Что такое Вселенная? Строение Вселенной. Самая яркая галактика во Вселенной. Одна Вселенная или множество? Как выглядит наша вселенная

В нашей части Вселенной инфляция действительно подошла к концу. Но три вопроса, на которые мы не знаем ответов, чрезвычайно сильно влияют на реальный размер Вселенной, и то, является ли она бесконечной:

1. Насколько велик участок Вселенной после инфляции, породивший наш Большой взрыв?
2. Верна ли идея вечной инфляции, по которой Вселенная бесконечно расширяется, по крайней мере, в некоторых регионах?
3. Как долго длилась инфляция, пока не остановилась и не породила горячий Большой взрыв?

Возможно, что та часть Вселенной, где шла инфляция, смогла вырасти до размера, не сильно превышающего то, что мы можем наблюдать. Возможно, что в любой момент появится свидетельство наличия «края», на котором закончилась инфляция. Но также возможно, что Вселенная в гуголы раз больше наблюдаемого. Не ответив на эти вопросы, мы не получим ответа на главный.

Огромное количество отдельных регионов, в которых произошёл Большой взрыв, разделяется пространством, постоянно растущим в результате вечной инфляции. Но мы не имеем понятия, как проверить, измерить или получить доступ к тому, что лежит за пределами нашей наблюдаемой Вселенной.

За пределами того, что мы можем видеть, скорее всего, находится ещё больше Вселенной, такой же, как и наша, с теми же законами физики, с теми же космическими структурами и такими же шансами на сложную жизнь.

Также у «пузыря», в котором закончилась инфляция, должен быть конечный размер, при том, что экспоненциально большое число таких пузырей содержится в более крупном, расширяющемся пространстве-времени.

Но даже если вся эта Вселенная, или Мультивселенная, может быть невероятно большой, она может и не быть бесконечной. На самом деле, если только инфляция не продолжалась бесконечно долго, или Вселенная не родилась бесконечно большой, она должна быть конечной.

Как ни велика наблюдаемая нами часть Вселенной, как ни далеко мы можем заглянуть, всё это составляет лишь малую долю того, что должно существовать там, за пределами.

Самая большая проблема состоит в том, что у нас не хватает информации для определённого ответа на вопрос. Мы знаем только, как получить доступ к информации, доступной внутри нашей наблюдаемой Вселенной: эти 46 млрд световых лет во всех направлениях.

Ответ на самый большой вопрос, о конечности или бесконечности Вселенной, может быть спрятан в самой Вселенной, но мы не можем познать достаточно большую её часть, чтобы знать наверняка. И пока мы не разберёмся с этим, или не придумаем хитроумную схему расширения границ возможностей физики, у нас будут оставаться одни только вероятности.

Ученые впервые получили серьезное доказательство того, что рядом с нашим миром находятся еще несколько

Тайны небесной карты

К сенсационным выводам подтолкнули данные, полученные с помощью космического телескопа Планка (European Space Agency"s Planck satellite). Ученые создали самую точную карту микроволнового фона - так называемого реликтового излучения, сохранившегося с момента зарождения Вселенной. И увидели более, чем странные следы.

Считается, что это самое реликтовое излучение, которыми наполнено пространство, является отголоском Большого Взрыва - когда 13,8 миллиардов лет назад нечто невообразимо крошечное и невероятно плотное вдруг "взорвалось", расширилось и превратилось в окружающий нас мир. То есть, в нашу Вселенную.

Понять как произошел "акт творения" не получится при всем желании. Лишь с помощью весьма отдаленной аналогии можно представить будто бы что-то громыхнуло-полыхнуло и унеслось. Но остались то ли "эхо", то ли "отсвет", то ли некие ошметки. Они-то и образовали мозаику, которая представлена на карте, где светлые ("горячие") участки соответствуют более мощному электромагнитному излучению. И наоборот.

"Горячие" и "холодные" пятна микроволнового фона должны бы чередоваться равномерно. Но карта свидетельствует: упорядоченного распределения нет. С южной части небосвода идет гораздо более мощное реликтовое излучение, чем с северной. И что совсем удивительно: мозаика изобилует темными провалами - некими дырами и протяженными прорехами, появление которых невозможно объяснить с позиций современной физики.

Соседи дают о себе знать

Еще в 2005 году физик-теоретик Лаура Мерсини-Хоутон (Laura Mersini-Houghton) из Университета Северной Каролины (University of North Carolina at Chapel Hill) и ее коллега Ричард Холман (Richard Holman), профессор Университета Карнеги-Меллон (professor at Carnegie Mellon University) предсказали существование аномалий микроволнового фона. И предположили, что возникли они из-за того, что на нашу Вселенную оказывают влияние другие Вселенные, расположенные рядом. Аналогичным образом на потолке вашей квартиры возникают пятна от "протекших" соседей, которые дали о себе знать такими вот наглядными аномалиями "штукатурного фона".

На прежней - менее четкой - карте, составленной по данным зонда НАСА WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), летавшего с 2001 года, ничего совсем уж из ряда вон выходящего видно не было. Одни намеки. А теперь - картина ясная. И сенсационная. По мнению ученых, наблюдаемые аномалии означают как раз то, что наша Вселенная не одинока. Других - бесчисленное множество.

