У нашій частині Всесвіту інфляція справді добігла кінця. Але три питання, на які ми не знаємо відповідей, надзвичайно сильно впливають на реальний розмір Всесвіту, і чи є він нескінченним:

1. Наскільки велика ділянка Всесвіту після інфляції, яка породила наш Великий вибух?
2. Чи вірна ідея вічної інфляції, за якою Всесвіт нескінченно розширюється принаймні в деяких регіонах?
3. Як довго тривала інфляція, доки не зупинилася і не породила гарячий Великий вибух?

Можливо, що частина Всесвіту, де йшла інфляція, змогла зрости до розміру, що не сильно перевищує те, що ми можемо спостерігати. Можливо, що будь-якої миті з'явиться свідчення наявності «краю», на якому закінчилася інфляція. Але також можливо, що Всесвіт у гуголи разів більший за спостережуваний. Не відповівши ці запитання, ми отримаємо відповіді головний.

Величезна кількість окремих регіонів, у яких стався Великий вибух, розділяється простором, що постійно зростає внаслідок вічної інфляції. Але ми не маємо поняття, як перевірити, виміряти або отримати доступ до того, що лежить за межами нашого Всесвіту, що спостерігається.

За межами того, що ми можемо бачити, швидше за все, знаходиться ще більше Всесвіту, такого ж, як і наш, з тими самими законами фізики, з тими самими космічними структурами і такими ж шансами на складне життя.

Також у «бульбашки», в якій закінчилася інфляція, повинен бути кінцевий розмір, при тому, що експоненційно велика кількість таких бульбашок міститься в більшому просторі-часі, що розширюється.

Але навіть якщо весь цей Всесвіт, або Мультівсесвіт, може бути неймовірно великий, він може і не бути нескінченним. Насправді, якщо тільки інфляція не тривала нескінченно довго, або Всесвіт не народився нескінченно великий, він має бути кінцевим.

Як не велика спостерігається нами частина Всесвіту, як далеко ми можемо зазирнути, все це становить лише малу частку того, що має існувати там, за межами.

Найбільша проблема полягає в тому, що у нас не вистачає інформації для певної відповіді на запитання. Ми знаємо тільки, як отримати доступ до інформації, доступної всередині нашого Всесвіту, що спостерігається: ці 46 млрд світлових років у всіх напрямках.

Відповідь на найбільше питання, про кінцівку або нескінченність Всесвіту, може бути захована в самому Всесвіті, але ми не можемо пізнати досить більшу її частину, щоб знати напевно. І поки ми не розберемося з цим, або не придумаємо хитромудру схему розширення меж можливостей фізики, у нас залишатимуться самі ймовірності.

Плем'я бошонго в центральній Африці вірить, що з давніх-давен була тільки темрява, вода і великий бог Бумба. Якось Бумбу так хворів, що його вирвало. І так з'явилося Сонце. Воно висушило частину великого Океану, звільнивши землю, заточену під його водами. Нарешті Бумбу вирвало місяцем, зірками, а потім на світ з'явилися деякі тварини. Першим став леопард, за ним – крокодил, черепаха і, нарешті, людина. Сьогодні ж ми поговоримо про те, що таке Всесвіт у сучасному уявленні.

Розшифровка поняття

Всесвіт - грандіозний, незбагненних розмірів простір, заповнений квазарами, пульсарами, чорними дірками, галактиками та матерією. Всі ці компоненти перебувають у постійному взаємодії і формують наше світобудову у вигляді, яким ми його уявляємо. Нерідко зірки у Всесвіті знаходяться не поодинці, а у складі грандіозних скупчень. У деяких із них може бути кілька сотень, а то й тисяч таких об'єктів. Астрономи кажуть, що невеликі та середні скупчення («жабина ікра») утворилися зовсім недавно. А ось кулясті освіти - давні і дуже давні, що "пам'ятають" ще первинний космос. Всесвіт таких утворень містить багато.

Загальні відомості про будову

Зірки та планети утворюють галактики. Попри поширену думку, системи галактик надзвичайно рухливі і майже весь час переміщаються у просторі. Зірки – також величина непостійна. Вони зароджуються і гинуть, перетворюючись на пульсари та чорні дірки. Наше Сонце – зірка «середнього штибу». Живуть такі (за мірками Всесвіту) дуже мало, трохи більше 10-15 мільярдів років. Звичайно ж, у Всесвіті існують мільярди світил, що за своїми параметрами нагадують наше сонце, і стільки ж систем, що схожі на Сонячну. Зокрема, поблизу нас розташовується Туманність Андромеди.

Ось що таке Всесвіт. Але все далеко не так просто, тому що існує грандіозна кількість таємниць та протиріч, відповідей на які поки що немає.

Деякі проблеми та протиріччя теорій

Міфи стародавніх народів про створення всього сущого, як багато інших до і після них, намагаються відповісти на питання, які всіх нас цікавлять. Чому ми тут, звідки взялися планети Всесвіту? Звідки ми походили? Звичайно, більш-менш виразні відповіді ми починаємо отримувати лише зараз, коли наші технології досягли певного прогресу. Втім, за всю історію людини нерідко зустрічалися ті представники людського племені, які чинили опір ідеї того, що Всесвіт взагалі мав початок.

