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

Космологи смоделировали, как вещество во Вселенной образует сгустки под действием гравитации. Судя по всему, общая картина тонких волокон и стенок вещества, разделенных гигантскими войдами, представляет естественную структуру большой системы тел, взаимодействующих посредством гравитации. Гораздо труднее сделать так, чтобы статистические данные о волокнах и стенках соответствовали наблюдениям, или получить реалистичное распределение вещества в пределах традиционной временн о й шкалы в 13,8 миллиарда лет.

Обычный способ обойти эту проблему — постулировать существование таинственных частиц, получивших название скрытой массы или темной материи. По существу, такое допущение усиливает действие гравитации, так что крупные структуры могут развиваться быстрее, но оно не полностью удовлетворяет ученых (см. главу 18). Альтернативой, на которую обычно не обращают внимания, является возможность того, что наша Вселенная намного старше, чем мы привыкли думать. Третий вариант — то, что мы просто не нашли пока верной модели.

Следующий вопрос — размер Вселенной.

По мере того как астрономы зондировали Вселенную при помощи все более мощных телескопов, они не просто получали возможность видеть дальше; они фактически смотрели назад во времени. Поскольку свет имеет конечную скорость, на путешествие из одного места в другое ему требуется определенное время. Как известно, световой год определяется как расстояние, которое свет проходит за год.

Свет движется очень быстро, поэтому световой год — очень большое расстояние: 9,46 триллиона километров. До ближайшей звезды от нас 4,24 световых года, так что когда кто-нибудь рассматривает эту звезду в телескоп, он видит, как она выглядела четыре с четвертью года назад. В принципе вчера она могла взорваться (это вряд ли, имейте в виду: она находится не на той стадии развития), но если бы она это сделала, мы не узнали бы об этом еще четыре с четвертью года [77] Вы можете возразить, что говорить «в настоящее время» бессмысленно, поскольку по теории относительности события не обязательно должны происходить одновременно для всех наблюдателей. Это правда, но когда я говорю «в настоящее время», я подразумеваю свою систему отсчета, где наблюдатель — я. В принципе я могу установить удаленные часы так, чтобы их показания были сдвинуты на один год за один световой год расстояния; с моей точки зрения все они будут синхронизированы. В более общем плане наблюдатели в «сопутствующих» системах воспринимают одновременность так, как этого можно было бы ожидать в классической физике. .

В настоящее время радиус наблюдаемой Вселенной считается близким к 45,7 миллиарда световых лет. Зная это, мы могли бы наивно вообразить, что имеем возможность заглянуть на 45,7 миллиарда лет в прошлое. Однако это не так — по двум причинам. Во-первых, когда мы говорим о «наблюдаемой Вселенной», то имеем в виду то, что можно было бы увидеть в принципе, а не то, что мы видим на практике. Во-вторых, в настоящее время считается, что возраст Вселенной составляет всего 13,8 млрд лет. Недостающие 31,9 миллиарда лет относят на счет расширения Вселенной, но к этому я еще вернусь в следующей главе.

Это чертовски большая Вселенная, к тому же речь идет только о ее наблюдаемой части. Там, дальше, может быть еще сколько угодно. К этому я тоже еще вернусь. Во всяком случае мы можем дать информированный ответ на вопрос «Насколько велика Вселенная?», если разумным образом его интерпретируем.

В противовес предыдущему на вопрос «Какой формы Вселенная?» ответить намного труднее, он вызывает много споров.

Прежде чем Эйнштейн разобрался, как включить гравитацию в его релятивистскую теорию пространства-времени, почти все были уверены, что геометрия пространства должна быть евклидовой. Одной из причин было то, что значительную часть времени между тем, когда Евклид написал свои «Начала», и тем, когда Эйнштейн осуществил радикальный пересмотр физики, евклидова геометрия считалась единственно возможной. Это убеждение было подорвано в XIX веке, когда математики открыли непротиворечивые неевклидовы геометрии, однако, несмотря на то, что внутри математики они нашли себе интересные применения, почти никто не ожидал, что они найдут себе применение и в реальном мире. Исключением из общего правила был Гаусс, который открыл неевклидову геометрию, но не стал ее обнародовать, потому что сомневался, что кто-нибудь ее примет; к тому же он всегда предпочитал избегать невежественной критики. Разумеется, геометрия на поверхности сферы не была секретом: навигаторы и астрономы использовали в своей работе хитроумную теорию сферической тригонометрии. Но в этом не было ничего особенного, поскольку сфера представляла собой всего лишь особую поверхность в обычном евклидовом пространстве. Она не была самим пространством.