Что физика говорит о том, чего мы не можем увидеть, пощупать и, возможно, никогда не проверим
Вопрос о том, что находится за пределами Вселенной, задают дети. Взрослые обычно перестают. Физики - не перестают, но быстро упираются в стену, которая сделана не из незнания, а из самой структуры реальности: горизонт видимой Вселенной - это не стена, за которую можно посмотреть сильнее. Это предел, заложенный в скорости света и возрасте космоса. И всё же теорий о том, что там - несколько. Ни одна пока не доказана. Некоторые принципиально недоказуемы.
Сначала о границе: что мы вообще называем «Вселенной»
Когда космологи говорят «наблюдаемая Вселенная», они имеют в виду конкретную вещь: шар радиусом около 46 миллиардов световых лет вокруг нас. Не потому что дальше ничего нет, а потому что свет оттуда просто не успел до нас добраться за 13,8 миллиарда лет существования Вселенной. Пока свет летел, пространство расширялось - и источник давно уже унесло значительно дальше, чем кажется по расстоянию, которое свет прошел.
Горизонт ≠ границаГоризонт наблюдаемой Вселенной - это не физическая стена. За ним, по всей видимости, продолжается то же самое: галактики, газ, темная материя. Просто их свет к нам не пришел. Более того, согласно модели Лямбда-CDM, галактики на краю горизонта удаляются быстрее скорости света - и мы никогда их не увидим, хотя они существуют.
Это важно: «за пределами Вселенной» - разные вопросы в зависимости от того, что понимать под словом «Вселенная». Если наблюдаемую - то за ней, вероятно, еще бесконечно много того же самого. Если всё существующее - тогда вопрос о том, что «снаружи», может быть лишен смысла. Как спросить, что находится севернее Северного полюса.
Вариант первый: просто больше того же
Самый скучный и, возможно, самый правдоподобный ответ: за горизонтом наблюдаемой Вселенной расположено ещё больше пространства с галактиками, звёздами и планетами - бесконечно. Данные реликтового излучения говорят, что крупномасштабная геометрия Вселенной плоская с очень высокой точностью. Плоская бесконечная геометрия не имеет края. Просто идёт.
Неприятная деталь: если Вселенная бесконечна и однородна, то где-то на расстоянии порядка 10 в степени 10²⁹ метров от нас должна находиться точная копия нашего наблюдаемого пузыря - с теми же галактиками в том же расположении. А значит, и копия вас. Это не мистика - это комбинаторика конечного числа квантовых состояний в бесконечном объёме. Физик Макс Тегмарк называет это мультивселенной первого уровня. Большинству людей эта идея неприятна. Математика, тем не менее, с ней согласна.
Форма пространства: может быть, мы уже были «за краем»
Прежде чем искать что-то «снаружи», стоит разобраться с формой. Геометрия говорит, что Вселенная плоская. Но геометрия - это локальное свойство, а топология - глобальное. Плоская Вселенная может быть бесконечной, как лист бумаги. А может быть конечной, но без края - как поверхность бублика (тора). Летя по прямой достаточно долго, вы просто вернулись бы в ту же точку с другой стороны.
Плоская геометрия соответствует некоторым топологиям, которые космологи эвфемистически называют «нетривиальными» - то есть они могут быть довольно умопомрачительными. По математическим причинам существует ровно 18 возможных плоских топологий. Но даже если перебрать самые вероятные из них, «существует бесконечное число вариантов для рассмотрения, поэтому невозможно перебрать их все».
Нил Корниш, Монтанский государственный университет; цитата по Habr.com, 2024
Группа COMPACT (Коллаборация по наблюдениям, моделям и прогнозам аномалий и космической топологии) ищет в данных реликтового излучения характерные «температурные петли» - следы, которые должны остаться, если мы живём в конечной замкнутой Вселенной и свет успел обойти её по кругу. Пока ничего не нашли. Но это не значит, что петель нет - они могут быть слабее порога чувствительности.
Вечная инфляция: Вселенная как один пузырь среди бесчисленных
В 1979 году Алан Гут предложил инфляционную космологию. Идея: в первые доли секунды после Большого взрыва Вселенная расширялась с чудовищным ускорением - «раздулась» на десятки порядков величины практически мгновенно. Это объясняет, почему реликтовое излучение однородно по всему небу, хотя разные его участки, казалось бы, никогда не были в причинно-следственном контакте.
Но у модели есть следствие, которое Гут не особо планировал. Андрей Линде из Стэнфорда развил идею в теорию вечной инфляции: инфляционное поле не затихает одновременно везде - в разных точках пространства оно «разряжается» в разное время. Каждый раз, когда это происходит, рождается пузырь - новая вселенная с собственными физическими параметрами. Пузырей - бесчисленное количество. Наш - один из них.
Наш мир, который издавна привыкли считать единственной вселенной, является одним из множества таких областей, парящих в неизмеримо большом пространстве. В каждом таком пузыре скалярное поле разряжается по-своему, создавая вариации в значениях фундаментальных констант. Разная энергия поля Хиггса даёт разные массы частиц, разная космологическая константа - разную скорость расширения.
Habr.com, обзор инфляционной мультивселенной, 2021–2025
У этой картины есть серьёзный оппонент - Пол Стейнхардт, один из авторов теории новой инфляции, впоследствии от неё отказавшийся. Его аргумент: инфляционные модели настолько гибкие, что могут предсказать почти любой наблюдаемый результат. Теория, способная объяснить всё, на самом деле не объясняет ничего - в строгом научном смысле она не фальсифицируема. Роджер Пенроуз формулирует это резче: инфляция «заметает сор под ковёр», не объясняя, почему начальные условия были именно такими.
