терминах (свету требуется 1,3 секунды, чтобы пройти между Землей и Луной), но в нашем повседневном опыте свет является мгновенным. С тем же успехом мы могли бы говорить о высоте здания в терминах накопления атомов.
Может быть, если мы чувствуем себя более предприимчивыми, мы используем аналогии, основанные на личном опыте. Расстояние до Луны составляет 32 миллиона школьных автобусов! Если бы вы могли доехать туда на одном из этих школьных автобусов, идущих со скоростью 60 миль в час, это заняло бы у вас 166 дней! Я не уверен, что это поможет.
Хотел бы я сказать, что астрономы лучше понимают все это интуитивно. Мозги на самом деле так не работают. Поэтому мы жульничаем с цифрами. Мы используем более длинные метрики, чтобы говорить о больших пространствах: километрах, световых годах, парсеках, килопарсеках, мегапарсеках, гигапарсеках. Мы привыкли к экспонентам (1000 - 103; 1 триллион-1012) и думаем в логарифмических интервалах, где каждый последующий шаг-это новая степень 10. В какой-то момент расстояние полностью перестает быть простым понятием. Здесь, в Солнечной системе, пространство и время ведут себя более или менее хорошо, но когда вы имеете дело с космосом в целом, вы должны учитывать тот факт, что он отказывается сидеть на месте для своей подгонки.
Пространство расширяется. Это было после Большого Взрыва, и это не прекратится в ближайшее время. Если вы смотрите на далекую-далекую галактику, вы не только должны учитывать, что изображение, на которое вы смотрите, старое, вы должны учитывать тот факт, что оно больше не там, где было, когда вы его видели. Предположим, вы видите вспышку сверхновой в галактике на расстоянии миллиарда световых лет. Сверхновая только что взорвалась, или она взорвалась миллиард лет назад? Вы можете сказать последнее, потому что свет путешествовал к нам в течение миллиарда лет, но поскольку тогда не было никакого способа наблюдать его, что вообще означает утверждение, что он исчез в прошлом? А эта далекая галактика в миллиард световых лет-как далеко она на самом деле? Может быть, миллиард лет назад она была на расстоянии миллиарда световых лет, но Вселенная все это время расширялась, так что теперь она должна быть намного дальше. Какое расстояние мы используем?
Даже время искажается растяжением пространства. Мы можем наблюдать, как светлеет и тускнеет эта взрывающаяся звезда, когда ударная волна разрывает ее, и сказать, что ей потребовалось около 100 дней, чтобы исчезнуть. Но если мы сравним его со сверхновой, находящейся поблизости, то увидим, что далекая звезда занимает на несколько дней больше времени. С нашей точки зрения, он взрывается в замедленной съемке.
Даже с ограничениями определения мы делаем все возможное, чтобы измерить наше пространство и количественно оценить его самые дальние пределы. Мы составили каталог бесчисленных галактик, некоторые из которых настолько далеки, что их свету потребовалось почти все время существования Космоса, чтобы достичь нас. Мы исследовали наши карты космоса в поисках какого-нибудь указания на край или центр, но ничего не нашли. У нас нет оснований полагать, что космос не существует вечно, во всех направлениях, без каких-либо существенных изменений в содержании или структуре. Наша галактика-это одна песчинка в бескрайней необъятной пустыне; уменьшите масштаб достаточно далеко, и все будет выглядеть более или менее одинаково.
Но всему есть предел. Какими бы мощными ни были наши телескопы и как бы долго мы ни смотрели, мы никогда не увидим ничего дальше края космического пузыря, который мы называем нашей "наблюдаемой Вселенной". Это воображаемая сфера, центрированная на нас и определяемая скоростью света и возрастом космоса. Радиус этого пузыря - это расстояние, которое луч света мог бы покрыть, если бы он путешествовал в течение всего века Вселенной.
Если каждый раз, когда мы смотрим в космос, мы смотрим в прошлое, то само собой разумеется, что смотреть достаточно далеко может означать смотреть в то время, когда так далеко в прошлое, это момент, когда Вселенная впервые сформировалась. Вот что определяет наш космический горизонт. Иными словами, все, что находится за нашим космическим горизонтом, настолько далеко, что даже если луч света покинул его в тот самый момент, когда Вселенная возникла, 13,8 миллиарда лет назад, расстояние настолько велико, что луч света еще не успел достичь нас. У нас не было достаточно времени.
