Космос устроен гораздо хитрее, чем подсказывает повседневный опыт. Привычные представления о стенах, краях и последних точках маршрута перестают работать, когда речь заходит о масштабах всей Вселенной. Даже сам вопрос о том, бесконечно ли пространство, упирается в фундаментальные ограничения наблюдений и в особенности геометрии, которую невозможно пощупать руками.
Наблюдаемая нами часть мира вовсе не обязана совпадать с его полным объемом. Свет движется с конечной скоростью, поэтому любые сигналы, которые мы способны зафиксировать, успели преодолеть лишь определенную дистанцию за все время существования космоса. Это ограничение создает горизонт, за который невозможно заглянуть никаким телескопом.
Горизонт, который всегда вокруг наблюдателя
Вселенной около четырнадцати миллиардов лет, однако радиус видимой области оценивается примерно в сорок пять миллиардов световых лет. Разница объясняется тем, что само пространство непрерывно расширялось, пока древние лучи добирались до наших приборов. Источники света, отправившие его в путь вскоре после Большого взрыва, успели оказаться значительно дальше первоначальной позиции.
У этого горизонта нет физической поверхности. Направив телескоп в глубины космоса, мы видим не стену, а все более ранние этапы истории. В определенный момент доступная летопись просто обрывается, и это вовсе не означает, что за пределами видимости ничего нет. Пространство может продолжаться сколь угодно далеко, но его удаленные области остаются для нас принципиально недоступными.
Любопытно, что каждый наблюдатель находится в центре собственной видимой сферы. Житель далекой галактики увидит вокруг себя иной участок космоса, часть которого мы не можем рассмотреть, а он не увидит некоторые объекты, доступные нам. Никакого выделенного положения у Земли в этом смысле нет.
Конечный объем без внешней границы
Конечная Вселенная не обязана заканчиваться стенкой, за которой начинается нечто иное. Проблема подобной картины в том, что любое «снаружи» по определению должно было бы входить в понятие всего существующего пространства. Если мы называем Вселенной все, что есть, то внешнего места у нее быть не может.
Помогает аналогия с апельсином. По его кожуре можно ползти сколь угодно долго и в конце концов вернуться к исходной точке. Площадь поверхности ограничена, но края, с которого можно упасть, на ней не существует. Похожим образом у космоса может быть замкнутая геометрия, при которой пространство замыкается само на себя.
Один из вариантов — трехмерная сфера. Представить ее сложнее, чем обычный шар, потому что мы привыкли рассматривать подобные объекты снаружи, имея дополнительное измерение. Для описания замкнутого пространства внешняя область не требуется. Путешественник в такой модели мог бы двигаться прямо и в итоге оказаться там, откуда стартовал, хотя практическая реализация такого полета — отдельный вопрос.
Кривизна, которую трудно заметить
Связь материи и энергии с кривизной пространства-времени придает разговору о форме Вселенной физический смысл. Ученые пытаются определить, насколько сильно искривлен доступный нам участок и какие выводы из этого следуют для целого. Если замкнутый космос очень велик, его небольшой фрагмент может казаться практически плоским.
Муравей на гигантском апельсине тоже не сразу заметил бы изгиб поверхности. Мы можем исследовать лишь малую долю пространства, поэтому общая геометрия способна оставаться неочевидной. Существует и другой вариант конечной Вселенной, который условно сравнивают с бубликом. Речь не о форме выпечки, а о том, как в таком пространстве соединяются направления.
В подобной модели длина замкнутого маршрута зависит от того, куда именно направиться. Два корабля, стартовавшие из одной точки, вернулись бы к ней через совершенно разные расстояния. Свет в таком космосе тоже мог бы приходить несколькими путями, из-за чего одна галактика появлялась бы в разных участках неба и в разном возрасте.
Расширение без внешнего пространства
Допустим, пространство действительно бесконечно. Бесконечная протяженность ничего не говорит о возрасте: у космоса может не быть края, но история расширения при этом остается конечной. Привычное представление о Большом взрыве как о взрыве в пустоте с центром и разлетающимися обломками здесь не работает.
В бесконечной модели раннее горячее и плотное состояние относится ко всему пространству сразу. Оно уже могло быть бесконечным в момент начала расширения. Тогда возникает парадокс: как увеличить то, что и без того не имеет конечного размера? Ответ кроется в изменении масштаба расстояний, а не в выдвижении внешней границы.
Можно вообразить бесконечный ряд отметок, между соседними из которых по одному метру. Если увеличить каждый промежуток вдвое, ряд останется бесконечным, хотя расстояния вырастут. Никакой последней отметки, которую нужно куда-то передвинуть, не потребуется. Аналогично расширение космоса описывается через увеличение дистанций между далекими галактиками без введения внешней пустоты.
Повторяющиеся миры и пределы фантазии
Бесконечное пространство порождает заманчивую идею о повторяющихся состояниях. Если возможных конфигураций участка космоса конечное число, а самих участков бесконечно много, некоторые комбинации обязаны повторяться. Любое конечное число вариантов меркнет перед бесконечностью, каким бы огромным оно ни было.
Отсюда легко додуматься до второй Земли и точных копий людей. При подходящих условиях где-то могли бы собраться знакомые звезды, планеты и живые существа. Для фантастики это почти готовая завязка: двойник может существовать в той же самой Вселенной, просто невообразимо далеко.
Однако наличие повторов еще не гарантирует повторения именно нашего мира. Бесконечная последовательность способна воспроизводить лишь часть возможных вариантов, оставляя другие нереализованными. Чтобы говорить о двойниках уверенно, нужны дополнительные предположения о допустимых состояниях и их распределении в пространстве.
История Земли показывает, что возникновение жизни возможно, но вычислить вероятность ее точного повторения мы пока не в силах. Даже в модели с копиями расстояние до них может превосходить любые доступные масштабы, поэтому встреча с собственным двойником остается чисто умозрительным сюжетом. Мне кажется, именно в этой точке космология особенно близко подходит к фантастике: несколько допущений рождают целый мир с повторяющимися судьбами, а наблюдения не дают ни подтверждений, ни опровержений.
Самое удивительное здесь — насколько сильно выводы зависят от геометрии, которую мы не можем увидеть целиком. Бесконечная или конечная, замкнутая или плоская, Вселенная в любом случае оказывается гораздо сложнее любых бытовых аналогий. Горизонт наблюдений оставляет простор для гипотез, а свойства пространства продолжают удивлять даже тех, кто профессионально занимается космологией.