Лиза Рэндалл - Достучаться до небес - Научный взгляд на устройство Вселенной

В нашей обширной Вселенной существует множество видимых структур самых разных видов и размеров. Астрономы объединяют большинство небесных тел в несколько типов. Для масштаба скажем, что галактика, как правило, имеет размер около 30000 световых лет, или 3 х 10 20м, в поперечнике. Это относится и к нашей Галактике — Млечному Пути, — размер которой примерно втрое больше. Скопления галактик имеют размер около 10 23м, или 10 млн световых лет. Свету требуется 10 млн лет, чтобы пересечь такое скопление галактик из конца в конец.

Несмотря на громадный разброс размеров, большинство небесных тел подчиняется законам Ньютона. Орбиту Луны, как и орбиту Плутона или даже самой Земли, можно рассчитать в рамках ньютоновой теории всемирного тяготения. Учитывая расстояние от планеты до Солнца, ее орбиту можно предсказать на основании одних только законов Ньютона — тех самых, что заставили упасть на землю легендарное яблоко.

Тем не менее более точные измерения планетарных орбит показали, что законы Ньютона — не последнее слово науки. Потребовалась общая теория относительности, чтобы объяснить прецессию перигелия Меркурия, то есть видимое изменение параметров его орбиты вокруг Солнца со временем. Общая теория относительности — более всеохватная теория, которая включает в себя ньютоновы законы (для невысоких плотностей и скоростей), но работает и за пределами этих ограничений.

Для описания большинства объектов общая теория относительности не нужна, однако ее эффекты могут накапливаться со временем, а там, где плотность объекта достаточно велика, как в черных дырах, они проявляются в полную силу. Черная дыра в центре нашей Галактики имеет радиус около 100 млрд (10 11) м.

Заключенная в этом объеме масса очень велика — около 4 млн солнечных масс — и здесь, как и в случае всех остальных черных дыр, описать ее гравитационные свойства без общей теории относительности невозможно.

Вся видимая Вселенная в настоящее время простирается примерно на 100 млрд световых лет в поперечнике — 10 27м, или в миллиард раз больше нашей Галактики. Такое громадное число вызывает удивление, ведь получается, что размер Вселенной больше, чем расстояние, до которого мы реально можем «дотянуться» (13,75 млрд световых лет). Считается, что с момента Большого взрыва прошло 13,75 млрд лет и ничто за это время не могло преодолеть большее расстояние, так что и размер никак не может быть больше.

Однако здесь нет никакого противоречия. Причина, по которой Вселенная в целом больше, чем расстояние, которое мог преодолеть свет за время ее жизни, состоит в том, что пространство расширяется. В понимании этого явления большую роль играет общая теория относительности. Ее уравнения говорят о том, что растягивается сама ткань космоса. Мы можем видеть точки Вселенной, расположенные невероятно далеко друг от друга — так далеко, что сами они «видеть» друг друга не в состоянии.

Учитывая конечную скорость света и конечный возраст Вселенной, наблюдаемые расстояния в ней, разумеется, тоже конечны, и мы уже подошли к верхнему их пределу. Видимая Вселенная — это все, что доступно нашим телескопам. Тем не менее размер Вселенной почти наверняка не ограничен тем, что мы видим. Как и в случае с малыми расстояниями, где мы можем строить предположения, выходящие за рамки сегодняшних экспериментальных ограничений, здесь мы тоже можем строить предположения о том, что находится за пределами наблюдаемой Вселенной. Единственный предел в направлении больших расстояний кладет наше собственное воображение и естественное нежелание думать о структурах, которые мы не имеем никакой надежды когда‑нибудь увидеть.

Мы в самом деле не знаем, что находится там, за горизонтом — границей наблюдаемой Вселенной. Ограниченность наших наблюдательных возможностей позволяет допустить существование там новых необычных явлений. Другие структуры, другие измерения, даже другие законы природы могут иметь место до тех пор, пока их существование не вступает в противоречие с наблюдаемыми явлениями. Это не означает, что буквально математически непротиворечивые структуры физически существуют в природе, как иногда утверждает мой коллега–астрофизик Макс Тегмарк. Однако это означает все же, что там, за горизонтом, может находиться множество самых неожиданных явлений и объектов.

Мы пока не знаем, существуют ли другие измерения или другие вселенные. Более того, мы не можем даже сказать наверняка, конечна Вселенная в целом или бесконечна, хотя большинство из нас считает, что, скорее всего, бесконечна. Ни одно наблюдение, ни одно измерение не дают никаких признаков ее конца, но дальность наблюдений и измерений ограничена. Вообще, Вселенная может иметь конец, так же как может иметь форму мяча или воздушного шара. Но в настоящее время ни одно теоретическое или экспериментальное свидетельство не указывает на это.