Лаура и Ричард тоже не одиноки в своих воззрениях. К примеру, Стефан Финей (Stephen Feeney) из лондонского университетского колледжа (University College London) увидел на картине микроволнового фона, как минимум, четыре аномально "холодных" круглых пятна, которые он назвал "синяками". И теперь доказывает, что эти "синяки" возникли от непосредственных ударов соседних Вселенных по нашей.

По его мнению, Стефанна, Вселенные возникают и пропадают словно пузыри пара в кипящей жидкости. А возникнув, сталкиваются. И отскакивают друг от друга, оставляя следы.

Куда их несет?

Несколько лет назад группа специалистов НАСА под руководством астрофизика Александра Кашлинского обнаружили странное поведение примерно у 800 отдаленных галактических скоплений. Оказалось, что все они летят в одном направлении - в определенную часть космоса - со скоростью в 1000 километров в секунду. Это вселенское перемещение было названо "Темным потоком".

Недавно выяснилось, что "Темный поток" охватывает аж 1400 галактических скоплений. И несет их в район, расположенный где-то у границ нашей Вселенной. С чего бы это? Либо там - за пределами, недоступными наблюдениям, - расположена некая невероятно огромная масса, которая и притягивает материю. Что маловероятно. Либо галактики засасывает в другую Вселенную.

Из мира в мир перелетая

Можно ли попасть из нашей Вселенной в какую-нибудь другую? Или соседи отделены некой непреодолимой преградой?

Преграда преодолима, - считают профессор Тибо Дамур (Thibault Damour) из французского Института передовых научных исследований (Institut des Hautes E"tudes Scientifiques - IHE"S) и его коллега доктор физико-математических наук Сергей Солодухин из московского Физического института РАН имени Лебедева (ФИАН), который сейчас трудится в германском Бременском международном университете (International University Bremen). По мнению ученых, существуют ходы, ведущие в иные миры. Со стороны они - эти ходы - выглядят в точности как "черные дыры". Но на самом деле им не являются.

Тоннели, которые соединяют отдаленные части нашей Вселенной, одни астрофизики называют "червоточинами" (wormholes), другие - "кротовыми норами". Суть в том, что, нырнув в такую нору, можно чуть ли не мгновенно вынырнуть где-нибудь в другой галактике, удаленной на миллионы, а то на миллиарды световых лет. По крайней мере теоретически подобное путешествие возможно в пределах нашей Вселенной. А если верить Дамуру и Солодухину, то вынырнуть можно еще дальше - вообще в другой Вселенной. Не закрыта вроде бы и обратная дорога.

Ученые посредством расчетов представили, как должны выглядеть "кротовые норы", ведущие именно в соседние Вселенные. И оказалось, что подобные объекты ничем особенно не отличаются от уже известных "черных дыр". И ведут они себя так же - поглощают материю, деформируют ткань пространства-времени.

Единственная существенная разница: сквозь "нору" можно пробраться. И остаться целым. А "черная дыра" разорвет своим чудовищным гравитационным полем приближающийся к ней корабль на атомы.

К сожалению, Тибо и Солодухин не знают, как с большого расстояния безошибочно отличить "черную дыру" от "кротовой норы". Мол, это выяснится только в процессе погружения в объект.

От "черных дыр", правда, исходит излучение - так называемое излучение Хокинга. А "кротовые норы" ничего не испускают. Но излучение столь мало, что уловить его невероятно трудно на фоне других источников.

Не понятно пока, и сколько времени займет скачок в другую Вселенную. Может быть, доли секунды, а может быть миллиарды лет.

И самое удивительное: по мнению ученых "кротовые норы" можно создать искусственно - на Большом адронном коллайдере (БАК), сталкивая частицы на энергии, многократно превосходящей ныне достигнутый уровень. То есть, будут образовываться не "черные дыры", которыми пугали еще до начала экспериментов по моделированию Большого взрыва, а открываться "кротовые норы". Насколько страшно конкретно такое развитие событий, физики пока не объяснили. Но сама перспектива - создать вход в другую Вселенную - выглядит заманчиво.

КСТАТИ

Мы живем внутри футбольного мяча

Еще недавно ученые предлагали множество вариантов формы нашего мира: от банального шара-пузыря, до тора-бублика, параболоида. Или даже … чашки с ручкой. Ну, не видно с Земли, как выглядит Вселенная со стороны. Однако теперь, приглядевшись к картине распределения реликтового излучения, астрофизики сделали вывод: Вселенная похожа на футбольный мяч, "сшитый" из пятиугольников - додекаэдров, по научному.

- "Мяч",конечно, огромный, - говорит Дуглас Скотт из Университета Британской Колумбии (Канада), - но не настолько, чтобы считать его бесконечным.

Ученые снова ссылаются на странный порядок распределения "холодных" и "горячих" участков. И полагают, что "узор" такого масштаба мог возникнуть лишь в ограниченной по размерам Вселенной. Из вычислений следует: от края до края всего-то 70 миллиардов световых лет.

А что там за краем? Об этом предпочитают не думать. Объясняют: пространство словно бы замкнуто само на себя. И тот "мяч", в котором мы живем, будто бы "зеркальный" изнутри. И если послать с Земли луч в любую сторону, то он обязательно когда-нибудь вернется обратно. А некоторые лучи якобы уже вернулись, отразившись от "зеркального края". И не по одному разу. Мол, от этого астрономы видят некоторые (одни и те же) галактики в разных частях небосвода. Да еще и с разных сторон.

