Вселенная. Руководство по эксплуатации - Дэйв Голдберг

Продолжим наш извращенный эксперимент: все три цивилизации передают свои данные об углах друг другу. Теперь (ну, или через миллиард с чем-то лет) каждая из них знает величину внутренних углов равностороннего треугольника в пространстве.

Если нарисовать такой треугольник на листе бумаги, то заранее ясно, что каждый угол будет равен 60 градусам. Это схема того, что произошло бы в плоском мире, а мир был бы именно плоским, если бы ΩTOT составляла ровно 100 %.. Хорошо жить в плоских вселенных — там вполне можно положиться на интуицию.

Однако вселенная не обязательно должна быть плоской. Помните, что сказал нам Уилер, — что материя диктует пространству, как искривляться? Если ΩTOT больше, чем 100 %, как это было бы, если бы во вселенной имелось гораздо больше вещества, космологи говорят, что вселенная «замкнута». На самом деле представить себе замкнутую геометрию проще простого. Она ведет себя практически как поверхность Земли. Если соединить три точки в треугольник, станет видно, что сумма его углов больше 180 градусов.

Извините за такое заумное геометрическое объяснение — просто нам хочется рассказать про наши треугольники еще одну пикантную сплетню. Возьмите галактику и поместите ее подальше от Земли в плоской вселенной, а затем (если существуют параллельные вселенные) проделайте то же самое в замкнутой вселенной. В замкнутой вселенной галактика покажется крупнее.

Пора устроить небольшой опрос. Если вселенные, в которых ΩTOT больше 100 %, замкнутые, как вы думаете, как называются вселенные, в которых ΩTOT меньше 100 %? Если вы ответили: «Открытые», мы завтрашней же почтой вышлем вам диплом кандидата наук. Как и ожидается, открытые вселенные обладают таким качеством, что далекие объекты в них кажутся меньше, чем в плоской вселенной.

В какой же вселенной мы живем? Если верить нашим космологическим наблюдениям, то в плоской или со крайней мере в почти совсем плоской. На практике нет никакой разницы между плоской и почти плоской вселенной. Это все равно что находиться на поверхности Земли. Земля, конечно, круглая, но в повседневной жизни об этом запросто можно забыть.

Замкнутые вселенные — единственный тип вселенных, имеющий границы. Мы не хотим сказать, что можно дойти до конца такой вселенной. Просто она как сфера — если долго-долго идти по ней, то в конце концов придешь туда, откуда вышел, но ни в какую границу при этом не упрешься.

С другой стороны, плоские (и открытые) вселенные принято считать бесконечными. Объяснить, что это на самом деле значит, не так-то просто, но в этом случае края у вселенной точно нет. Кроме того, это, вероятно, означает, что вселенная именно что бесконечна — в буквальном смысле. То есть по ней можно путешествовать вечно и не побывать дважды в одном и том же месте.

А может быть, и нет.

Общая теория относительности, в сущности, описывает так называемую геометрию вселенной. Если свернуть лист бумаги в трубку, он останется листом бумаги, то есть с геометрической точки зрения он по-прежнему «плоский». Все, что мы тут наговорили о треугольниках, справедливо для листа бумаги, скатанного в шар.

Не исключено, что вселенная свернута сама на себя, примерно как лист бумаги в трубку. Это называется «топология вселенной», и у нас нет ни одной физической теории, которая говорила бы, свернута вселенная или нет и если да, то как именно.

В принципе, доктор Калачик мог бы посмотреть в ночное небо и увидеть кланконскую звезду на противоположных сторонах небосвода. В 1998 году Нил Корниш из Университета штата Монтана и его сотрудники решили посмотреть, не наблюдается ли подобный феномен в виде сигналов на микроволновом уровне — то есть на уровне отголосков Большого взрыва. Нет, таких сигналов обнаружено не было. Это не означает, что вселенная не свернута, но если она свернута, то это происходит на масштабах куда дальше горизонта.

VIII. Куда расширяется Вселенная?

Может показаться, будто все эти разговоры о геометрии и динамике к делу не относятся. Однако теперь мы готовы разобраться, куда же на самом деле расширяется Вселенная. Беда в том, что общая теория относительности и наши наблюдения на этот вопрос не отвечают. Помните: физика говорит нам только о том, что происходит при определенных обстоятельствах, а не о том, как на самом деле устроена Вселенная на фундаментальном уровне. А у космологии вообще свои проблемы. Мы же в принципе наблюдаем только одну Вселенную. И если ответы вам не нравятся, вероятно, вы задаете неправильные вопросы.