Арістотель і Кант

Наприклад, Арістотель, найвідоміший з грецьких філософів, вважав, що "походження Всесвіту" - термін неправильний, тому що існував він завжди. Щось вічне більш досконале, ніж щось створюване. Мотивація для віри у вічність Всесвіту була проста: Аристотель не бажав визнавати існування якогось божества, яке могло б її створити. Зрозуміло, його противники в полемічних суперечках якраз наводили приклад створення Всесвіту як свідчення існування вищого розуму. Канту довгий час не давав спокою одне питання: «Що було перед тим, як виник Всесвіт?» Він відчував, що всі теорії, які існували на той час, мали багато логічних протиріч. Вченим була розроблена так звана антитеза, яку досі використовують деякі моделі Всесвіту. Ось її положення:

• Якщо Всесвіт мав початок, то чому він вичікував вічність перед своїм виникненням?
• Якщо Всесвіт вічний, то чому в ньому взагалі існує час; навіщо взагалі треба відміряти вічність?

Звичайно, для свого часу він ставив більш ніж правильні питання. Ось тільки сьогодні вони дещо застаріли, але деякі вчені, на превеликий жаль, продовжують керуватися саме ними у своїх дослідженнях. Кінець метанням Канта (точніше, його продовжувачів) поклала теорія Ейнштейна, що проливає світло на будову Всесвіту. Чим вона так вразила наукову спільноту?

Погляд Ейнштейна

У його теорії відносності простір і час більше не були абсолютними, прив'язаними до якоїсь точки відліку. Він припустив, що вони здатні до динамічного розвитку, що визначається енергією у Всесвіті. Час по Ейнштейну настільки невизначений, що немає особливої ​​потреби у його визначенні. Це було б схоже на з'ясування напрямку на південь від Південного полюса. Досить безглузде заняття. Будь-яке так зване «початок» Всесвіту було б штучно в тому сенсі, що можна було б спробувати розмірковувати про більш «ранні» часи. Простіше кажучи, це проблема не так фізична, як глибоко філософська. Сьогодні її вирішенням займаються найкращі уми людства, які невпинно думають про утворення первинних об'єктів у космічному просторі.

Сьогодні найпоширеніший позитивістський підхід. Простіше кажучи, ми осмислюємо саму будову Всесвіту так, як можемо його уявити. Ніхто не вдасться запитати, чи є модель істинною, чи немає інших варіантів. Її можна вважати вдалою, якщо вона досить витончена і органічно включає всі накопичені спостереження. На жаль, ми (швидше за все) неправильно інтерпретуємо деякі факти, користуючись штучно створеними математичними моделями, що надалі призводить до спотворення фактів про навколишній світ. Думаючи про те, що таке Всесвіт, ми не беремо до уваги мільйони фактів, які поки що просто не відкриті.

Сучасні відомості про виникнення Всесвіту

"Середньовіччя Всесвіту" - ера темряви, що існувала перед появою перших зірок і галактик.

Саме в ті загадкові часи утворилися перші важкі елементи, з яких створено ми і весь навколишній світ. Тепер дослідники розробляють первинні моделі Всесвіту та методи дослідження тих явищ, які відбувалися в той час. Сучасні астрономи кажуть, що Всесвіту приблизно 13,7 мільярда років. Перед виникненням Всесвіту космос був настільки гарячим, що всі атоми, що існували, були розділені на позитивно заряджені ядра і негативно заряджені електрони. Ці іони блокували все світло, не даючи йому поширюватися. Царила Темрява, кінця та краю якої не було.

Перше світло

Приблизно через 400 000 років після Великого вибуху простір охолонув достатньо, щоб розрізнені частинки змогли об'єднатися в атоми, утворивши планети Всесвіту і... перше світло в космосі, відлуння якого досі відомі нам як «світловий горизонт». Що було до Великого вибуху, ми й досі не знаємо. Можливо, тоді існував якийсь інший Всесвіт. Можливо, нічого не було. Велике Ніщо… Саме на цьому варіанті наполягають багато філософів та астрофізиків.

Поточні моделі припускають, що перші галактики Всесвіту почали формуватися приблизно через 100 мільйонів років після Великого вибуху, започаткувавши наш світ. Процес формування галактик і зірок поступово продовжувався, поки більшість водню і гелію була включено до складу нових сонців.

Таємниці, які чекають на свого дослідника

Існує багато питань, відповісти на які могло б допомогти дослідження процесів, що відбувалися спочатку. Наприклад, коли і як виникли жахливо великі чорні дірки, помічені в серцях практично всіх великих скупчень? Сьогодні відомо, що Чумацький шлях має чорну дірку, вага якої становить приблизно 4 мільйони мас нашого Сонця, а деякі стародавні галактики Всесвіту мають у своєму складі чорні дірки, розміри яких взагалі важко уявити. Найбільш величезним є освіта у системі ULAS J1120+0641. Її чорна діра має вагу, що в 2 мільярди разів перевищує масу нашого світила. Ця галактика виникла лише через 770 мільйонів років після Великого вибуху.

