Вероятно, мы никогда не узнаем, что находится за границами наблюдаемой Вселенной, но ткань космоса может подсказать нам, бесконечна наша Вселенная или нет.
Насколько велика Вселенная? Возможно, ответ на этот вопрос могут подсказать формы пространства-времени.
В некотором смысле мы находимся в центре Вселенной - но только потому, что можем лицезреть ее на одинаковом расстоянии во всех направлениях, что, собственно, дает нам наблюдаемую Вселенную идеальной сферической формы. Предельная скорость света в сочетании с неумолимым расширением космоса позволяет нам обозревать Вселенную примерно на 46 миллиардов световых лет во всех направлениях. Но что находится за этим горизонтом? Это тайна, которую мы, возможно, никогда не разгадаем.
Но подсказки все-таки есть. Общим размером Вселенной управляют два конкурирующих эффекта: гравитация и темная энергия. Вся материя обладает массой, что вызывает гравитационные силы, которые тянут объекты друг к другу Однако, к своему удивлению, космологи в начале XX века обнаружили, что далекие галактики, не приближаются, а удаляются от нас. Таинственная сила, вызывающая это странное расширение пространства, была названа темной энергией, и ее природа остается неразгаданной и по сей день.
"До открытия темной энергии и ускорения расширения Вселенная казалась нам проще, - говорит космолог Венди Фридман из Чикагского университета. Без темной энергии Вселенная была бы гораздо меньше, и ее размеры было бы легче предсказать".
Но даже с учетом темной энергии Вселенная может оказаться лишь немного больше наблюдаемой. В марте этого года Жан-Люк Ленерс, из Института гравитационной физики имени Макса Планка в Германии, и Жером Кинтен из Университета Ватерлоо в Канаде представили модель, согласно которой период быстрого расширения сразу после Большого взрыва, называемый инфляцией, мог быть гораздо короче, чем считалось ранее.
В этом случае Вселенная могла бы быть намного меньше, чем показывают многие другие модели. "В принципе, Вселенная может быть именно такого размера, какой мы наблюдаем, но это было бы чертовски странным совпадением", - говорит Квинтин. Скорее всего, она как минимум в несколько раз больше". Теоретически возможно все - от бесконечной до относительно небольшой Вселенной".
Бесконечна ли Вселенная?
В связи с этим возникает естественный вопрос: конечна ли Вселенная и обладает размером или же она бесконечна и тянется вечно? Пытаясь ответить на него, космологи изучают форму пространства-времени. Чтобы понять суть этой идеи, проще всего представить пространство как нечто двухмерное. Есть три варианта: Вселенная может быть а) плоской, как лист бумаги, б) похожей на лист резины, согнутый в форме седла и с) иметь форму шара. Если пространство-время имеет форму шара, оно должно быть конечным, но две другие формы могут быть как конечными, так и бесконечными.
Пока что большинство экспериментов показывают, что кривизна пространства-времени максимально близка к нулю. Это намекает на то, что Вселенная плоская. Но доказательств этому может не появиться еще несколько десятков лет, поскольку для этого необходимо измерить положение и движение далеких галактик с экстремальной точностью, что пока невозможно.
Чтобы определить, является ли космос конечным или нет, потребуются измерения другого рода, изучающие характер связей между различными областями пространства-времени, - а это задача не из легких. "Я не знаю, сможем ли мы когда-нибудь сказать, живем ли мы в конечной или бесконечной Вселенной", - говорит Квинтин.
Изучение размеров, формы и истории Вселенной крайне важно для понимания ее дальнейшей эволюции. Во Вселенной, похожей на шар, космическое расширение может в конце концов замедлиться и обратиться вспять, закончившись "Большим сжатием" - а затем, возможно, еще одним Большим взрывом.
Во Вселенной, похожей на шар, космическое расширение может в конце концов замедлиться и обратиться вспять, закончившись "Большим сжатием" - а затем, возможно, еще одним Большим взрывом. Космос в форме седла будет расширяться вечно, что приведет либо к "большому разрыву" - когда расширение разорвет само пространство-время, - либо к тепловой смерти Вселенной. Последний вариант также наиболее вероятен для плоской Вселенной, в которой все объекты удаляются друг от друга и все становится более "размытым"... до тех пор, пока не останется лишь намек на слабое излучение, которое будет оставаться неизменным в течение вечности.
Размер Вселенной одинаков для моделей с разными масштабами инфляции/нуклеации, при условии, что величина инфляции минимальна. На этом рисунке пространственная часть Вселенной представляет собой круг, а не 3-х мерную сферу. Слева представлена модель с низким масштабом инфляционной энергии, справа - с более высоким. Наблюдаемая часть Вселенной заштрихована синим цветом.
Аннотация к научной статье
Многие космологические модели предполагают или подразумевают, что общий размер Вселенной очень велик, возможно, даже бесконечен. В контексте данного исследования ученые доказывают, что Вселенная может быть относительно небольшой, фактически ненамного превышать наблюдаемые в настоящее время пределы. Частный случай это концепции предлагает модель "без границ" в сочетании с платообразным инфляционным потенциалом. В этой модели противоположные эффекты весового коэффициента волновой функции и критерия допустимости геометрических форм свидетельствуют в пользу теории малых вселенных Маленькая Вселенная https://arxiv.org/pdf/2309.03272