Вопрос о том, где заканчивается Вселенная, долгое время оставался прерогативой чистой фантастики и умозрительной философии. Однако современная космология позволяет дать на него вполне строгий научный ответ. Ведущий научно-популярного канала Fermilab подробно объясняет, как с помощью анализа реликтового излучения и законов геометрии Эйнштейна физики смогли определить форму пространства и рассчитать минимальные истинные масштабы всего космоса — включая те его области, которые мы никогда не сможем увидеть.
🌌 Видимая граница: почему мы видим прошлое 0:38
Для начала необходимо провести четкую границу между всей Вселенной в целом и той её частью, которая видима с Земли. Главная причина существования этой границы — фундаментальное ограничение скорости света. В вакууме свет распространяется со скоростью около 300 000 километров в секунду. Из-за этого любой астрономический объект мы наблюдаем в его прошлом состоянии. Например, свет от Солнца доходит до Земли за восемь минут, то есть мы всегда видим наше светило таким, каким оно было восемь минут назад.
Если мысленно экстраполировать этот принцип, то вокруг Земли существует сфера радиусом в один световой год. Если бы мы могли одновременно зажечь мощные прожекторы на таком расстоянии, их вспышку мы бы увидели ровно через год. Самым старым событием во Вселенной по определению является момент её зарождения, произошедший 13,8 миллиарда лет назад.
Если бы пространство оставалось статичным и не расширялось, радиус доступной нам видимой Вселенной составлял бы ровно 13,8 миллиарда световых лет. Внутри этой воображаемой сферы свет успел дойти до наших приборов, а всё, что находится за её пределами, остается для нас невидимым.
Каждый день радиус этой сферы увеличивается ровно на один световой день, поскольку до Земли доходит излучение, прошедшее за сутки очередную дистанцию. Однако реальная картина сложнее, поскольку ткань пространства непрерывно расширяется.
📻 Реликтовое излучение: космический ископаемый свет 4:16
Человечество не может напрямую увидеть момент Большого взрыва. В первые мгновения своего существования Вселенная была настолько горячей и плотной, что свет просто не мог свободно проходить сквозь бурлящую плазму. Этот период можно сравнить с нахождением внутри раскаленной звезды.
Ситуация коренным образом изменилась примерно через 380 000 лет после Большого взрыва. Космос расширился и остыл до температуры около 3000 градусов Цельсия (5400 градусов Фаренгейта), благодаря чему пространство стало прозрачным для фотонов. В тот момент вся Вселенная буквально светилась от жара.
За миллиарды лет расширение пространства сильно растянуло световые волны, превратив некогда видимый белый свет в микроволновое излучение, невидимое для человеческого глаза. Сегодня этот древнейший след называют космическим микроволновым фоном, или реликтовым излучением (CMB). В современную эпоху средняя температура этого фона составляет всего 2,7 Кельвина (минус 270 градусов Цельсия).
Исследуя этот «ископаемый свет», ученые обнаружили, что температура реликтового излучения практически одинакова во всех точках, но имеет микроскопические флуктуации. Самые горячие и холодные участки отличаются от среднего значения всего на сотую долю процента. Космический телескоп Planck составил детальную карту этих флуктуаций неба, где синие точки обозначают области чуть холоднее средних значений, а красные — чуть горячее.
🎵 Звуковые волны ранней Вселенной и кривизна пространства 6:59
Как отмечает автор видео, эти крошечные температурные различия возникли не случайно: они были вызваны акустическими (звуковыми) волнами, бушевавшими в горячей плазме молодой Вселенной незадолго до того, как она стала прозрачной. Звук в плазме распространялся так же, как в воздухе — через колебания плотности вещества. Зная точную температуру той эпохи и измерив общее количество материи, физики смогли без каких-либо догадок рассчитать длину волны этих космических звуков.
