Бесконечна ли Вселенная?
Не осталось четких или окончательных доказательств того, что Вселенная либо конечна, либо бесконечна, хотя есть некоторые интригующие аргументы и предлагаемые теории с обеих сторон. Однако самое замечательное в этой загадке заключается в том, что из-за природы Вселенной мы, возможно, никогда не сможем по-настоящему узнать ответ!
Когда вы в последний раз смотрели в усыпанное звездами небо за много километров от любого другого источника света? Когда тысячи звезд простираются над вами, рассеивая свой свет за миллионы или миллиарды километров от вас, это просто ошеломляет. Чем дольше вы вглядываетесь, тем больше звезд появляется, чем вы могли бы сосчитать, если бы потратили на это всю ночь! Однако любой, кто имеет смутное представление о нашей галактике и Вселенной, знает, что на самом деле в одном только Млечном Пути есть миллиарды звезд, что намного больше, чем несколько тысяч, которые мы можем видеть с Земли!
За пределами нашей галактики Млечный Путь находится более 150 миллиардов других галактик, каждая со своим огромным количеством звезд. Нашему релятивистскому мозгу практически невозможно понять эти числа, поэтому большинство людей думают о Вселенной как о бесконечно большой и бесконечной пустоте. В большинстве повседневных ситуаций это убеждение не имеет большого значения, но верно ли оно? Бесконечна вселенная или нет?
Сложный вопрос
Первоначальный ответ на вопрос, бесконечна ли вселенная или конечна. мы не знаем. Что мы знаем с уверенностью, так это то, что Большой взрыв произошел 13,8 миллиардов лет назад, что означает, что это возраст Вселенной. Однако из-за инфляции Вселенной, а также, по-видимому, ускоряющегося расширения каждого наблюдаемого уголка Вселенной, самый дальний свет, который мы смогли обнаружить, находится примерно в 46 миллиардах световых лет во всех направлениях. Это означает, что в настоящее время мы знаем, что Вселенная имеет по меньшей мере 92 миллиарда световых лет в поперечнике. Она может быть намного больше, но у нас нет способа узнать. Свет из — за этого вселенского «края» после Большого взрыва не успел достичь Земли или наших наблюдательных спутников в космосе.
Вопрос также осложняется представлениями большинства людей о том, что такое вселенная на самом деле и как она образовалась. Многие люди думают о Большом Взрыве, происходящем в совершенно пустой пустоте, вакууме без энергии или материи, когда внезапно началось массивное расширение, извергающее материю и энергию с невообразимой скоростью, что в конечном итоге привело к образованию всех известных нам сегодня скоплений галактик, туманностей, звезд, планет и лун.
Однако это упрощенный взгляд на Большой взрыв, который в значительной степени был отвергнут экспертами. Ключ к пониманию предельной загадки Вселенной (Большой взрыв) заключается в том, что он начался не с одной точки, которая повлияла на остальную часть «пространства». Все пространство было вовлечено в Большой взрыв, который ранее был сжат с почти бесконечной плотностью.
В первые мгновения Вселенной после Большого взрыва объем и плотность материи были несколько однородны, но как только началось охлаждение и дифференциация на атомы, области накопления массы и области пустого пространства стали более определенными. Вся энергия и материя начали расширяться, удаляясь со скоростью света от всего остального; точно так же расширялось и пустое пространство между объектами (часто быстрее скорости света).
Иллюстрация расширения вселенной после большого взрыва.
Вот почему мы можем обнаружить свет на расстоянии 46 миллиардов световых лет (в том числе благодаря гравитационному линзированию), хотя наша Вселенная существует в своем нынешнем виде всего 13,8 миллиарда лет.
Это говорит о том, что во Вселенной существует «внешнее», как если бы теоретически можно было выйти наружу и затем наблюдать снаружи системы. Однако у нас нет никаких доказательств того, что такое «внешнее» существует, что является сильным аргументом в пользу теории бесконечной вселенной.
Может ли это быть бесконечным?
