Что находится на самом краю Вселенной и сможем ли мы когда-нибудь туда добраться? В новом выпуске научно-популярного проекта PBS Space Time ведущий исследует концепцию космических горизонтов, геометрию космоса и интригующую гипотезу Мультивселенной. Этот аналитический разбор позволяет заглянуть за границы видимого мира и понять, какие ограничения накладывают фундаментальные законы физики на наши космические путешествия.
🌌 Границы наблюдаемого космоса и горизонт частиц 0:56
Когда заходит речь о крае Вселенной, люди обычно выдвигают одно из следующих утверждений:
- Вселенная по определению включает в себя все существующее пространство и время, поэтому у неё не может быть физического края.
- Вселенная бесконечна, поскольку общая теория относительности демонстрирует её плоскостность, а значит, галактики продолжаются вечно.
- Мы никогда не сможем узнать или протестировать то, что находится за краем, поэтому данный вопрос вообще не является научным.
Однако ведущий канала PBS Space Time готов оспорить последний тезис и подвергнуть научному анализу любой вопрос. Для начала стоит определиться с базовыми масштабами нашего космического дома. Размер так называемой наблюдаемой Вселенной составляет порядка 93 миллиардов световых лет в диаметре, что дает радиус около 46 миллиардов световых лет.
Когда ученые называют число в 46 миллиардов световых лет, они определяют текущий радиус известной Вселенной. Это расстояние до реликтового излучения (космического микроволнового фона, CMB) — самого далекого объекта, который мы в принципе можем видеть в любом направлении.
Важно понимать, что это расстояние измеряется не до самого реликтового «пятна» в прошлом. Это актуальное расстояние до тех галактик или скоплений, в которые это древнее вещество успело эволюционировать к сегодняшнему дню, улетая от нас в результате расширения пространства. В космологии эту границу называют горизонтом частиц (particle horizon). Это текущее мгновенное расстояние до самой удаленной части Вселенной, которая теоретически может иметь с нами причинно-следственную связь. Все, что находится внутри горизонта частиц, принято считать известной Вселенной.
🏃♂️ Ловушка расширяющегося пространства: почему край недосягаем 2:00
Мгновенное расстояние (в космологии известное как собственное расстояние, proper distance) — это гипотетический путь, который пришлось бы преодолеть, если бы расширение Вселенной внезапно замерло, а вы перемещались по статичному пространству. Однако в реальности ничто не путешествует по собственному расстоянию, ведь ткань пространства-времени динамична. Кратчайший путь в космосе определяется геодезической линией — путем, который преодолевает свет между двумя точками.
Свет тратит время на любое путешествие, поэтому ученым приходится учитывать временные интервалы, особенно когда само пространство непрерывно меняется. Чтобы добраться до горизонта частиц, космическому кораблю придется лететь сквозь расширяющуюся Вселенную. Чем ближе вы будете подбираться к своей цели, тем больше пространства успеет расшириться на оставшемся отрезке пути.
Для потенциального путешественника это оборачивается плохими новостями. Даже на корабле, способном двигаться со скоростью света, вам пришлось бы лететь бесконечно далеко.
🛑 Космический горизонт событий и призрачные галактики 2:53
Подобно черным дырам, Вселенная обладает собственными горизонтами событий. Космический горизонт событий — это граница, из-за которой мы принципиально никогда не сможем получить новый сигнал, если он будет отправлен сегодня. Дело в том, что пространство на таком удалении расширяется быстрее скорости света, поэтому испущенный сигнал физически не сможет нас догнать. По той же причине даже наш условный световой космический корабль никогда не достигнет объектов за этой чертой.
Согласно современным измерениям космологических параметров, космический горизонт событий расположен гораздо ближе горизонта частиц — примерно в 16 миллиардах световых лет от нас. Это порождает удивительный парадокс: прямо сейчас мы видим галактики, до которых физически никогда не сможем добраться или даже отправить им сообщение.
Мы наблюдаем лишь «призрачные образы» из тех областей Вселенной, с которыми человечество никогда не сможет взаимодействовать. По мере расширения космоса все больше объектов будет пересекать этот горизонт. Со временем почти вся Вселенная скроется за ним, навсегда отрезав нас от остального мира, что звучит довольно грустно.
🚀 Обход ограничений Эйнштейна: варп-двигатель и бесконечность 4:05
Разумеется, правила игры меняются, если нам удастся нарушить космический предел скорости. Альберт Эйнштейн был абсолютно прав, запретив объектам двигаться сквозь пространство быстрее света, однако две изолированные области самого пространства могут разлетаться со сверхсветовой относительной скоростью. Именно эта лазейка лежит в основе теоретической концепции варп-двигателя.
