Иногда самый странный вопрос в космологии звучит так: если Вселенная конечна, то где у нее край? И если края нет - как она может быть конечной?
На первый взгляд это кажется логическим противоречием. Но современная космология вполне допускает такую возможность. Более того, некоторые модели Вселенной как раз описывают пространство именно так - конечным, но без границы.
Давайте разберемся, что это означает на самом деле.
Проблема "края Вселенной"
Когда люди слышат слово "конечная", они автоматически представляют что-то вроде коробки. Есть стенки, за которыми уже ничего нет.
Но у пространства может быть другая геометрия. И именно геометрия пространства - ключ к пониманию этой загадки.
Самый простой пример, который используют космологи - поверхность Земли.
Если вы идете по планете строго в одном направлении, например на запад, вы можете идти бесконечно долго. Но в итоге вы вернетесь в ту же точку, откуда начали.
При этом никакого края у поверхности Земли нет.
Однако площадь поверхности Земли конечна.
Это и есть главный принцип: пространство может быть ограниченным по объему, но не иметь границы.
Двумерный пример
Чтобы понять идею, физики часто упрощают задачу.
Представим существо, которое живет на поверхности шара и может двигаться только по этой поверхности. Оно не знает, что существует третье измерение.
Для него мир - это двумерное пространство.
Если такое существо начнет искать край мира, оно никогда его не найдет. Оно будет просто возвращаться туда, откуда начало.
Но при этом его мир имеет конечную площадь.
То же самое может происходить и с нашей Вселенной - только уже в трех измерениях.
Геометрия пространства
Современная космология рассматривает несколько вариантов формы Вселенной.
Самая известная модель - это пространство с положительной кривизной. Оно напоминает трехмерный аналог поверхности шара.
В такой Вселенной:
- объем пространства конечен
- края не существует
- если двигаться достаточно долго в одном направлении, можно теоретически вернуться в исходную точку
Эта идея появилась еще в начале XX века после появления общей теории относительности.
Именно она показала, что пространство может быть искривленным.
Что говорит теория относительности
В 1915 году Альберт Эйнштейн опубликовал общую теорию относительности. Она описывает гравитацию не как силу, а как искривление пространства-времени.
Масса и энергия изменяют геометрию пространства.
Это означает, что само пространство может быть:
- плоским
- положительно искривленным
- отрицательно искривленным
В зависимости от этого Вселенная может быть:
- бесконечной
- конечной без границы
- бесконечной с гиперболической геометрией
Математически все эти варианты возможны.
Что показывают наблюдения
Самый важный источник данных о геометрии Вселенной - реликтовое излучение.
Это древний свет, который появился примерно через 380 тысяч лет после Большого взрыва.
Спутники:
- COBE
- WMAP
- Planck
измеряли его структуру с огромной точностью.
Результаты показали, что Вселенная очень близка к геометрически плоской.
Но есть важный нюанс.
Измерения имеют погрешность. Поэтому небольшая положительная кривизна - а значит и конечная Вселенная - полностью не исключается.
Можно ли увидеть "повторяющуюся Вселенную"
Если космос действительно конечный и замкнутый, теоретически должны появляться необычные эффекты.
Например, свет может обойти Вселенную и вернуться к нам с другой стороны.
Это означает, что мы могли бы увидеть одну и ту же галактику в разных направлениях неба.
А в экстремальном случае можно было бы даже увидеть очень древнее изображение собственной галактики.
Пока таких наблюдений обнаружить не удалось.
Но проблема в том, что Вселенная расширяется. И многие области просто никогда не успеют вернуться в поле нашего зрения.
Еще более странные формы
Сфера - далеко не единственный вариант.
Математика допускает гораздо более экзотические топологии пространства.
Например:
- трехмерный тор
- многосвязные пространства
- модели с "обернутыми" координатами
В некоторых из них космос тоже конечный и без границ.
Но при этом его форма может быть намного сложнее, чем обычный шар.
Ограничение наблюдаемой Вселенной
Есть еще одна важная вещь.
Мы видим только наблюдаемую Вселенную - область радиусом примерно 46 миллиардов световых лет.
Это связано с конечной скоростью света и возрастом космоса.
Но за пределами этой области может существовать огромное пространство, которое мы никогда не сможем увидеть.
Поэтому даже если Вселенная конечна, ее настоящий размер может быть намного больше наблюдаемой части.
Возможно - в сотни или тысячи раз.
Главный вывод
Идея конечной Вселенной без границы кажется парадоксальной только из-за привычного нам опыта.
Мы живем в мире, где все объекты имеют края.
Но геометрия пространства может вести себя иначе.
Современная физика допускает, что космос может быть похож на трехмерную поверхность шара - конечный по объему, но без какой-либо стены или края.
Пока наблюдения показывают, что Вселенная почти идеально плоская.
Но окончательного ответа у науки пока нет.
И возможно, самый честный вывод сегодня звучит так:
мы все еще не знаем, насколько велик космос и имеет ли он вообще предел.