В цьому і полягає головна загадка: згідно з сучасними уявленнями, настільки масивні освіти просто не встигли б виникнути. То як вони сформувалися? Яке «насіння» цих чорних дірок?

Темна матерія

Нарешті, темна матерія, з якої, на думку багатьох дослідників, на 80% складається космос, Всесвіт, і досі є «темним коником». Ми досі не знаємо, якою є природа темної матерії. Зокрема, викликає багато питань її будову та взаємодію тих елементарних частинок, з яких складається ця таємнича речовина. Сьогодні ми припускаємо, що її складові один з одним практично не взаємодіють, тоді як результати спостережень за деякими галактиками цій тезі суперечать.

Про проблему походження зірок

Інша проблема - питання про те, на що схожі перші зірки, з яких утворено зірковий Всесвіт. В умовах неймовірного тепла і при жахливому тиску в ядрах цих сонців відносно прості елементи, такі як водень і гелій, перетворювалися, зокрема, на вуглець, на якому ґрунтується наше життя. В даний час вчені вважають, що найперші зірки були набагато більше сонця. Можливо, вони жили лише кілька сотень мільйонів років, а то й менше (ймовірно, саме так і утворилися перші чорні дірки).

Втім, деякі зі «старожилів» цілком можуть існувати і в сучасному космосі. Вони, напевно, були дуже бідні щодо важких елементів. Можливо, деякі з цих утворень можуть і досі «ховатися» в ореолі Чумацького шляху. Ця таємниця також досі не відкрита. З такими казусами доводиться зустрічатися щоразу, відповідаючи питанням: «То що таке Всесвіт?» Для дослідження перших днів після її виникнення надзвичайно важливим є пошук найбільш ранніх зірок і галактик. Природно, що найбільш давніми, напевно, є ті об'єкти, які розташовуються на самому краю світлового горизонту. Проблема лише в тому, що до тих місць можуть дістатись лише найпотужніші та найскладніші телескопи.

Величезні надії дослідники покладають на космічний телескоп Джеймса Вебба. Цей інструмент покликаний дати вченим найцінніші відомості про перше покоління галактик, що сформувалися одразу після Великого вибуху. зображень цих об'єктів у прийнятній якості практично немає, так що великі відкриття все ще попереду.

Дивне «світило»

Усі галактики поширюють світло. Якісь освіти світять сильно, якісь відрізняються помірним «освітленням». Але існує найяскравіша галактика у всесвіті, інтенсивність світіння якої не схожа ні на що інше. Її ім'я – WISE J224607.57-052635.0. Розташовується ця «лампочка» на відстані цілих 12,5 мільярдів світлових років від Сонячної системи, а світить вона, як 300 трильйонів Сонця разом. Зауважимо, що таких утворень на сьогоднішній день існує близько 20, причому не слід забувати про поняття «світлового горизонту».

Простіше кажучи, зі свого місця ми бачимо ті об'єкти, освіта яких сталася близько 13 мільярдів років тому. Далекі області недоступні погляду наших телескопів просто оскільки світло звідти банально не встиг дійти. Так що в тих краях, напевно, існує щось аналогічне. Ось яка найяскравіша галактика у Всесвіті (точніше, у її видимій частині).

Допитливі уми вчених-ентузіастів б'ються над вирішенням загадкових явищ, вигадують теорії, проводять дослідження та спостереження… Мабуть, однією з найцікавіших і багатообіцяючих тем є космос і все, що з ним пов'язане. І що далі заглядає людство до нього, то цікавіше знайти відповіді на дедалі більше запитань.

Ми намагаємось вивчити Всесвіт настільки, наскільки це дозволяють сучасні технології. Але найсучасніші телескопи мають певні межі, зазирнути за які за допомогою технічних засобів просто неможливо. Тоді людина підключає свою уяву і починає домислювати факти.

Де закінчується Всесвіт? При цьому це не філософське і не риторичне питання, а справжнісіньке наукове. Відповісти на нього однозначно і точно, не маючи достатньої бази, не можна. Можна тільки, ґрунтуючись на вже доведених теоріях та фактах, робити певні висновки і фантазувати.

Походження Всесвіту, галактик, зірок і навіть нашої планети описано теорією Великого Вибуху. Ця подія трапилася близько 13,8 мільярдів років тому і є моментом народження Всесвіту у тому вигляді, в якому ми її собі уявляємо. При цьому не варто думати, що до цього Всесвіт був порожнечею. Навпаки, у міру того, як енергія простору зростала, наближаючись до вибуху, змінювався і сам простір.

Як виглядає край Всесвіту?

Імовірна зона Великого Вибуху – сфера радіусом трохи більше 46 світлових років. Але ця межа дуже умовна і, звичайно, не є межею космосу. Але що за нею?

Дослідники вважають, що там знаходиться така сама ділянка Всесвіту, яку ми спостерігаємо. За винятком деталей, які можна назвати місцевими – розташування галактик та зірок, особливості систем.

Тому стає зрозуміло, що побачити горезвісний «край Всесвіту» неможливо, як не можна осягнути неосяжне.