Книга «Вселенная. Руководство по эксплуатации» - идеальный путеводитель по самым важным - и, конечно, самым упоительным - вопросам современной физики: «Возможны ли путешествия во времени?», «Существуют ли параллельные вселенные?», «Если вселенная расширяется, то куда она расширяется?», «Что будет, если, разогнавшись до скорости света, посмотреть на себя в зеркало?», «Зачем нужны коллайдеры частиц и почему они должны работать постоянно? Разве в них не повторяют без конца одни и те же эксперименты?». Юмор, парадоксальность, увлекательность и доступность изложения ставят эту книгу на одну полку с бестселлерами Г. Перельмана, С. Хокинга, Б. Брайсона и Б. Грина! Настоящий подарок для всех, кого интересует современная наука, - от любознательного старшеклассника до его любимого учителя, от студента-филолога до доктора физико-математических наук!

Что за ними, не видно, но мы знаем, как выглядит Вселенная сейчас и как она выглядела в каждый момент времени с ранних стадий до сегодняшнего дня, поэтому можем догадаться, что находится за этой космической шторой. Так и подмывает за нее заглянуть, правда?

Так вот, хотя заглянуть за горизонт мы не в силах, зато видим достаточно много, чтобы удовлетворять собственное и чужое любопытство за государственный счет. Самое прекрасное - чем дольше мы ждем, тем старше становится Вселенная и тем дальше отодвигается горизонт. Иначе говоря, существуют далекие уголки Вселенной, чей свет доходит до нас только сейчас.

А что же находится за горизонтом? Этого никто не знает, но мы вправе делать обоснованные догадки. Помните, что Коперник и его последователи ясно показали нам; «Когда куда-нибудь идешь, то все равно куда-нибудь придешь», поэтому можно предположить, что за горизонтом Вселенная выглядит примерно так же, как и здесь. Конечно, там будут другие галактики, но их окажется примерно столько же, что и вокруг нас, и выглядеть они будут примерно так же, как и наши соседки. Но это не обязательно правда. Мы выдвигаем такое предположение, поскольку у нас нет причин думать иначе.

Как выглядит Вселенная на очень больших расстояниях, в областях, недоступных наблюдению? И есть ли предел тому, как далеко мы можем заглянуть? Наш космический горизонт определяется расстоянием до самых далеких объектов, свет которых успел прийти к нам за 14 миллиардов лет с момента Большого взрыва. Из-за ускоренного расширения Вселенной эти объекты сейчас удалены уже на 40 миллиардов световых лет. От более далеких объектов свет к нам еще не дошел. Так что же находится там, за горизонтом? Фото: SPL/EAST NEWS

Одна Вселенная или множество?

Как выглядит Вселенная на очень больших расстояниях, в областях, недоступных наблюдению? И есть ли предел тому, как далеко мы можем заглянуть? Наш космический горизонт определяется расстоянием до самых далеких объектов, свет которых успел прийти к нам за 14 миллиардов лет с момента Большого взрыва. Из-за ускоренного расширения Вселенной эти объекты сейчас удалены уже на 40 миллиардов световых лет. От более далеких объектов свет к нам еще не дошел. Так что же находится там, за горизонтом? До недавнего времени физики давали очень простой ответ на этот вопрос: там все то же самое — такие же галактики, такие же звезды. Но современные достижения в космологии и физике элементарных частиц позволили пересмотреть эти представления. В новой картине мира отдаленные области Вселенной разительно отличаются от того, что мы видим вокруг себя, и могут даже подчиняться иным законам физики.

Новые представления основаны на теории космической инфляции. Попробуем разъяснить ее суть. Начнем с краткого обзора стандартной космологии Большого взрыва, которая была доминирующей теорией до открытия инфляции.

Согласно теории Большого взрыва Вселенная началась с колоссальной катастрофы, которая разразилась около 14 миллиардов лет назад. Большой взрыв случился не в каком-то определенном месте Вселенной, а сразу везде. В то время не было звезд, галактик и даже атомов, и Вселенную заполнял очень горячий плотный и быстро расширяющийся сгусток материи и излучения. Увеличиваясь в размерах, он остывал. Примерно три минуты спустя после Большого взрыва температура снизилась достаточно для формирования атомных ядер, а через полмиллиона лет электроны и ядра объединились в электрически нейтральные атомы и Вселенная стала прозрачна для света. Это позволяет нам сегодня регистрировать свет, испущенный огненным сгустком. Он приходит со всех направлений на небе и называется космическим фоновым излучением.

Первоначально огненный сгусток был почти идеально однородным. Но крошечные неоднородности в нем все-таки были: в некоторых областях плотность была чуть выше, чем в других. Эти неоднородности росли, стягивая своей гравитацией все больше вещества из окружающего пространства, и за миллиарды лет превратились в галактики. И лишь совсем недавно по космическим меркам на сцене появились мы, люди.

В пользу теории Большого взрыва говорит множество наблюдательных данных, не оставляющих сомнений в том, что этот сценарий в основном корректен. Прежде всего мы видим, как далекие галактики разбегаются от нас с очень большими скоростями, что указывает на расширение Вселенной. Также теория Большого взрыва объясняет распространенность во Вселенной легких элементов, таких как гелий и литий. Но самой главной уликой, можно сказать, дымящимся стволом Большого взрыва, служит космическое фоновое излучение - послесвечение первичного огненного шара, до сих пор позволяющее его наблюдать и исследовать. За его изучение присуждены уже две Нобелевские премии.

