Достучаться до небес. Научный взгляд на устройство Вселенной - Лиза Рэндалл

Мы в самом деле не знаем, что находится там, за горизонтом — границей наблюдаемой Вселенной. Ограниченность наших наблюдательных возможностей позволяет допустить существование там новых необычных явлений. Другие структуры, другие измерения, даже другие законы природы могут иметь место до тех пор, пока их существование не вступает в противоречие с наблюдаемыми явлениями. Это не означает, что буквально математически непротиворечивые структуры физически существуют в природе, как иногда утверждает мой коллега–астрофизик Макс Тегмарк. Однако это означает все же, что там, за горизонтом, может находиться множество самых неожиданных явлений и объектов.

Мы пока не знаем, существуют ли другие измерения или другие вселенные. Более того, мы не можем даже сказать наверняка, конечна Вселенная в целом или бесконечна, хотя большинство из нас считает, что, скорее всего, бесконечна. Ни одно наблюдение, ни одно измерение не дают никаких признаков ее конца, но дальность наблюдений и измерений ограничена. Вообще, Вселенная может иметь конец, так же как может иметь форму мяча или воздушного шара. Но в настоящее время ни одно теоретическое или экспериментальное свидетельство не указывает на это.

Большинство физиков предпочитают не думать слишком много о том, что царит за пределами видимой Вселенной, поскольку мы вряд ли когда‑нибудь узнаем, что там. Однако любая теория гравитации или квантовой гравитации дает нам математические инструменты для предположений и прогнозов. На основе теоретических методов и гипотез о дополнительных пространственных измерениях физики иногда придумывают экзотические варианты иных вселенных, которые либо вообще не контактируют с нашей Вселенной, либо контактируют только через гравитацию. Как говорилось в главе 18, специалисты по теории струн и другие физики рассматривают возможность существования мультивселенной, состоящей из множества независимых вселенных, что согласуется с уравнениями теории струн; иногда эти рассуждения сочетаются с антропным принципом, который использует возможную множественность вселенных в своих интересах. Некоторые даже пытаются отыскать сигнатуры, по которым в будущем можно было бы судить о существовании подобных мультивселенных. Как мы видели в главе 17, в одном конкретном сценарии двухбрановая мультивселенная помогла бы нам получить ответы на некоторые вопросы физики элементарных частиц — ив этом случае имела бы проверяемые следствия. Но большинство дополнительных вселенных, будучи возможными, в обозримом будущем наверняка останутся за пределами наших экспериментальных проектов. Поэтому пока они останутся лишь теоретическими абстрактными гипотезами.

Теперь, когда мы вышли в пространство и рассуждаем о самых больших размерах, которые можно увидеть в наблюдаемой Вселенной, можно сказать, что мы достигли внешних пределов видимого (и вообразимого). Попробуем разобраться, как Вселенная, в которой мы живем, развивалась во времени и откуда взялись те громадные структуры, которые мы сегодня видим. Теория Большого взрыва говорит нам, что Вселенная за 13,75 млрд лет своей жизни выросла с первоначального размера до нынешних 100 млрд световых лет. Фред Хойл шутливо назвал теорию в честь первоначального толчка — взрыва, после которого раскаленный плотный шар начал расширяться, превращаясь в массу звезд и звездных структур, которые мы наблюдаем: шар рос, вещество «растекалось» по все большему объему и постепенно остывало.

Однако есть вещи, о которых мы вообще ничего не знаем: что, собственно, взорвалось в самом начале и как это произошло или хотя бы какого оно было размера до взрыва. Если последующую эволюцию Вселенной мы себе более или менее представляем, то ее рождение по–прежнему покрыто тайной. Но хотя теория Большого взрыва ничего не говорит нам о начальном моменте существования Вселенной, это все же очень успешная теория, которая может многое сообщить нам о ее последующем развитии. Сегодняшние наблюдения вместе с теорией Большого взрыва позволяют нам в значительной степени восстановить ход эволюции нашей Вселенной.

В начале XX в. никто еще не знал, что Вселенная расширяется. Вообще, в тот момент, когда Эдвин Хаббл впервые взглянул на небо, об эволюции Вселенной известно было очень мало.

Харлоу Шепли измерил Млечный Путь и получил 300 ООО световых лет в поперечнике, но при этом он был убежден, что, кроме Млечного Пути, во Вселенной ничего нет. В 1920–е гг. Хаббл понял, что некоторые туманности, которые Шепли считал пылевыми облаками (и которые выглядели под стать этому скучному названию), на самом деле представляют собой галактики, отстоящие от нас на миллионы световых лет.

Распознав галактики, Хаббл сделал второе поразительное открытие — расширение Вселенной. В 1929 г. он отметил красное смещение галактик, то есть доплеровский эффект, при котором свет от более далеких объектов сдвигается к большим длинам волн. Красное смещение свидетельствовало о том, что галактики удаляются от нас, примерно так же, как более глухой вой сирен машины скорой помощи говорит о том, что машина быстро удаляется прочь (рис. 71). Оказалось, что галактики, которые Хабблу удалось выявить, не являются неподвижными по отношению к Солнечной системе, а разбегаются в разные стороны. Эффект видимого разбегания галактик было легче всего объяснить тем, что мы живем в расширяющейся Вселенной, где расстояния между галактиками постоянно увеличиваются.

РИС. 71. Свет от объекта, удаляющегося от нас, сдвигается к более низким частотам, то есть к красному концу спектра, тогда как свет от объектов, приближающихся к нам, сдвигается в сторону более высоких частот, то есть претерпевает синее смещение. Аналогичным образом звук сирены понижается, когда машина отъезжает, и повышается, когда она подъезжает

Расширение Вселенной отличается от картин, которые первым делом возникают в нашем воображении. Нельзя считать, что Вселенная расширяется в каком‑то заранее определенном пространстве. Вселенная — это все, что существует. Вокруг нее нет ничего, в пределах чего она могла бы расти. Вселенная, как и само пространство, просто расширяется. Любые две точки в ней со временем отдаляются друг от друга. Другие галактики непрерывно убегают от нашей, но наше местоположение ничем не выделяется среди прочих, — просто все галактики разбегаются по отношению друг к другу и к любой конкретной точке в пространстве.

Вообразить себе эту ситуацию можно при помощи обычного воздушного шарика. Представьте, что вы отметили на шарике две произвольные точки. Если вы продолжите надувать шарик, точки отдалятся друг от друга (рис. 72). Примерно то же происходит с любыми двумя точками во Вселенной при ее расширении. Расстояние между ними — или между любыми двумя галактиками —- увеличивается.