Як виглядає Всесвіт на великих відстанях, в областях, недоступних спостереженню? І чи є межа того, наскільки далеко ми можемо зазирнути? Наш космічний обрій визначається відстанню до найдальших об'єктів, світло яких встигло прийти до нас за 14 мільярдів років з моменту Великого вибуху. Через прискорене розширення Всесвіту ці об'єкти зараз видалено вже на 40 мільярдів світлових років. Від більш далеких об'єктів світло до нас ще не дійшло. То що ж там, за горизонтом? Фото: SPL/EAST NEWS

Один Всесвіт чи безліч?

Як виглядає Всесвіт на великих відстанях, в областях, недоступних спостереженню? І чи є межа того, наскільки далеко ми можемо зазирнути? Наш космічний обрій визначається відстанню до найдальших об'єктів, світло яких встигло прийти до нас за 14 мільярдів років з моменту Великого вибуху. Через прискорене розширення Всесвіту ці об'єкти зараз видалено вже на 40 мільярдів світлових років. Від більш далеких об'єктів світло до нас ще не дійшло. То що ж там, за горизонтом? Донедавна фізики давали дуже просту відповідь на це питання: там все те саме — такі ж галактики, такі ж зірки. Але сучасні досягнення у космології та фізиці елементарних частинок дозволили переглянути ці уявлення. У новій картині світу віддалені області Всесвіту разюче відрізняються від того, що ми бачимо навколо себе, і можуть навіть підкорятися іншим законам фізики.

Нові уявлення ґрунтуються на теорії космічної інфляції. Спробуймо роз'яснити її суть. Почнемо з короткого огляду стандартної космології Великого вибуху, яка була домінантною теорією до відкриття інфляції.

Відповідно до теорії Великого вибуху Всесвіт почався з колосальної катастрофи, яка вибухнула близько 14 мільярдів років тому. Великий вибух стався не в якомусь певному місці Всесвіту, а одразу скрізь. У той час не було зірок, галактик і навіть атомів, і Всесвіт заповнював дуже гарячий щільний згусток матерії і випромінювання, що швидко розширювався. Збільшуючись у розмірах, він остигав. Приблизно через три хвилини після Великого вибуху температура знизилася достатньо для формування атомних ядер, а через півмільйона років електрони і ядра об'єдналися в електрично нейтральні атоми і Всесвіт став прозорим для світла. Це дозволяє нам сьогодні реєструвати світло, випущене вогненним згустком. Він приходить з усіх напрямків на небі та називається космічним фоновим випромінюванням.

Спочатку вогненний потік був майже ідеально однорідним. Але крихітні неоднорідності в ньому все-таки були: у деяких областях щільність була трохи вищою, ніж в інших. Ці неоднорідності зростали, стягуючи своєю гравітацією дедалі більше речовини з навколишнього простору, і за мільярди років перетворилися на галактики. І лише нещодавно за космічними мірками на сцені з'явилися ми, люди.

На користь теорії Великого вибуху каже безліч спостережних даних, які залишають сумнівів у цьому, що це сценарій переважно коректний. Насамперед ми бачимо, як далекі галактики розбігаються від нас із дуже великими швидкостями, що вказує на розширення Всесвіту. Також теорія Великого вибуху пояснює поширеність у Всесвіті легких елементів, таких як гелій та літій. Але найголовнішою доказом, можна сказати, стовбуром Великого вибуху, що димиться, служить космічне фонове випромінювання - післясвітлення первинної вогняної кулі, до цих пір дозволяє його спостерігати і досліджувати. За його вивчення присуджено вже дві Нобелівські премії.

Отже, ми, схоже, маємо досить успішну теорію. І все ж таки вона залишає без відповіді деякі інтригуючі питання, що стосуються початкового стану Всесвіту відразу після Великого вибуху. Чому Всесвіт був таким гарячим? Чому вона почала розширюватися? Чому вона була такою однорідною? І, зрештою, що було з нею до Великого вибуху?

На ці питання відповідає теорія інфляції, яку Алан Гут висунув 28 років тому.

Космічна інфляція

Центральну роль цієї теорії грає особлива форма матерії, звана хибним вакуумом. У повсякденному розумінні цього слова вакуум - просто абсолютно порожній простір. Але для фізиків, що займаються елементарними частинками, вакуум - далеко не повне ніщо, а фізичний об'єкт, що має енергію і тиск, який може перебувати в різних енергетичних станах. Фізики називають ці стани різними вакуумами, від своїх показників залежать властивості елементарних частинок, які у них існувати. Зв'язок між частинками і вакуумом подібна до зв'язку звукових хвиль з речовиною, якою вони поширюються: у різних матеріалах швидкість звуку неоднакова. Ми живемо в дуже низькоенергетичному вакуумі, і довгий час фізики вважали, що енергія нашого вакууму точно дорівнює нулю. Проте нещодавно спостереження показали, що він має трохи відмінну від нуля енергію (вона отримала назву темної енергії).

