Мы привыкли представлять Вселенную как бесконечное пространство, которое продолжается во всех направлениях. Но у астрономов нет доказательств ни того, что она действительно бесконечна, ни того, что она когда-либо заканчивается. Более того, даже если пространство оказывается плоским — а именно таким оно выглядит в наших наблюдениях, — это еще не означает, что Вселенная бесконечна, рассказывает Sciencedaily.com.

Она может быть конечной, замкнутой сама на себя и при этом не иметь никакого края. А пространство в принципе может быть плоским и одновременно устроенным так, что, двигаясь все время в одном направлении, можно в конце концов вернуться в исходную точку.

Проблема в том, что мы видим лишь часть Вселенной. И, возможно, никогда не увидим остальное.

Мы наблюдаем не всю Вселенную

Граница наблюдаемой Вселенной — это не просто предел возможностей современных телескопов. Она определяется фундаментальным ограничением: существует область пространства, откуда информация пока не успела до нас добраться или уже никогда не сможет этого сделать.

Поэтому за космическим горизонтом может находиться все что угодно — в том числе просто продолжение знакомой нам Вселенной с другими галактиками, звездами и планетами.

Самая простая гипотеза говорит именно об этом: пространство продолжается дальше, насколько хватает воображения. Но остается вопрос — насколько далеко?

И здесь начинается проблема, которую невозможно решить обычным наблюдением.

Мы не можем просто долететь до границы Вселенной и посмотреть, что находится за ней. Более того, возможно, никакой границы вообще не существует.

И это не противоречие.

Конечная Вселенная не обязана иметь край

У Земли есть конечная площадь поверхности, но на самой поверхности нет места, где вдруг заканчивается земля и начинается «край планеты».

Можно идти по поверхности Земли в одном направлении сколько угодно долго и в итоге вернуться туда, откуда начал.

То же самое в принципе возможно и с пространством. Оно может иметь конечный объем, но не иметь границы.

Чтобы представить такую геометрию, достаточно начать с обычной плоскости. На плоском листе бумаги сумма углов треугольника равна 180 градусам, а параллельные линии не пересекаются.

Теперь представим поверхность Земли. Если провести огромный треугольник по ней, сумма его углов окажется больше 180 градусов. А две линии, которые в определенном смысле стартуют параллельно, могут встретиться на Северном полюсе.

Это позволяет определить кривизну пространства, не покидая самого пространства.

С Вселенной можно проводить похожий эксперимент — только вместо гигантского треугольника астрономы используют свет, который летел к нам миллиарды лет.

Реликтовое излучение показывает форму пространства

Одним из главных инструментов здесь служит реликтовое микроволновое излучение — древнейший свет, который остался от ранней Вселенной.

Он возник примерно тогда, когда Вселенная достаточно остыла, чтобы свет перестал постоянно взаимодействовать с плотной горячей плазмой и смог свободно распространяться.

В реликтовом излучении есть крошечные неоднородности температуры. Их свойства позволяют ученым проверить, как распространялся свет через пространство и насколько оно искривлено.

Именно здесь появляется важная деталь.

Если бы пространство обладало сильной положительной или отрицательной кривизной, свет распространялся бы по другим траекториям. Из-за этого характерные структуры в реликтовом излучении выглядели бы для нас иначе — их видимый размер изменился бы.

Но наблюдаемые структуры имеют примерно тот масштаб, который ожидается для плоской геометрии пространства.

Поэтому астрономы говорят, что Вселенная с очень высокой точностью выглядит плоской.

И вот здесь возникает кажущийся парадокс: если Вселенная плоская, разве она не должна быть бесконечной?

Нет.

Плоская — не значит бесконечная

Представим, что мы пытаемся определить форму Земли, находясь в пределах небольшого города.

На таких масштабах поверхность планеты выглядит практически идеально плоской. Если построить небольшой треугольник, его углы почти точно дадут 180 градусов. Если провести две линии, они не будут заметно сближаться.

Но Земля от этого не становится плоской.

Просто область измерений слишком мала по сравнению с масштабом кривизны планеты.

С Вселенной может происходить нечто похожее.

