Вы уже встречались с подобными аналогиями: атомы напоминают солнечные системы, крупномасштабные структуры вселенной похожи на нейроны в человеческом мозге, а есть еще любопытные совпадения: количество звезд в галактике, галактик во вселенной, атомов в клетке и клеток в живом существе примерно одинаково (от 10^11 до 10^14). Возникает следующий вопрос, как его сформулировал и Майк Хьюз (Mike Paul Hughes):
Не являемся ли мы просто клетками мозга более крупного создания планетарного масштаба, которое еще не обладает самосознанием? Как мы можем это узнать? Как мы можем это протестировать?
Поверите вы или нет, но идея, что общая сумма всего во вселенной является разумным созданием, существует уже очень давно и является частью концепции Вселенной Марвел (Marvel Universe) и конечного существа — Вечности.
Сложно дать прямой ответ на такого рода вопрос, потому что мы не уверены на 100% в том, что, на самом деле, означает сознание и самосознание. Но у нас есть уверенность относительно небольшого количества физических вещей, которые могут помочь нам найти наилучший из возможных ответов на этот вопрос, включая ответы и на следующие вопросы:
— Каков возраст Вселенной?
— Как долго различные объекты вынуждены направлять друг другу сигналы и получать сигналы друг от друга?
— Насколько большими являются самые крупные структуры, связанные гравитацией?
— И каким количеством сигналов связанные и несвязанные структуры различных размеров будут вынуждены обладать для того, чтобы обмениваться друг с другом информацией любого вида?
Если мы проведем такого рода подсчеты и затем сравним их с теми данными, которые возникают даже в самых простых структурах, похожих на мозг, то мы тогда, по крайней мере, сможем дать наиболее близкий из всех возможных ответов на вопрос о том, существуют ли где-либо во вселенной большие космические структуры, наделенные разумными способностями.
Вселенная с момента Большого взрыва существует примерно 13,8 миллиарда лет, и она с того времени расширяется весьма быстрыми (но снижающимися) темпами, а состоит она примерно на 68% из темной энергии, на 27% из темной материи, на 4,9% из нормальной материи, на 0,1% из нейтрино и примерно на 0,01% из фотонов (Приведенное процентное соотношение раньше было иным — в тот момент, когда материя и радиация были более значимыми).
Поскольку свет всегда передвигается со скоростью света — через расширяющуюся вселенную, — мы имеем возможность определить, какое количество различных коммуникаций было осуществлено между двумя объектами, захваченными этим процессом расширения.
Если мы определим «коммуникацию» как количество времени, необходимого для передачи и приема информации в одном направлении, то это и есть тот путь, который мы можем проделать за 13,8 миллиарда лет:
— 1 коммуникация: до 46 миллиардов световых лет, вся наблюдаемая вселенная;
— 10 коммуникаций: до 2 миллиардов световых лет или около 0,001% вселенной; ближайшие 10 миллионов галактик.
— 100 коммуникаций: почти 300 миллионов световых лет или неполная дистанция до Скопления Кома (Coma Cluster), содержащего примерно 100 тысяч галактик.
— 1000 коммуникаций: 44 миллиона световых лет, почти го границ Сверхскопления Девы (Virgo cluster), содержащего, приблизительно, 400 галактик.
— 100 тысяч коммуникаций: 138 тысяч световых лет или почти вся протяженность Млечного пути, но не выходя за его пределы.
— 1 миллиард коммуникаций — 14 световых лет или только ближайшие 35 (или около того) звезд и коричневых карликов; это показатель изменяется по мере движения звезд внутри галактики.
Наша локальная группа имеет гравитационные связи — она состоит из нас, Андромеды, Галактики Треугольника (Triangulum galaxy) и еще, возможно, 50-ти других, намного меньших по размеру карликов, и в конечном итоге все вместе они сформируют единую связанную структуру размером в несколько сотен тысяч световых лет (Это будет в большей или меньшей мере зависеть от величины связанной структуры).
Большинство групп и кластеров в будущем ожидает такая же судьба: все связанные галактики внутри них вместе сформируют единую, гигантскую структуру размером в несколько сотен тысяч световых лет, и эта структура будет существовать в течение, примерно, 110^15 лет.
В тот момент, когда возраст вселенной будет в 100 тысяч раз превышать ее нынешний показатель, последние звезды израсходуют свое топливо и погрузятся в темноту, и только очень редкие вспышки и столкновения будут вновь вызывать синтез, и так будет продолжаться до тех пор, пока сами объекты не начнут гравитационно отделяться — во временных рамках от 10^17 до 10^22 лет.
Однако эти отдельные большие группы будут со все большей скоростью удаляться друг от друга, и поэтому у них не будет возможности встретиться или установить коммуникацию друг с другом в течение длительного периода времени. Если бы мы, к примеру, направили сигнал сегодня из нашего места со скоростью света, то мы смогли бы достичь лишь 3% галактик наблюдаемой в настоящее время вселенной, а остальное уже находится за пределами досягаемости для нас.
Поэтому отдельные связанные группы или кластеры — это все, на что мы можем надеяться, а самые маленькие, как мы — а таких большинство — содержат около одного триллиона (10^12) звезд, тогда как самые крупные (как в будущем Скопление Кома) содержат около 10^15 звезд.
Но если мы хотим обнаружить самосознание, то лучшим вариантом будет сравнение с человеческим мозгом, который имеет около 100 миллиардов (10^11) нейронов и, по меньшей мере, 100 триллионов (10^14) нейронных связей, тогда как каждый нейрон вспыхивает примерно 200 раз в секунду. Если исходить из того, что человеческая жизнь, в среднем, продолжается где-то 2-3 миллиарда секунд, то получается очень много сигналов за весь период!