Итак, мы, похоже, располагаем весьма успешной теорией. И все же она оставляет без ответа некоторые интригующие вопросы, касающиеся начального состояния Вселенной сразу после Большого взрыва. Почему Вселенная была такой горячей? Почему она стала расширяться? Почему она была такой однородной? И, наконец, что было с ней до Большого взрыва?

На все эти вопросы отвечает теория инфляции, которую Алан Гут выдвинул 28 лет назад.

Космическая инфляция

Центральную роль в этой теории играет особая форма материи, называемая ложным вакуумом. В обыденном понимании этого слова вакуум - просто абсолютно пустое пространство. Но для физиков, занимающихся элементарными частицами, вакуум - далеко не полное ничто, а физический объект, обладающий энергией и давлением, который может находиться в различных энергетических состояниях. Физики называют эти состояния разными вакуумами, от их характеристик зависят свойства элементарных частиц, которые могут в них существовать. Связь между частицами и вакуумом подобна связи звуковых волн с веществом, по которому они распространяются: в разных материалах скорость звука неодинакова. Мы живем в очень низкоэнергетическом вакууме, и долгое время физики считали, что энергия нашего вакуума в точности равна нулю. Однако недавно наблюдения показали, что он обладает немного отличной от нуля энергией (она получила название темной энергии).

Современные теории элементарных частиц предсказывают, что помимо нашего вакуума существует ряд других, высокоэнергетических вакуумов, называемых ложными. Наряду с очень высокой энергией ложный вакуум характеризуется большим отрицательным давлением, которое называют натяжением. Это то же самое, что растянуть кусок резины: появляется натяжение - сила, направленная внутрь, которая заставляет резину сжиматься.

Но самое странное свойство ложного вакуума - это его отталкивающая гравитация. Согласно общей теории относительности Эйнштейна гравитационные силы вызываются не только массой (то есть энергией), но также и давлением. Положительное давление вызывает гравитационное притяжение, а отрицательное ведет к отталкиванию. В случае вакуума отталкивающее действие давления превосходит притягивающую силу, связанную с его энергией, и в сумме получается отталкивание. И чем выше энергия вакуума, тем оно сильнее.

А еще ложный вакуум нестабилен и обычно очень быстро распадается, превращаясь в низкоэнергетический вакуум. Избыток энергии идет на порождение огненного сгустка элементарных частиц. Тут важно подчеркнуть, что Алан Гут не изобретал ложный вакуум со столь странными свойствами специально для своей теории. Его существование следует из физики элементарных частиц.

Гут просто предположил, что в самом начале истории Вселенной пространство находилось в состоянии ложного вакуума. Почему так случилось? Хороший вопрос, и тут есть что сказать, но мы вернемся к этому вопросу в конце статьи. А пока предположим вслед за Гутом, что молодая Вселенная была заполнена ложным вакуумом. В таком случае вызываемая им отталкивающая гравитация привела бы к очень быстрому ускоряющемуся расширению Вселенной. При таком типе расширения, который Гут назвал инфляцией, существует характерное время удвоения, за которое размер Вселенной увеличивается в два раза. Это похоже на инфляцию в экономике: если ее темпы постоянны, то цены удваиваются, скажем, за 10 лет. Космологическая инфляция идет намного быстрее, с такой скоростью, что за малую долю секунды крошечная область поперечником меньше атома раздувается до размеров, превышающих наблюдаемую сегодня часть Вселенной.

Поскольку ложный вакуум нестабилен, он в итоге распадется, порождая огненный сгусток, и на этом инфляция заканчивается. Распад ложного вакуума играет в этой теории роль Большого взрыва. С этого момента Вселенная развивается в соответствии с представлениями стандартной космологии Большого взрыва.

От умозрения к теории

Теория инфляции естественным образом объясняет особенности начального состояния, которые прежде казались такими загадочными. Высокая температура возникает из-за высокой энергии ложного вакуума. Расширение связано с отталкивающей гравитацией, которая заставляет ложный вакуум расширяться, а огненный сгусток продолжает расширяться по инерции. Вселенная однородна потому, что ложный вакуум везде имеет строго одинаковую плотность энергии (за исключением малых неоднородностей, которые связаны с квантовыми флуктуациями в ложном вакууме).

Когда теория инфляции впервые была обнародована, ее восприняли лишь как умозрительную гипотезу. Но теперь, спустя 28 лет, она получила впечатляющие наблюдательные подтверждения, большинство из которых связано с космическим фоновым излучением. Спутник WMAP построил карту интенсивности излучения для всего неба и обнаружил, что видимый на ней пятнистый узор находится в безупречном согласии с теорией.

Есть и еще одно предсказание инфляции, состоящее в том, что Вселенная должна быть почти плоской. Согласно общей теории относительности Эйнштейна пространство может быть искривлено, однако теория инфляции предсказывает, что наблюдаемая нами область Вселенной должна с высокой точностью описываться плоской, евклидовой, геометрией. Вообразите искривленную поверхность сферы.

Теперь мысленно увеличьте эту поверхность в огромное число раз. Это как раз то, что случилось со Вселенной во время инфляции. Нам видна лишь крошечная часть этой огромной сферы. И она кажется плоской точно так же, как Земля, когда мы рассматриваем небольшой ее участок. То, что геометрия Вселенной плоская, было проверено путем измерения углов гигантского треугольника размером почти до космического горизонта. Их сумма составила 180 градусов, как и должно быть при плоской, евклидовой, геометрии.