Сучасні теорії елементарних частинок пророкують, що крім нашого вакууму існує низка інших, високоенергетичних вакуумів, які називають хибними. Поряд із дуже високою енергією помилковий вакуум характеризується великим негативним тиском, який називають натягом. Це те саме, що розтягнути шматок гуми: з'являється натяг - сила, спрямована всередину, яка змушує гуму стискатися.

Але найдивніша властивість помилкового вакууму - це його гравітація, що відштовхує. Відповідно до загальної теорії відносності Ейнштейна гравітаційні сили викликаються як масою (тобто енергією), а й тиском. Позитивний тиск спричиняє гравітаційне тяжіння, а негативне веде до відштовхування. У разі вакууму відштовхуюча дія тиску перевищує силу, що притягує, пов'язану з його енергією, і в сумі виходить відштовхування. І чим вища енергія вакууму, тим вона сильніша.

А ще помилковий вакуум нестабільний і зазвичай дуже швидко розпадається, перетворюючись на низькоенергетичний вакуум. Надлишок енергії йде породження вогняного згустку елементарних частинок. Тут важливо підкреслити, що Алан Гут не винаходив помилковий вакуум з такими дивними властивостями спеціально для своєї теорії. Його існування випливає із фізики елементарних частинок.

Гут просто припустив, що на самому початку історії Всесвіту простір був у стані хибного вакууму. Чому так сталося? Гарне питання, і тут є що сказати, але ми повернемося до цього питання наприкінці статті. А поки припустимо слідом за Гутом, що молодий Всесвіт був заповнений хибним вакуумом. У такому разі викликана ним відштовхуюча гравітація призвела б до дуже швидкого розширення Всесвіту, що прискорюється. При такому типі розширення, який Гут назвав інфляцією, існує характерний час подвоєння, за який розмір Всесвіту збільшується вдвічі. Це схоже на інфляцію в економіці: якщо її темпи незмінні, то ціни подвоюються, скажімо, за 10 років. Космологічна інфляція йде набагато швидше, з такою швидкістю, що за малу частку секунди крихітна область діаметром менше атома роздувається до розмірів, що перевищують частину Всесвіту, що спостерігається сьогодні.

Оскільки помилковий вакуум нестабільний, він у результаті розпадеться, породжуючи вогненний потік, і цьому інфляція закінчується. Розпад помилкового вакууму грає у цій теорії роль Великого вибуху. З цього моменту Всесвіт розвивається відповідно до уявлень стандартної космології Великого вибуху.

Від умогляду до теорії

Теорія інфляції природно пояснює особливості початкового стану, які колись здавалися такими загадковими. Висока температура виникає через високу енергію помилкового вакууму. Розширення пов'язане з гравітацією, що відштовхує, яка змушує помилковий вакуум розширюватися, а вогненний згусток продовжує розширюватися за інерцією. Всесвіт однорідний тому, що помилковий вакуум скрізь має однакову щільність енергії (за винятком малих неоднорідностей, які пов'язані з квантовими флуктуаціями в помилковому вакуумі).

Коли теорія інфляції вперше була оприлюднена, її сприйняли лише як умоглядну гіпотезу. Але тепер, через 28 років, вона отримала вражаючі підтвердження спостереження, більшість з яких пов'язана з космічним фоновим випромінюванням. Супутник WMAP побудував карту інтенсивності випромінювання для неба і виявив, що видимий у ньому плямистий візерунок перебуває у бездоганній згоді з теорією.

Є і ще одне передбачення інфляції, що полягає в тому, що Всесвіт повинен бути майже плоским. Відповідно до загальної теорії відносності Ейнштейна простір може бути викривлено, проте теорія інфляції передбачає, що область Всесвіту, що спостерігається, повинна з високою точністю описуватися плоскою, евклідовою, геометрією. Уявіть викривлену поверхню сфери.

Тепер подумки збільшіть цю поверхню у величезну кількість разів. Це саме те, що трапилося із Всесвітом під час інфляції. Нам видно лише крихітну частину цієї величезної сфери. І вона здається плоскою так само, як Земля, коли ми розглядаємо невелику її ділянку. Те, що геометрія Всесвіту є плоскою, було перевірено шляхом вимірювання кутів гігантського трикутника розміром майже до космічного горизонту. Їхня сума склала 180 градусів, як і має бути при плоскій, евклідовій, геометрії.

Тепер, коли дані, отримані в області Всесвіту, що спостерігається нами, підтвердили теорію інфляції, можна певною мірою довіряти тому, що вона говорить нам про регіони, недоступні для спостереження. Це повертає нас до питання, з якого ми почали: що лежить за нашим космічним обрієм?

Світ нескінченних двійників

Відповідь, яку дає теорія, досить несподівана: хоча в нашій частині космосу інфляція закінчилася, у Всесвіті загалом вона продовжується. То там, то тут у її товщі трапляються «великі вибухи», в яких розпадається хибний вакуум і виникає область космосу, подібна до нашої. Але інфляція ніколи не закінчиться повністю, у всьому Всесвіті. Справа в тому, що розпад вакууму - імовірнісний процес, і в різних областях він трапляється у різний час. Виходить, Великий вибух не був унікальною подією у нашому минулому. Безліч «вибухів» трапилося раніше і незліченна кількість ще відбудеться в майбутньому. Цей ніколи не закінчується процес називається вічною інфляцією.

