Бесконечна ли вселенная: парадоксы космологии
Вселенная — уникальное место. Почему? Ну, по крайней мере потому, что мы считаем, что она одна. И хоть есть вероятность существования бесконечного количества мультивселенных, пока что у нас нет доказательств этого. Но конечна ли наша Вселенная? Или у космоса нет границ и он постоянно расширяется и никогда не прекратит это делать?
13,8 миллиарда лет назад Вселенная началась с Большого Взрыва. С тех пор она расширяется и остывает, так было вчера, сегодня и будет завтра. С нашей точки зрения мы можем наблюдать ее в 46 миллиардах световых лет во всех направлениях благодаря скорости света и расширению пространства. Хотя это большое расстояние, оно конечно. Но ведь это лишь часть того, что предлагает нам Вселенная. Что находится за этой частью? Может ли Вселенная быть бесконечной?
Астрономия изучает не только отдельные небесные тела и их группы; звезды, планеты, скопления звезд, галактики и их скопления, объектом ее изучения является Вселенная как единое целое. При изучении небесных тел мы можем сравнивать их между собой, проследить их эволюцию. При изучении Вселенной мы этого делать не можем, так как она уникальна, мы не можем посмотреть на нее со стороны и сравнить с другой Вселенной. Космология представляет собой раздел астрономии, изучающий строение и развитие (эволюцию) Вселенной в целом, называется космологией (от греч. космос — мир, Вселенная и логос — учение). В компетенцию космологии входит объяснение наблюдаемого распределения галактик в пространстве и их движения (разбегания).
Во времена Античности и в Средние века многие ученые полагали, что Вселенная конечна и ограничена сферой неподвижных звезд. Этой точки зрения придерживались даже Н. Коперник и Т. Браге. Кроме этого, Вселенная представлялась статичной, т.е. не меняющейся со временем — звезды застыли на своих местах, наблюдались только периодические движения в Солнечной системе. С развитием науки, все полнее раскрывающей физические процессы, происходящие в окружающем нас мире, большинство ученых постепенно перешли к материалистическим представлениям о бесконечности Вселенной. Огромное значение имело открытие И. Ньютоном закона всемирного тяготения. Одним из важных следствий этого закона явилось утверждение, что в конечной Вселенной все ее вещество за ограниченный промежуток времени должно стянуться в единую тесную систему, тогда как в бесконечной Вселенной вещество под действием тяготения собирается в некоторых ограниченных объемах — островах по тогдашним представлениям — в звездах), равномерно заполняющих Вселенную.
Конечно, в рамках ньютоновской механики и теории гравитации возникали серьезные проблемы при предположении о бесконечности Вселенной. Одна из таких проблем получила название фотометрического парадокса. Иногда этот парадокс формулируют в виде вопроса: почему ночью небо темное? Казалось бы, имеется тривиальный ответ: ночью темно, так как Солнце находится под горизонтом. Но это не так. В бесконечной статичной Вселенной имеется бесконечное число звезд. Если мы будем смотреть в каком-то направлении, то наш луч зрения рано или поздно наткнется на звезду. Поэтому все небо должно быть покрыто сплошной стеной из дисков звезд разных угловых размеров, причем дисков с меньшими угловыми размерами было бы больше.
Если предположить, что все звезды похожи на Солнце, то любой участок неба должен быть таким же ярким, как Солнце. Но ночью темно. Если бы Вселенная была конечной, то в ней было бы конечное число звезд и небо не было бы столь ярким. Но предположение о конечности Вселенной противоречило бы наблюдаемому равномерному распределению звезд в ней. Ведь согласно теории тяготения Ньютона, все звезды в ограниченной вселенной рано или поздно должны были бы собраться в одно место.
Большое значение для развития современных представлений о строении и развитии Вселенной имеет общая теория относительности, созданная А. Эйнштейном. Она обобщает теорию тяготения Ньютона для массивных тел и скоростей движения вещества, сравнимых со скоростью света. Действительно, в галактиках сосредоточена колоссальная масса вещества, а скорости далеких галактик и квазаров сравнимы со скоростью света.
Согласно общей теории относительности, гравитационное взаимодействие передается с конечной скоростью, равной скорости света. (По теории Ньютона гравитационное взаимодействие передается мгновенно.) Общая теория относительности накладывает определенные ограничения на геометрические свойства пространства, которое уже нельзя считать евклидовым. Согласно этой теории, время не имеет абсолютного характера, а движение и распределение материи в пространстве нельзя рассматривать в отрыве от геометрических свойств, которые представляют собой искривление пространства-времени, создаваемое массивными телами.
Мы знаем, что Вселенная намного, намного больше той части, которую мы имеем счастье наблюдать. За пределами того, что мы видим, находится много больше Вселенной с теми же законами физики, с теми же структурами (звездами, галактиками, скоплениями, нитями, пустотами и т.п.) и с теми же шансами на развитие сложной жизни. Также должны быть конечные размеры «пузырей», в которых заканчивается инфляция, и гигантское количество таких пузырей, заключенных в огромном, раздувающемся в процессе инфляции пространстве-времени. Но любым большим числам есть предел, они не бесконечны. И только если инфляция не продолжалась на протяжении бесконечно протяженного времени, Вселенная должна быть конечной.
Проблема в этом всем такая, что мы знаем только, как получить доступ к информации, доступной в нашей наблюдаемой Вселенной — к этим 46 миллиардам световых лет во всех направлениях. Ответ на самый большой из всех вопросов, является ли Вселенная конечной или бесконечной, может быть закодирован в самой этой Вселенной, но мы слишком ограничены в информации, чтобы узнать это. К сожалению, физика, которая у нас есть, пока не дает нам определенного ответа на этот вопрос.
Автор: Татьяна Кистенева
