Что, если у Вселенной нет конца?
13,8 миллиарда лет назад в горячем Большом Взрыве родилась наша Вселенная. С тех пор она расширялась и остывала, вплоть до сегодняшнего дня. С нашей точки зрения мы можем бросить взгляд на 46 миллиардов световых лет во всех направлениях, благодаря скорости света и расширению пространства. И хотя это огромное расстояние, оно не бесконечное. Потому что мы не видим дальше. Что лежит за горизонтом этих 46 миллиардов световых лет и может ли Вселенная быть бесконечной?
Прежде всего стоит отметить, что мы не знаем точно, конечна или бесконечна Вселенная. Но мы точно знаем, что за пределами того, что мы можем наблюдать, есть много всякого, отмечает физик Итан Зигель в своей статье на Medium.com.
Чем дальше объекты, которые мы наблюдаем во Вселенной, тем дальше назад во времени мы уходим, вплоть до тех времен, когда атомов еще не существовало, до самого Большого Взрыва
Заглядывая как можно дальше, мы также движемся назад во времени. Ближайшая галактика, находящаяся в 2,5 миллионах световых лет от нас, предстает перед нами, какой она была 2,5 миллиона лет назад, потому что свету нужно именно столько времени, чтобы добраться до наших глаз оттуда, откуда он был испущен. Многие галактики видятся нам такими, какими они были десятки миллионов, сотни миллионов или даже миллиарды лет назад. Заглядывая как можно дальше в космос, мы видим свет таким, каким он был в юные дни Вселенной. Почему бы тогда нам не заглянуть в самое начало, увидеть, каким все было 13,8 миллиарда лет назад? Мы не только заглянули, но и нашли кое-что: космический микроволновый фон, послесвечение Большого Взрыва.
Оказалось, что в то время Вселенная была почти идеально однородной, но некоторые области были более или менее плотным, чем в среднем, на 1 часть из 30 000. Этого достаточно, чтобы сформировались звезды, галактики, галактические скопления и космические пустоты, которые мы наблюдаем сегодня. Но в тех ранних несовершенствах, которые мы видим из этого космического снимка, содержится невероятно много информации о Вселенной. К примеру, поразительный факт: кривизна пространства, насколько нам известно, абсолютно плоская. Если бы пространство было выгнуто, как если бы мы жили на поверхности четырехмерной сферы, дальние лучи света сливались бы. Если бы пространство было вогнуто, как поверхность четырехмерного седла, дальние лучи расходились бы. Но нет, дальние лучи света движутся в заданном изначально направлении, а флуктуации отражают практически идеальную плоскость.
Величины горячих и холодных пятен, а также их масштабы указывают на кривизну Вселенной. Мы пришли к выводу, что она идеально плоская
Из ограничений, связанных как с космическим микроволновым фоном, так и крупномасштабной структурой Вселенной в совокупности, можно заключить, что если Вселенная конечна и замыкается на себе, она должна быть как минимум в 250 раз больше той части, которую мы наблюдаем. Поскольку мы живем в трех измерениях, 250 умножить на радиус означают (250)3 объема, а это в 15 миллионов раз больше пространства. И все же, каким бы большим это число ни казалось, оно не бесконечно. Нижняя граница Вселенной будет минимум 11 триллионов световых лет во всех направлениях, и это много, но по-прежнему конечно.
И конечно, у нас есть причины полагать, что Вселенная намного больше этого. Большой Взрыв мог обозначить начало наблюдаемой Вселенной, к которой мы привыкли, но он необязательно будет обозначать рождение самого пространства-времени. До Большого Взрыва Вселенная переживала период космической инфляции. Вместо того, чтобы быть заполненной материей и излучением в горячем состоянии, Вселенная была другой:
заполненной энергией, присущей самому пространству;
расширялась с постоянной экспоненциальной скоростью;
создавала новое пространство так быстро, что наименьшую физическую длину, длину Планка, можно было растянуть до размеров наблюдаемой в настоящее время Вселенной всего за 10-32 секунды.