Можна спробувати уявити, як би виглядав інфлюючий Всесвіт, якщо поглянути на нього збоку. Простір було б заповнено помилковим вакуумом і дуже швидко розширювалося на всі боки. Розпад помилкового вакууму нагадує закипання води. То там, то тут спонтанно з'являються бульбашки низькоенергетичного вакууму. Щойно зародившись, бульбашки починають розширюватися зі швидкістю світла. Але вони дуже рідко стикаються, оскільки простір між ними розширюється ще швидше, утворюючи місце для нових і нових бульбашок. Ми живемо в одному з них і бачимо лише малу частину.

На жаль, подорожі до інших бульбашок неможливі. Навіть забравшись у космічний корабель і рухаючись майже зі швидкістю світла, нам не наздогнати за межами нашого міхура, що розширюються. Тож ми є його бранцями. З практичної точки зору кожен міхур є самодостатнім окремим всесвітом, у якого немає зв'язку з іншими бульбашками. У ході вічної інфляції породжується нескінченна кількість таких міхурів-всесвітів.

Але якщо не можна дістатися інших міхурів-всесвітів, як же переконатися, що вони дійсно існують? Одна з вражаючих можливостей – спостереження за зіткненням міхурів. Якби інший міхур вдарився в наш, це мало б помітний вплив на космічне фонове випромінювання. Проблема, однак, у тому, що зіткнення бульбашок дуже рідкісні, і не факт, що така подія траплялась у межах нашого горизонту.

Дивний висновок випливає з цієї картини світу: оскільки кількість всесвітів-бульбашок нескінченна і кожна з них необмежено розширюється, в них буде міститись нескінченна кількість областей розміром з наш обрій. Кожна така область матиме свою історію. Під "історією" мається на увазі все, що трапилося, аж до найменших подій, таких як зіткнення двох атомів. Ключовий момент полягає в тому, що кількість різних історій, які можуть мати місце, – звісно. Як це можливо? Наприклад, я можу посунути свій стілець на один сантиметр, на півсантиметра, на чверть і так далі: здається, що вже тут таїться необмежену кількість історій, оскільки я можу зрушити стілець нескінченним числом різних способів на скільки завгодно мала відстань. Однак через квантову невизначеність дуже близькі один до одного історії принципово неможливо розрізнити. Таким чином, квантова механіка говорить нам, що кількість різних історій є звичайною. З моменту Великого вибуху для області, що спостерігається, воно становить приблизно 10, зведене в ступінь 10150. Це неймовірно велике число, але важливо підкреслити, що воно не нескінченно.

Отже, обмежена кількість історій розгортається у нескінченному числі областей. Неминучий висновок, що кожна історія повторюється нескінченну кількість разів. Зокрема, існує безліч земель з такими ж історіями, як у нашої. Це означає, що десятки ваших дублів зараз читають цю фразу. Повинні існувати також області, історії яких чимось відрізняються, реалізуючи всі можливі варіації. Наприклад, є області, в яких змінено лише прізвисько вашого собаки, а є інші, де Землею досі ходять динозаври. Хоча, звичайно, у більшості областей немає нічого схожого на нашу Землю: адже значно більше способів відрізнятися від нашого космосу, ніж бути схожим на нього. Ця картина може здатися дещо гнітючою, але її дуже важко уникнути, якщо визнається теорія інфляції.

Бульбашки мультиверсу

Досі ми припускали, що інші всесвіти-бульбашки схожі між собою за своїми фізичними властивостями. Але це необов'язково має бути так. Властивості нашого світу визначаються набором чисел, які називають фундаментальними постійними. Серед них Ньютонова гравітаційна стала, маси елементарних частинок, їх електричні заряди тощо. Усього існує близько 30 таких констант, і виникає цілком природне питання: чому вони мають такі значення, які є? Довгий час фізики мріяли, що одного разу зможуть вивести значення констант із якоїсь фундаментальної теорії. Але суттєвого прогресу цьому шляху досягнуто був.

Якщо виписати на аркуш паперу значення відомих фундаментальних постійних, вони видадуться цілком випадковими. Деякі з них дуже малі, інші великі, і за цим набором чисел не видно жодного порядку. Однак у них все ж таки була помічена система, хоч і дещо іншого роду, ніж сподівалися виявити фізики. Значення констант, схоже, ретельно підібрані для забезпечення нашого існування. Це спостереження отримало назву антропного принципу. Константи ніби спеціально тонко налаштовані Творцем, щоб створити відповідний для життя Всесвіт - це саме те, про що говорять нам прихильники вчення про розумний задум.

Але існує інша можливість, яка малює зовсім інший образ Творця: він довільним чином породжує безліч всесвітів, і випадково деякі з них виявляються придатними для життя. Розумні спостерігачі, що з'явилися в таких рідкісних всесвітах, виявляють чудове тонке налаштування констант. У цій картині світу, званої Мультиверсом, більшість бульбашок безплідна, але в них немає нікого, хто міг би на це поскаржитися.

