Поиск центра Вселенной обречён: почему расширение выглядит одинаково из любой точки

Спустя столетие после открытия закона Хаббла и десятилетия анализа данных спутника Planck космология пришла к, казалось бы, окончательному выводу: Вселенная, вероятнее всего, бесконечна. Однако эта формулировка порождает конфликт между математическими моделями и человеческой интуицией.

Фото: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Picture_by_Hubble_Space_Telescope_crop.jpg by NASA, ESA, and M. Livio and the Hubble 20th Anniversary Team (STScI)

вселенная

Мы знаем, что Вселенная расширяется. Этот факт подтверждается красным смещением далеких галактик и структурой реликтового излучения. Но как только мы признаем расширение, наше мышление, сформированное в условиях земной гравитации и евклидовой геометрии, требует ответов на простые физические вопросы. Если объект увеличивается, он должен занимать новый объем. Во что именно он расширяется? Где находится геометрический центр этого процесса? Где проходит граница, отделяющая "что-то" от "ничего"?

Ответы на эти вопросы существуют, но они лежат за пределами привычной нам бытовой логики. Чтобы понять структуру реальности, необходимо пересмотреть три главных заблуждения о механике Большого взрыва.

Ошибка первая: поиск эпицентра

Классическое, но неверное представление о рождении Вселенной выглядит так: существует некая изначальная темная пустота, в центре которой висит сверхплотная точка. Происходит детонация, и материя начинает разлетаться во все стороны, заполняя эту пустоту. В такой модели у взрыва есть четкие координаты, эпицентр и фронт ударной волны.

Эта картина не имеет ничего общего с современной физикой. Большой взрыв не был взрывом в пространстве. Это был взрыв самого пространства. До момента сингулярности не существовало ни пустоты, ни координат, ни времени. То есть, само понятие "где" родилось одновременно с материей.

Это приводит нас к выводу сложному для осознания: Большой взрыв произошел везде. Если мы мысленно отмотаем время назад, сжимая Вселенную, то увидим, что любые две точки, которые сейчас разделены миллиардами световых лет — скажем, Млечный Путь и самая далекая галактика GN-z11, — в момент Большого Взрыва находились в одной и той же точке.

Следовательно, центр расширения находится в любой произвольно выбранной точке. Наблюдатель в нашей Солнечной системе видит, что все галактики разлетаются от него. И наблюдатель в упомянутой GN-z11 увидит абсолютно ту же картину: он будет казаться себе неподвижным центром, от которого убегает Млечный Путь. У Вселенной нет географического центра, потому что каждая ее точка равноправна и каждая точка несет в себе координаты начала времен.

Ошибка вторая: иллюзия внешнего объема

Второй вопрос, ставящий в тупик неподготовленного наблюдателя: куда мы расширяемся? Если объем Вселенной растет, значит, она занимает какую-то пустоту?

Здесь часто используют популярные аналогии: воздушный шар, который надувают, или кекс с изюмом, который поднимается в духовке. Эти модели полезны для демонстрации того, как увеличивается расстояние между объектами без их собственного движения. Однако они очень неточные. Шар расширяется в окружающий воздух. Кекс растет внутри объема духовки. У этих объектов есть поверхность и внешняя среда.

У Вселенной внешней среды нет. Это сложно принять психологически, но физическая реальность такова: Вселенная — это замкнутая система, содержащая в себе всё пространство, время и материю. Концепция "снаружи" в данном случае теряет физический смысл. Чтобы существовало "снаружи", должно быть пространство, в котором это "снаружи" находится. Но всё пространство уже содержится внутри Вселенной.

Расширение Вселенной — это не захват новых территорий у пустоты. Это изменение метрики самого пространства. Представьте это как изменение масштаба координатной сетки. Клетки этой сетки становятся больше, создавая новые километры и парсеки между галактиками. Пространство не растягивается как резина — оно генерируется заново в каждой точке вакуума. Мы не движемся куда-то — мы просто становимся больше изнутри.

Ошибка третья: проблема края

Если Вселенная не бесконечна, у нее должен быть край. Стена. Барьер. Что находится за ним?

Допустим, мы отправили космический корабль в одном направлении и летим миллиарды лет. Рано или поздно мы должны упереться в границу. Но что это за граница? Если это стена из материи, то что за стеной? Если за стеной пустота, то это все еще пространство, а значит — часть Вселенной. Если за стеной "ничто", то стены не существует, так как граничить не с чем.

Космология решает этот парадокс через топологию. Вселенная может быть конечной по объему, но безграничной по площади. Простейший пример из двумерного мира — поверхность сферы. Муравей, ползущий по глобусу, может двигаться вечно и никогда не найдет края, с которого можно упасть, хотя площадь сферы конечна.

Данные, полученные при анализе кривизны пространства, говорят нам, что Вселенная "плоская" с точностью до 0,4%. Это означает, что два луча лазера, выпущенные параллельно, останутся параллельными на любых расстояниях. В плоской Вселенной наиболее вероятна бесконечная протяженность. Но даже если Вселенная имеет сложную топологию (например, форму трехмерного тора — "бублика"), принцип остается тем же: вы никогда не покинете пределы системы. Вылетев с одной стороны, вы вернетесь с другой.

Граница видимого

Единственная реальная граница, которая существует в космологии, — это горизонт событий, или сфера Хаббла. Поскольку скорость света конечна, а возраст Вселенной составляет около 13,8 миллиарда лет, мы можем видеть только те объекты, свет от которых успел дойти до нас.

Мы находимся в центре гигантской сферы видимой Вселенной. За её пределами находятся точно такие же галактики, звезды и скопления материи, но их свет физически не может нас достичь, так как пространство между нами и ими расширяется быстрее скорости света. Этот "край" субъективен. Для наблюдателя, находящегося на нашей границе видимости, мы сами являемся далеким, недостижимым краем, а его собственный горизонт простирается туда, где для нас — абсолютная неизвестность.

Сухой остаток

Ответ на вопрос "Бесконечна ли Вселенная?" требует отказа от бытового восприятия геометрии.

• Центра нет. Большой взрыв — это состояние высокой плотности всего пространства сразу, а не точка на карте.
• Снаружи ничего нет. Вселенная не расширяется "во что-то". Она создает новое пространство внутри себя, меняя метрический масштаб.
• Края не существует. Вселенная либо бесконечна, либо замкнута сама на себя. В любом случае, выйти из нее невозможно, потому что за ее пределами отсутствует категория места.
• Реальность самодостаточна. Всё, что когда-либо существовало, существует и будет существовать, находится здесь, внутри этой расширяющейся метрики, не имеющей ни начала в пространстве, ни конца в направлении.