Муравей и резинка

Если Вселенная расширяется, то, возможно, некоторые звезды навечно останутся недоступными для нашего взора, так как они все более и более отдаляются от нас. Если Вселенная расширяется с постоянной скоростью, будь эта скорость даже выше скорости света, то при помощи элегантного математического рассуждения можно показать, что, подождав достаточно долго, мы сможем увидеть свет, исходящий от любой звезды Вселенной – даже если она бесконечна.

Проще всего понять это рассуждение на одном примере, приводящем к удивительно нелогичным результатам. Представим себе муравья (играющего роль фотона), который сидит на одном конце резиновой ленты (играющей роль пространства), другой конец которой (играющий роль Земли) зафиксирован. Тот конец, на котором исходно находится муравей, играет роль далекой галактики.

Конец резиновой ленты оттягивают с некоторой постоянной скоростью. Предположим, что изначальная длина ленты равна одному километру и увеличивается на один километр каждую секунду. Муравей перемещается вдоль ленты с гораздо меньшей скоростью, скажем, равной одному сантиметру в секунду. На первый взгляд кажется, что, поскольку скорость удаления конца ленты настолько выше, у муравья нет никаких шансов добраться до противоположного конца ленты, так же как и свет из достаточной удаленной галактики никогда не сможет долететь до Земли, если пространство между ними расширяется с постоянной скоростью.

Поскольку тут есть некоторые тонкости, я позволю себе ввести одно условие, которое поможет нам понять, что происходит: пусть резиновая лента растягивается только по прошествии каждой секунды и каждое ее растяжение происходит мгновенно. Итак, к концу первой секунды муравей прополз один сантиметр, то есть 1/100 000 всего расстояния. Затем лента растянулась. Важно отметить, что, хотя расстояние, которое муравью еще нужно преодолеть, и увеличилось, уже пройденное им расстояние по-прежнему составляет 1/100 000 расстояния между звездой и Землей, так как растяжение ленты также несколько отодвинуло муравья от исходной точки его путешествия.

Затем муравей проползает еще один сантиметр. Длина ленты равна теперь двум километрам. Значит, муравей прополз еще 1/200 000 полного расстояния. В сумме преодоленная им часть пути составляет 1/100 000 + 1/200 000 полного расстояния. Лента растягивается еще на километр. Пропорция от такого растяжения не изменяется. Длина ленты равна теперь трем километрам. Муравей проползает еще один сантиметр. Теперь это всего 1/300 000 полного расстояния. Каждый раз, когда резиновая лента растягивается, пропорция, соответствующая очередному сантиметру, пройденному муравьем, уменьшается. Но погодите – вот где проявляется сила математики. Относительная длина части ленты, пройденной муравьем через n секунд, будет равна:

Но это тот самый гармонический ряд, вычисленный Оремом много столетий назад, который мы рассматривали в начале предыдущей главы. Орем доказал, что сумма этого ряда может быть сколь угодно большой. То есть значение n можно взять настолько большим, чтобы его сумма была больше 100 000. Тогда отношение длины участка, пройденного муравьем, к полному расстоянию будет более 100 %. Значит, муравей достиг цели!

В этом примере мы рассматривали резиновую ленту, растягивающуюся с постоянной скоростью. Примерно так же, по мнению астрономов, подобных Хабблу, ведет себя и космическое пространство: возможно, его расширение даже замедляется благодаря воздействию гравитации. Из этого следует, что, даже если Вселенная бесконечна, мы сможем увидеть все большую и большую ее часть, если будем просто сидеть и ждать прибытия света, подобного колонии муравьев, ползущих по растягивающейся резиновой ленте пространства.

Не значит ли это, что теоретически, если Вселенная бесконечна, мы должны были уже видеть свет от всех звезд, как бы далеки от нас они ни были? Может быть, мы уже можем видеть бесконечную Вселенную? Тут, однако, следует вспомнить, что чем дальше от нас находится звезда, тем в более глубоком прошлом мы ее видим. Если отмотать развитие нашей расширяющейся Вселенной достаточно далеко назад, мы обнаружим, что в ней вообще не было никаких звезд.