У нас есть веские основания полагать, что в этой кажущейся безграничной Вселенной есть галактики за горизонтом, точно так же, когда вы стоите на берегу океана и не видите ничего, кроме воды, у вас есть основания полагать, что там есть земля, в конечном счете, за пределами того, что вы можете видеть. Если вы прыгнете в корабль и уплывете, ваш горизонт будет двигаться вместе с вами, и вы в конце концов увидите эту землю. Точно так же, если бы вы могли взлететь на межзвездном ракетном корабле в другую часть космоса, ваш горизонт все еще был бы сосредоточен на вас, где бы вы ни находились. К сожалению, поскольку мы ограничены законами физики и ограничениями наших способов передвижения, удаляться достаточно далеко от дома, чтобы существенно изменить наше поле зрения, нецелесообразно. Но мы все еще можем делать выводы о том, что может лежать за его пределами. И хотя космический горизонт является такой же субъективной границей, как горизонт на Земле, у него есть одно очень важное отличие.
Когда мы смотрим на край наблюдаемой Вселенной, то видим нечто поистине поразительное. Самый далекий свет также является самым старым; это свет от самого большого взрыва. Ранняя Вселенная, сразу после первых мгновений творения, была горячей и плотной, повсюду гудела вибрирующая плазма; прямо на краю нашего зрения мы смотрим в прошлое так далеко, что буквально видим эту светящуюся плазму. Ад просуществовал около 380 000 лет, прежде чем пространство расширилось и остыло настолько, что свет и частицы могли свободно перемещаться по нему. Когда мы смотрим на край наблюдаемой Вселенной, мы видим последние тлеющие угольки этой горячей плотной фазы. Мы видим космос, который все еще горит.
Расстояние до нашего космического горизонта не составляет, как можно было бы ожидать, 13,8 миллиарда световых лет. Как мы уже говорили выше, расстояния странны в расширяющейся Вселенной. То, что находилось на расстоянии 13,8 миллиарда световых лет, когда его свет начал свое путешествие к нам, теперь находится гораздо дальше. Если учесть все это, то та светящаяся плазма, которую мы видим на самом краю наблюдаемой Вселенной, на самом деле находится сейчас где-то на расстоянии около 45 миллиардов световых лет.
Просто потому, что мы не можем видеть вещи за нашим огненным горизонтом, это не значит, что там ничего нет. Данные, которыми мы располагаем, изучая одинаковость галактик в каждой части космоса, которую мы нанесли на карту, указывают на то, что пространство продолжается далеко за нашим горизонтом, во всех направлениях; пределы нашего видения являются косвенными. Если бы нам довелось жить в галактике, лежащей сразу за нашим нынешним горизонтом, все, что мы знаем о космосе, предполагает, что наш вид оттуда был бы очень похож на вид, который мы имеем отсюда. Конечно, очень отдаленные уголки космоса в принципе могут быть совершенно иными – мы не можем знать наверняка, не имея возможности их видеть. Фактически, регионы, находящиеся достаточно далеко за нашим горизонтом, можно даже считать отдельными, изолированными вселенными, поскольку они не могут взаимодействовать с нашими.
Но что, если Вселенная не просто больше, чем мы воспринимаем, но больше, чем мы даже можем воспринимать? Что, если она простирается во все стороны, а потом и в некоторые?
Наш повседневный опыт говорит нам, что пространство имеет три измерения. Спереди / сзади, слева / справа, вверх / вниз. В физике мы описываем время как четвертое измерение и оборачиваем все это как пространство – время-своего рода изогнутую космическую сетку 4D. Гибкость пространства-времени, основной принцип теории относительности Альберта Эйнштейна, позволяет этой сетке деформироваться и растягиваться в ответ на движение и массу всего в ней. Вот почему пространство может расширяться и искажать течение времени, и почему время движется медленнее, если вы находитесь в быстрой ракете или зависаете рядом с черной дырой.
Однако физики в течение многих лет задавались вопросом, могут ли три измерения пространства, которые мы испытываем, быть только частью картины. Если существует больше пространственных измерений, простирающихся в новых направлениях, которые мы не можем воспринимать, это может помочь объяснить некоторые загадочные аспекты теоретической физики и поведение гравитации. Добавьте дополнительное измерение пространства во Вселенную, и вы обнаружите, что гравитация может "просочиться" в нее, заставляя силу казаться слабее, чем она есть на самом деле, и потенциально объясняя, почему ее сила настолько мала по сравнению с силами, управляющими физикой элементарных частиц.
Что, если дополнительное измерение может скрыть целую вселенную?
Более высокие измерения пространства также необходимы для теории струн, которая постулирует, что то, что мы видим как элементарные частицы, на самом деле является струнами энергии, вибрирующими в нескольких измерениях больше, чем мы можем видеть. В этих теориях дополнительные измерения "компактифицированы" – свернуты сами по себе, - так что если вам удастся найти одно из этих новых направлений и отправиться в путешествие, вы не сможете далеко уйти, прежде чем окажетесь там, откуда начали.
