Масштабы космоса
Наша планета —крошечное окно, выходящее на космическое море. Можем ли мы заглянуть за границы нашего восприятия?
Космос огромен. Дуглас Адамс подчеркнул это в своей книге «Автостопом по Галактике» (1979): « Вы можете подумать, что это до вашей аптеки путь далёкий, но, на самом деле, это как арахис в космосе ”. Сложно выразить обычными словами масштабы Вселенной, когда большинство из нас затрудняется даже вообразить себе размеры Земли, не говоря уже о галактиках и пространстве между ними. Мы часто используем световые года как меру расстояния, как будто это более интуитивно, чем миллионы и триллионы километров. Мы создаём ориентиры на основе движения света (ему необходимо 1,3 секунды, чтобы преодолеть расстояние между Землёй и Луной), но в нашей повседневной жизни свет почти мгновенен. Это всё равно, что оценивать высоту здания количеством атомов в нём.
Возможно, если бы мы были более смелыми, то измеряли бы космические расстояния единицами, основанными на нашей повседневной жизни. Например, расстояние от Земли до Луны равно 32 миллионам автобусам. Если бы вы могли поехать на Луну на одном из таких автобусов и двигались со скоростью 100 км/ч, то достигли бы её за 166 дней. Такая оценка расстояния явно не облегчит нам ситуацию.
Было бы замечательно, если бы астрономы имели более интуитивную единицу измерения расстояния. Но её нет, наш мозг не может её найти. Так что нам остаётся лишь играться с числами. Так мы начали использовать более крупные эталоны для измерения межзвёздных и межгалактических расстояний: парсеки, килопарсеки, мегапарсеки, гигапарсеки и т.п. Также мы работаем с экспонентами и логарифмической шкалой. Но в какой-то момент расстояние перестаёт быть простым понятием. В масштабах Солнечной системы с ним всё довольно хорошо, но когда речь заходит о размерах Вселенной, оно начинает вести себя непредсказуемо.
Вселенная расширяется. Это продолжается с самого Большого взрыва и не закончится в ближайшее время. Если посмотреть на очень далёкую галактику, необходимо понимать две вещи: изображение галактики, которое мы наблюдаем в телескопе, очень старое, и эта самая галактика уже не в том месте, где мы её видим. Представим, что мы наблюдаем взрыв сверхновой звезды в галактике, которая расположена на расстоянии в миллиард световых лет от нас. Поднимается вопрос: взорвалась ли эта звезда только сейчас или она сделала это миллиард лет назад? Вы скажете, что второе — правда, ведь свет летел к нам миллиард лет, и мы просто не могли его засечь раньше. Но тогда что утверждение, что вспышка сверхновой звезды произошла миллиард лет назад, вообще означает? И вообще, миллиард световых лет — насколько это далеко? Возможно, миллиард лет тому назад это расстояние и было миллиард световых лет, но Вселенная непрерывно расширяется, так что сейчас эта сверхновая ещё дальше от нас. На каком же именно расстоянии она находится? Даже время искривляется вместе с пространством. Мы можем наблюдать увеличение и уменьшение яркости взрывающейся звезды по мере того, как ударная волна разрывает её изнутри, и сказать, что потребовалось около 100 дней, чтобы звезда наконец исчезла из виду. Но если мы сравним её с вспышкой сверхновой, которая расположена ближе к нам, то обнаружим, что последней было необходимо меньше времени. С нашей точки зрения, далёкая сверхновая взрывалась в замедленном режиме.
Даже с такими ограниченными эталонами расстояния мы стараемся измерить Вселенную и определить её границы. Мы собрали каталог из бесчисленного количества галактик, некоторые из которых настолько далеки от нас, что их свет от них двигался к нам столько, сколько живёт сам космос. Мы искали на составленных нами картах ночного неба что-нибудь похоже на край Вселенной или её центр, но не нашли ничего. Есть все основания полагать, что космос бесконечен в каждом направлении, не меняясь в структуре или содержимом. Млечный путь — частичка песка в огромной пустыне; посмотрите на неё с расстояния и всё будет выглядеть одинаковым, куда ни взглянешь.
Но всему есть предел. Неважно, насколько мощные у нас телескопы, или насколько долго мы смотрим в небо, мы никогда не увидим дальше края так называемой «обозримой Вселенной» — воображаемой сферы с центром на Земле, которая определяется скоростью света и возрастом космоса. Радиус этой сферы — дистанция, которую преодолел свет за время жизни нашей Вселенной.
