15 Мая 2021
Поделиться:

Откуда известно, что Вселенная бесконечна?

15 мая отмечается день астрономии ― древнейшей науки, изучающей Вселенную. На протяжении нескольких тысяч лет астрономы и астрофизики исследуют происхождение и развитие небесных тел ― от звезд и астероидов до черных дыр и квазаров ― и расширяют наши знания о мире. В честь праздника астроном, старший научный сотрудник Государственного астрономического института имени П.К. Штернберга (МГУ), член Международного астрономического союза и автор книги «Вселенная в вопросах и ответах» Владимир Сурдин написал статью, освещающую один из главных вопросов современной астрономии.

В том-то и дело, что мы пока не знаем, бесконечна ли Вселенная. И вполне возможно, что никогда в этом не будем уверены на 100%. Ведь чтобы проверить, бесконечна ли Вселенная, ее нужно было бы измерить, а для этого, если Вселенная действительно бесконечна, потребовалось бы бесконечно большое время. Но мы точно знаем, что Вселенная намного больше той ее части, которую сегодня астрономы могут разглядеть в телескопы.

Науку, изучающую Вселенную в больших масштабах, называют космологией; а ученых, которые этой наукой занимаются, — космологами. На самом деле это астрономы и физики, которых интересует, как родилась наша Вселенная, как она устроена в целом и какая судьба ждет ее в будущем. Астрономы наблюдают Вселенную, изучают распределение и движение в ней звезд, галактик и вещества пока непонятной природы, которое принято называть темной материей. А физики пытаются объяснить то, что видят астрономы, в рамках существующей теории, которую постоянно приходится развивать и дополнять, поскольку астрономы открывают все новые и неожиданные свойства Вселенной.

Одно из надежно установленных ее свойств состоит в том, что Вселенная расширяется: скопления галактик удаляются друг от друга, а значит, в прошлом они были ближе, и был момент, когда это расширение началось. Случилось это около 14 млрд лет назад; мы называем это рождением Вселенной. Сегодня можно увидеть в телескоп лишь область радиусом не более 14 млрд световых лет, поскольку из более далеких областей Вселенной свет еще не успел дойти до нас. Но размер этой области непрерывно растет, поскольку Вселенная расширяется, и граница доступной для наблюдения области удаляется от нас со скоростью света. Поэтому в будущем мы будем видеть все большую и большую часть Вселенной.

Однако давайте уточним, что мы хотим узнать о Вселенной: она бесконечная или безграничная?

Очевидно, что Вселенная безгранична: трудно представить себе какую-то стену, которая ограничивала бы пространство нашего мира. Но бесконечна ли Вселенная — это вопрос открытый.

Представьте муравья, живущего по поверхности шара. Летать он не умеет, прогрызть шар не может, так что поверхность шара и есть весь его мир. Как муравей сможет узнать свойства своей «вселенной»? Если он будет долго-долго бегать по шару, то границ нигде не встретит, поэтому справедливо заключит, что поверхность шара безгранична. Но вот бесконечно ли велика эта поверхность?

Наш умный муравей берет кисточку с краской и начинает закрашивать те участки шара, по которым он пробежал, выискивая новые незакрашенные места. Через некоторое время он убедится (если краски хватит), что незакрашенных участков больше нет. Значит, доступная муравью поверхность шара не бесконечна: она имеет вполне определенную, конечную площадь. Мир муравья оказался безграничен, но конечен.

Наш муравей живет на поверхности, а мы живем в объеме: у нас не два, а три пространственных измерения. Но суть проблемы от этого не меняется. Пока мы лишь убедились, что Вселенная очень велика. Муравей тоже мог бы это сделать, даже не закрашивая всю его поверхность (где же он возьмет столько краски!). Он мог бы проверить геометрические свойства небольшого участка поверхности, нарисовав на нем треугольник. Если сумма углов треугольника равна 180°, то поверхность плоская, как поверхность стола. Но у треугольника на поверхности шара сумма углов всегда больше 180°. Этот простой опыт вы сами легко можете проделать, взяв мяч или глобус, на котором уже есть треугольники из параллелей и сходящихся к полюсу меридианов. Вы заметили, что параллели всегда перпендикулярны меридианам? Это уже два угла по 90°, а есть ведь еще угол у полюса! Поэтому у такого треугольника сумма углов непременно больше, чем 180°. Этот факт сразу выявляет кривизну поверхности глобуса.

Если нарисовать треугольники одинаковой площади на глобусах разного размера, то чем меньше глобус, тем больше будет сумма углов треугольника. Значит, чем меньше размер шара, тем больше кривизна его поверхности и тем легче муравью понять, что поверхность шара не бесконечна. Но когда муравей обнаруживает, что во всех направлениях поверхность практически плоская, то он понимает, что если под ним и шар, то гигантский, имеющий практически бесконечную площадь поверхности, на которую никакой краски не хватит.

В положении муравья находятся сегодня космологи. Только вместо площади поверхности шара они исследуют объем Вселенной и обнаруживают, что по своим геометрическим свойствам он практически плоский, а значит, он очень велик — практически бесконечен. Но космологи такие же упорные, как муравьи. Они изучают Вселенную все глубже и глубже, чтобы раскрыть все ее тайны и узнать в конце концов, действительно ли она бесконечна.

Рубрики

Серии

Раздзелы

Издательство