Потребуется сеть из триллионов звезд в рамках объема в миллион световых лет на протяжении 10^15 лет только для того, чтобы получить нечто сопоставимое с тем количеством нейронов, нейронных связей и объемом передаваемых сигналов в человеческом мозге. Другими словами, эти совокупные числа — для человеческого мозга и для крупных, полностью сформированных конечных галактик — являются, по сути, сравнимыми друг с другом.
Однако существенное различие состоит в том, что нейроны внутри мозга имеют связанные и определенные структуры, тогда как звезды внутри связанных галактик или групп быстро перемещаются, двигаясь либо навстречу друг другу, либо удаляясь друг от друга, что происходит под влиянием всех остальных звезд и масс внутри галактики.
Мы полагаем, что подобные метод случайного отбора источников и ориентаций не дает возможности сформироваться любым устойчивым сигнальным структурам, однако это может быть необходимым, а может и не быть. Основываясь на нашем знании о том, как возникает сознание (в частности, в мозге), я считаю, что просто недостаточное количество согласованной информации перемещается между различными образованиями для того, чтобы это стало возможным.
Вместе с тем, общее количество сигналов, которые могут участвовать в обменах на галактическом уровне в период существования звезд, является привлекательным и интересным, и оно свидетельствует о наличии потенциала относительно того количества информационных обменов, которым располагает другая вещь, о которой нам известно то, что она имеет самосознание.
Тем не менее, важно отметить следующее: даже если этого было бы достаточно, то наша галактика была бы эквивалентна новорожденному ребенку, появившемуся на свет всего 6 часов назад — не слишком большой результат. Что касается более крупного сознания, то оно пока еще не появилось.
Более того, мы можем сказать, что концепция «вечности», включающая в себя все звезды и галактики во вселенной является, несомненно, слишком большой, если учитывать существование темной энергии и того, что нам известно относительно судьбы нашей вселенной.
К сожалению, единственный способ это проверить основан либо на моделировании (у этого варианта есть свои собственные внутренние недостатки), или на сидении, ожидании и наблюдении за тем, что происходит. Пока более крупный по масштабу разум не направит нам очевидный «разумный» сигнал, у нас будет оставаться только выбор графа Монте-Кристо: ждать и надеяться.
Итан Зигель , основатель блога Starts With A Bang, обозреватель НАСА и профессор Колледжа Льюиса и Кларка (Lewis & Clark).
Есть два варианта: либо Вселенная конечна и обладает размером, либо бесконечна и тянется вечно. Оба варианта заставляют хорошенько задуматься. Насколько велика наша Вселенная? Все зависит от ответа на вышеуказанные вопросы. Пытались астрономы понять это? Конечно пытались. Можно сказать, они одержимы поиском ответов на эти вопросы, и благодаря их поискам мы строим чувствительные космические телескопы и спутники. Астрономы вглядываются в космический микроволновый фон, реликтовое излучение, оставшееся со времен Большого Взрыва. Каким образом можно проверить эту идею, просто наблюдая за небом?
Ученые пытались найти доказательства того, что особенности на одном конце неба связаны с особенностями на другом, вроде того, как края обертки на бутылке соединяются друг с другом. До сих пор не найдено никаких доказательств, что края неба могут быть связаны.
Если говорить по-человечески, это означает, что на протяжении 13,8 миллиарда световых лет во всех направлениях Вселенная не повторяется. Свет проходит туда-сюда-обратно через все 13,8 миллиарда световых лет и только потом покидает Вселенную. Расширение Вселенной отодвинуло границы покидания светом вселенной на 47,5 миллиарда лет. Можно сказать, наша Вселенная 93 миллиарда световых лет в поперечнике. И это минимум. Возможно, это число 100 миллиардов световых лет или даже триллион. Мы не знаем. Возможно, и не узнаем. Также Вселенная вполне может быть бесконечной.
Если Вселенная действительно бесконечна, то мы получим крайне интересный результат, который заставит вас серьезно поломать голову.
Итак, представьте себе. В одном кубометре (просто расставьте руки пошире) есть конечное число частиц, которое может существовать в этом регионе, и у этих частиц может быть конечное число конфигураций с учетом их спина, заряда, положения, скорости и т. д.
Тони Падилья из Numberphile подсчитал, что это число должно быть десять в десятой в семидесятой степени. Это настолько большое число, что его нельзя записать всеми карандашами во Вселенной. Если предположить, конечно, что другие формы жизни не изобрели вечные карандаши или не существует дополнительного измерения, заполненного сплошь карандашами. И все равно, наверное, карандашей не хватит.
В наблюдаемой Вселенной есть только 10^80 частиц. И этого намного меньше, чем возможных конфигураций материи в одном кубометре. Если Вселенная действительно бесконечна, то удаляясь от Земли вы в конце концов найдете место с точным дубликатом нашего кубометра космоса. И чем дальше, тем больше дубликатов.
Подумаешь, скажете вы. Одно облако водорода выглядит так же, как и другое. Но вы должны знать, что проходя по местам, которые будут выглядеть знакомыми все больше и больше, вы в конечном итоге дойдете до места, где найдете себя. А найти копию себя - это, пожалуй, самое странное, что может произойти в бесконечной Вселенной.