Каждый раз, когда мы смотрим в ночное небо, мы отправляемся в прошлое. Это означает, что заглянув очень далеко, мы сможем увидеть момент Большого взрыва. Это и определит горизонт нашей обозримой Вселенной. С другой стороны, всё, что находится дальше него, настолько далеко от нас, что даже старый свет, который путешествует с самого зарождения космоса, ещё не успел покрыть это невообразимо большое расстояние.
Если мы посмотрим на край обозримой Вселенной, мы увидим космос, покрытый огнём.
У нас есть основания полагать, что за горизонтом обозримого космоса также существуют галактики. Также, как если бы мы стояли на острове и смотрели на горизонт, полагая что за ним есть другие такие же острова. Если мы запрыгнем на корабль и поплывём туда, наш горизонт будет следовать за нами, и в конце концов покажется суша. Таким же образом, если мы отправимся на межзвёздном корабле в другую часть Вселенной, горизонт также последует за нами. К сожалению, мы ограничены законами физики и нашими технологиями передвижения в космическом пространстве, так что отправка наблюдателя настолько далеко, чтобы результат был существенным, мягко говоря непрактична. Однако мы всё равно можем делать предположения, что может быть за горизонтом обозримого космоса. И несмотря на то, что космический горизонт — субъективное понятие, как и горизонт на Земле, он имеет одно важное отличие.
Когда мы наблюдаем край обозримого космоса, перед нами предстаёт потрясающая картина — свет Большого Взрыва. Ранняя Вселенная на самых первых этапах своего формирования была горячей и плотной во всех направлениях, она буквально гудела от вибраций плазмы. Наблюдая горизонт обозримого космоса, мы заглядываем так далеко в прошлое, что видим эту саму плазму. Таким ужасно горящим местом Вселенная была первые 380 тысяч лет своей жизни, после чего она расширилась настолько, что сумела охладиться до температур, при которых свет мог свободно перемещаться по пространству, не поглощаясь частицами. Когда мы смотрим на край обозримого космоса, то наблюдаем последние тлеющие угольки той страшной эпохи. Мы видим Вселенную, покрытую огнём.
Радиус обозримой Вселенной вовсе не 13,8 миллиардов световых лет, как можно подумать. Как говорилось ранее, расстояние ведёт себя непредсказуемо в масштабах расширяющегося пространства. То, что было в 13,8 миллиардах световых лет от нас, когда его свет начал свой путь к Земле, находится сейчас ещё дальше. Приняв это во внимание, можно утверждать, что та горящая плазма, которую мы наблюдаем на краю обозримого космоса, на самом деле располагается на расстоянии 45 миллиардов световых лет от нас.
То, что мы не можем увидеть, что лежит за горизонтом наблюдаемой Вселенной, не означает, что за ним действительно ничего нет. У нас есть доказательства, основанные на наблюдениях галактик в разных уголках космоса, схожих с нашей, что за краем нашего космического взора есть те же галактики, звёзды и планеты. Если бы мы жили за пределами этого горизонта, то ночное небо было бы очень похожим на то, что мы видим с Земли. Конечно, мы не можем сказать такое об очень далёких уголках Вселенной, потому что мы их просто не видим, они настолько далеко расположены от края нашего обозримого космоса, что по сути могут считаться отдельными изолированными от нас Вселенными, потому что не могут с нами взаимодействовать.
А что если космос настолько огромен, что мы даже не можем себе вообразить его колоссальные масштабы?
Всем известно, что мы живём в трёхмерном пространстве, но физики добавляют к нему время как дополнительное четвёртое измерение и образуют четырёхмерное пространство-время. В рамках Общей теории относительности Альберта Эйнштейна, пластичность пространства-времени позволяет ему деформироваться и растягиваться под действием движения тел, имеющих массу и энергию. В этом и кроется причина искажения времени и феномена его замедления в случае, когда наблюдатель движется с большой скоростью по космосу или находится на орбите вокруг чёрной дыры.