Теперь, когда данные, полученные в наблюдаемой нами области Вселенной, подтвердили теорию инфляции, можно в какой-то степени доверять тому, что она говорит нам о регионах, недоступных для наблюдения. Это возвращает нас к вопросу, с которого мы начали: что лежит за нашим космическим горизонтом?

Мир бесконечных двойников

Ответ, который дает теория, довольно неожиданный: хотя в нашей части космоса инфляция закончилась, во Вселенной в целом она продолжается. То там, то здесь в ее толще случаются «большие взрывы», в которых распадается ложный вакуум и возникает область космоса, подобная нашей. Но инфляция никогда не закончится полностью, во всей Вселенной. Дело в том, что распад вакуума - вероятностный процесс, и в разных областях он случается в разное время. Выходит, Большой взрыв не был уникальным событием в нашем прошлом. Множество «взрывов» случилось прежде и несчетное число еще произойдет в будущем. Этот никогда не кончающийся процесс называется вечной инфляцией.

Можно попробовать представить, как бы выглядела инфлирующая Вселенная, если взглянуть на нее со стороны. Пространство было бы заполнено ложным вакуумом и очень быстро расширялось во все стороны. Распад ложного вакуума похож на закипание воды. То там, то здесь спонтанно возникают пузыри низкоэнергетического вакуума. Едва зародившись, пузыри начинают расширяться со скоростью света. Но они очень редко сталкиваются, поскольку пространство между ними расширяется еще быстрее, образуя место для все новых и новых пузырей. Мы живем в одном из них и видим только малую его часть.

К сожалению, путешествия в другие пузыри невозможны. Даже забравшись в космический корабль и двигаясь почти со скоростью света, нам не угнаться за расширяющимися границами нашего пузыря. Так что мы являемся его пленниками. С практической точки зрения каждый пузырь является самодостаточной отдельной вселенной, у которой нет связи с другими пузырями. В ходе вечной инфляции порождается бесконечное число таких пузырей-вселенных.

Но если нельзя добраться до других пузырей-вселенных, как же убедиться, что они действительно существуют? Одна из впечатляющих возможностей - наблюдение за столкновением пузырей. Если бы другой пузырь ударился в наш, это оказало бы заметное воздействие на наблюдаемое космическое фоновое излучение. Проблема, однако, в том, что столкновения пузырей очень редки, и не факт, что такое событие случалось в пределах нашего горизонта.

Удивительный вывод следует из этой картины мира: поскольку число вселенных-пузырей бесконечно и каждая из них неограниченно расширяется, в них будет содержаться бесконечное число областей размером с наш горизонт. У каждой такой области будет своя история. Под «историей» имеется в виду все, что случилось, вплоть до мельчайших событий, таких как столкновение двух атомов. Ключевой момент состоит в том, что число различных историй, которые могут иметь место, - конечно. Как это возможно? Например, я могу подвинуть свой стул на один сантиметр, на полсантиметра, на четверть и так далее: кажется, что уже здесь таится неограниченное число историй, поскольку я могу сдвинуть стул бесконечным числом разных способов на сколь угодно малое расстояние. Однако из-за квантовой неопределенности слишком близкие друг к другу истории принципиально невозможно различить. Таким образом, квантовая механика говорит нам, что число различных историй конечно. С момента Большого взрыва для наблюдаемой нами области оно составляет примерно 10, возведенное в степень 10150. Это невообразимо большое число, но важно подчеркнуть, что оно не бесконечно.

Итак, ограниченное количество историй разворачивается в бесконечном числе областей. Неизбежен вывод, что каждая история повторяется бесконечное число раз. В частности, существует бесконечное число земель с такими же историями, как у нашей. Это значит, что десятки ваших дублей сейчас читают эту фразу. Должны существовать также области, истории которых в чем-то отличаются, реализуя все возможные вариации. Например, есть области, в которых изменена лишь кличка вашей собаки, а есть другие, где по Земле до сих пор ходят динозавры. Хотя, конечно, в большинстве областей нет ничего похожего на нашу Землю: ведь куда больше способов отличаться от нашего космоса, чем быть на него похожим. Эта картина может показаться несколько угнетающей, но ее очень трудно избежать, если признается теория инфляции.

Пузыри мультиверса

До сих пор мы предполагали, что другие вселенные-пузыри похожи между собой по своим физическим свойствам. Но это необязательно должно быть так. Свойства нашего мира определяются набором чисел, называемых фундаментальными постоянными. Среди них Ньютонова гравитационная постоянная, массы элементарных частиц, их электрические заряды и тому подобное. Всего существует около 30 таких констант, и возникает вполне естественный вопрос: почему у них именно такие значения, которые есть? Долгое время физики мечтали, что однажды смогут вывести значения констант из некой фундаментальной теории. Но существенного прогресса на этом пути достигнуто не было.

Если выписать на листок бумаги значения известных фундаментальных постоянных, они покажутся совершенно случайными. Некоторые из них очень малы, другие велики, и за этим набором чисел не просматривается никакого порядка. Однако в них все же была замечена система, хотя и несколько иного рода, чем надеялись обнаружить физики. Значения констант, похоже, тщательно «подобраны» для обеспечения нашего существования. Это наблюдение получило название антропного принципа. Константы будто специально тонко настроены Творцом, чтобы создать подходящую для жизни Вселенную - это как раз то, о чем говорят нам сторонники учения о разумном замысле.