Мысль о том, что все сущее «бесконечно», опять же, очень трудна для человеческого ума. Наше существование изначально определяется границами и ограничениями, поэтому “бесконечное” число возможностей немыслимо. Однако если вселенная бесконечна, то существует вероятность (пусть и небольшая), что точно такое же расположение атомов и молекул существует и в других местах. Экстраполируя это дальше, можно было бы также найти место, где те же самые структуры атомов и молекул образовали бы другую Землю, с жизнью, которая развивалась бы таким же образом, а это означало бы, что где-то еще в этой бесконечной вселенной существовал бы другой «ты».
Это может звучать как научная фантастика, но это та область, где должны проводиться дискуссии о «бесконечном». Хотя эти, казалось бы, диковинные мысленные эксперименты кажутся невозможными, у нас нет возможности должным образом опровергнуть их.
Некоторые теоретики и астрофизики, включая Эйнштейна, пытались определить «форму» Вселенной, особенно после того, как Эйнштейн предположил, что время и пространство могут искривляться или даже складываться. Одна из наиболее популярных теорий этой универсальной формы — «замкнутая петля». Представьте себе это с точки зрения нашей собственной планеты; Вплоть до нескольких веков назад люди верили, что мир плоский, так как они могли видеть только горизонт, и не могли наблюдать кривизну планеты, чтобы распознать ее как сферу.
В более крупном масштабе, когда мы смотрим на Вселенную, она кажется плоской, почти как лист бумаги, и нет никакой заметной кривизны. Тем не менее мы продолжаем наблюдать «противоположные» стороны Вселенной, надеясь, что сможем распознать закономерности сходства, подобные тому, что наблюдается на нашей планете, где человек в конечном итоге достиг бы своего первоначального местоположения, если бы он шел в одном направлении достаточно долго.
Несмотря на то, что в настоящее время мы не можем увидеть кривизну Вселенной, было высказано предположение, что если бы Вселенная была по крайней мере в 250 раз больше, чем наша наблюдаемая в настоящее время Вселенная, она потенциально все еще могла бы изгибаться назад (где-то за пределами нашей способности видеть). Хотя это сделало бы объем Вселенной в миллиарды раз больше, чем мы видим сейчас, это возможно. Учитывая это теоретическое ограничение, Вселенная все равно будет считаться конечной.
Дискуссии о Большом взрыве, размере и форме Вселенной, потенциале мультивселенных, темной энергии, темной материи и десятках других загадочных тем продолжают увлекать и очаровывать экспертов, которые проводят свою жизнь, глядя на звезды. Ученые и академики любят твердые ответы и измеримые величины, но когда вы говорите о самом большом возможном масштабе (всей Вселенной), такие окончательные ответы часто неуловимы или невозможно когда-либо доказать. В то время как охота за истиной толкает вперед, человеку, возможно, придется смириться с тем, что некоторые тайны не предназначены для того, чтобы быть разгаданными.
Источник
Бесконечна ли Вселенная?
Обычная история Вселенной имеет начало, середину и конец. Она началась с Большого взрыва, случившегося 13,8 млрд лет назад, когда Вселенная была очень маленькой, очень плотной и очень горячей. Понадобилось менее одной миллиардной доли секунды, чтобы эта точка — наша Вселенная — расширилась в миллиард миллиардов раз в результате процесса, называемым «космологической инфляцией».
Затем инфляция остановилась. Вселенная продолжала расширяться и остывать, но уже с небольшой скоростью. В течение 380 000 лет она была так плотна, что даже свет не мог пройти сквозь неё: космос был непрозрачной сверхгорячей плазмой рассеянных частиц. И когда всё, наконец, остыло настолько, что смогли образоваться первые атомы водорода, Вселенная стала прозрачной. Радиоактивное излучение распространилось во всех направлениях, и Вселенная стала превращаться в ту комковатую сущность, которую мы видим сейчас — с длинными полосами пустых пространств, перемежающихся скоплением частиц, пыли, звёзд, чёрных дыр, галактик и других форм материи.
В конце концов эти комки разойдутся настолько далеко, что совсем растворятся. Вселенная станет холодной и однородной — эдакий космический бульон из отдельных фотонов. Не особо драматичный финал, но уж что есть, то есть.
Но… что, если Большой взрыв вовсе не был началом Вселенной? Что, если он был просто «Большим скачком» — поворотным моментом в длящемся цикле ? Или, например, некой точкой, в которой Вселенная «вывернулась наизнанку» и антивещество стало веществом, а время потекло в обратную сторону? Или что Большой взрыв — просто одно из событий Вселенной, которая всегда расширялась и продолжает это делать?
