Плоская или замкнутая: какую форму имеет Вселенная
Здравый смысл подсказывает, что ничего бесконечного не существует. Но что насчёт Вселенной? Может ли это пространство иметь конец и какая форма у неё на самом деле? Сегодня, благодаря науке, мы можем дать на этот вопрос довольно точный ответ. А теперь давайте разберёмся, что это значит, как учёные это выяснили и какие ещё есть варианты.
Как учёные измеряют Вселенную?
Чтобы понять форму космоса, учёные используют главный источник информации о его прошлом — реликтовое излучение, или космический микроволновый фон (CMB). Это самое древнее свечение во Вселенной, своего рода «эхо» Большого взрыва. Оно появилось, когда Вселенной было всего 380 000 лет, и с тех пор равномерно заполняет всё пространство.
Температура этого излучения почти везде одинаковая — 2,73 градуса выше абсолютного нуля, но в нём есть крошечные колебания. Эти еле заметные «горячие» и «холодные» пятна — отпечатки первичных сгустков материи, из которых позже возникли галактики и их скопления.
Карта анизотропии реликтового излучения
Изучая размер этих пятен на «карте» реликтового излучения, космологи могут измерить кривизну пространства. Представьте себе огромный треугольник, одна сторона которого — это «горячее пятно» в ранней Вселенной, а вершина — телескоп на Земле. Известен примерный реальный размер этого пятна. А вот каким наблюдатель с Земли увидит его угловой размер на небе, зависит от того, как искривлено пространство, через которое свет летел к нему миллиарды лет.
Именно для таких точнейших измерений были созданы космические телескопы WMAP и Planck. Их данные и легли в основу современных представлений о форме Вселенной.
Плоская Вселенная
Большинство научных данных указывает на то, что Вселенная — плоская.
Как это выглядит?
Вспомните школьную геометрию Евклида: параллельные прямые никогда не пересекаются, а сумма углов треугольника всегда равна 180°. Проще всего представить такую Вселенную как бесконечный лист бумаги.
Что это значит?
Плоская геометрия означает, что во Вселенной соблюдается идеальный баланс. Плотность всей материи и энергии в ней в точности равна так называемой «критической плотности». Этого значения ровно столько, чтобы гравитация уравновешивала силы расширения, запущенные Большим взрывом.
Какая её ждёт судьба?
Раньше считалось, что плоская Вселенная будет расширяться вечно, но постепенно замедляясь. Однако позже выяснилось, что её расширение, наоборот, ускоряется. Виновником этого считают тёмную энергию — загадочную субстанцию, которая составляет более 71% всей энергии в космосе.
Диаграмма массового состава Вселенной
Из-за этого наиболее вероятный финал для Вселенной — это «Большое замерзание» или «тепловая смерть». Она будет расширяться, становясь всё холоднее, темнее и пустыннее. В конце концов погаснут последние звёзды, испарятся даже чёрные дыры, и наступит состояние максимальной энтропии.
Что говорит наука?
Данные миссий WMAP и Planck подтвердили, что Вселенная плоская с погрешностью около 0,4%. Угловой размер самых больших флуктуаций в реликтовом излучении составляет примерно один градус — именно такое значение предсказывает теория для плоского пространства.
Замкнутая Вселенная: гипотеза «Большого сжатия»
Это гипотетическая модель, в которой у пространства положительная кривизна.
Как это выглядит?
Такую Вселенную можно представить как поверхность четырёхмерного шара. Она конечна по объёму, но у неё нет границ, как у поверхности Земли. Если вы полетите на космическом корабле строго по прямой, то в итоге вернётесь в точку старта. В такой геометрии параллельные прямые со временем пересекаются, а сумма углов треугольника всегда больше 180°.
Наглядная демонстрация возможной формы Вселенной при различной кривизне пространства
Что это значит?
Замкнутая Вселенная возможна, если её плотность выше критической. В этом случае гравитация настолько сильна, что способна остановить расширение и запустить процесс сжатия.
Какая её ждёт судьба?
Такой сценарий неизбежно заканчивается «Большим сжатием». Расширение сменится коллапсом: галактики полетят навстречу друг другу, а температура и плотность будут стремительно расти. В итоге вся Вселенная сожмётся обратно в сверхгорячую сингулярность. Некоторые теории предполагают, что за «сжатием» может последовать новый Большой взрыв, порождая цикл перерождений Вселенной. Однако из-за ускоренного расширения под действием тёмной энергии такой сценарий считается крайне маловероятным.
Открытая Вселенная: вечное расширение
Третий вариант — Вселенная с отрицательной кривизной.
Как это выглядит?
Представьте поверхность в форме седла или чипсов Pringles — это и есть гиперболическая геометрия. В таком пространстве параллельные прямые со временем расходятся всё дальше друг от друга, а сумма углов треугольника всегда меньше 180°. Как и плоская, открытая Вселенная бесконечна.
Что это значит?
Этот сценарий реализуется, если плотность материи и энергии во Вселенной меньше критической. В этом случае гравитация слишком слаба, чтобы когда-либо остановить расширение.
Какая её ждёт судьба?
Как и в случае с плоской Вселенной, её ждёт «Большое замерзание». Она будет расширяться вечно, постепенно остывая и пустея. В конце концов все звёзды погаснут, материя распадётся, и Вселенная достигнет состояния «тепловой смерти».
В итоге
Данные наблюдений показывают, что Вселенная с очень высокой точностью является плоской. Это подтверждается множеством независимых наблюдений, в первую очередь анализом реликтового излучения.
Однако текущие представления основаны лишь на той части Вселенной, которую человечество способно наблюдать — это сфера диаметром около 93 миллиардов световых лет. Вся же Вселенная целиком может быть гораздо больше. Нельзя исключать, что на масштабах, превышающих горизонт видимости, у неё есть небольшая кривизна, которую существующие приборы пока не в силах уловить. Поэтому исследования продолжаются. Новые обсерватории и методы анализа помогут ещё глубже заглянуть в тайны мироздания и, возможно, принесут новые открытия.