Вот уже несколько лет физики предполагают, что три пространственных измерения, которые формируют космос таким, каким мы его знаем, — лишь часть общей картины мира. Если бы таких измерений было больше, они расширялись в направлениях, которых мы даже не можем себе вообразить, это помогло бы объяснить некоторые запутанные аспекты теоретической физики, например, поведение гравитации. Добавив дополнительные измерения в нашу Вселенную, мы обнаружим, что гравитация может «вытекать» из неё, вследствие чего гравитационные силы будут ослабевать. Вполне возможно, выяснится, почему гравитационное взаимодействие так энергетически ничтожно в сравнении с ядерными силами.
Могут ли дополнительные пространственные измерения таить в себе целые Вселенные?
Большое количество измерений — главное требование Теории струн, которая постулирует, что элементарные частицы — это на самом деле одномерные «струны» энергии, которые вибрируют различными способами в большом количестве измерений. Согласно данной теории, дополнительные измерения замкнуты в самих себя на таких малых расстояниях, что не могут быть обнаружены экспериментально. Если же найдётся такой способ их обнаружения, и мы попробуем отправиться в путешествие в гиперпространство, наш путь будет недолгий, и мы вернёмся туда, откуда начали.
Гипотеза, выдвинутая в начале 2000 годов, предполагает, что мы живём на трёхмерной бране (подумайте: мембране), которая располагается в четырёхмерном пространстве, не считая время. Вместе с нашей браной в этом гиперпространственном объёме могут находиться другие трёхмерные соседи, что позволяет им время от времени сталкиваться друг с другом. В рамках этой так называемой Экпиротической модели космоса столкновение таких трёхмерных бран может привести к состоянию Большого Взрыва и рождению новой Вселенной. Авторы модели предполагают, что в таком четырёхмерном объёме пространства браны беспрерывно двигаются друг к другу, сталкиваются и расходятся в разные стороны. Тем самым они переживают Большой Взрыв, расширение, Большое сжатие и снова Большой взрыв. Структура нашей Вселенной (распределение галактик и их скоплений), которую мы видим сегодня, согласно гипотезе, получилась вследствие взаимодействия двух таких трёхмерных бран.
Хоть попытка объяснить Большой Взрыв существованием гиперпространства и мембран выглядит на первый взгляд весьма экстравагантной, у учёных есть веская причина принимать её всерьёз. Картина ранней Вселенной на самом деле куда сложнее, чем может показаться. Когда мы слышим слова «Большой Взрыв», на ум сразу приходит слово «сингулярность» — бесконечно малая и бесконечно плотная точка пространства. Она содержит в себе энергию, достаточную для создания целого космоса. Идея сингулярности стала популярной благодаря уравнениям Эйнштейна, которые сумели описать рождение Вселенной из такой маленькой точки и её смерть вследствие Большого сжатия. Но, как ни странно, эта теория не объясняет того, что мы видим при наблюдении остатков горячей плазмы на горизонте обозримого космоса. Напротив, картина, предстающая перед нами, говорит, что простая эволюция от сингулярности к большой и удивительно красивой Вселенной, которую мы знаем, не могла существовать.
Проблема в том, что остаточный фон горящей плазмы, наблюдаемый на краю нашего космического взора, также называемый фоновым реликтовым излучением, одинаков во всех направлениях (флуктуации обнаруживаются только с абсурдной точностью 1 к 100000.) Одна частота, один спектр, одна интенсивность. Не выявлено никаких причин, почему у двух регионов на противоположных участках неба должны совпадать все характеристики. Даже если всё действительно было вместе сжато в сингулярности, чтобы образовать все эти отдельные галактики, звёзды и планеты, необходимо, чтобы разные участки ранней Вселенной имели разные характеристики. Области, которые удалены друг от друга на максимально возможное расстояние, которое может себе позволить наблюдаемая Вселенная, никак не могли повлиять друг на друга и иметь одинаковую температуру. Фоновое реликтовое излучение должно различаться в каждом отдельно взятом участке.
Чтобы разрешить данную проблему, физики в 1980-х годах внесли дополнение к имеющейся гипотезе сингулярности, что впоследствии открыло новую главу нашей космической истории. Они предположили, что в самые первые моменты жизни Вселенной она пережила экстремально быстрое расширение. Вполне возможно, что сразу после выхода из сингулярности космос был неоднородной субстанцией: в каких-то участках он был горячее, чем в других. Но затем пространство расширилось так быстро, что одна маленькая деталь, которая почти ни на что не влияла, расширилась настолько, что стала играть решающую роль в дальнейшей эволюции Вселенной. В конце концов, теоретики предположили, что та сила, вызвавшая так называемую Инфляцию, внезапно перешла в излучение и зажгла горизонт нашего обозримого космоса.