Продолжая, вы будете обнаруживать целые дубликаты наблюдаемой Вселенной с точными и неточными копиями вас. Что дальше? Возможно, бесконечное число дубликатов наблюдаемых Вселенной. Даже не придется приплетать мультивселенную, чтобы найти их. Это повторяющиеся Вселенные внутри нашей собственной бесконечной Вселенной.
Ответить на вопрос, конечна или бесконечна Вселенная, крайне важно, потому что любой из ответов будет умопомрачительным. Пока астрономы не знают ответа. Но не теряют надежды.
Знаете ли вы о том, что наблюдаемая нами Вселенная имеет довольно определённые границы? Мы привыкли ассоциировать Вселенную с чем-то бесконечным и непостижимым. Однако современная наука на вопрос о «бесконечности» Вселенной предлагает совсем другой ответ на столь «очевидный» вопрос.
Согласно современным представлениям, размер наблюдаемой Вселенной составляет примерно 45,7 миллиардов световых лет (или 14,6 гигапарсек). Но что означают эти цифры?
Первый вопрос, который приходит в голову обычному человеку – как Вселенная вообще не может быть бесконечной? Казалось бы, бесспорным является то, что вместилище всего сущего вокруг нас не должно иметь границ. Если эти границы и существуют, то что они вообще собой представляют?
Допустим, какой-нибудь астронавт долетел до границ Вселенной. Что он увидит перед собой? Твёрдую стену? Огненный барьер? А что за ней – пустота? Другая Вселенная? Но разве пустота или другая Вселенная могут означать, что мы на границе мироздания? Ведь это не означает, что там находится «ничего». Пустота и другая Вселенная – это тоже «что-то». А ведь Вселенная – это то, что содержит абсолютно всё «что-то».
Мы приходим к абсолютному противоречию. Получается, граница Вселенной должна скрывать от нас что-то, чего не должно быть. Или граница Вселенной должна отгораживать «всё» от «чего-то», но ведь это «что-то» должно быть также частью «всего». В общем, полный абсурд. Тогда как учёные могут заявлять о граничном размере, массе и даже возрасте нашей Вселенной? Эти значения хоть и невообразимо велики, но всё же конечны. Наука спорит с очевидным? Чтобы разобраться с этим, давайте для начала проследим, как люди пришли к современному понимаю Вселенной.
Расширяя границы
Человек с незапамятных времён интересовался тем, что представляет собой окружающий их мир. Можно не приводить примеры о трёх китах и прочие попытки древних объяснить мироздание. Как правило, в конечном итоге все сводилось к тому, что основой всего сущего является земная твердь. Даже во времена античности и средневековья, когда астрономы имели обширные познания в закономерностях движения планет по «неподвижной» небесной сфере, Земля оставалась центром Вселенной.
Естественно, ещё в Древней Греции существовали те, кто считал то, что Земля вращается вокруг Солнца. Были те, кто говорил о множестве миров и бесконечности Вселенной. Но конструктивные обоснования этим теориям возникли только на рубеже научной революции.
В 16 веке польский астроном Николай Коперник совершил первый серьёзный прорыв в познании Вселенной. Он твёрдо доказал, что Земля является лишь одной из планет, обращающихся вокруг Солнца. Такая система значительно упрощала объяснение столь сложного и запутанного движения планет по небесной сфере. В случае неподвижной Земли астрономам приходилось выдумывать всевозможные хитроумные теории, объясняющие такое поведение планет. С другой стороны, если Землю принять подвижной, то объяснение столь замысловатым движениям приходит, само собой. Так в астрономии укрепилась новая парадигма под названием «гелиоцентризм».
Множество Солнц
Однако даже после этого астрономы продолжали ограничивать Вселенную «сферой неподвижных звёзд». Вплоть до 19 века им не удавалось оценить расстояние до светил. Несколько веков астрономы безрезультатно пытались обнаружить отклонения положения звёзд относительно движения Земли по орбите (годичные параллаксы). Инструменты тех времён не позволяли проводить столь точные измерения.
Наконец, в 1837 году русско-немецкий астроном Василий Струве измерил параллакс . Это ознаменовало новый шаг в понимании масштабов космоса. Теперь учёные могли смело говорить о том, что звезды являют собой далекие подобия Солнца. И наше светило отныне не центр всего, а равноправный «житель» бескрайнего звёздного скопления.
Астрономы ещё больше приблизились к пониманию масштабов Вселенной, ведь расстояния до звёзд оказались воистину чудовищными. Даже размеры орбит планет казались по сравнению с этим чем-то ничтожным. Дальше нужно было понять, каким образом звёзды сосредоточены во .
Множество Млечных Путей
Известный философ Иммануил Кант ещё в 1755 предвосхитил основы современного понимания крупномасштабной структуры Вселенной. Он выдвинул гипотезу о том, что Млечный Путь является огромным вращающимся звёздным скоплением. В свою очередь, многие наблюдаемые туманности также являются более удалёнными «млечными путями» — галактиками. Не смотря на это, вплоть до 20 века астрономы придерживались того, что все туманности являются источниками звёздообразования и входят в состав Млечного Пути.
Ситуация изменилась, когда астрономы научились измерять расстояния между галактиками с помощью . Абсолютная светимость звёзд такого типа лежит в строгой зависимости от периода их переменности. Сравнивая их абсолютную светимость с видимой, можно с высокой точностью определить расстояние до них. Этот метод был разработан в начале 20 века Эйнаром Герцшрунгом и Харлоу Шелпи. Благодаря ему советский астроном Эрнст Эпик в 1922 году определил расстояние до Андромеды, которое оказалось на порядок больше размера Млечного Пути.
