У 2019 році це звичайна емоція — бажати по чотири-п’ять разів на дню відправитися не те, щоб в космос, але на самий край світу, як можна далі, щоб позбутися від поганого мани або поганої погоди, затримується поїзда або тісних штанів, таких пересічних на Землі речей. Але що буде чекати вас на цій космологічної кордоні? Що це взагалі таке — край світу, край Всесвіту — що ми там побачимо? Це межа або нескінченність взагалі?
Давайте запитаємо у вчених.
На краю світу
Шон Керролл, професор фізики Каліфорнійського технологічного інституту
«Наскільки ми знаємо, у Всесвіті немає меж. У спостережуваної Всесвіту є край — межа того, що ми можемо побачити. Це пов’язано з тим, що світ рухається з кінцевою швидкістю (один світловий рік у рік), тому, коли ми дивимося на далекі речі, ми вдивляємося у минуле. У самому кінці ми бачимо, що відбувалося майже 14 мільярдів років, залишкове випромінювання Великого Вибуху. Це космічний мікрохвильовий фон, який оточує нас з усіх боків. Але це не фізична «межа», якщо вже так поміркувати.
Оскільки ми можемо бачити лише настільки далеко, ми не знаємо, на що схожі речі за межами нашої спостережуваного Всесвіту. Та всесвіт, яку ми бачимо, досить однорідна у великих масштабах і, можливо, так буде тривати буквально завжди. В якості альтернативи всесвіт міг би згорнутися в сферу або тор. Якщо це так, всесвіт буде обмежена за загальним розміром, але все одно не буде мати межі, точно так само, як коло не має початку або кінця.
Також можливо, що всесвіт неоднорідна за межами того, що ми можемо бачити, і що умови сильно відрізняються від місця до місця. Цю можливість являє космологічна мультивсесвіт. Ми не знаємо, чи існує мультивсесвіт в принципі, але оскільки не бачимо ні те, ні інше, розумно було б зберігати неупередженість».
Джо Данклі, професор фізики і астрофізичних наук в Прінстонському університеті
«Та все те ж саме!
Окей, насправді ми не вважаємо, що у всесвіті є межа або край. Ми думаємо, що вона або триває нескінченно у всіх напрямках, або обертається навколо себе, так що вона не є нескінченно великою, але все одно не має країв. Уявіть поверхню пампуха: у неї немає кордонів. Може бути, вся всесвіт така (але в трьох вимірах — у поверхні пампуха всього два виміри). Це означає, що ви можете відправитися на космічному кораблі в будь-якому напрямку, і якщо будете подорожувати досить довго, повернетеся туди, звідки почали. Немає краю.
Але є також те, що ми називаємо спостерігається всесвіту, яка є частиною простору, яку ми можемо реально бачити. Край цього місця знаходиться там, звідки світла не вистачило часу, щоб дістатися до нас з початку існування всесвіту. Ми можемо побачити тільки такий край, а за ним, ймовірно, буде все те ж саме, що ми бачимо навколо: надскупчення галактик, у кожній з яких мільярди зірок і планет».
Поверхня останнього розсіювання
Джессі Шелтон, доцент кафедри фізики та астрономії Університету Іллінойсу в Урбана-Шампейн
«Все залежить від того, що ви розумієте під краєм всесвіту. Оскільки швидкість світла обмежена, чим далі і далі в космос ми дивимося, тим далі й далі назад в часі ми заглядаємо — навіть коли дивимося на сусідню галактику Андромеду, ми бачимо не те, що відбувається зараз, а що відбувалося два з половиною мільйони років тому, коли зірки Андромеди випромінювали світло, що потрапив у наші телескопи тільки зараз. Самий старий світ, який ми можемо побачити, прийшов з найдальших глибин, тому, у певному сенсі, край всесвіту — це самий древній світ, який нас досяг. У нашій всесвіту це космічний мікрохвильовий фон — ледь помітне, тривале післясвічення Великого Вибуху, який зазначає момент, коли Всесвіт охолола достатньо, щоб дозволити сформуватися атомів. Це називається поверхнею останнього розсіювання, оскільки відзначає місце, де фотони перестали стрибати між електронами в гарячій, іонізованій плазмі і почали витікати через прозорий простір, на мільярди світлових років у нашу сторону. Таким чином, можна сказати, що край всесвіту — це поверхня останнього розсіювання.
