Во что расширяется Вселенная, если она уже бесконечна?

Расширение Вселенной в некотором смысле похоже на это. Но в этой аналогии есть одна ошибка — в то время как тесто расширяется в противне, Вселенной не во что расширяться. Она просто расширяется сама в себя.

Это может показаться заумным, но Вселенная рассматривает все, что находится внутри нее. В расширяющейся Вселенной нет сковороды. Только тесто. Даже если бы была сковорода, она была бы частью Вселенной и, следовательно, расширялась бы вместе со сковородой.

Даже мне, профессору физики и астрономии, много лет изучавшему Вселенную, трудно понять эти идеи. Вы не сталкиваетесь ни с чем подобным в своей повседневной жизни. Это все равно что спросить, какое направление находится дальше к северу от Северного полюса.

Еще один способ задуматься о расширении Вселенной — это вспомнить, как другие галактики удаляются от нашей галактики, Млечного Пути. Ученые знают, что Вселенная расширяется, потому что они могут проследить, как другие галактики удаляются от нашей.

Они определяют расширение по скорости, с которой другие галактики удаляются от нас. Это определение позволяет им представить расширение без необходимости в чем-то расширяться.

Расширяющаяся Вселенная

Вселенная началась с Большого взрыва 13,8 миллиарда лет назад. Большой взрыв описывает возникновение Вселенной как чрезвычайно плотной, горячей сингулярности.

Эта крошечная точка внезапно пережила быстрое расширение, называемое инфляцией, когда все места во Вселенной расширялись наружу. Но название «Большой взрыв» вводит в заблуждение. Это был не гигантский взрыв, как следует из названия, а время, когда Вселенная быстро расширялась.

Затем Вселенная быстро сконденсировалась, остыла и начала создавать материю и свет. В конце концов она превратилась в то, что мы знаем сегодня как нашу Вселенную.

Идея о том, что наша Вселенная не статична и может расширяться или сжиматься, была впервые опубликована физиком Александром Фридманом в 1922 году. Он подтвердил математически, что Вселенная расширяется.

Хотя Фридман доказал, что Вселенная расширяется, по крайней мере, в некоторых местах, именно Эдвин Хаббл глубже изучил скорость расширения.

Многие другие ученые подтвердили, что другие галактики удаляются от Млечного Пути, но в 1929 году Хаббл опубликовал свою знаменитую работу, в которой подтвердил, что вся Вселенная расширяется и что скорость ее расширения растет.

Это открытие продолжает озадачивать астрофизиков. Какой феномен позволяет Вселенной преодолевать силу гравитации, удерживающую ее вместе, и одновременно расширяться, раздвигая объекты во Вселенной? И вдобавок ко всему скорость ее расширения ускоряется с течением времени.

Многие ученые используют визуальное представление под названием «воронка расширения», чтобы описать, как ускорилось расширение Вселенной после Большого взрыва. Представьте себе глубокую воронку с широким краем.

Левая сторона воронки — узкий конец — представляет собой начало Вселенной. Двигаясь вправо, вы перемещаетесь вперед во времени. Расширяющийся конус представляет собой расширение Вселенной.

Ученые не смогли напрямую измерить, откуда берется энергия, вызывающая это ускоряющееся расширение. Они не смогли обнаружить или измерить ее. Поскольку они не могут увидеть или непосредственно измерить этот тип энергии, они называют его темной энергией.

Согласно моделям исследователей, темная энергия должна быть самой распространенной формой энергии во Вселенной, составляя около 68 % всей энергии во Вселенной. На энергию обычного вещества, из которого состоят Земля, Солнце и все, что мы видим, приходится лишь около 5 % всей энергии.

За пределами воронки расширения

Ученые не располагают доказательствами существования чего-либо за пределами известной нам Вселенной. Однако некоторые предсказывают, что вселенных может быть несколько. Модель, включающая в себя несколько вселенных, могла бы решить некоторые проблемы, с которыми сталкиваются ученые в нынешних моделях нашей Вселенной.