Число конкурирующих теорий, предлагаемых разными учёными, растёт, что означает, что, возможно, нам пора отказаться от главенства инфляционной модели Вселенной. Возможно, Большой взрыв — не начало Вселенной, а, наоборот, предвестник её конца.
Иллюстрация: Gerd Altmann / Pixabay
Большинство альтернатив инфляционной теории проистекает из того, что идея космологической инфляции многих учёных не устраивает.
— Честно говоря, мне никогда не нравилась инфляция, — заявляет Нейл Турок, бывший директор Института теоретической физики в Ватерлоо, Канада, и автор Циклической модели Вселенной.
— Инфляционная теория провалилась! — добавляет Пол Стейнхардт, профессор науки Альберта Эйнштейна в Принстонском университете и сторонник идеи «Большого скачка».
— Я всегда считал космологическую инфляцию притянутой за уши теорией, — признаётся Роджер Пенроуз, математик и физик, заслуженный профессор и глава кафедры математики Оксфордского университета, нобелевский лауреат — основная причина того, что она закрепилась, состоит в том, что это единственное, что люди смогли придумать для объяснения такого явления как масштабная равномерность температуры реликтового излучения.
Реликтовое излучение (также называемое «космическое микроволновое излучение») было фундаментальным фактором всех моделей Вселенной с момента его первого наблюдения в 1965 году. Это слабое свечение, которое можно видеть повсюду в наблюдаемой Вселенной. Именно реликтовое излучение — главный источник информации о том, как выглядела ранняя Вселенная. И именно оно — мучительная головная боль для физиков.
Карта реликтового излучения
Проблема в том, что повсюду, во всех направлениях, куда учёные устремляют свои телескопы, реликтовое излучение выглядит абсолютно одинаково, даже в тех местах, которые, казалось бы, никак не могли взаимодействовать друг с другом никогда за всю историю Вселенной, все 13,8 млрд лет.
«Температура реликтового излучения одинакова даже на противоположных сторонах Вселенной, — говорит Кэти Мак, космолог из Университета штата Северная Каролина, — Значит, должно было связывать эти области в прошлом. Но этот факт не согласуется с Теорией инфляции».
Так как не существует механизма, который бы уравнивал температуру во всей наблюдаемой Вселенной, учёные ожидали увидеть куда большее разнообразие температур в разных местах космического пространства.
Господствующая теория космологической инфляции предлагает такое решение «проблемы однородности»: в ранний период Вселенная растянулась настолько быстро, что всё остальное осталось далеко за её пределами. Вселенная расширилась из крошечной однородной области внутри изначального раскалённого хаоса, породив реликтовое излучение. Другие области, находящиеся за пределами наблюдаемой Вселенной, могут выглядеть совершенно иначе.
«Считается, что космологическая инфляция достаточно подтверждена имеющимися научными данными, чтобы мы могли принять её за теорию „по умолчанию“, — рассуждает Кэти Мак, — И это именно то, что я говорю своим студентам. И всегда прибавляю — но мы пока ничего не знаем наверняка».
В Теории инфляции всегда хватало «белых пятен». Примечательно, что нет никаких идей, что именно запустило инфляционное расширение, или правдоподобных предположений, чем оно может закончиться. Одна из идей, выдвигаемых сторонниками теории, заключается в том, что некие гипотетические частицы составили нечто, называемое «инфляционным полем», а затем это поле распалось на частицы, которые стали реликтовым излучением.
И даже с такими хитростями инфляционная теория делает предсказания, которые (по крайней мере, пока) не сбываются. Теория утверждает, что должно было быть искажено изначальными гравитационными волнами, которые рикошетом разошлись по всей Вселенной во время Большого взрыва. Но, несмотря на то, что некоторые типы гравитационных волн действительно были обнаружены, ни один из них не порождает таких искажений.
Визуализация моделирования сливающихся чёрных дыр, излучающих гравитационные волны
Иллюстрация: NASA / Ames Research Center / C. Henze
Квантовая физика также не согласуется с теорией инфляции. Согласно её прогнозам, квантовые флуктуации должны были заставить инфляцию разбить пространство Вселенной на бесконечное число Вселенных с бесконечно разнообразными свойствами — «мультивселенную», в которой происходят буквально все мыслимые события, причём одновременно. Насколько мы можем судить, этого не произошло.