Що знаходиться на краю всесвіту прямо зараз? Ну, ми не знаємо і не можемо дізнатися, нам довелося б чекати, поки світло, випущене там зараз і йде до нас, пролетить багато мільярдів років у майбутньому, але оскільки всесвіт розширюється все швидше і швидше, ми навряд чи побачимо новий край всесвіту. Можемо лише здогадуватися. На великих масштабах наша всесвіт виглядає здебільшого однаковою, куди не глянь. Великі шанси, що якщо б ви опинилися на межі спостережуваного всесвіту сьогодні, ви побачили б всесвіт, яка плюс-мінус схожа на нашу власну: галактики, більше і малі, у всіх напрямках. Я думаю, що край всесвіту зараз це просто ще більше всесвіті: більше галактик, більше планет, більше живих істот, що задаються таким же питанням».
Майкл Троксель, доцент фізики в Університеті Дьюка
«Незважаючи на те, що Всесвіт, ймовірно, нескінченна в розмірах, насправді існує не один практичний «край».
Ми думаємо, що Всесвіт насправді нескінченно — і у неї немає кордонів. Якби Всесвіт був «плоскої» (як аркуш паперу), як показали наші тести з точністю до відсотка, або «відкритої» (як сідло), то вона дійсно нескінченна. Якщо вона «закрита», як баскетбольний м’яч, то вона не нескінченна. Однак, якщо ви зайдете досить далеко в одному напрямку, ви в кінцевому підсумку опинитеся там, звідки почали: уявіть, що ви рухаєтеся на поверхні кулі. Як одного разу сказав гобіт на ім’я Більбо: «дорога Тікає вперед і вперед…». Знову і знову.
У Всесвіту є «край» для нас — навіть два. Це пов’язано з частиною загальної теорії відносності, яка говорить, що всі речі (включаючи світло) у Всесвіті мають обмеження швидкості — 299 792 458 м/с — і ця межа швидкості зберігається всюди. Наші вимірювання також говорять нам, що Всесвіт розширюється у всіх напрямках, причому розширюється все швидше і швидше. Це означає, що коли ми спостерігаємо об’єкт, який дуже далеко від нас, світла від цього об’єкта потрібно час, щоб дістатися до нас (відстань, поділена на швидкість світла). Хитрість полягає в тому, що оскільки простір розширюється, поки світло йде до нас, відстань, яку має пройти світ, також збільшується з плином часу на шляху до нас.
Отже, перше, що ви могли б запитати: на якій найдальшому відстані ми могли б спостерігати світло від об’єкта, якщо б він був іспущен на самому початку існування Всесвіту (якої близько 13,7 мільярдів років). Виявляється, це відстань — 47 мільярдів світлових років (світловий рік приблизно в 63 241 разів більше відстані між Землею і Сонцем), і називається космологічного горизонтом. Можна поставити питання дещо інакше. Якби ми відправили повідомлення зі швидкістю світла, на якій відстані ми могли б його отримати? Це ще цікавіше, тому що швидкість розширення Всесвіту в майбутньому зростає.
Виявляється, що навіть якщо це послання буде летіти вічно, воно зможе добратися тільки до тих, хто перебуває зараз на відстані 16 мільярдів світлових років від нас. Це називається «горизонт космічних подій». Однак найдальша планета, яку ми могли спостерігати, знаходиться в 25 тисячах світлових років, тому ми все одно могли б привітати всіх, хто живе в цій Всесвіту на сьогоднішній момент. А ось саме далеку відстань, на якому наші нинішні телескопи могли б розрізнити галактику, становить близько 13,3 мільярда світлових років, тому ми не бачимо, що знаходиться на краю всесвіту. Ніхто не знає, що знаходиться на обох краях».