Эдвин Хаббл продолжил начинание Эпика. Измеряя яркости цефеид в других галактиках, он измерил расстояние до них и сопоставил его с красным смещением в их спектрах. Так в 1929 году он разработал свой знаменитый закон. Его работа окончательно опровергла укрепившееся мнение о том, что Млечный Путь является краем Вселенной. Теперь он был одной из множества галактик, которые ещё когда-то считали его составной частью. Гипотеза Канта подтвердилась почти через два столетия после её разработки.
В дальнейшем, открытая Хабблом связь расстояния галактики от наблюдателя относительно скорости её удаления от него, позволило составить полноценную картину крупномасштабной структуры Вселенной. Оказалось, галактики были лишь её ничтожной частью. Они связывались в скопления, скопления в сверхскопления. В свою очередь, сверхскопления складываются в самые большие из известных структур во Вселенной – нити и стены. Эти структуры, соседствуя с огромными сверхпустотами () и составляют крупномасштабную структуру, известной на данный момент, Вселенной.
Очевидная бесконечность
Из вышесказанного следует то, что всего за несколько веков наука поэтапно перепорхнула от геоцентризма к современному пониманию Вселенной. Однако это не даёт ответа, почему мы ограничиваем Вселенную в наши дни. Ведь до сих пор речь шла лишь о масштабах космоса, а не о самой его природе.
Первым, кто решился обосновать бесконечность Вселенной, был Исаак Ньютон. Открыв закон всемирного тяготения, он полагал, что будь пространство конечно, все её тела рано или поздно сольются в единое целое. До него мысль о бесконечности Вселенной если кто-то и высказывал, то исключительно в философском ключе. Без всяких на то научных обоснований. Примером тому является Джордано Бруно. К слову, он подобно Канту, на много столетий опередил науку. Он первым заявил о том, что звёзды являются далёкими солнцами, и вокруг них тоже вращаются планеты.
Казалось бы, сам факт бесконечности довольно обоснован и очевиден, но переломные тенденции науки 20 века пошатнули эту «истину».
Стационарная Вселенная
Первый существенный шаг на пути к разработке современной модели Вселенной совершил Альберт Эйнштейн. Свою модель стационарной Вселенной знаменитый физик ввёл в 1917 году. Эта модель была основана на общей теории относительности, разработанной им же годом ранее. Согласно его модели, Вселенная является бесконечной во времени и конечной в пространстве. Но ведь, как отмечалось ранее, согласно Ньютону Вселенная с конечным размером должна сколлапсироваться. Для этого Эйнштейн ввёл космологическую постоянную, которая компенсировала гравитационное притяжение далёких объектов.
Как бы это парадоксально не звучало, саму конечность Вселенной Эйнштейн ничем не ограничивал. По его мнению, Вселенная представляет собой замкнутую оболочку гиперсферы. Аналогией служит поверхность обычной трёхмерной сферы, к примеру – глобуса или Земли. Сколько бы путешественник ни путешествовал по Земле, он никогда не достигнет её края. Однако это вовсе не означает, что Земля бесконечна. Путешественник просто-напросто будет возвращаться к тому месту, откуда начал свой путь.
На поверхности гиперсферы
Точно также космический странник, преодолевая Вселенную Эйнштейна на звездолёте, может вернуться обратно на Землю. Только на этот раз странник будет двигаться не по двумерной поверхности сферы, а по трёхмерной поверхности гиперсферы. Это означает, что Вселенная имеет конечный объём, а значит и конечное число звёзд и массу. Однако ни границ, ни какого-либо центра у Вселенной не существует.
К таким выводам Эйнштейн пришёл, связав в своей знаменитой теории пространство, время и гравитацию. До него эти понятия считались обособленными, отчего и пространство Вселенной было сугубо евклидовым. Эйнштейн доказал, что само тяготение является искривлением пространства-времени. Это в корне меняло ранние представления о природе Вселенной, основанной на классической ньютоновской механике и евклидовой геометрии.
Расширяющаяся Вселенная
Даже сам первооткрыватель «новой Вселенной» не был чужд заблуждений. Эйнштейн хоть и ограничил Вселенную в пространстве, он продолжал считать её статичной. Согласно его модели, Вселенная была и остаётся вечной, и её размер всегда остаётся неизменным. В 1922 году советский физик Александр Фридман существенно дополнил эту модель. Согласно его расчётам, Вселенная вовсе не статична. Она может расширяться или сжиматься со временем. Примечательно то, Фридман пришёл к такой модели, основываясь на всё той же теории относительности. Он сумел более корректно применить эту теорию, минуя космологическую постоянную.
Альберт Эйнштейн не сразу принял такую «поправку». На помощь этой новой модели пришло, упомянутое ранее открытие Хаббла. Разбегание галактик бесспорно доказывало факт расширения Вселенной. Так Эйнштейну пришлось признать свою ошибку. Теперь Вселенная имела определённый возраст, который строго зависит от постоянной Хаббла, характеризующей скорость её расширения.
Дальнейшее развитие космологии
По мере того, как учёные пытались решить этот вопрос, были открыты многие другие важнейшие составляющие Вселенной и разработаны различные её модели. Так в 1948 году Георгий Гамов ввёл гипотезу «о горячей Вселенной», которая в последствие превратится в теорию большого взрыва. Открытие в 1965 году подтвердило его догадки. Теперь астрономы могли наблюдать свет, дошедший с того момента, когда Вселенная стала прозрачна.