«Инфляционная теория несостоятельна, — утверждает Стейнхардт, — Всё, что она утверждает — это то, что наблюдаемая Вселенная может быть такой, как есть, или любой другой, какую вы можете себе представить, в зависимости от того, где мы находимся в мультивселенной. Возможно всё, что только можно вообразить в рамках физических законов».
Стейнхардт, учёный, стоявший у истоков инфляционной теории, говорит, что в конце концов разочаровался в ней её непроверяемости. «Неужели нам действительно нужно навыдумывать себе бесконечных Вселенных, которых мы никогда не видели и не увидим, чтобы объяснить единственную — плоскую и однородную — Вселенную, которую как раз можем наблюдать? — возмущается он, — Я говорю — нет. Мы должны придумать теорию получше, чем инфляционная».
Другая проблема связана с предположением о том, что появилось в результате именно Большого взрыва и не существовало до него.
Развитие Вселенной согласно инфляционной теории
Иллюстрация: NASA / WMAP Science Team
Теория «Большого скачка» согласуется с той частью Теории космологической инфляции, которая утверждает, что Вселенная была горячей и плотной 13,8 млрд лет назад, когда начался процесс её расширения и остывания. Но вместо того, чтобы быть моментом начала , это был момент перехода из более ранней фазы, во время которой пространство не расширялось, а сжималось.
Если это было так, то, по словам Стейнхардта, при скачке (а не в результате взрыва) у отдалённых регионов космоса было достаточно времени, чтобы повзаимодействовать друг с другом и сформировать единую Вселенную, в которой источники реликтового излучения имели бы шанс выровняться.
Ведь возможно, что время существовало вечно.
— Если скачок случился в прошлом, почему он произошёл только один раз? — задаётся вопросом Стейнхардт, — Почему таких скачков не могло быть много? В таком случае, вероятно, подобный скачок ожидает нас и в будущем. Наша расширяющаяся Вселенная может опять начать сжиматься и вернуться в плотное состояние, и весь цикл запустится снова.
Стейнхардт и Турок вместе работали над некоторыми ранними версиями модели «Большого скачка», согласно которой Вселенная сузилась до таких крошечных размеров, что начала действовать квантовая физика, заменив собой классическую. Но недавна одна сотрудница Стейнхардта, Анна Иджас, разработала модель, в которой Вселенная не становилась настолько крошечной, чтобы физика в ней стала квантовой.
Циклическая модель Вселенной
Иллюстрация: SAMUEL VELASCO/QUANTA MAGAZINE
— Это довольно прозаическая и, можно сказать, консервативная идея, вполне описываемая классическими уравнениями, — говорит Стейнхардт — Теория инфляции предполагает существование мультивселенной, а значит, возникновение Вселенной бесконечным числом способов, а мы просто живём в одной из них, довольно однородной и плоской. Это, конечно, возможно, но маловероятно. А теория Большого отскока гласит, что Вселенная — такая, какой она должна быть.
Нейл Турок тоже предлагает другую, более простую альтернативу инфляционной теории. Она называется «Зеркальная модель Вселенной». Эта теория предполагает, что другая Вселенная, в которой преобладает антивещество, но действуют те же физические законы, что и в нашей, расширяется по другую сторону Большого взрыва — своего рода .
Зеркальная модель Вселенной
Иллюстрация: Alamy
«Главное моё предположение за 30 лет работы над этим вопросом — это то, что на самом деле Вселенная довольно проста, — рассказывает Турок — Она не хаотична. Она — не случайность. Наоборот, Вселенная абсолютно упорядочена и в ней действуют закономерности, для описания которых требуется совсем немного цифр».
Говоря это, Турок не видит в своей теории места для мультивселенной, высших измерений или новых частиц, могущих прояснить, что же мы видим, когда смотрим в небо.
Если сложить всю известную массу в галактике — звёзды, туманности, чёрные дыры — гравитации не хватит, чтобы объяснить движение галактик и всего, что находится за их пределами. Должно быть ещё, чего мы не можем видеть в настоящее время, а именно — тёмной материи. И это загадочное составляет около 85% всей материальной Вселенной.