Ебігейл Вирегг, доцент Інституту космологічної фізики їм. Кавила при Чиказькому університеті
«Використовуючи телескопи на Землі, ми дивимося на світ, що виходить з віддалених місць Всесвіту. Чим далі знаходиться джерело світла, тим більше часу потрібно, щоб цей світ потрапив сюди. Тому, коли ви дивитеся на віддалені місця, ви дивитеся на те, на що були схожі ці місця, коли був народжений побачений вами світло — а не на те, як ці місця виглядають сьогодні. Ви можете продовжувати дивитися далі і далі, що буде відповідати просування далі й далі назад в часі, поки не побачите щось, що існувало через кілька тисячоліть після Великого Вибуху. До цього всесвіт була настільки гарячою і щільною (задовго до того, як з’явилися зірки і галактики!), що будь-світло у всесвіті ні за що не міг зачепитися, його не можна побачити сучасними телескопами. Це і є край «спостерігається всесвіту» — горизонт — тому що за ним нічого не розгледіти. Час йде, цей горизонт змінюється. Якщо б ви могли подивитися на Всесвіт з іншої планети, ймовірно, ви побачили б те ж саме, що ми бачимо на Землі: ваш власний горизонт, обмежений часом, який минув з моменту Великого Вибуху, швидкістю світла і розширенням всесвіту.
Як виглядає те місце, яке відповідає земній горизонту? Ми не знаємо, тому що можемо побачити це місце таким, яким воно було відразу після Великого Вибуху, а не яким воно стало сьогодні. Але всі виміри показують, що вся видима всесвіт, включаючи край спостерігається всесвіту, виглядає приблизно однаково, так само, як і наша локальна всесвіт сьогодні: з зірками, галактиками, скупченнями галактик і величезним порожнім простором.
Ми також думаємо, що всесвіт набагато більше тієї частини всесвіту, яку ми сьогодні можемо побачити з Землі, і що у всесвіту немає «краю» як такого. Це просто розширюється простір-час».
У всесвіті немає меж
Артур Косовський, професор фізики Піттсбурзького університету
«Одним з найбільш фундаментальних властивостей всесвіту є її вік, який, згідно з різними вимірами, ми сьогодні визначаємо як 13,7 мільярда років. Оскільки ми також знаємо, що світло поширюється з постійною швидкістю, це означає, що промінь світла, який з’явився в ранні часу, що пройшов до сьогоднішнього дня певну відстань (назвемо це «відстанню до горизонту» або «відстанню Хаббла»). Оскільки ніщо не може рухатися швидше швидкості світла, відстань Хаббла буде самим далеким відстанню, яку ми коли-небудь зможемо спостерігати в принципі (якщо не виявимо який-небудь спосіб обійти теорію відносності).
У нас є джерело світла, що йде до нас майже з відстані Хаббла: космічне мікрохвильове фонове випромінювання. Ми знаємо, що у всесвіті не існує «краю» на відстані до джерела мікрохвильового випромінювання, яке знаходиться майже на цілій дистанції Хаббла від нас. Тому зазвичай ми припускаємо, що всесвіт набагато більше, ніж нам власний спостережуваний обсяг Хаббла, і що цей край, який може існувати, знаходиться набагато далі, ніж ми коли-небудь могли спостерігати. Можливо, це невірно: можливо, край всесвіту знаходиться відразу за дистанцією Хаббла від нас, а за ним — морські чудовиська. Але оскільки вся спостережуваний нами всесвіт скрізь щодо однакова і однорідна, такий поворот був би дуже дивним.
Боюся, у нас ніколи не буде хорошої відповіді на це питання. У Всесвіті може взагалі не бути краї, а якщо він і є, то буде достатньо далеко, щоб ми його ніколи не побачили. Нам залишається осягати лише ту частину Всесвіту, яку ми можемо спостерігати».