Инфляция приводит к тому, что пространство расширяется экспоненциально, что может очень быстро привести к тому, что любое ранее искривленное пространство окажется плоским.
В нашем регионе Вселенной инфляция завершилась, это правда. Но есть три вопроса, на которые мы не знаем ответа. Они крайне важны для определения того, насколько велика Вселенная на самом деле и бесконечна она или нет.
Насколько большой была область Вселенной после инфляции, в которой родился Большой Взрыв?
Глядя на нашу Вселенную сегодня, на равномерное послесвечение Большого Взрыва, на плоскость Вселенной и на флуктуации, которые растянулись по Вселенной на всех масштабах, мы можем извлечь кое-какую информацию. Мы можем определить верхний предел энергетических масштабов, в которых протекала инфляция; мы можем узнать, сколько Вселенной должно было пройти через инфляцию; мы можем узнать нижний предел того, как долго должна была продолжаться инфляция.
Но карман с инфляционной Вселенной, которая породила нас, может быть намного больше этого нижнего предела! Он может быть в сотни, миллионы или гугол раз больше, чем мы наблюдаем, либо воистину бесконечным. И все же, не имея возможности наблюдать большую часть Вселенной, мы не имеем достаточно информации для принятия решения.
Верна ли идея «вечной инфляции»?
Если предположить, что инфляция должна быть квантовым полем, то в любой заданной точке на этом этапе экспоненциального расширения существует вероятность того, что инфляция закончится, что приведет к Большому Взрыву, и вероятность продолжения инфляции с созданием большего пространства. Наши расчеты приводят нас к неизбежному выводу: для того чтобы инфляция произвела Вселенную, которую мы наблюдаем, она всегда должна создавать больше пространства, в котором инфляция будет продолжаться, по сравнению с областями, в которых инфляция завершилась Большим Взрывом.
Хотя наша наблюдаемая Вселенная могла появиться в результате конца инфляции в нашей области пространства 13,8 миллиарда лет назад, остаются области, в которых инфляция продолжается, создавая все больше и больше пространства, даже сегодня. Эта идея известна как вечная инфляция и в общем принимается сообществом физиков-теоретиков. Но насколько большой тогда должна быть вся ненаблюдаемая Вселенная?
Как долго продолжалась инфляция, пока не закончилась Большим Взрывом?
Мы можем видеть только наблюдаемую Вселенную, порожденную окончанием инфляции и Большим Взрывом. Мы знаем, что инфляция должна была протекать по крайней мере в течение 10-32 секунды или около того, но наверняка она могла протекать и дольше. Но насколько дольше? Секунды? Годы? Миллиарды лет? Вечность? Всегда ли Вселенная была в состоянии инфляции? Было ли у инфляции начало? Появилась ли она из предыдущего состояния, которое было вечным? Или же все пространство и время возникли из ничего определенное время назад? Все может быть, и на все эти варианты нет окончательного и проверяемого ответа.
Насколько нам известно, Вселенная намного больше той части, которую мы наблюдаем. За пределами наблюдаемого нами следует ожидать много больше Вселенной, похожей на нашу, с теми же законами физики, теми же константами, космическими структурами и шансами на появление сложной жизни. Должны быть и другие «пузыри», в которых инфляция завершилась, множество пузырей, заключенных в еще большем пространстве-времени, подвергающемся бесконечной инфляции. И все же, какой бы большой эта Вселенная — или мультивселенная — ни была, она может и не быть бесконечной. Вероятнее всего, Вселенная имеет свой конец, свою протяженность, хоть и умозрительно большую.
Проблема лишь в том, что у нас недостаточно информации, чтобы окончательно ответить на этот вопрос. Мы знаем только, как получить доступ к информации, доступной внутри нашей наблюдаемой Вселенной: в этих 46 миллиардах световых лет во всех направлениях. Ответ на волнующий нас вопрос может быть закодирован в самой Вселенной, но мы просто не можем до него дотянуться. Пока что.