Но что, если дополнительное измерение может скрыть целую вселенную?
Одна гипотеза о структуре нашего космоса, разработанная в начале 2000-х годов, предполагает, что мы могли бы жить в трехмерной "Бране" (подумайте: мембране) на краю большего пространства с четырьмя пространственными измерениями (плюс время). Внутри этого многомерного "объема" может быть еще одна трехмерная Брана, содержащая другую вселенную, которая время от времени может врезаться в нашу собственную. Создатели этой теории назвали ее "экпиротической" моделью космоса, в честь греческого термина для обозначения пожара-кивок на тот факт, что каждое космическое столкновение приведет к огненным условиям Большого Взрыва и может объяснить происхождение и конечную судьбу нашей Вселенной. В этой модели Браны попеременно движутся навстречу друг другу, сталкиваются и затем снова расходятся в бесконечном цикле, переходя от Большого Взрыва к расширению, к большому хрусту и обратно к Большому Взрыву. Структуры, которые мы наблюдаем сегодня в космосе (распределение галактик и скоплений), в этой модели определяются взаимодействием двух Бран в фазе медленного коллапса перед взрывом.
Хотя на первый взгляд может показаться экстравагантным постулировать более высокие измерения и новые вселенные только для того, чтобы объяснить Большой взрыв, есть веские причины, по которым физики принимают эти идеи всерьез. Стандартная картина ранней Вселенной, вероятно, более сложна, чем вам кажется. Когда вы думаете о Большом Взрыве, первое, что приходит на ум, вероятно, это сингулярность – бесконечно малая точка бесконечной плотности, содержащая все пространство и время, которая внезапно взрывается, чтобы создать весь космос. Эта идея стала популярной, потому что уравнения гравитации Эйнштейна могут описать космос, который начинается таким образом (и, возможно, завершается большой сингулярностью хруста в конце), но это не работает с тем, что мы видим в наших наблюдениях. Этот фоновый свет, который мы видим прямо на космическом горизонте, это послесвечение Большого взрыва, говорит нам, что простая эволюция от сингулярности к большой прекрасной вселенной, которой мы наслаждаемся сейчас, просто не имеет смысла.
Проблема в том, что послесвечение Большого Взрыва, то, что мы называем космическим микроволновым фоном, слишком идеально. До абсурдной степени точности (одна часть на 100 000) он выглядит одинаково во всех направлениях. Тот же цвет (или, скорее, частота, поскольку это микроволновый свет), тот же спектр, та же интенсивность. Причина, по которой это проблема, заключается в том, что нет никакой причины, по которой две области на противоположных сторонах неба должны совпадать таким образом. Даже если все началось вместе, обернутое сингулярностью, то, как она расширялась наружу, должно было привести к крайним различиям в различных частях раннего космоса. Регионы, которые сейчас находятся далеко друг от друга на стадии расширяющегося огненного шара космической эволюции, никогда не имели шанса прийти к соглашению о том, какой должна быть температура. Космический микроволновый фон должен быть совершенно иным на одной стороне неба, чем на другой.
Объяснение, на котором физики остановились в 1980-х годах, открыло новую главу в нашей космической истории. Что, если, говорили они, в очень раннем космосе, до стадии горячего огненного шара, был период чрезвычайно быстрого расширения? Возможно, сразу после сингулярности (если предположить, что она была) ранний космос действительно представлял собой беспорядочную мешанину – в одних местах гораздо жарче, а в других прохладнее. Но затем космос расширился так быстро, что одно крошечное пятно, слишком маленькое, чтобы иметь много вариаций, растянулось, пока не стало достаточно большим, чтобы составить всю нашу наблюдаемую Вселенную. Затем физики выдвинули гипотезу, что какой-то странный новый компонент Вселенной вызвал это сверхрастяжение (мы называем его "космической инфляцией"), внезапно распавшееся повсюду на излучение и воспламенившее расширяющийся-огненный шар-космос, видимый в фоновом свете, который мы обнаруживаем сегодня.
Судя по тому, что мы видели до сих пор, инфляция, по-видимому, хорошо работает с нашей нынешней парадигмой и даже прекрасно объясняет небольшие флуктуации размером одна часть на 100 000, наблюдаемые в космическом микроволновом фоновом свете. Но у нас нет того, что можно назвать убедительным доказательством того, что это произошло, и мы не можем сказать, как или почему это началось, или что привело к этому.
И, кстати, даже в парадигме инфляции возможность получить удар от другой вселенной не совсем исключена.
Две пузырьковые вселенные могут в какой-то момент столкнуться, оставляя отпечатки, похожие на синяки, на фоновом свете друг друга