Так вот, к сожалению, мы не можем дать вам определенного ответа на этот вопрос. Зато можем предоставить уйму поводов для размышления.

Итак, куда расширяется Вселенная? Выбирайте.

А. Никуда.

По нашему мнению, это самый лучший ответ. Если вспомнить о том, как устроена общая теория относительности, единственное, что определяет устройство пространства, — это метрика, то есть то, насколько отстоят друг от друга две точки. В результате никакого «вне вселенной» не существует. С этой точки зрения мы и писали данную главу. Можно лететь сколько угодно и так и не добраться до края. Даже ограниченная вселенная может быть свернута сама на себя.

Б. Неважно.

Мы понимаем, это не ответ. Но дело в том, что единственная наблюдаемая физика — это то, что происходит в пределах нашего горизонта. Вполне можно представить себе, что вне наблюдаемой Вселенной нет ничего, кроме полной пустоты, в которой нет никакой материи. Вероятно, там все фиолетовое в крапинку или плавают другие «островные вселенные», устроенные совсем не так, как наша.

Мы не знаем. Если это находится за пределами нашего горизонта, то и не узнаем никогда. Помните, что предположение Коперника о том, что в нас нет ничего особенного, предполагает, что Вселенная одна и та же, где бы ты ни находился, поэтому, вероятно, ничего интересного мы не пропускаем.

С другой стороны, Вселенная продолжает расширяться, и наши горизонты тоже раздвигаются, мы видим все больше и больше и все лучше и лучше понимаем, занимаем мы особое место во Вселенной или нет. В определенных рамках.

Случилось так, что в нашей Вселенной есть темная энергия, и хотя с течением времени обычная материя и темная материя проникают друг в друга все сильнее, темная энергия ни с чем не смешивается. Все это просто ускоряется, а значит, каждая конкретная точка в пространстве улетает от нас все быстрее и быстрее. А это значит, что в нашей Вселенной горизонт когда-нибудь совместится с некоторым максимально далеким горизонтом. Если дальше что-нибудь и есть, мы об этом никогда не узнаем.

В. Другие измерения?

Мы упоминали о вероятности того, что во Вселенной кроме привычных для нас измерений — вправо-влево, вверх-вниз и вперед-назад — есть и другие измерения. Конечно, еще одно измерение — это время, и в некотором смысле Вселенная расширяется и во время, но как физическая теория это ничего не дает.

В последние несколько десятилетий появился целый фейерверк моделей Вселенной, основанных более чем на трех пространственных измерениях, среди которых самая известная — теория струн, а самая сложная — М-теория, с которой мы познакомились в главе 4 и которая предполагает 10 измерений. Как вы помните, согласно теории струн, разница между частицами — чистой воды выдумка. По сути все частицы — это струны, и одна струна способна расщепиться на две, а две — слиться в одну[105].

Однако М-теория, в частности, предсказывает существование более сложных структур. Если «струна» в теории струн на самом деле представляет собой одномерную структуру, М-теория опирается на существование более сложных — двух- и трехмерных — «бран» (сокращение от «мембран»). Отдельные частицы, например фотоны, «прилипают» к конкретной бране.

Для нас главное то, что Вселенная в целом, вероятно, представляет собой просто гигантскую трехмерную брану, а мы движемся вокруг в пространстве с более высоким числом измерений. Вероятно, рядом парят и другие «вселенные», но поскольку наши фотоны «заключены» в нашей собственной бране, а их фотоны — в их бране, мы их не видим. М-теория предполагает, однако, что мы в состоянии их почувствовать — или по крайней мере ощутить их гравитационное воздействие, — а еще эти браны время от времени случайно сталкиваются, от чего наша «вселенная» погибает и возрождается.

В этом смысле наша Вселенная, наша «брана», возможно, на самом деле движется во вселенную с более высоким количеством измерений.

Итак, в конечном итоге Вселенная, по всей видимости, расширяется в никуда. Конечно, еще может оказаться, что то «вовне», куда мы расширяемся (или по крайней мере движемся), — это более высокие измерения, которые мы, вероятно, не в состоянии воспринять непосредственно. Ну что, достаточно «головокружительная картина Вселенной»?