На сегодняшний день инфляция объясняет многое, что мы наблюдаем на ночном небе, в том числе очень маленькие флуктуации фонового реликтового излучения. Но пока мы не можем с точностью сказать, что инфляция действительно была, а если и была, то чем была вызвана и как она проходила.
В рамках идеи инфляции не исключена вероятность роли столкновения нашей Вселенной с другой в гиперпространственном объёме.
Две сталкивающиеся Вселенные могут оставить шрамы на фоновом реликтовом излучении друг друга.
Если инфляция действительно проходила, то, в рамках Хаотической теории инфляции, цепочка событий, которая привела к формированию наблюдаемой нами Вселенной, могла проходить снова и снова в разных участках гиперпространственного объёма. Другими словами, само гиперпространство тоже расширяется, но иногда в каком-то участке расширение останавливается; он нагревается настолько, что начинает расти самостоятельно и противостоять общей инфляции. Так создаётся Мультивселенная, состоящая из таких пузырьковых вселенных, расширяющихся самостоятельно. Почти каждая вселенная в этом гиперпространстве будет изолирована от других, так как само гиперпространство тоже расширяется.
Однако некоторые вселенные могут оказаться очень близко друг к другу. В таком случае они, продолжая расширяться, в конце концов соприкоснутся и оставят пузырчатый след на микроволновом фоновом излучении друг друга.
Астрономы по всему миру ищут эти следы, но пока безрезультатно. В это время те, кто не признаёт инфляционную модель Вселенной, могут предложить мировому научному сообществу альтернативные модели.
Экпиротическая модель пережила много изменений. Её нынешняя версия не содержит гиперпространства и грандиозных столкновений. В какой-то степени она похожа на инфляционную теорию: вселенные рождаются не от движения бран, а от эволюции скалярного поля, некоторые разновидности заполняющего пространство энергетического поля похожи на то, что, по мнению большинства физиков, вызвало инфляцию ранней Вселенной (некоторые новые модели инфляционной теории включают существование бран, что делает всё намного интереснее).
Несмотря на то, что грандиозные гиперпространственные столкновения утратили свою необходимость, экпиротическая модель по-прежнему включает в себя переход коллапсирующей Вселенной в зарождающуюся посредством Большого Взрыва. Но в новой версии модели коллапс может быть относительно скромным и неполным, что приводит к небольшому сжатию, а затем к большому выбросу энергии, который запускает новый цикл. Если он бесконечен, то вместо маленьких пузырьковых Вселенных мы имеем одну большую и постоянно развивающуюся Вселенную: она расширяется, коллапсирует, затем снова расширяется и т. д.
Горизонт обозримой Вселенной накладывает жёсткое ограничение на наши наблюдения. И если наше понимание структуры реальности радикально не изменится, мы можем быть уверены, что никогда этого не увидим. Расширение Вселенной ускоряется: всё, что лежит за горизонтом нашего космического взора, уносится от нас всё быстрее и быстрее, и его свет никогда нас не достигнет. Хоть мы никогда не сможем сказать точно, что же нас там ждёт, наши теории говорят об одном: наша наблюдаемая Вселенная — лишь часть невообразимо огромного космоса.
Состоит ли этот огромный космос из пузырьковых Вселенных, у каждой из которых свои законы физики; может быть это одна постоянно развивающаяся Вселенная, умирающая и возрождающаяся, как феникс; может быть Вселенная состоит из одномерных струн и расширяется в невообразимых нами измерениях, сегодня мы сказать не можем. Но мы ищем любые намёки, любые улики, любые следы.
Картина космического микроволнового излучения, распределение галактик и даже изучение гравитации и поведения элементарных частиц дают нам возможность лучше понять структуру Вселенной и её эволюцию. Мы всё ближе и ближе к тому моменту, когда мы сможем рассказать всю историю космоса. Мы уже способны разглядеть в огне, в котором ковалась наша Вселенная, моменты, которые определили её будущее. Используя все те зацепки, которые у нас есть сейчас, когда-нибудь мы сможем предсказать будущее нашего космического дома.
Источник