Теория струн и браны: наша Вселенная - мембрана
В рамках теории суперструн и M-теории наша трёхмерная Вселенная может быть «браной» - трёхмерной мембраной, погружённой в пространство высших измерений. Представьте лист бумаги (двумерная брана), парящий в трёхмерном воздухе. Мы, живущие на листе, не можем видеть «воздух» вокруг - за исключением гравитации, которая, по некоторым моделям, может «утекать» в дополнительные измерения.
Если это верно, «снаружи» нашей браны может быть объёмное пространство более высокой размерности - объёмное объемлющее пространство, называемое «bulk». В нём могут парить другие браны - другие вселенные. Они не наблюдаемы напрямую. Теоретически, они могут изредка «сталкиваться» с нашей бранной - и такое столкновение могло бы породить Большой взрыв. Это сценарий «экпиротической» вселенной Стейнхардта и Турока.
Доказательств нет. Прямых предсказаний, которые можно проверить сейчас, тоже немного. Это честно признают сами авторы теории.
Циклическая вселенная Пенроуза: Большой взрыв - не начало
Роджер Пенроуз предложил другое. В его конформной циклической космологии (CCC) вопрос «что было до Большого взрыва» имеет ответ: предыдущий эон. Вселенная проходит через бесконечные циклы: каждый эон начинается с горячего плотного состояния (Большого взрыва) и заканчивается бесконечно расширяющейся пустыней, где чёрные дыры испарились, а тяжёлые частицы распались - и единственное, что осталось, это фотоны без массы, для которых время не существует.
В этот момент Вселенная конформно совместима со следующим Большим взрывом. Горячее и плотное снова равнозначно холодному и разреженному - в математике конформных преобразований масштаб несущественен, важны только углы. Один эон перетекает в другой.
В конформной циклической космологии Вселенная проходит через бесконечные циклы - эоны. В каждом предшествующем цикле время в будущем стремится к бесконечности, что математически оказывается сингулярностью Большого взрыва для следующего. Массы всех частиц при этом неуклонно уменьшаются до нуля.
Пенроуз и его коллеги ищут следы предыдущих эонов в реликтовом излучении - концентрические круги слабых температурных аномалий, которые могли бы остаться от слияний сверхмассивных чёрных дыр в прошлом эоне. Некоторые команды заявляли, что нашли такие паттерны. Другие команды анализировали те же данные и не нашли ничего статистически значимого. Вопрос открыт.
«До» Большого взрыва: почему этот вопрос труднее, чем кажется
В стандартной космологии время - такая же часть Вселенной, как пространство. Это не контейнер, в котором Вселенная разворачивается, а её собственная характеристика. Если Вселенная возникла в Большом взрыве, то время возникло вместе с ней. Спрашивать, что было «до» - всё равно что спрашивать, что находится южнее Южного полюса.
Это не отговорка. Это следствие общей теории относительности. В квантовой космологии - например, в модели Хартла и Хокинга «нет границы» - Вселенная описывается волновой функцией, которая не требует начального момента. Время «появляется» из квантовой геометрии при определённых условиях, как температура появляется из статистики молекул - её нет у отдельной молекулы, но она есть у ансамбля. Что именно это значит физически - предмет споров.
Что из этого можно проверить
Честный ответ: немного. Большинство этих теорий живёт на границе физики и метафизики - не потому что физики стали беспечны, а потому что горизонт наблюдений реален. За наблюдаемую Вселенную не залезть никаким телескопом - там нет фотонов, которые к нам шли бы.
Косвенные следы, однако, возможны. Столкновение пузырей в инфляционном сценарии могло оставить характерный след на реликтовом излучении - круговую «синяк» с особым профилем температур. Пенроузовские концентрические круги - тоже проверяемый прогноз, хотя статистика пока не сошлась. Гравитационные волны первичного происхождения, которые ищет LISA, могут рассказать об инфляционной эпохе то, о чём электромагнитное излучение умалчивает.
Принципиально непроверяемые версии - например, другие пузыри, с которыми мы никогда не столкнёмся, или браны, не оставляющие никаких сигналов - часть физиков вовсе не считает физикой. Карл Поппер сказал бы, что это не наука. Другие возражают: математическая структура может быть реальной, даже если её нельзя пронаблюдать напрямую - как кварки внутри протона, которые тоже не «видны» изолированно.
Можно ли вообще ответить на этот вопрос
Это один из тех редких случаев, когда наука честно говорит: не знаем, и возможно - принципиально не узнаем. Горизонт наблюдаемой Вселенной - физический предел, не технологический. Никакой будущий телескоп его не сдвинет, потому что дело не в разрешении, а в скорости света и возрасте космоса.
Но это не значит, что вопрос бессмысленен. Математика работает дальше, чем взгляд. Именно поэтому физики продолжают строить модели - и продолжают их проверять в той части, которая всё-таки оставляет следы. Иногда след находится. Иногда нет. Это и есть наука.
Что там за горизонтом - пустота, другие пузыри, предыдущие эоны, браны, бесконечное повторение или нечто, для чего у нас пока нет концепций - неизвестно. Честнее этого ответа пока не придумали.