Общая теория относительности, согласно которой само пространство может искривляться, позволяет Вселенной принимать одну из трех форм: плоскую , как лист бумаги, закрытую , как сфера, или открытую , как седло. Эта астрономическая геометрия — нетривиальная вещь — от нее зависит судьба космоса.
Дэвид Спергель, космолог из Принстонского университета, говорит:
«Форма Вселенной говорит нам о ее прошлом и будущем»
Будет ли Вселенная расширяться всегда или в конечном итоге схлопнется, и будет ли она конечна или бесконечна — все это вопросы, которые связаны с ее формой. Окончательная структура Вселенной зависит всего от двух факторов: ее плотности и скорости ее расширения.
Закрытая, открытая или плоская вселенная?
Примерно 68% Вселенной — это темная энергия, а 27% — темная материя. Остальное — обычная материя, которая представлена планетами, звездами и другими телами. Понятие плотности Вселенной отвечает на вопрос, сколько этой материи находится в конкретном объеме пространства.
Если плотность Вселенной достаточно велика, чтобы ее гравитация преодолела силу расширения, тогда Вселенная свернется в шар. Это называется закрытой моделью с положительной кривизной, напоминающей сферу. Ошеломляющее свойство такой модели вселенной — то, что она конечна, но не имеет границ. Межгалактический Фердинанд Магеллан мог бы бесконечно огибать ее, не сталкиваясь с границами.
С другой стороны, если плотность Вселенной недостаточно велика, чтобы остановить расширение, пространство будет искажаться в противоположном направлении. Тогда мы с вами находимся в открытой Вселенной с отрицательной кривизной, по форме напоминающей седло.
Существует также другой сценарий, который, по мнению ученых, является наиболее правдоподобным. Большинство космологических свидетельств указывает на то, что плотность Вселенной является сбалансированной, и что она расширяется во всех направлениях, не изгибаясь в положительную или отрицательную сторону. Другими словами, Вселенная плоская. (Возможно, это станет утешением для всех, кто разочарован сферической формой нашей планеты.)
Квартира в 3D
Как представить себе плоскую Вселенную? Эта плоскостность не является двумерной, с которой мы часто сталкиваемся в повседневной жизни, но вы можете представить ее с помощью нескольких аналогий.
Допустим, вы стоите в углу квадратной комнаты. Пройдите 10 шагов вдоль стены до угла, затем поверните на 90 градусов. Пройдите еще 10 шагов и снова поверните на 90 градусов. Сделайте это еще два раза, и вы вернетесь туда, откуда начали — вы очертили квадрат. Это стандартная евклидова геометрия, которую все мы изучали в школе. Если вы добавите еще одно измерение, вы получите плоскую вселенную.
Но проведение этого эксперимента в пространстве с положительной кривизной (в замкнутой вселенной) приведет к другому результату. На этот раз начните свое теоретическое путешествие с экватора Земли по направлению к Северному полюсу. Затем поверните на 90 градусов и вернитесь к экватору. Повернитесь еще раз на 90 градусов и вернитесь к исходной точке. В примере с плоской вселенной потребовалось четыре хода, чтобы вернуться туда, где вы начали, и только три в примере с закрытой вселенной.
Вот еще один пример: в плоской Вселенной две ракеты, летящие рядом друг с другом, всегда будут двигаться параллельно. А в закрытой вселенной пути этих двух ракет будут расходиться и сходиться, двигаясь в кривизне пространства, и, в конечном итоге, встретиться там, где они были запущены. А в открытой вселенной с отрицательной кривизной ракеты разойдутся и никогда больше не пересекутся.
Плоский, насколько хватает глаз
Ключи к разгадке формы Вселенной заключены в реликтовом излучении — послесвечении Большого взрыва. Несколько групп ученых независимо друг от друга проводили эксперименты, которые могли бы указать нам истинную форму Вселенной. Но были получены результаты, противоречащие друг другу. На данный момент научное сообщество склоняется к плоскости Вселенной, но остаются группы научных деятелей, которые упорно делают ставку на кривизну в пространстве. Если она будет доказана, это опровергнет десятилетия астрономических открытий.
Так что, по крайней мере, на данный момент, Вселенная кажется трехмерным листом бумаги. Но так это выглядит с точки зрения наблюдателя с Земли. Наши знания по определению ограничены наблюдаемой Вселенной, поэтому мы можем что-то упускать.
Однако если Вселенная изогнута, она должна быть настолько колоссальной, что все 93 миллиарда световых лет, которые мы видим, не являются достаточно большой частью, чтобы выявить кривизну. Можно провести аналогию: мы стоим в тумане и не видим дальше небольшого плоского участка земли, но где-то вне поля зрения горизонт доказывает, что мы живем на сфере. Так что на данный момент, когда мы говорим, что Вселенная плоская, мы говорим о том небольшом кусочке Вселенной, который мы можем наблюдать.