Одна из главных проблем нынешней физики заключается в том, что исследователи не могут объединить квантовую механику, которая описывает, как физика работает на очень малых масштабах, и гравитацию, которая управляет крупномасштабной физикой.

Правила поведения материи на малых масштабах зависят от вероятности и квантованного, или фиксированного, количества энергии. В этом масштабе объекты могут появляться и исчезать. Материя может вести себя как волна. Квантовый мир сильно отличается от того, как мы видим мир.

На больших масштабах, которые физики называют классической механикой, объекты ведут себя так, как мы ожидаем от них в повседневной жизни. Объекты не квантованы и могут обладать непрерывным количеством энергии. Объекты не появляются и не исчезают.

Квантовый мир ведет себя как выключатель света, где энергия может быть только включена-выключена. Мир, который мы видим и с которым взаимодействуем, ведет себя как выключатель, позволяющий использовать все уровни энергии.

Но исследователи сталкиваются с проблемами, когда пытаются изучить гравитацию на квантовом уровне. На малых масштабах физики должны были бы предположить, что гравитация квантована. Но исследования, проведенные многими из них, не подтверждают эту идею.

Один из способов заставить эти теории работать вместе — теория мультивселенной. Существует множество теорий, которые выходят за пределы нашей текущей вселенной, чтобы объяснить, как гравитация и квантовый мир работают вместе. Среди ведущих теорий — теория струн, космология браны, петлевая квантовая теория и многие другие.

Независимо от этого, Вселенная будет продолжать расширяться, а расстояние между Млечным Путем и большинством других галактик со временем будет увеличиваться.

Неопределенности и загадки, окружающие физику Вселенной, остаются неизменными, несмотря на наши успехи в понимании её структуры и эволюции. Каждый шаг вперёд открывает новые вопросы и порождает необходимость в расширении наших знаний. Например, один из наиболее интригующих аспектов, который поднимается в условиях расширяющейся Вселенной, это вопрос о конечности или бесконечности космоса.

Если Вселенная безгранична, то что лежит за её пределами? На этот вопрос у ученых нет окончательного ответа. Стоит отметить, что, изучая инфляционную модель, некоторые исследователи предполагают, что пока одна часть Вселенной расширяется, другие части могут существовать в другом временном или пространственном контексте, создавая таким образом «мультивселенную».

Например, некоторые теории предполагают существование «всплесков» инфляции, которые могут происходить в ситуациях, когда часть Вселенной начинает расширяться с отличной от других областей скоростью. Эти вселенные могут иметь свои законы физики и отличаться от нашей, и возможно, они связаны с нашим космосом через некие магические «ворота».

Тем не менее, такие идеи остаются на уровне теории, и настоящая работа по их верификации принесёт результаты лишь в будущем. Между тем, современные технологии изучения космоса продолжают развиваться. Новые телескопы, такие как «Джеймс Уэбб», обещают предоставить учёным более глубокие взгляды на хранилища звезд и галактик, которые находятся на краю наблюдаемой Вселенной.

Подобно тому, как мы разгадываем тайны на нашем собственном небосводе, учёные с нетерпением ожидают новых открытий. Понимание процесса расширения Вселенной и его причин в конечном итоге может измениться с внесением новых данных и наблюдений.

На пути к разгадке этих сложных вопросов важно помнить о том, что каждый новый ответ открывает новые горизонты и возможности для исследования. Хотя физики и астрономы могут сталкиваться с концепциями, которые поначалу кажутся сложными или даже экзотическими, именно эти идеи часто приводят к самым большим открылся.

Таким образом, несмотря на все неопределенности, мы продолжаем наш путь познания, и, возможно, движения вперед в исследованиях помогут нам понять, как работает та невидимая энергия, что делает Вселенную все более необычным и удивительным местом. Ключевой момент заключается в том, что даже если у нас сейчас нет окончательных ответов, нашего стремления к знаниям достаточно, чтобы двигаться вперед. Мы находимся в начале долгого и захватывающего путешествия, полного неведомых тайн во Вселенной.

Николь Грануччи, преподаватель физики, Квиннипиакский университет.