Тёмная материя, предсказанная в 1932 году Фрицом Цвикки, получила своё подтверждение в 1975 году. Тёмная материя фактически объясняет само существование галактик, галактических скоплений и самой Вселенской структуры в целом. Так учёные узнали, что большая часть массы Вселенной и вовсе невидима.
Наконец, в 1998 в ходе исследования расстояния до было открыто, что Вселенная расширяется с ускорением. Этот очередной поворотный момент в науке породил современное понимание о природе Вселенной. Введённый Эйнштейном и опровергнутый Фридманом космологический коэффициент снова нашёл своё место в модели Вселенной. Наличие космологического коэффициента (космологической постоянной) объясняет её ускоренное расширение. Для объяснения наличия космологической постоянной было введено понятия – гипотетическое поле, содержащее большую часть массы Вселенной.
Современное представление о размере наблюдаемой Вселенной
Современная модель Вселенной также называется ΛCDM-моделью. Буква «Λ» означает присутствие космологической постоянной, объясняющей ускоренное расширение Вселенной. «CDM» означает то, что Вселенная заполнена холодной тёмной материей. Последние исследования говорят о том, что постоянная Хаббла составляет около 71 (км/с)/Мпк, что соответствует возрасту Вселенной 13,75 млрд. лет. Зная возраст Вселенной, можно оценить размер её наблюдаемой области.
Согласно теории относительности информация о каком-либо объекте не может достигнуть наблюдателя со скоростью большей, чем скорость света (299792458 м/c). Получается, наблюдатель видит не просто объект, а его прошлое. Чем дальше находится от него объект, тем в более далёкое прошлое он смотрит. К примеру, глядя на Луну, мы видим такой, какой он была чуть более секунды назад, Солнце – более восьми минут назад, ближайшие звёзды – годы, галактики – миллионы лет назад и т.д. В стационарной модели Эйнштейна Вселенная не имеет ограничения по возрасту, а значит и её наблюдаемая область также ничем не ограничена. Наблюдатель, вооружаясь всё более совершенными астрономическими приборами, будет наблюдать всё более далёкие и древние объекты.
Другую картину мы имеем с современной моделью Вселенной. Согласно ей Вселенная имеет возраст, а значит и предел наблюдения. То есть, с момента рождения Вселенной никакой фотон не успел бы пройти расстояние большее, чем 13,75 млрд световых лет. Получается, можно заявить о том, что наблюдаемая Вселенная ограничена от наблюдателя шарообразной областью радиусом 13,75 млрд. световых лет. Однако, это не совсем так. Не стоит забывать и о расширении пространства Вселенной. Пока фотон достигнет наблюдателя, объект, который его испустил, будет от нас уже в 45,7 миллиардах св. лет. Этот размер является горизонтом частиц, он и является границей наблюдаемой Вселенной.
За горизонтом
Итак, размер наблюдаемой Вселенной делится на два типа. Видимый размер, называемый также радиусом Хаббла (13,75 млрд. световых лет). И реальный размер, называемый горизонтом частиц (45,7 млрд. св. лет). Принципиально то, что оба эти горизонта совсем не характеризуют реальный размер Вселенной. Во-первых, они зависят от положения наблюдателя в пространстве. Во-вторых, они изменяются со временем. В случае ΛCDM-модели горизонт частиц расширяется со скоростью большей, чем горизонт Хаббла. Вопрос на то, сменится ли такая тенденция в дальнейшем, современная наука ответа не даёт. Но если предположить, что Вселенная продолжит расширяться с ускорением, то все те объекты, которые мы видим сейчас рано или поздно исчезнут из нашего «поля зрения».
На данный момент самым далёким светом, наблюдаемым астрономами, является реликтовое излучение. Вглядываясь в него, учёные видят Вселенную такой, какой она была через 380 тысяч лет после Большого Взрыва. В этот момент Вселенная остыла настолько, что смогла испускать свободные фотоны, которые и улавливают в наши дни с помощью радиотелескопов. В те времена во Вселенной не было ни звёзд, ни галактик, а лишь сплошное облако из водорода, гелия и ничтожного количества других элементов. Из неоднородностей, наблюдаемых в этом облаке, в последствие сформируются галактические скопления. Получается, именно те объекты, которые сформируются из неоднородностей реликтового излучения, расположены ближе всего к горизонту частиц.
Истинные границы
То, имеет ли Вселенная истинные, не наблюдаемые границы, до сих пор остаётся предметом псевдонаучных догадок. Так или иначе, все сходятся на бесконечности Вселенной, но интерпретируют эту бесконечность совсем по-разному. Одни считают Вселенную многомерной, где наша «местная» трёхмерная Вселенная является лишь одним из её слоёв. Другие говорят, что Вселенная фрактальна – а это означает, что наша местная Вселенная может оказаться частицей другой. Не стоит забывать и о различных моделях Мультивселенной с её закрытыми, открытыми, параллельными Вселенными, червоточинами. И ещё много-много различных версий, число которых ограничено лишь человеческой фантазией.
Но если включить холодный реализм или просто отстраниться от всех этих гипотез, то можно предположить, что наша Вселенная является бесконечным однородным вместилищем всех звёзд и галактик. Причем, в любой очень далёкой точке, будь она в миллиардах гигапарсек от нас, всё условия будут точно такими же. В этой точке будут точно такими же горизонт частиц и сфера Хаббла с таким же реликтовым излучением у их кромки. Вокруг будут такие же звёзды и галактики. Что интересно, это не противоречит расширению Вселенной. Ведь расширяется не просто Вселенная, а само её пространство. То, что в момент большого взрыва Вселенная возникла из одной точки говорит только о том, что бесконечно мелкие (практические нулевые) размеры, что были тогда, сейчас превратились в невообразимо большие. В дальнейшем будем пользоваться именно этой гипотезой для того, что наглядно осознать масштабы наблюдаемой Вселенной.
