Йэн Стюарт - Математика космоса [Как современная наука расшифровывает Вселенную]

Мы уже привыкли к существованию черных дыр, но они обитают в царстве, где перекрываются и сталкиваются теория относительности и квантовая теория. Мы попросту не знаем, какой физикой там следует пользоваться, поэтому космологи, как могут, управляются с тем, что есть под рукой. Последнее слово в вопросе черных дыр еще не сказано, и нет причин полагать, что наши нынешние представления о них полны или верны.

Об ответе на первый вопрос нам кое-что известно, и этот ответ совсем не похож на то, чего первоначально ожидали от Вселенной астрономы и физики. На самом крупном из доступных нашему наблюдению масштабов Вселенная похожа на пену в тазике, где развели воду с моющим средством. Пузыри в этой пене — это гигантские пустоты, войды, не содержащие почти никакого вещества. Мыльные пленки вокруг пузырьков — те места, где скапливаются звезды и галактики.

Как ни печально, но предпочитаемая нами математическая модель пространственной структуры Вселенной предполагает, что вещество в ней распределено равномерно. Космологи утешают себя тем, что на еще более крупных масштабах отдельные пузыри становятся неразличимыми и пена кажется довольно однородной, но мы не знаем, действительно ли вещество во Вселенной ведет себя именно так. До сих пор всякий раз, когда мы начинали рассматривать Вселенную в более крупном масштабе, чем прежде, мы обнаруживали в ней еще большие сгустки и пустоты. Возможно, Вселенная в принципе неоднородна. Возможно, она представляет собой фрактал — объект, имеющий детальную структуру во всех масштабах.

По второму вопросу — о размере Вселенной — у нас тоже есть кое-какие соображения. Звезды — это не точки на полусферической чаше, которая возвышается над Землей, как считали некоторые древние цивилизации и в чем уверяет, кажется, книга «Бытие». Это дверь во Вселенную настолько огромную, что она кажется бесконечной. Более того, она может оказаться бесконечной на самом деле . Многие космологи именно так и думают, но трудно представить себе, каким способом можно было бы научно проверить это утверждение. У нас есть достаточно полное представление о том, насколько велика наблюдаемая Вселенная, но дальше — как можно хотя бы подступиться к этому вопросу?

Третий вопрос — о форме — вызывает еще больше споров и сомнений. В настоящий момент согласия по этому вопросу нет, хотя чаще всего ученые склоняются к самому скучному варианту — сфере. Давно существует тенденция считать Вселенную сферической — внутренней частью громадного шара, состоящего из пространства и вещества. Но в разные моменты недавнего прошлого считалось также, что Вселенная по форме представляет собой спираль, бублик, продолговатый мяч для регби или неевклидову геометрическую фигуру, известную как рог Пикара. Эта фигура может быть как плоской, так и с кривизной. Если так, то ее кривизна может быть положительной или отрицательной, а может меняться от одного места к другому. Фигура вселенной может быть конечной или бесконечной, односвязной или полной отверстий — или вообще несвязной, когда она распадается на отдельные области, в принципе не взаимодействующие между собой.

Большую часть Вселенной занимает пустое пространство, но немало в ней также и вещества — это порядка 200 миллиардов галактик с 200–400 миллиардов звезд в каждой [76] Речь здесь идет о наблюдаемой нами части Вселенной. — Прим. ред. . Важно, как распределено это вещество: сколько его содержится в каждой отдельно взятой области, поскольку Эйнштейновы уравнения поля связывают геометрию пространства-времени с распределением вещества.

Вещество во Вселенной совершенно точно не размазано равномерно на тех масштабах, которые мы наблюдаем, но это открытие совершено лишь несколько десятков лет назад. До этого все сходились во мнении, что выше масштаба галактик общее распределение вещества во Вселенной кажется равномерным — примерно как газон выглядит гладким и однородно зеленым, если вы не видите на нем отдельные травинки. Но на самом деле наша Вселенная больше похожа на газон с большими грязными прогалинами и отдельными участками клевера, что порождает новую неоднородную структуру на более крупном масштабе. А если вы пытаетесь сгладить эту неоднородность еще более широким взглядом, газон вообще исчезает и на его месте появляется автостоянка при супермаркете. Или, выражаясь более прозаически, в космическом распределении вещества прослеживается явная тенденция к комковатости на самых разных масштабах.