Поскольку свойства вещества были детально изучены в земных лабораториях при аналогичных температурах, ученые получили точную модель реликтового звука. Регионы повышенной и пониженной плотности плазмы превратились в те самые остывшие и нагретые пятна на карте CMB. Расчеты показывают, что при наблюдении с Земли угловой размер наиболее распространенных флуктуаций (пятен) должен составлять ровно 1 градус — при условии, что наше пространство абсолютно плоское.
Здесь в силу вступает общая теория относительности Альберта Эйнштейна, согласно которой пространство и время могут изгибаться и деформироваться под воздействием материи. Для трехмерного пространства геометрию сложно представить наглядно, поэтому ведущий предлагает использовать двумерные аналогии:
- Плоское пространство — аналог гладкой поверхности стола.
- Закрытое (сферическое) пространство — аналог поверхности глобуса. Если идти по нему по прямой линии, в конце концов вернешься в исходную точку.
- Открытое (гиперболическое) пространство — аналог седла для верховой езды.
📐 Три формы Вселенной: аналогия с муравьями 9:05
Форма пространства напрямую влияет на то, как в нем распространяется свет. В плоском пространстве свет движется по строгим прямым линиям. Проиллюстрировать это можно на примере двух муравьев:
- В плоском пространстве два муравья, начав движение параллельно друг другу, всегда будут оставаться на одинаковом расстоянии.
- В закрытом (сферическом) пространстве параллельные прямые неизбежно пересекутся. Это похоже на линии меридианов, которые параллельны на экваторе, но сходятся на полюсах.
- В открытом (седловидном) пространстве траектории муравьев, запущенных параллельно, начнут со временем расходиться в разные стороны.
Этот геометрический закон искажает треугольники, образуемые лучами света, идущими от краев реликтовых пятен к линзе телескопа. Телескоп не видит весь путь луча, он фиксирует лишь финальный угол, под которым свет входит в объектив:
- В сферическом (закрытом) пространстве лучи света искривляются так, что угол у глаза наблюдателя оказывается больше, чем в плоском мире. Из-за этого одномерное пятно на карте реликтового излучения покажется нам крупнее 1 градуса.
- В седловидном (открытом) пространстве кривизна работает в обратную сторону: угол схождения лучей становится меньше, а значит, и сами пятна будут выглядеть меньше 1 градуса.
- В плоском пространстве угловой размер флуктуаций обязан остаться строго равным 1 градусу.
📏 Реальные масштабы: во сколько раз Вселенная больше видимой части 13:02
Данные космической обсерватории Planck и ряда других независимых экспериментов показали, что доминирующий угловой размер пятен реликтового излучения составляет ровно 1 градус. Из этого физики сделали вывод: наше пространство является плоским.
Однако, будучи экспериментальной наукой, физика всегда оперирует погрешностями. Утверждение «пространство плоское» означает лишь то, что результаты измерений идеально соответствуют плоскости в пределах точности приборов. Но они также оставляют место для ничтожно малой кривизны. Ведущий Fermilab приводит аналогию с человеком, стоящим на берегу океана: линия горизонта кажется ему абсолютно прямой и плоской, хотя Земля заведомо является шаром. То, что кажется плоским на малых масштабах, может оказаться частью гигантской сферы.
Следствия из этих измерений фундаментальны:
- Если Вселенная абсолютно плоская или имеет форму седла, её протяженность бесконечна. Наша видимая Вселенная в таком случае — лишь крошечная капля в бесконечном океане.
- Если Вселенная закрытая (сферическая), но её кривизна настолько мала, что приборы фиксируют плоскость, она имеет конечный размер.
Заложив в уравнения максимально возможную погрешность современных измерений, ученые провели строгий математический анализ. Оказалось, что даже при максимальной допустимой приборами кривизне реальная Вселенная не может быть меньше видимой части более чем в 250 раз.
С учетом фактора расширения пространства диаметр видимой нами Вселенной составляет около 92 миллиардов световых лет. Таким образом, истинный размер всего мироздания (включая области, скрытые от наших телескопов) составляет как минимум 23 триллиона световых лет в диаметре, а в действительности космос вполне может простираться до бесконечности.