Но существует иная возможность, рисующая совсем другой образ Творца: он произвольным образом порождает множество вселенных, и чисто случайно некоторые из них оказываются пригодными для жизни. Появившиеся в таких редких вселенных разумные наблюдатели обнаруживают чудесную тонкую настройку констант. В этой картине мира, называемой Мультиверсом, большинство пузырей бесплодно, но в них нет никого, кто мог бы на это пожаловаться.

Но как проверить концепцию Мультиверса? Прямые наблюдения ничего не дадут, поскольку мы не можем путешествовать в другие пузыри. Можно, однако, как в криминальном расследовании, найти косвенные улики. Если константы изменяются от одной вселенной к другой, их значения у нас нельзя точно предсказать, но можно сделать вероятностные предсказания. Можно спросить: какие значения обнаружит среднестатистический наблюдатель? Это аналогично попытке предсказать рост первого встречного человека на улице. Вряд ли он окажется гигантом или карликом, поэтому если дать прогноз, что его рост будет где-то около среднего, мы, как правило, не ошибемся. Аналогично и с фундаментальными постоянными: нет оснований думать, что их значения в нашей области космоса очень велики или малы, иными словами, они существенно отличаются от тех, что измерит большинство наблюдателей во Вселенной. Предположение о нашей неисключительности - это важная идея; я назвал ее принципом заурядности.

Этот подход был применен к так называемой космологической постоянной, которая характеризует плотность энергии нашего вакуума. Значение этой постоянной, полученное из астрономических наблюдений, оказалось в хорошем согласии с предсказаниями, основанными на концепции Мультиверса. Это стало первым свидетельством существования там, за горизонтом, поистине колоссальной вечно инфлирующей Вселенной. Это свидетельство, конечно, косвенное, каким только и могло быть. Но если нам посчастливится сделать еще несколько удачных предсказаний, то новую картину мира можно будет признать доказанной за пределами разумных сомнений.

Что было до большого взрыва?

А было ли у Вселенной начало? Мы описали безгранично расширяющийся космос, порождающий все новые «большие взрывы», но хотелось бы знать, всегда ли Вселенная была такой? Многие находят такую возможность весьма привлекательной, поскольку она избавляет от некоторых трудных вопросов, связанных с началом Вселенной. Когда Вселенная уже существует, ее эволюция описывается законами физики. Но как описывать ее начало? Что заставило Вселенную появиться? И кто задал ей начальные условия? Было бы весьма удобно сказать, что Вселенная всегда пребывает в состоянии вечной инфляции без конца и без начала.

Эта идея, однако, сталкивается с неожиданным препятствием. Арвинд Борд и Алан Гут доказали теорему, которая утверждает, что хотя инфляция вечна в будущем, она не может быть вечной в прошлом, а это значит, что у нее должно быть какое-то начало. И каково бы оно ни было, мы можем продолжать спрашивать: а что было до того? Получается, что один из основных вопросов космологии - с чего началась Вселенная? - так и не получил удовлетворительного ответа.

Единственный предложенный до сих пор способ обойти эту проблему бесконечной регрессии состоит в том, что Вселенная могла быть спонтанно создана из ничего. Часто говорят: ничто не может появиться из ничего. Действительно, материя обладает положительной энергией, и закон ее сохранения требует, чтобы в любом начальном состоянии энергия была такой же. Однако математический факт состоит в том, что замкнутая вселенная обладает нулевой энергией. В общей теории относительности Эйнштейна пространство может быть искривленным и замыкаться на себя подобно поверхности сферы. Если в такой замкнутой вселенной двигаться все время в одну сторону, то в конце концов вернешься туда, откуда стартовал, - точно так же, как возвращаешься в исходную точку, обойдя вокруг Земли. Энергия материи положительна, но энергия гравитации - отрицательна, и можно строго доказать, что в замкнутой вселенной их вклады в точности компенсируют друг друга, так что полная энергия замкнутой вселенной равна нулю. Другая сохраняющаяся величина - электрический заряд. И тут тоже оказывается, что полный заряд замкнутой вселенной должен быть нулевым.

Если все сохраняющиеся величины в замкнутой вселенной равны нулю, то ничто не препятствует ее спонтанному появлению из ничего. В квантовой механике любой процесс, который не запрещен строгими законами сохранения, с некоторой вероятностью будет происходить. А значит, замкнутые вселенные должны появляться из ничего подобно пузырькам в бокале шампанского. Эти новорожденные вселенные могут быть разного размера и заполнены разными типами вакуума. Анализ показывает, что наиболее вероятные вселенные имеют минимальные начальные размеры и наивысшую энергию вакуума. Стоит появиться такой вселенной, как немедленно под влиянием высокой энергии вакуума она начинает расширяться. Именно так и начинается история вечной инфляции.

Космология Блаженного Августина

Следует оговориться, что аналогия между возникающими из ничего вселенными и пузырьками шампанского не совсем точна. Пузырьки рождаются в жидкости, а у вселенной нет никакого окружающего пространства. Зародившаяся замкнутая вселенная - это и есть все имеющееся пространство. До ее появления никакого пространства не существует, как не существует и времени. В общей теории относительности пространство и время связаны в единую сущность, называемую «пространством-временем», и время начинает свой отсчет лишь после того, как появляется Вселенная.