Модель зеркальной Вселенной предполагает, что Большой взрыв произвёл на свет, причём в большом количестве, новые частицы, так называемые «правосторонние нейтрино». И хотя физики элементарных частиц пока не видели их, они уверены, что такие частицы существуют. Именно правосторонние нейтрино составляют тёмную материю, считают сторонники теории Зеркальной Вселенной.
— Это единственная частица в Стандартной модели, которая обладает двумя необходимыми свойствами, которые мы ещё не наблюдали напрямую, и она может быть стабильной, — утверждает Латем Бойл, ещё один сторонник Зеркальной теории и коллега Турока по институту.
Возможно, самой сложной альтернативой теории инфляции является Теория конформной циклической космологии Роджера Пенроуза. Как и Теория Большого отскока, она предполагает Вселенную, существующую вечно. Но в этой теории Вселенная не проходит через периоды сокращения — она всегда расширяется. А все составляющие её частицы постоянно и неуклонно уменьшаются, стремясь к абсолютному нулю.
— Я считаю, что Большой взрыв не был началом, — говорит Пенроуз, — Вся картина того, что нам известно на сегодняшний день, вся история Вселенной — это то, что я называю «эоном в череде эонов».
Модель Пенроуза предполагает, что большая часть Вселенной будет в конце концов поглощена сверхмассивными чёрными дырами. По мере того, как Вселенная будет продолжать расширяться и остывать до почти абсолютного нуля, эти чёрные дыры будут «выкипать» явления, называемого излучением Хокинга.
Излучение Хокинга
Иллюстрация: Pixabay
— Необходимо мыслить масштабными категориями, такими, как гугол лет, что означает число из единицы со ста нулями, — говорит Пенроуз, — чтобы представить себе, сколько потребуется времени на то, чтобы самые большие чёрные дыры, наконец, испарились полностью. И тогда мы действительно получим Вселенную, состоящую просто из отдельных фотонов.
И далее, по словам Пенроуза, Вселенная начнёт выглядеть так же, как и в начале, создавая основу для появления следующего эона.
Одно из предположений теории Пенроуза состоит в том, что в реликтовом излучении может содержаться запись предыдущего эона. Когда сверхмассивные чёрные дыры сталкиваются, удар вызывает выделение огромного количества энергии в виде гравитационных волн. Гигантские чёрные дыры испаряются, выделяя энергию в виде низкочастотных фотонов. И оба этих явления настолько мощны, говорит Пенроуз, что они могут «прорваться на другую сторону» — перейти из одного эона в другой, оставив каждому свой собственный «сигнал», встроенный в реликтовое излучение, как эхо.
Пенроуз называет эти «следы», оставленные испарившимися дырами, «точками Хокинга». В течение первых 380 000 лет текущего эона они были бы ничем иным, как крошечными точками в космосе, но, по мере расширения Вселенной, начали выглядеть как «пятна» на небе.
Пенроуз сотрудничал с польскими и корейскими космологами, чтобы выяснить, можно ли найти такие места, сравнивая измерения реликтового излучения с тысячами случайных паттернов. «Мы пришли к выводу, что эти пятна существуют с вероятностью 99,98% — рассказывает Пенроуз. Но пока мир физики скептически относится к результатам, полученным им, и среди космологов почти нет желающих воспроизвести анализ Пенроуза, чтобы проверить полученные им данные.
Маловероятно, что мы сможем наблюдать, что происходило в первые моменты после Большого взрыва, не говоря уже о том, что было до него. Непрозрачная перегретая плазма, существовавшая в первые моменты после взрыва, вероятно, навсегда скрыла его за собой. Но есть и другие потенциально наблюдаемые явления, такие как первичные гравитационные волны, первичные чёрные дыры, правосторонние нейтрино и другие, способные дать нам верные подсказки, что же происходило в самом начале.
— По мере того, как мы разрабатываем теории и строим новые модели Вселенной, они будут давать нам новые прогнозы и предсказания, — говорит Мак, — Не стоит надеяться, что мы увидим самое начало Вселенной непосредственно, но, возможно, окольным путём нам удасться лучше понять структуру самой физики.
А до тех пор вопрос о зарождении нашей Вселенной и о том, имеет ли она конец, будет обсуждаться.
Источник