Космические Магелланы

Свет – великий путешественник. На нас постоянно падает свет, странствовавший по Вселенной на протяжении многих миллиардов лет. Не может ли часть этого света рассказать нам что-нибудь, что позволит нам догадаться, конечна ли Вселенная? Мы уже поняли, что случится с космическим кораблем, отправившимся в глубины космоса: в такой конечной вселенной он должен в конце концов вернуться в начальную точку своего путешествия, как в 1522 г. вернулись в Севилью корабли Магеллана.

То же может случиться и со светом. Представим себе фотон, покидающий наше Солнце в начале его существования, около 4,5 миллиарда лет назад. Предположим, что мы живем на поверхности четырехмерного бублика, в котором противоположные грани нашей кубической вселенной соединены. Что происходит со светом при приближении к одной из таких граней? Он плавно проходит сквозь нее, возникает на противоположной грани и может продолжать свое путешествие к его исходной точке. Если по пути его ничто не остановит, он может вернуться и попасть в телескоп земного наблюдателя, который впервые обнаружит этот фотон после его долгого путешествия. Что же увидит такой астроном? Да ничего особенного. Свет будет выглядеть так, как будто он был испущен очень удаленной звездой в начале ее существования. Понять, что астроном видит, как выглядело наше Солнце 4,5 миллиарда лет назад, будет очень трудно.

Однако такое положение дает нам возможность попробовать доказать конечность Вселенной, потому что мы можем посмотреть в противоположном направлении и проверить, не видна ли нам похожая картина на противоположной грани. Исследователи во Франции, Польше и США изучали распределение света, возникшего на очень ранних стадиях существования Вселенной в надежде, что разные части составляемой ими картины могут совпасть друг с другом.

Этим ученым показалось, к их немалому удивлению и неменьшему восторгу, что им удалось обнаружить первые признаки совпадения данных. Они начали анализ, который должен был показать, какие именно формы могли дать наблюдаемое распределение длин волн. Согласно полученным результатам, наилучшим кандидатом на роль формы Вселенной, в которой могли появиться такие распределения, был додекаэдр. Это еще одна форма «игральной кости», имеющая 12 пятиугольных граней. Как это ни удивительно, более 2000 лет назад Платон предполагал, что небесный свод, к которому прикреплены звезды, имеет форму не сферы, но именно додекаэдра. Но современная интерпретация предполагает, что, как и в случае сложенного куба, на взаимно противоположных гранях такого додекаэдра пространство смыкается. Интересно отметить, что для совмещения пятиугольников пришлось несколько повернуть их (на 36°). Однако большинству астрономов эти результаты не показались убедительными. Трудно сказать, не являются ли такие соответствия результатом случайного совпадения.

Существует еще один способ получить от света информацию о геометрии Вселенной. Свет может рассказать нам, как Вселенная искривляется. Предположим, наш путешественник, вооруженный телескопом, отправляется из своей деревни через совершенно однородную равнину. Сначала Земля кажется ему плоской, но через некоторое время становится заметной ее кривизна: оглянувшись назад, путешественник уже не видит своей деревни – что-то мешает ему ее увидеть. Если кривизна сохраняется по всей поверхности, то такая поверхность должна быть конечной. Такая кривизна, какую имеет шар, называется положительной кривизной. Плоская поверхность может быть неограниченной, простирающейся бесконечно, но также может быть подобной миру игры «Астероиды», в котором Вселенная экрана оказывается плоской, но конечной. Про плоские поверхности говорят, что они имеют нулевую кривизну. Существует еще один тип кривизны, подобный кривизне седла или чипсов Pringles. Такая фигура изгибается вниз в одном направлении и вверх – в другом. Ее называют отрицательной кривизной в отличие от положительной кривизны поверхности шара. Она создает не конечные, подобные поверхности шара, а бесконечные поверхности.

Двумерная поверхность Земли может быть искривлена в одну или в другую сторону; как выясняется, трехмерное пространство точно так же может иметь кривизну. Измерение этой кривизны может дать нам некоторое представление о том, как может быть сложено пространство. Если подобно Земле Вселенная имеет положительную общую кривизну, то она должна образовывать конечную форму. Если ее кривизна отрицательна, то она должна быть бесконечной. Если же Вселенная плоская, то она может быть бесконечной или конечной, подобно нашему кубическому миру, сомкнутому по противоположным граням.

Двумерные поверхности с положительной, отрицательной и нулевой кривизной

Чтобы определить общую кривизну пространства, мы можем исследовать свет, пересекающий его. Что мы видим? Пространство кажется почти что плоским, но трудно сказать, действительно ли оно совершенно плоское, или все-таки существует некая малая кривизна, изгибающая пространство. Различия кажутся такими малыми, что сказать, сможем ли мы когда-нибудь определить эту кривизну с точностью, достаточной, чтобы знать, как изгибается пространство, очень непросто.

Но истинное знание кривизны Вселенной затруднено еще и другим обстоятельством. По большей части наши исследования космоса основаны на предположении о том, что та точка Вселенной, в которой мы находимся, ничем особым не отличается. Эта гипотеза называется принципом Коперника. Когда-то мы считали, что находимся в центре мироздания. Но Коперник покончил с этой идеей. Так что теперь мы полагаем, что окружающая нас Вселенная выглядит приблизительно так же, как и в любом другом месте. Но это может быть и не так. Тот фрагмент Вселенной, который мы видим, вполне может оказаться совершенно особенным.

Представим себе, например, что наш земной путешественник живет на планете, имеющей форму полусферы: у нее совершенно плоское основание, но она неожиданно искривляется и образует половинку шара. Если деревня такого путешественника находится на плоской части, он будет считать, что и вся планета такая же плоская, пока вдруг не обнаружит резкое изменение кривизны. Вселенная может выглядеть таким же образом: она может быть плоской в нашей области, но иметь совершенно другую форму за пределами той части, которую мы можем видеть. Как мы можем быть уверены, что Вселенная столь однородна, как нам кажется?

Итак, вопрос о том, совершает ли свет кругосветные путешествия по конечной Вселенной подобно космической экспедиции Магеллана, все еще остается без ответа. Если это так, мы можем получить шанс узнать, конечна ли Вселенная. А может быть, она изогнута таким образом, что мы сможем выяснить, как именно Вселенная сложена. Конечно, Магеллан путешествовал по статичной планете. Как выяснилось, Вселенная обладает несколько большей динамичностью, чем мы предполагали, и открыл это обстоятельство Хаббл, космический Магеллан, когда он стал анализировать свет, доходящий до нас от звезд удаленных галактик.