Нечто подобное много столетий назад было описано Августином Блаженным. Он пытался понять, что делал Бог до того, как создал небеса и землю. Свои размышления над этой проблемой Августин изложил в замечательной книге «Исповедь». Вывод, к которому он в итоге пришел, состоит в том, что Бог должен был создать время вместе со Вселенной. До того не было времени, а значит, бессмысленно спрашивать, что было раньше. Это очень похоже на ответ, который дает современная космология.

Вы можете спросить: что заставило Вселенную появиться из ничего? Как это ни удивительно, никакой причины не требуется. Если взять радиоактивный атом, он распадется, и квантовая механика предсказывает вероятность его распада за определенный интервал времени, скажем, за минуту. Но если спросить, почему атом распался именно в данный конкретный момент, а не в другой, то ответ будет состоять в том, что не было никакой причины: этот процесс совершенно случаен. Аналогично не требуется причины и для квантового создания Вселенной.

Законы физики, которые описывают квантовое рождение Вселенной, - те же самые, что описывают ее последующую эволюцию. Из этого, по-видимому, следует, что законы существовали в некотором смысле прежде, чем возникла Вселенная. Иными словами, законы, похоже, не являются описанием Вселенной, а обладают неким платоновским существованием, помимо самой Вселенной. Мы пока не знаем, как это понимать.

Александр Виленкин - директор Института космологии в Университете Тафтса (Бостон, штат Массачусетс). Он окончил Харьковский университет в 1971 году, в 1976-м эмигрировал из СССР, в 1978-м стал профессором Университета Тафтса. Виленкин - один из ведущих современных космологов, автор концепции вечной инфляции, появившейся как развитие инфляционной космологии Алана Гута, совместно с которым написал ряд научных работ. Известна полемика между Александром Виленкиным и Стивеном Хокингом по вопросу о том, как именно случилось квантовое рождение Вселенной. Виленкин является сторонником антропного принципа, согласно которому существует множество вселенных и лишь немногие из них пригодны для жизни разумных обитателей. Причем Виленкин считает, что из антропного принципа можно получить нетривиальные предсказания, позволяющие подтвердить существование недоступных наблюдению вселенных. Бурные дискуссии вызвала научно-популярная книга Александра Виленкина «Мир множества миров: в поисках других вселенных», опубликованная на английском языке. В этом году она выходит на русском.

Симуляция крупномасштабной структуры Вселенной демонстрирует сложные неповторяющиеся скопления. Но с нашей точки зрения мы можем видеть конечный объём Вселенной. Что лежит за его пределами?

13,8 млрд лет назад известная нам Вселенная началась с Большого взрыва. За это время расширилось пространство, материя испытывала гравитационное притяжение, и в результате мы получили такую Вселенную, какую наблюдаем сегодня. Но пусть она и огромна, у наших наблюдений есть пределы. На определённом расстоянии галактики исчезают, звёзды тускнеют, и никаких сигналов от удалённых частей Вселенной мы не получаем. А что же находится за этим пределом? На этой неделе читатель спрашивает:

Если Вселенная конечна в объёме, где находится её граница? Можно ли к ней приблизиться? Как она будет выглядеть?

В непосредственной близости от нас Вселенная полна звёзд. Если улететь за 100 000 световых лет, то можно оставить за собой Млечный Путь. За ним простирается море галактик - возможно, два триллиона внутри наблюдаемой Вселенной. Существует огромное количество их разновидностей, форм, размеров и масс. Но разглядывая более удалённые галактики, можно увидеть нечто необычное: чем дальше галактика, тем вероятнее то, что она будет меньше по размеру и по массе, а её звёзды будут тяготеть к голубому цвету сильнее, чем у ближайших галактик.

Чем отличаются галактики в разное время истории Вселенной

Это имеет смысл при условии наличия у Вселенной начала: дня рождения. Именно этим и был Большой взрыв, день, когда родилась известная нам Вселенная. Возраст галактики, находящейся относительно недалеко от нашей, совпадает с нашим возрастом. Но рассматривая галактику, находящуюся в миллиардах световых лет от нас, мы видим свет, которому пришлось идти миллиарды лет, прежде чем он достиг наших глаз. Возраст галактики, свету которой потребовалось 13 млрд лет на то, чтобы дойти до нас, должен быть менее миллиарда лет, и заглядывая всё дальше в пространство мы, по сути, заглядываем в прошлое.

Композит из ультрафиолетового, видимого и инфракрасного света, полученный проектом Хаббла eXtreme Deep Field - величайшее из выпущенных изображение далёкой Вселенной

Выше приведено изображение проекта Хаббл eXtreme Deep Field (XDF), глубочайшее изображение удалённой Вселенной. На нём видны тысячи галактик, находящиеся на сильно различных расстояниях от нас и друг от друга. Но в простом цвете нельзя увидеть, что с каждой галактикой связан определённый спектр, в котором облака газа поглощают свет совершенно определённых длин волн, благодаря простой физике атома. С расширением Вселенной эта длина растягивается, поэтому более дальние галактики кажутся нам более красными. Эта физика позволяет нам делать предположения о расстоянии до них, и когда мы расставляем эти расстояния, выясняется, что самыми удалёнными галактиками оказываются самые молодые и мелкие.