Если представить, что в нашем распоряжении есть гипотетический корабль класса Алькубьерре (Alcubierre), сжигающий массу-энергию целых звезд ради погони за горизонтом частиц, то что мы обнаружим на «краю»? По мнению автора видео, скорее всего, мы найдем там лишь еще больше Вселенной.
Горизонт частиц определяется исключительно пределом нашего текущего обзора. Если сделать шаг в сторону, наблюдаемая Вселенная сместится вслед за наблюдателем. Долетев до текущего горизонта частиц мгновенно, путешественник увидит наш Млечный Путь как молодое и милое облако реликтового излучения на своем новом горизонте частиц. Вокруг же будет простираться точно такое же распределение галактик и скоплений, как и дома.
📐 Геометрия космоса: плоский мир или гиперсфера? 5:03
То, что находится далеко за пределами видимого края, напрямую зависит от геометрии Вселенной на самых масштабных уровнях. В малых масштабах (из-за присутствия звезд и галактик) пространство искривлено, но на больших — оно очень плоское, напоминая легкую рябь на поверхности океана. Измерения реликтового излучения и распределения галактик подтверждают эту плоскостность с чрезвычайно высокой, но все же не бесконечной точностью.
Если пространство идеально плоское, то простейшее применение уравнений Эйнштейна указывает на то, что Вселенная бесконечна. В таком сценарии за горизонтом частиц мир продолжается без конца, порождая удивительные математические следствия, вплоть до бесконечно повторяющихся копий нашего участка Вселенной.
Однако действительно ли космос безупречно плоский? Поверхность Земли тоже кажется человеку плоской на локальном уровне, но стоит подняться на Международную космическую станцию, как её кривизна становится очевидной. Возможно, кривизна Вселенной столь мала, что мы просто не видим достаточно далеко или не можем измерить её точнее.
Если эта кривизна положительна, то Вселенная может представлять собой трехмерную поверхность четырехмерной сферы — гиперсферу. В таком случае наш варп-корабль в итоге совершил бы кругосветное путешествие и вернулся в точку старта. По недавним оценкам минимального радиуса кривизны, для этого потребуется пролететь как минимум в 18 раз больше расстояния до горизонта частиц (при условии заморозки расширения на время пути).
🧼 Пузыри Мультивселенной и ответы на вопросы зрителей 6:47
Описанные геометрические модели предполагают, что уравнения Эйнштейна можно экстраполировать самым простым образом. Но хотя общая теория относительности прекрасна, она не является «теорией всего». Разумные идеи, объясняющие происхождение космической инфляции, предполагают, что наша Вселенная может быть лишь медленно расширяющимся пузырем в экспоненциально и бесконечно раздувающейся Мультивселенной.
Пузырьковые вселенные могут иметь конечный размер и истинный край. По словам ведущего, на другой стороне такого края законы физики или даже количество измерений могут оказаться совершенно иными.
В завершение выпуска автор ответил на вопросы подписчиков. Признание теории относительности опирается на её способность делать независимые и точные предсказания:
- Расчеты орбит планет позволяют определить точную массу Солнца.
- Эта же масса идеально предсказывает угол отклонения проходящего мимо звезды света — эффект гравитационного линзирования.
- Орбиты галактик указывают на массу темной материи в скоплениях, и гравитационное линзирование подтверждает эти данные, исключая логический круг в доказательствах теории.
Пользователь shadowmax889 задал вопрос, почему звезды и планеты не заполнены темной материей. Ведущий объяснил, что темная материя холодная и комковатая, она способна собираться в масштабах галактик, но взаимодействует сама с собой только гравитационно. Чтобы сколлапсировать в компактный объект размером со звезду, ей нужно сбросить много энергии, что невозможно без электромагнитного взаимодействия. Обычный водород излучает свет и охлаждается, сжимаясь в звезды, а темная материя так делать не умеет и остается в разреженном, «вспученном» состоянии.
Наконец, комментируя ремарки зрителей, ведущий успокоил mr lewis, заверив, что при создании программы ни одна обезьяна не пострадала от падения в черную дыру. А в ответ на комментарий isfazone, пообещавшего в случае получения Нобелевской премии потратить все деньги на кейсы «Феникс» (популярные предметы в игре Counter-Strike), автор с улыбкой заметил, что сам признает и играет только в классическую версию Counter-Strike 1.6.