Наглядное представление
В различных источниках приводятся всевозможные наглядные модели, позволяющие людям осознать масштабы Вселенной. Однако нам мало осознать, насколько велик космос. Важно представлять, каким образом проявляют такие понятия, как горизонт Хаббла и горизонт частиц на самом деле. Для этого давайте поэтапно вообразим свою модель.
Забудем о том, что современная наука не знает о «заграничной» области Вселенной. Отбросив версии о мультивселенных, фрактальной Вселенной и прочих её «разновидностях», представим, что она просто бесконечна. Как отмечалось ранее, это не противоречит расширению её пространства. Разумеется, учтём то, что её сфера Хаббла и сфера частиц соответственно равны 13,75 и 45,7 млрд световых лет.
Масштабы Вселенной
Нажмите кнопку СТАРТ и откройте для себя новый, неизведанный мир!
Для начала попробуем осознать, насколько велики Вселенские масштабы. Если вы путешествовали по нашей планете, то вполне можете представить, насколько для нас велика Земля. Теперь представим нашу планету как гречневую крупицу, которая движется по орбите вокруг арбуза-Солнца размером с половину футбольного поля. В таком случае орбита Нептуна будет соответствовать размеру небольшого города, область – Луне, область границы воздействия Солнца – Марсу. Получается, наша Солнечная Система настолько же больше Земли, насколько Марс больше гречневой крупы! Но это только начало.
Теперь представим, что этой гречневой крупой будет наша система, размер которой примерно равен одному парсеку. Тогда Млечный Путь будет размером с два футбольных стадиона. Однако и этого нам будет не достаточно. Придётся и Млечный Путь уменьшить до сантиметрового размера. Она чем-то будет напоминать завёрнутую в водовороте кофейную пенку посреди кофейно-чёрного межгалактическое пространства. В двадцати сантиметрах от неё расположиться такая же спиральная «кроха» — Туманность Андромеды. Вокруг них будет рой малых галактик нашего Местного Скопления. Видимый же размер нашей Вселенной будет составлять 9,2 километра. Мы подошли к понимаю Вселенских размеров.
Внутри вселенского пузыря
Однако нам мало понять сам масштаб. Важно осознать Вселенную в динамике. Представим себя гигантами, для которых Млечный Путь имеет сантиметровым диаметр. Как отмечалось только что, мы окажемся внутри шара радиусом 4,57 и диаметром 9,24 километров. Представим, что мы способны парить внутри этого шара, путешествовать, преодолевая за секунду целые мегапарсеки. Что мы увидим в том случае, если наша Вселенная будет бесконечна?
Разумеется, пред нами предстанет бесчисленное множество всевозможных галактик. Эллиптические, спиральные, иррегулярные. Некоторые области будут кишить ими, другие – пустовать. Главная особенность будет в том, что визуально все они будут неподвижны, пока неподвижными будем мы. Но стоит нам сделать шаг, как и сами галактики придут в движение. К примеру, если мы будем способны разглядеть в сантиметровом Млечном Пути микроскопическую Солнечную Систему, то сможем пронаблюдать её развитие. Отдалившись от нашей галактики на 600 метров, мы увидим протозвезду Солнце и протопланетный диск в момент формирования. Приближаясь к ней, мы увидим, как появляется Земля, зарождается жизнь и появляется человек. Точно также мы будем видеть, как видоизменяются и перемещаются галактики по мере того, как мы будем удаляться или приближаться к ним.
Следовательно, чем в более далёкие галактики мы будем вглядываться, тем более древними они будут для нас. Так самые далёкие галактики будут расположены от нас дальше 1300 метров, а на рубеже 1380 метров мы будем видеть уже реликтовое излучение. Правда, это расстояние для нас будет мнимым. Однако, по мере того, как будем приближаться к реликтовому излучению, мы будем видеть интересную картину. Естественно, мы будем наблюдать то, как из первоначального облака водорода будут образовываться и развиваться галактики. Когда же мы достигнем одну из этих образовавшихся галактик, то поймем, что преодолели вовсе не 1,375 километров, а все 4,57.
Уменьшая масштабы
В качестве итога мы ещё больше увеличимся в размерах. Теперь мы можем разместить в кулаке целые войды и стены. Так мы окажемся в довольно небольшом пузыре, из которого невозможно выбраться. Мало того, что расстояние до объектов на краю пузыря будет увеличиваться по мере их приближения, так ещё и сам край будет бесконечно смещаться. В этом и заключается вся суть размера наблюдаемой Вселенной.
Какой бы Вселенная не была большой, для наблюдателя она всегда останется ограниченным пузырём. Наблюдатель всегда будет в центре этого пузыря, фактически он и есть его центр. Пытаясь добраться до какого-либо объекта на краю пузыря, наблюдатель будет смещать его центр. По мере приближения к объекту, этот объект всё дальше будет отходить от края пузыря и в тоже время видоизменяться. К примеру – от бесформенного водородного облачка он превратится в полноценную галактику или дальше галактическое скопление. Ко всему прочему, путь до этого объекта будет увеличиваться по мере приближения к нему, так как будет меняться само окружающее пространство. Добравшись до этого объекта, мы лишь сместим его с края пузыря в его центр. На краю Вселенной всё также будет мерцать реликтовое излучение.