За галактиками должны находиться первые звёзды, а затем ничего, кроме нейтрального газа - когда у Вселенной не было времени стянуть материю в достаточно плотные для формирования звёзд структуры. Пройдя ещё на несколько миллионов лет назад, мы увидим, что излучение во Вселенной было настолько горячим, что там не могли сформироваться нейтральные атомы, а значит фотоны постоянно отскакивали от заряженных частиц. Когда же нейтральные атомы сформировались, этот свет должен был просто пойти по прямой линии, и идти вечно, поскольку на него не влияет ничего, кроме расширения Вселенной. Открытие этого остаточного свечения - реликтового излучения - более 50 лет назад стало окончательным подтверждением Большого взрыва.

Систематическая диаграмма истории Вселенной, описывающая реионизацию . До формирования звёзд и галактик Вселенная была наполнена нейтральными атомами, блокировавшими свет. И хотя большая часть Вселенной подверглась реионизации только спустя 550 млн лет, некоторые более удачливые участки практически реионизировались раньше этого срока.

С нашего сегодняшнего местоположения мы можем посмотреть в любом направлении и увидеть одинаковый ход космической истории. Сегодня, спустя 13,8 млрд лет после Большого взрыва, у нас есть известные нам галактики и звёзды. Раньше галактики были меньше, голубее, моложе и не такие развитые. До того были первые звёзды, а до этого - только нейтральные атомы. До нейтральных атомов была ионизированная плазма, а до неё - свободные протоны и нейтроны, спонтанное возникновение материи и антиматерии, свободные кварки и глюоны, все нестабильные частицы Стандартной Модели, и, наконец, сам момент Большого взрыва. Заглядывать на всё более дальние расстояния - это всё равно, что заглядывать в прошлое.

Представление художника в виде логарифмической концепции наблюдаемой Вселенной. За галактиками следует крупномасштабная структура и горячая, плотная плазма Большого взрыва на задворках. Край является границей только во времени.

Хотя это определяет нашу наблюдаемую Вселенную - с теоретической границей Большого взрыва, находящейся в - это не будет какой-то реальной границей пространства. Это просто граница во времени; существуют ограничения того, что мы можем увидеть, поскольку скорость света позволила информации путешествовать только 13,8 млрд лет с момента горячего Большого взрыва. Это расстояние больше 13,8 млрд световых лет, поскольку ткань Вселенной расширялась (и продолжает расширяться), но оно всё равно конечно. Но что насчёт времени до Большого взрыва? Что бы вы увидели, если бы как-то попали за одну долю секунды до того, как Вселенная обладала высочайшей из энергий, была плотной, горячей, полной материи, антиматерии и излучения?

Инфляция обеспечила горячий Большой взрыв и дала рост наблюдаемой Вселенной, к которой у нас есть доступ. Флуктуации инфляции заронили семена, выросшие в имеющуюся у неё сегодня структуру

Вы бы обнаружили состояние космической инфляции, в котором Вселенная расширялась чрезвычайно быстро, и в котором доминировала энергия, присущая самому пространству. Пространство в это время экспоненциально расширялось, было растянуто до плоского состояния, приобрело одинаковые свойства во всех местах, существовавшие тогда частицы были разбросаны в разные стороны, а флуктуации, присущие квантовым полям, были растянуты по всей Вселенной. Когда инфляция закончилась в том месте, где находимся мы, горячий Большой взрыв наполнил Вселенную материей и излучением, и породил ту часть Вселенной - наблюдаемую Вселенную - которую мы видим сегодня. И вот, 13,8 млрд лет спустя, мы имеем то, что имеем.

Наблюдаемая Вселенная может простираться на 46 млрд световых лет во все стороны с нашей точки зрения, но наверняка есть и больше ненаблюдаемых частей Вселенной, возможно, даже бесконечное количество, похожих на ту, в которой находимся мы

Наше расположение ничем особенным не отличается, ни в пространстве, ни во времени. То, что мы можем видеть на 46 млрд световых лет, не придаёт какого-то особого значения этой границе или этому местоположению. Это просто ограничение нашего поля зрения. Если бы мы каким-то образом смогли сделать фотографию всей Вселенной, простирающуюся за наблюдаемую границу, такой, какой она стала через 13,8 млрд лет после Большого взрыва, она бы вся выглядела так, как наша ближайшая часть. В ней была бы великая космическая сеть галактик, скоплений, галактических нитей , космических войдов , простирающихся за пределы относительно небольшого участка, видимого нам. Любой наблюдатель в любом месте увидел бы Вселенную, очень похожую на ту, что мы видим со своей точки зрения.

Одно из самых удалённых наблюдений Вселенной демонстрирует расположенные неподалёку звёзды и галактики, но галактики из внешних участков просто выглядят моложе и менее развитыми. С их точки зрения им 13,8 млрд лет от роду, и они более развитые, а мы кажемся им такими, какими были миллиарды лет назад

Отдельные детали отличались бы, как отличаются детали нашей Солнечной системы, Галактики, местной группы и т.п. от деталей другого наблюдателя. Но Вселенная не ограничена в объёме - ограничена только её наблюдаемая нами часть. Причиной тому временная граница - Большой взрыв - отделяющая нас от остальной части. Мы можем приблизиться к ней только при помощи телескопов, заглядывающих в ранние дни Вселенной, и в теории. Пока мы не придумаем, как обхитрить текущее в одну сторону время, это будет нашим единственным подходом к пониманию «границы» Вселенной. Но в космосе никаких границ нет. Насколько мы знаем, некто на краю нашей наблюдаемой Вселенной просто увидел бы нас на краю своей наблюдаемой Вселенной!