Остров знаний. Пределы досягаемости большой науки - Марсело Глейзер

Бесконечен ли космос? Расширяется Вселенная в бесконечность или замыкается сама на себя, как поверхность воздушного шарика? Сможем ли мы когда-нибудь узнать ее форму? Существование космического горизонта и тот факт, что мы получаем информацию лишь из пространства, ограниченного скоростью света, устанавливают серьезные границы нашего познания. Когда космологи говорят, что Вселенная плоская, на самом деле они имеют в виду (или по крайней мере должны иметь в виду), что измеримая часть Вселенной является плоской или практически плоской с учетом погрешности измерений. Подобная плоскость космоса предполагает, что на самом деле Вселенная гораздо больше, чем мы можем измерить. Но с нашей позиции мы не в состоянии делать никаких заключений о том, что лежит за пределами нашего информационного пузыря, или об общей форме Вселенной.

Разумеется, мы можем и должны рассуждать о том, что находится за космическим горизонтом, и, возможно, такие рассуждения помогут нам что-то узнать. Иногда вернуться на берег Острова познания может быть полезным. Если вы не житель Древней Месопотамии, где верили, что горизонт является краем мира, то, глядя с берега на океан, вы легко предположите, что он продолжается и за горизонтом. Когда корабль выплывает из-за горизонта, вы не можете видеть его нижнюю часть, так как Земля круглая. Если вы видите на горизонте остров, вы можете отметить его положение относительно горизонта, а затем забраться на высокую гору и увидеть, что океан продолжается и за островом, а значит, не ограничивается горизонтом, который вы видели у подножия горы. Однако даже с вершины самого высокого пика невозможно осмотреть все океаны и континенты нашей планеты или увидеть, что она представляет собой шар, слегка приплюснутый у полюсов. Исторически наше видение планеты определялось тем, как далеко (или высоко) мы могли на ней продвинуться. Затем, объединив усилия математики и астрономии, ученые смогли сделать гигантский шаг вперед. Это подтверждается расчетами окружности Земли, произведенными Эратосфеном примерно в 200 году до н. э., а также наблюдениями за круглой тенью, которую Земля отбрасывает на Луну во время лунного затмения. Можно привести еще множество других примеров, но окончательное подтверждение того, что Земля круглая, мы получили лишь в 1521 году, когда завершилось кругосветное плаванье Фернана Магеллана и Себастьяна Элькано. Если математические расчеты и толкование теней на Луне еще могли вызывать у людей какие-то сомнения (пускай и неверные), то путь, пройденный кораблями Магеллана, был непреложной истиной. К сожалению, когда дело доходит до космического горизонта, кругосветное путешествие исключается.

В данном случае уместно привести двухмерную аналогию. Представьте себе поверхность очень большого шара. На этой поверхности существует галактика, и в ней живут разумные существа. Как и наша Вселенная, эта двухмерная конструкция когда-то пережила Большой взрыв. Так же как и у нас, у существ из этой Вселенной имеется космический горизонт – участок поверхности шара в форме диска. Если шар достаточно велик, а диск слишком мал, существа будут считать свою Вселенную бесконечной, а ее геометрию – плоской. (Если вы мне не верите, возьмите воздушный шарик и нарисуйте на нем круг. Поверхность внутри круга действительно будет казаться вам плоской.) Но этот вывод будет неверным. Да, поверхность видимого им диска действительно плоская, но поверхность всего шара, то есть их Вселенная, конечна. Смогут ли эти существа когда-нибудь узнать правду о форме своей Вселенной, если выход за границы диска им недоступен?

Можем ли мы определить форму Вселенной, если находимся на плоскости, ограниченной космическим горизонтом? Если наша Вселенная – это трехмерная сфера, нам не повезло. Судя по текущим данным, радиус кривизны этой сферы, скорее всего, настолько мал, что мы просто не сможем его измерить. Существует еще одно интересное, хотя и не совсем правдоподобное предположение. Наша Вселенная может иметь сложную форму, которую математики называют нетривиальной топологией. Топология – это направление в геометрии, которое изучает непрерывную деформацию пространств. «Непрерывное» в данном случае означает без разрывов, как, например, растягивание и сгибание куска резины. Такие трансформации называют геоморфизмами. К примеру, цельную сферу можно превратить в эллипсоид, в куб или в грушу – но не в кольцо. Кольцо же, в свою очередь, можно превратить в кружку с ручкой. Соответственно, сложная топология космоса может налагать свой отпечаток на наши измерения. Например, если топология подразумевает сложное соединение (то есть если в ней есть отверстия, как в пончике), свет от дальних объектов может определенным образом проявляться в фоновом излучении. В частности, если Вселенная действительно имеет форму кольца и его радиус невелик по сравнению с нашим космическим горизонтом, свет от дальних галактик может несколько раз описывать круг, создавая множественные одинаковые образы, похожие на отражения в зеркалах, стоящих параллельно друг другу. В принципе, такие отражения, или узоры, можно заметить и проанализировать.

Эта история показывает, как несовершенство наших измерительных приборов позволяет нам заниматься рассуждениями. До тех пор пока мы не удостоверимся, что радиус кривизны нашего космического диска точно равен нулю, у нас всегда останется место для фантазий о других топологиях, отличных от скучного плоского трехмерного космоса. Разумеется, существует вероятность, что однажды мы сумеем засечь зеркальные отражения, которые дадут нам основания предположить, что Вселенная имеет несколько иную форму. Гораздо интереснее будет, если мы так никогда их и не обнаружим. Будет ли это означать, что космос действительно плоский? Поскольку мы не в состоянии измерить что-либо с абсолютной точностью, то, даже если все текущие данные будут указывать на нулевое пространственное искривление в пределах нашего космического горизонта, мы все равно не сможем сказать этого наверняка. В отсутствие сведений о наличии искривления вопрос о форме космоса в принципе не имеет ответа. Сможем ли мы когда-нибудь найти его? Судя по всему, нет, если только у нас не появится новых фактов. Если бы Вселенная действительно имела форму сферы, как писал Эйнштейн, и если бы в далеком будущем эта сфера схлопнулась, наблюдатели этого последнего момента (если бы они существовали) смогли бы увидеть собственные затылки. Затем они бы исчезли, растворились в небытии, зная, что Вселенная все-таки была конечной, и затаив в сердцах (если у них были бы сердца) надежду на новый цикл существования, в котором их энергия нашла бы новый способ превращения в сложные материальные формы (возможно, даже такие, которые смогли бы, в свою очередь, задуматься о значении вечности).

Существует и еще одна надежда – что форма Вселенной будет однозначно определена с помощью фундаментальной теории, объединяющей в себе общую теорию относительности и квантовую механику. Одной из главных проблем современной физики является преодоление трудностей, возникающих при достижении сингулярности, будь то в начале времени, как при Большом взрыве, или в конце жизненного цикла звезды при формировании черной дыры. Мы пытаемся описать оба случая с помощью эйнштейновской общей теории относительности, но при этом прекрасно знаем, что она не работает для крайне малых расстояний и/или большой плотности материи. Что же нам делать? Единственный выход – это создать такую физическую теорию, которая успешно описывала бы микромир и одновременно была бы применима к сильным искривлениям пространства и объектам с высокой плотностью. Для этой цели идеально подходит квантовая теория, так как она устанавливает ограничение для небольших расстояний – горизонт, дальше которого мы не можем видеть микромир. Это ограничение возникает вследствие принципа неопределенности Гейзенберга.