Если предположить, что Вселенная и дальше будет расширяться ускоренно, то находясь в центре пузыря и мотая время на миллиарды, триллионы и даже более высокие порядки лет вперёд, мы заметим ещё более интересную картину. Хотя наш пузырь будет также увеличиваться в размерах, его видоизменяющиеся составляющие будут отдаляться от нас ещё быстрее, покидая край этого пузыря, пока каждая частица Вселенной не будет разрозненно блуждать в своём одиноком пузыре без возможности взаимодействовать с другими частицами.
Итак, современная наука не располагает сведениями о том, каковы реальные размеры Вселенной и имеет ли она границы. Но мы точно знаем о том, что наблюдаемая Вселенная имеет видимую и истинную границу, называемую соответственно радиусом Хаббла (13,75 млрд св. лет) и радиусом частиц (45,7 млрд. световых лет). Эти границы полностью зависят от положения наблюдателя в пространстве и расширяются со временем. Если радиус Хаббла расширяется строго со скоростью света, то расширение горизонта частиц носит ускоренный характер. Вопрос о том, будет ли его ускорение горизонта частиц продолжаться дальше и не сменится ли на сжатие, остаётся открытым.
В повседневной жизни человеку чаще всего приходится иметь дело с конечными величинами. Поэтому наглядно представить себе ничем не ограниченную бесконечность бывает очень сложно. Это понятие окутано ореолом таинственности и необычности, к которому примешивается благоговение перед Вселенной, границы которой определить практически невозможно.
Пространственная бесконечность мира принадлежит к наиболее сложным и спорным научным проблемам. Древние философы и астрономы пытались разрешить этот вопрос посредством самых простых логических построений. Для этого достаточно было допустить, что можно достичь предполагаемого края Вселенной. Но если в этот момент вытянуть руку, то граница отодвигается на какое-то расстояние. Эту операцию можно повторять бесчисленное количество раз, что доказывает бесконечность Вселенной.
Бесконечность Вселенной трудно себе представить, но не менее сложно , как мог бы выглядеть ограниченный мир. Даже у тех, кто не сильно продвинут в изучении космологии, в этом случае возникает естественный вопрос: а что находится за границей Вселенной? Впрочем, подобные рассуждения, построенные на здравом смысле и житейском опыте, не могут служить прочным основанием для строгих научных выводов.
Современные представления о бесконечности Вселенной
Современные ученые, исследуя множественные космологические парадоксы, пришли к выводу, что существование конечной Вселенной в принципе противоречит законам физики. Мир за пределами планеты Земля, по всей видимости, не имеет границ ни в пространстве, ни во времени. В этом смысле бесконечность предполагает, что ни количество заключенного во Вселенной вещества, ни ее геометрические размеры нельзя выразить даже самым большим числом («Эволюция Вселенной», И.Д. Новиков, 1983).
Даже если принять во внимание гипотезу о том, что Вселенная около 14 млрд лет назад образовалась в результате так называемого Большого взрыва, это вполне может означать лишь, что в те чрезвычайно отдаленные времена мир прошел через очередной этап закономерной трансформации. В целом же бесконечная Вселенная никогда не появлялась в ходе первоначального толчка или необъяснимого развития какого-то нематериального объекта. Предположение о бесконечной Вселенной ставит крест на гипотезе Божественного творения мира.
В 2014 году американские астрономы опубликовали результаты самых последних исследований, которые подтверждают гипотезу о существовании бесконечной и плоской Вселенной. С высокой точностью ученые измерили расстояние между галактиками, расположенными на расстоянии в несколько миллиардов световых лет друг от друга. Оказалось, что эти колоссальные по размерам космические звездные скопления расположены по кругам, имеющим постоянный радиус. Построенная исследователями космологическая модель косвенно доказывает, что Вселенная бесконечна как в пространстве, так и во времени.
После того как Эйнштейн в основном завершил свой опыт релятивистской теории тяготения, он неоднократно пытался построить, исходя из нее, свою модель вселенной, которую многие почитают едва ли не самой важной частью его работы.
Однако и Эйнштейново уравнение тяготения при том же предположении о равномерном распределении «материи» («однородности и изотропности пространства») не давало избавления от космологических парадоксов: «вселенная» получалась неустойчивой, и, чтобы предотвратить ее стягивание тяготением, Эйнштейн не нашел ничего лучшего, как, подобно Зелигеру, вставить в свое уравнение еще один член - ту же универсальную так называемую космологическую постоянную. Эта константа выражает гипотетическую силу расталкивания звезд. Поэтому-то даже в отсутствие масс в релятивистской модели де Ситтера получается постоянная отрицательная кривизна пространства-времени.
При таких условиях решение гравитационных уравнений дало Эйнштейну конечный мир, замкнутый в себе из-за «кривизны пространства», подобно сфере конечного радиуса, - математическая модель в виде цилиндра, где искривленное трехмерное пространство образует его поверхность, а время - неискривленное измерение, идущее вдоль образующей цилиндра.
Вселенная стала «безгранична»: двигаясь по сферической поверхности, понятно, невозможно натолкнуться на какую-либо границу, - но тем не менее не бесконечна, а конечна, так что свет, словно Магеллан, может обойти ее и вернуться с другой стороны. Таким образом получиться, что обсерватория, наблюдая в фантастически сильный телескоп две разные звезды на противоположных сторонах небосклона, может оказаться, видит одну и ту же звезду с ее противоположных сторон, и тождество их может быть установлено по каким-нибудь особенностям спектра. Вот и получается, что замкнутость мира оказывается доступной экспериментальному наблюдению.
