Когда мы говорим о космосе, почти всегда представляем бесконечность. Бесконечное пространство, бесконечное число галактик, бесконечную пустоту. Но в современной космологии есть неожиданная идея: Вселенная вовсе не обязана быть бесконечной. Более того - она вполне может быть конечной и при этом не иметь границ.
Звучит как парадокс. Но физикам такие парадоксы давно знакомы.
Попробуем разобраться, может ли космос быть замкнутым и что это вообще значит.
Что значит "замкнутая Вселенная"
Когда ученые говорят о замкнутом космосе, они имеют в виду не стену где-то на краю пространства. Речь идет о геометрии пространства.
Проще всего объяснить это на примере поверхности Земли.
Если человек пойдет строго прямо и будет двигаться достаточно долго, он в итоге вернется в точку, откуда начал путь. При этом он ни разу не встретит край поверхности.
Потому что поверхность планеты - замкнутая.
Точно так же может вести себя и трехмерное пространство Вселенной. Оно может быть конечным по объему, но без границы. Если двигаться в одном направлении миллиарды лет, теоретически можно вернуться обратно.
Такая модель называется замкнутой геометрией пространства.
Откуда вообще появилась эта идея
Впервые серьезно рассматривать форму Вселенной начали после появления общей теории относительности Эйнштейна в 1915 году.
Эта теория показала неожиданную вещь: гравитация - это не сила в привычном смысле. Масса и энергия искривляют пространство и время.
Чем больше материи во Вселенной, тем сильнее искривляется пространство.
В зависимости от плотности материи возможны три варианта геометрии:
- Открытая Вселенная - пространство бесконечно и имеет отрицательную кривизну
- Плоская Вселенная - геометрия почти евклидова
- Замкнутая Вселенная - пространство искривлено подобно сфере
В последнем случае объем Вселенной конечен.
Что говорят наблюдения
Космологи могут проверять форму Вселенной с помощью наблюдений реликтового излучения - древнего света, который появился примерно через 380 тысяч лет после Большого взрыва.
Это излучение сегодня измеряют космические аппараты, например спутники WMAP и Planck.
Они изучают мельчайшие колебания температуры этого древнего излучения. По их структуре можно определить геометрию пространства.
Результат оказался неожиданным.
Все современные измерения показывают, что Вселенная очень близка к плоской. Настолько близка, что возможная кривизна практически неотличима от нуля.
Но важно понимать одну деталь.
"Почти плоская" не означает обязательно бесконечная. Даже слегка искривленное пространство может выглядеть плоским на наблюдаемом масштабе.
Поэтому полностью исключить замкнутую модель пока невозможно.
Если Вселенная замкнута, можно ли облететь ее
Теоретически - да. Практически - почти наверняка нет.
Есть две причины.
Первая - скорость света. Она является максимальной скоростью во Вселенной. Даже если лететь со скоростью света, путь вокруг космоса может занять триллионы лет.
Вторая причина гораздо интереснее.
Вселенная расширяется. Причем расширение ускоряется из-за темной энергии.
Это значит, что расстояния между галактиками постоянно увеличиваются. Пространство растягивается быстрее, чем можно его пересечь.
Поэтому даже если космос замкнут, облететь его может быть физически невозможно.
Есть ли признаки замкнутой Вселенной
Если пространство действительно замкнутое и достаточно маленькое, у него должны быть любопытные эффекты.
Например, свет от далекой галактики может обогнуть Вселенную и прийти к нам с другой стороны. В теории мы могли бы увидеть одну и ту же галактику в разных направлениях неба.
Пока таких наблюдений не найдено.
Но это не означает, что эффект невозможен. Просто радиус Вселенной может быть настолько огромным, что мы видим лишь маленький участок.
По сути - космический горизонт.
А может ли Вселенная быть похожа на видеоигру
Некоторые модели допускают еще более странные варианты.
Например, пространство может быть не просто сферическим, а иметь топологию тора - что-то вроде трехмерного бублика.
В таком космосе можно лететь вперед и внезапно "появиться" с противоположной стороны пространства.
Это звучит фантастически, но такие модели действительно рассматриваются в математической космологии.
Пока, правда, наблюдения не нашли убедительных подтверждений такой структуры.
Самый честный ответ науки
Сегодня космология может сказать следующее.
- Вселенная почти плоская
- Ее реальный размер может быть намного больше наблюдаемой части
- Полностью исключить замкнутую геометрию пока невозможно
То есть у космоса может быть конечный объем - просто настолько гигантский, что мы никогда не увидим его целиком.
И в этом есть удивительная мысль.
Мы живем внутри пространства, форму которого человечество все еще пытается понять. Возможно, Вселенная бесконечна. А возможно - она огромный замкнутый космический "шар", внутри которого разворачивается вся история галактик.
И если это так, то где-то далеко луч света, отправленный миллиарды лет назад, может однажды вернуться обратно.