У Вселенной нет центра: Астрофизик объясняет, почему

Опубликованная в 1915 году и уже получившая широкое признание во всем мире среди физиков и математиков, теория предполагала, что Вселенная статична — неизменна, неподвижна и неизменна. Короче говоря, Эйнштейн считал, что размер и форма современной Вселенной более или менее такие же, какими они были всегда.

Но когда астрономы посмотрели в ночное небо на далекие галактики с помощью мощных телескопов, они увидели намеки на то, что Вселенная совсем не такая. Новые наблюдения говорили об обратном — о том, что она, наоборот, расширяется.

Вскоре ученые поняли, что теория Эйнштейна вовсе не утверждает, что Вселенная должна быть статичной; теория может поддерживать и расширяющуюся Вселенную. Действительно, используя те же математические инструменты, что и теория Эйнштейна, ученые создали новые модели, которые показали, что Вселенная на самом деле динамична и эволюционирует.

Я потратил десятилетия, пытаясь понять общую относительность, в том числе на своей нынешней работе в качестве профессора физики, читающего курсы по этой теме. Я знаю, что идея постоянно расширяющейся Вселенной может показаться пугающей — и часть этой задачи заключается в том, чтобы перебороть свою природную интуицию относительно того, как все устроено. Например, трудно представить, что у такой огромной Вселенной вообще нет центра, но физика говорит, что это реальность.

Пространство между галактиками

Для начала давайте определим, что подразумевается под словом «расширение». На Земле «расширение» означает, что что-то становится больше. И в отношении Вселенной это, в некотором роде, верно. Расширение может также означать «все удаляется от нас», что также верно в отношении Вселенной. Наведите телескоп на удаленные галактики, и окажется, что все они действительно удаляются от нас.

Более того, чем дальше от нас они находятся, тем быстрее они движутся. Эти галактики также кажутся удаляющимися друг от друга. Поэтому правильнее сказать, что все во Вселенной удаляется от всего остального, причем одновременно.

Эта идея тонкая, но крайне важная. Легко представить себе создание Вселенной как взрыв фейерверка: Начинается с большого взрыва, а затем все галактики во Вселенной разлетаются во все стороны из некой центральной точки.

Но эта аналогия неверна. Она не только неверно подразумевает, что расширение Вселенной началось из одной точки, а это не так, но и предполагает, что галактики — это то, что движется, что не совсем верно.

Не столько галактики удаляются друг от друга, сколько пространство между галактиками, ткань самой Вселенной, которая постоянно расширяется с течением времени. Другими словами, не сами галактики перемещаются по Вселенной, а сама Вселенная, расширяясь, уносит их все дальше.

Обычная аналогия — наклеить несколько точек на поверхность воздушного шара. Когда вы надуваете воздушный шар, он расширяется. Поскольку точки прилипли к поверхности шарика, они становятся все дальше друг от друга. Хотя может показаться, что они движутся, на самом деле точки остаются там же, где вы их поставили, а расстояние между ними увеличивается просто в силу расширения воздушного шара.

Теперь представьте, что точки — это галактики, а шар — ткань Вселенной, и вы начнете понимать, о чем идет речь.

К сожалению, хотя эта аналогия и является хорошим началом, она не совсем точно передает детали.

Четвертое измерение

Для любой аналогии важно понимание ее ограниченности. Некоторые недостатки очевидны: воздушный шарик достаточно мал, чтобы поместиться в вашей руке, но не такова Вселенная. Другой недостаток более тонкий. Воздушный шар состоит из двух частей: латексной поверхности и наполненной воздухом внутренней части.

Эти две части воздушного шара по-разному описываются на языке математики. Поверхность шара двумерна. Если бы вы ходили по ней, вы могли бы двигаться вперед, назад, влево или вправо, но вы не могли бы двигаться вверх или вниз, не покидая поверхности.

Может показаться, что мы называем четыре направления — вперед, назад, влево и вправо, — но это всего лишь движения по двум основным траекториям: из стороны в сторону и спереди назад. Именно это делает поверхность двухмерной — длина и ширина.

Внутренняя часть шара, напротив, трехмерна, поэтому вы сможете свободно перемещаться в любом направлении, в том числе вверх или вниз — по длине, ширине и высоте.

Именно здесь и кроется путаница. То, что мы считаем «центром» воздушного шара, — это точка где-то внутри него, в заполненном воздухом пространстве под поверхностью.

Но в этой аналогии Вселенная больше похожа на латексную поверхность воздушного шара. Заполненная воздухом внутренность шара не имеет аналога в нашей Вселенной, поэтому мы не можем использовать эту часть аналогии — значение имеет только поверхность.

Поэтому вопрос «Где центр Вселенной?» сродни вопросу «Где центр поверхности воздушного шара?». Его просто нет. Вы можете путешествовать по поверхности воздушного шара в любом направлении и сколь угодно долго, но ни разу не достигнете места, которое можно было бы назвать его центром, потому что вы никогда не покинете его поверхность.

Точно так же вы можете путешествовать в любом направлении во Вселенной и никогда не найдете ее центра, потому что, как и у поверхности воздушного шара, у нее его просто нет.

Отчасти это сложно понять из-за того, как Вселенная описывается на языке математики. Поверхность воздушного шара имеет два измерения, внутренняя часть шара — три, но Вселенная существует в четырех измерениях. Потому что дело не только в том, как вещи перемещаются в пространстве, но и в том, как они перемещаются во времени.

Наш мозг устроен так, что мы думаем о пространстве и времени по отдельности. Но во Вселенной они переплетены в единую ткань, называемую «пространство-время». Это объединение меняет принцип работы Вселенной по сравнению с тем, что ожидает наша интуиция.

И это объяснение даже не дает ответа на вопрос о том, как что-то может расширяться бесконечно — ученые все еще пытаются понять, за счет чего происходит это расширение.

Поэтому, задавая вопрос о центре Вселенной, мы сталкиваемся с ограничениями нашей интуиции. Ответ, который мы находим, — все, расширяющееся повсюду, все сразу — это взгляд на то, насколько странна и прекрасна наша Вселенная».

Роб Койн, преподаватель физики, Университет Род-Айленда.