Исходя из подобной модели получается, что и объем мира, так же, как и масса его материи, получается равным вполне определенной конечной величине. Радиус кривизны зависит от количества «материи» (массы) и ее разреженности (плотности) во вселенной.
Космологи занялись великими вычислениями «радиуса мира». Согласно Эйнштейну, он равен 2 миллиардам световых лет! За этот радиус ввиду общей «кривизны пространства» никакие лучи и тела; не могут выйти.
Эта «современная идея» заменить бесконечность безграничной замкнутостью, где упреки в конечности, дескать, «недоразумение», потому что здесь нет «конечных прямых», возникла по меньшей мере в середине позапрошлого века, когда ее проводил Риман 3.
И вот уже полтора столетия она разъясняется притчей о поучительной ограниченности плоских, как тени, существ, ползающих на двумерном шаре: не ведая ни высоты, ни глубины, мудрые «плоскатики» с изумлением обнаруживают, что их мир не имеет ни начала, ни конца и все же конечен.
На этом основании на сам вопрос: а что находится за границами замкнутой вселенной? - по позитивистскому обыкновению отвечают лишь снисходительной иронией -- как на «бессмысленный», потому что у сферы границ нет.
Что касается фотометрического парадокса Ольберса, то статическая модель Эйнштейна не дала даже подобия его разрешения, поскольку свет должен вечно крутиться в ней.
Противостояние притяжения и расталкивания означало неустойчивость вселенной: малейший толчок - и модель начнет либо расширяться - и тогда наш остров звезд и света рассеивается в бесконечном океане, мир опустошается. Либо сжиматься - смотря что перевесит, какова плотность материи в мире.
В 1922 году ленинградский математик А. А. Фридман решил уравнения Эйнштейна без космологического члена и нашел, что вселенная должна расширяться, если плотность материи в пространстве больше 2 х 10 в минус 29 степени г/см3. Эйнштейн не сразу согласился с выводами Фридмана, но в 1931 - 1932 годах отметил их большое принципиальное значение. А когда в 1920-е годы де Ситтер отыскал в работах Слайфера указания на «красное смещение» в спектрах спиральных туманностей, подтвержденное исследованиями Хаббла, а бельгийский астроном аббат Леметр предположил по Доплеру причину в их разбегании, некоторые физики, в их числе и Эйнштейн, увидели в этом неожиданное опытное подтверждение теории «расширяющейся вселенной».
Подмена бесконечности «безграничной» замкнутостью - софизм. Выражение же «кривизна пространства - времени» физически означает изменение в пространстве («искривление») поля тяготения; это прямо или косвенно признают крупнейшие знатоки эйнштейновской теории. Компоненты метрического тензора или других измерений «кривизны» играют в ней роль ньютоновых потенциалов. Таким образом, «пространством» здесь именуется просто вид материи - гравитационное поле.
Это обычная у позитивистов путаница понятий, которая идет еще от Платона, Юма, Мопертьюи, Клиффорда и Пуанкаре, и ведет к абсурдам. Во-первых, к отрыву пространства от материи: если гравитация не материя, а только форма ее существования - «пространство», то получается, что «форма материи» простирается далеко от «материи» (как позитивисты называют только массу) и там искривляется и замыкается. Во-вторых, это ведет к представлению «пространства» особой субстанцией - в дополнение к материи: «пространство» несет энергию и причинно взаимодействует с материей. В-третьих, это ведет к абсурду «пространства в пространстве» - обычной у позитивистов двусмысленности в употреблении этого слова: геометрия «пространства» определяется распределением в пространстве материи, - в таком-то месте пространства («вблизи масс») «пространство» искривилось.
Между тем эйнштейновская «замкнутость вселенной» в действительности может означать замкнутость лишь ее отдельного образования, в чем ничего чрезвычайного нет: замкнуты и звездные системы, и планеты, и организмы, и молекулы, и атомы, и элементарные частицы. Ядерные силы не распространяются дальше области 3 х 10 в минус 13 степени см, но это пространство открыто для электромагнитных и гравитационных сил.
Астрономы предполагают существование «черных дыр» - сколлапсировавших звезд со столь сильным полем тяготения, что оно не «выпускает» свет. Можно допустить, что есть где-то предел распространению и гравитационных сил, открытый для каких-то других сил. Подобным образом относительно замкнутой может быть и доступная нашим телескопам черная и сверкающая метель галактик - какая-то часть мира, в которую входит известный нам мир.
Если б космологи ясно сознавали, что речь идет об относительной замкнутости какой-то части вселенной, тогда вычисления радиуса этой части не пользовались бы таким возбужденным вниманием мистиков.
При постулировании разных дополнительных условий и в Ньютоновой, и в эйнштейновской, и в других теориях тяготения получается много возможных космологических моделей. Но каждая из них, по-видимому, описывает только какую-то ограниченную область вселенной. Как бы ни окрыляли нас успехи познания, упрощенно и ошибочно представлять весь мир по образцу познанного - однообразным нагромождением одинакового, абсолютизируя свойства и законы его отдельной части.
Бесконечность принципиально непознаваема конечными средствами. Ни космология, ни какая-либо другая из частных наук не может быть наукой о всем бесконечном мире. А вдобавок такая экстраполяция еще и дает пищу разным мистическим спекуляциям.