Але як перевірити концепцію мультиверс? Прямі спостереження нічого не дадуть, оскільки ми не можемо подорожувати до інших бульбашок. Можна, однак, як у кримінальному розслідуванні, знайти непрямі докази. Якщо константи змінюються від одного всесвіту до іншого, їх значення у нас не можна точно передбачити, але можна зробити імовірнісні передбачення. Можна спитати: які значення виявить середньостатистичний спостерігач? Це аналогічно спробі передбачити зростання першої зустрічної людини на вулиці. Навряд чи він виявиться гігантом або карликом, тому якщо прогнозувати, що його зростання буде десь близько середнього, ми, як правило, не помилимося. Аналогічно і з фундаментальними постійними: немає підстав думати, що їх значення в нашій області космосу дуже великі або малі, інакше кажучи, вони суттєво відрізняються від тих, що виміряють більшість спостерігачів у Всесвіті. Припущення про нашу невиключність – це важлива ідея; я назвав її принципом пересічного.

Цей підхід був застосований до так званої постійної космологічної, яка характеризує щільність енергії нашого вакууму. Значення цієї постійної, отримане з астрономічних спостережень, виявилося у добрій згоді з прогнозами, заснованими на концепції Мультіверс. Це стало першим свідченням існування там, за горизонтом, воістину колосального Всесвіту, що вічно інфлює. Це свідчення, звичайно, непряме, яким тільки й могло бути. Але якщо нам пощастить зробити ще кілька вдалих пророцтв, то нову картину світу можна буде визнати доведеною за межами розумних сумнівів.

Що було до величезного вибуху?

А чи був у Всесвіті початок? Ми описали космос, що безмежно розширюється, породжує все нові «великі вибухи», але хотілося б знати, чи завжди Всесвіт був таким? Багато хто знаходить таку можливість вельми привабливою, оскільки вона позбавляє деяких важких питань, пов'язаних з початком Всесвіту. Коли Всесвіт вже існує, його еволюція описується законами фізики. Але як описувати її початок? Що змусило Всесвіт з'явитися? І хто поставив їй початкові умови? Було б дуже зручно сказати, що Всесвіт завжди перебуває у стані вічної інфляції без кінця і початку.

Ця ідея, однак, стикається з несподіваною перешкодою. Арвінд Борд та Алан Гут довели теорему, яка стверджує, що хоча інфляція вічна у майбутньому, вона не може бути вічною у минулому, а це означає, що у неї має бути якийсь початок. І хоч би як воно було, ми можемо продовжувати запитувати: а що було до того? Виходить, що одне з основних питань космології - з чого почався Всесвіт? - Так і не отримав задовільної відповіді.

Єдиний запропонований досі спосіб обійти цю проблему нескінченної регресії полягає в тому, що Всесвіт міг бути спонтанно створений з нічого. Часто кажуть: нічого не може з'явитися з нічого. Справді, матерія має позитивну енергію, і закон її збереження вимагає, щоб у будь-якому початковому стані енергія була такою ж. Однак математичний факт полягає в тому, що замкнутий всесвіт має нульову енергію. У загальній теорії відносності Ейнштейна простір може бути викривленим і замикатися він подібно поверхні сфери. Якщо в такому замкнутому всесвіті рухатися весь час в один бік, то врешті-решт повернешся туди, звідки стартував, - так само, як повертаєшся у вихідну точку, обійшовши навколо Землі. Енергія матерії позитивна, але енергія гравітації - негативна, і можна суворо довести, що в замкнутому всесвіті їх вклади точно компенсують один одного, так що повна енергія замкнутого всесвіту дорівнює нулю. Інша величина, що зберігається, - електричний заряд. І тут теж виявляється, що повний заряд замкнутого всесвіту має бути нульовим.

Якщо всі величини, що зберігаються, в замкнутому всесвіті рівні нулю, то ніщо не перешкоджає її спонтанній появі з нічого. У квантовій механіці будь-який процес, який не заборонений строгими законами збереження, з певною ймовірністю відбуватиметься. А значить, замкнуті всесвіти повинні з'являтися з нічого, як бульбашки в келиху шампанського. Ці новонароджені всесвіти можуть бути різного розміру та заповнені різними типами вакууму. Аналіз показує, що найбільш ймовірні всесвіти мають мінімальні початкові розміри та найвищу енергію вакууму. Варто з'явитися такому всесвіту, як негайно під впливом високої енергії вакууму він починає розширюватися. Саме так і розпочинається історія вічної інфляції.

Космологія Блаженного Августина

Слід зазначити, що аналогія між всесвітами, що виникають з нічого, і бульбашками шампанського не зовсім точна. Пухирці народжуються в рідині, а у всесвіті немає ніякого навколишнього простору. Зародився замкнутий всесвіт - це і є існуючий простір. До її появи ніякого простору не існує, як не існує часу. У загальній теорії відносності простір і час пов'язані у єдину сутність, звану «простором-часом», і починає свій відлік лише після того, як з'являється Всесвіт.