Наблюдаемая нами область огромна — речь идет о десятках миллиардов световых лет, — но теоретически вся Вселенная может быть намного больше. Если ее кривизна проявляется только на масштабах, превосходящих наблюдаемую область, мы просто не способны ее увидеть.

В таком случае пространство может оказаться конечным и в конечном счете замыкаться само на себя.

Теоретически путешествие все время в одном направлении могло бы однажды привести обратно к исходной точке — примерно так, как путешествие по Земле может вернуть человека туда, откуда он начал.

Правда, космическое расширение делает такой эксперимент практически невозможным: многие области Вселенной уже находятся за пределами нашего космического горизонта.

Но даже это еще не самая странная возможность.

Вселенная может быть плоской — и все равно замыкаться

Здесь приходится различать геометрию и топологию.

Геометрия описывает локальные свойства пространства: кривизну, расстояния, углы и поведение линий.

Топология отвечает на другой вопрос: как пространство устроено целиком и какие его части соединены друг с другом.

Для наглядности можно представить обычный лист бумаги. На нем геометрия плоская. А теперь свернем его в цилиндр и соединим противоположные края.

Локально поверхность останется плоской. Маленький треугольник внутри нее по-прежнему будет вести себя как обычный евклидов треугольник. Параллельные линии останутся параллельными.

Но теперь один из направлений пространства замкнут в петлю.

То есть пространство может выглядеть плоским в каждой отдельно взятой области и при этом иметь конечную, замкнутую структуру в целом.

В математике существует множество подобных конструкций. Цилиндр, тор, лента Мёбиуса и бутылка Клейна помогают представить, насколько необычными могут быть способы соединения пространства.

Для трехмерного пространства математики нашли 17 различных плоских топологий, которые могут иметь нулевую кривизну. Среди них есть и гораздо менее интуитивные конструкции, например пространство Ханцше — Вендта.

Для физики это означает важную вещь: измерение кривизны само по себе еще не отвечает на вопрос о глобальной форме Вселенной.

Астрономы ищут следы того, что Вселенная замкнута

Если пространство действительно соединяется само с собой, это теоретически должно оставлять наблюдаемые следы.

Например, один и тот же объект может быть виден с разных направлений. Его свет мог бы обойти Вселенную по разным траекториям и прийти к нам как будто от нескольких разных источников.

Подобные поиски проводятся и по реликтовому излучению. Если Вселенная замкнута на относительно небольшом масштабе, одинаковые структуры в древнем излучении могли бы повторяться на разных участках неба.

Пока убедительных свидетельств такого «космического эха» не найдено.

В пределах доступных наблюдений пространство выглядит геометрически плоским, а признаков того, что оно замыкается само на себя, нет.

Но это еще не окончательный ответ.

Если масштаб такой топологической структуры намного превышает наблюдаемую Вселенную, ее следы просто могут находиться за пределами наших возможностей обнаружения.

Возможно, окончательного ответа не будет

Именно поэтому вопрос «бесконечна ли Вселенная?» оказывается гораздо сложнее, чем кажется.

Она может быть бесконечной и продолжаться без конца. Может быть конечной, но не иметь края. Может обладать кривизной, которую невозможно заметить в доступной нам области. Или пространство может оставаться плоским локально, но быть глобально замкнутым и соединяться само с собой.

И все эти варианты могут быть совместимы с тем, что мы наблюдаем сегодня.

Наконец, существуют и гораздо более экзотические космологические сценарии, в которых наша наблюдаемая Вселенная — лишь один регион гораздо более крупной структуры, потенциально включающей другие «пузыри» пространства-времени.

Но здесь мы упираемся в фундаментальную границу науки: наблюдаемая Вселенная может оказаться лишь частью реальности, доступной нам в принципе.

Мы можем все точнее измерять ее геометрию, изучать древнейший свет и искать повторяющиеся структуры. Но если глобальная форма пространства проявляется только за пределами нашего космического горизонта, никакой телескоп не сможет просто посмотреть туда.

И потому вполне возможно, что один из самых фундаментальных вопросов о Вселенной — конечна ли она на самом деле — навсегда останется вопросом не о том, что находится далеко, а о том, что мы принципиально не можем увидеть.