Щось подібне багато століть тому було описано Августином Блаженним. Він намагався зрозуміти, що робив Бог до того, як утворив небеса і землю. Свої міркування над цією проблемою Августин виклав у чудовій книзі «Сповідь». Висновок, якого він у результаті прийшов, полягає в тому, що Бог повинен був створити час разом із Всесвітом. До того не було часу, а значить, безглуздо питати, що було раніше. Це дуже схоже на відповідь, яку пропонує сучасна космологія.

Ви можете запитати: що змусило Всесвіт з'явитися з нічого? Хоч як це дивно, жодної причини не потрібно. Якщо взяти радіоактивний атом, він розпадеться, і квантова механіка передбачає можливість його розпаду за певний інтервал часу, скажімо, за хвилину. Але якщо запитати, чому атом розпався саме в даний конкретний момент, а не в інший, то відповідь полягатиме в тому, що не було жодної причини: цей процес є випадковим. Аналогічно не потрібна причина і для квантового створення Всесвіту.

Закони фізики, які описують квантове народження Всесвіту, - ті самі, що описують її подальшу еволюцію. З цього, мабуть, випливає, що закони існували в певному сенсі, перш ніж виник Всесвіт. Іншими словами, закони, схоже, не є описом Всесвіту, а мають якесь платонівське існування, крім самого Всесвіту. Ми поки що не знаємо, як це розуміти.

Олександр Віленкін – директор Інституту космології в Університеті Тафтса (Бостон, штат Массачусетс). Він закінчив Харківський університет 1971 року, 1976-го емігрував із СРСР, 1978-го став професором Університету Тафтса. Віленкін - один із провідних сучасних космологів, автор концепції вічної інфляції, що з'явилася як розвиток інфляційної космології Алана Гута, спільно з яким написав низку наукових праць. Відома полеміка між Олександром Віленкіним та Стівеном Хокінгом щодо питання, як саме трапилося квантове народження Всесвіту. Віленкін є прихильником антропного принципу, за яким існує безліч всесвітів і лише деякі з них придатні для життя розумних мешканців. Причому Віленкін вважає, що з антропного принципу можна отримати нетривіальні пророцтва, що дозволяють підтвердити існування недоступних спостереженню всесвіту. Бурхливі дискусії викликала науково-популярна книга Олександра Віленкіна "Світ безлічі світів: у пошуках інших всесвітів", опублікована англійською мовою. Цього року вона виходить російською.

> Структура Всесвіту

Вивчіть схему структури Всесвіту: масштаби простору, карта Всесвіту, скупчення, скупчення, групи галактик, галактики, зірки, Велика Стіна Слоуна.

Ми живемо в нескінченному просторі, тому завжди цікаво дізнатися, як виглядають структура та масштаби Всесвіту. Глобальна вселенська структура є порожнечі і волокна, які можна розбити на , скупчення, галактичні групи, а вже в кінці і самі. Якщо знову зменшувати масштаби, то розглянемо і (Сонце одна з них).

Якщо ви усвідомлюєте, як виглядає ця ієрархія, можете краще зрозуміти, яку роль грає кожен названий елемент у структурі Всесвіту. Наприклад, якщо ми проникнемо ще далі, то зауважимо, що молекули поділяються на атоми, а ті на електрони, протони та нейтрони. Останні два також трансформуються у кварки.

Але це дрібні елементи. А що робити з величезними? Що являють собою скупчення, порожнечі і волокна? Рухатимемося від маленького до великого. Внизу можете подивитися, як виглядає карта Всесвіту в масштабі (тут добре проглядаються нитки, волокна та порожнечі простору).

Існують одиночні галактики, але більшість вважають за краще розташовуватися групами. Зазвичай це 50 галактик, що займають у діаметрі 6 мільйонів світлових років. Група Чумацького Шляху налічує понад 40 галактик.

Скупчення - це області з 50-1000 галактиками, що досягають розмірів 2-10 мегапарсек (діаметр). Цікаво відзначити, що їхні швидкості неймовірно великі, а отже, мають долати гравітацію. Але вони все ж таки тримаються разом.

Обговорення темної матерії з'являється на етапі розгляду саме галактичних скупчень. Вважають, що вона створює ту силу, яка дозволяє галактикам розійтися в різні боки.

Іноді групи також об'єднуються, щоб сформувати скупчення. Це одні з найбільших структур Всесвіту. Найбільший представник – Велика Стіна Слоуна, що розтягнулася на 500 мільйонів світлових років завдовжки, 200 мільйонів світлових років завширшки та 15 мільйонів світлових років завтовшки.

Сучасні прилади ще недостатньо потужні, щоб збільшувати зображення. Зараз ми можемо розглянути два компоненти. Ниткоподібні структури – складаються із ізольованих галактик, груп, скупчень та надскоплень. А також порожнечі – гігантські порожні бульки. Перегляньте цікаві відео, щоб дізнатися більше інформації про структуру Всесвіту та властивості її елементів.

Ієрархічне формування галактик у Всесвіті

Астрофізик Ольга Сільченко про властивості темної матерії, речовину в ранньому Всесвіті та реліктовому фоні:

Матерія та антиматерія у Всесвіті

ізік Валерій Рубаков про ранній Всесвіт, стабільність речовини та баріонний заряд: