Куда расширяется Вселенная, если за её пределами ничего нет
Считается, что с тех пор, как Вселенная возникла в результате Большого взрыва, она постоянно расширяется. Однако само понятие пространства тоже часть известной Вселенной. Поэтому возникает вопрос: куда же именно происходит это расширение, если за пределами известного мира ничего нет? Рассказываем, какие предположения выдвигают учёные и почему «расширение» совсем не то, что можно себе представить на основе «земного» опыта.
Тёмная энергия и Нобелевская премия
До конца XX века учёные считали, что расширение Вселенной постепенно замедляется под действием гравитации. Считалось, что импульс Большого взрыва истощается. Но в 1998 году две независимые группы астрофизиков сделали открытие, которое перевернуло науку.
Учёные наблюдали за сверхновыми типа Ia. Это особые звёзды, работающие как «стандартные свечи»: они возникают при взрыве белого карлика строго определённой массы, поэтому пиковая яркость таких вспышек всегда одинакова во всей Вселенной. Сравнивая видимую яркость с реальной, исследователи выяснили, что далёкие сверхновые выглядят примерно на 25% тусклее, чем предсказывала старая модель.
Это означало лишь одно: последние 5–7 миллиардов лет Вселенная не просто расширяется по инерции, а делает это с ускорением. За это открытие исследователи получили Нобелевскую премию по физике в 2011 году.
Причиной ускорения признали тёмную энергию. Она обладает парадоксальным свойством — отрицательным давлением, которое вызывает гравитационное отталкивание. Тёмная энергия не расталкивает галактики физически, она изменяет саму геометрию пространства, заставляя его растягиваться быстрее, чем гравитация может стянуть материю обратно.
Представить механику этого процесса поможет простая аналогия: вообразите надувающийся резиновый шарик, по поверхности которого ползёт муравей. Галактики в этой модели — это точки на резине. Когда шарик надувается, точки отдаляются друг от друга. При этом ни одна из них не является «центром» расширения.
Важно: для муравья существует только двухмерная поверхность. У неё нет краёв, и на ней нет понятия «внутри» или «снаружи». Наша Вселенная — это трёхмерный аналог такой поверхности. Галактики удаляются друг от друга не из-за собственного движения сквозь космос, а из-за растяжения самой ткани пространства-времени.
Рождение пространства
Главная ошибка человеческого восприятия — представлять расширение как рост предмета внутри большой пустой комнаты. В теории относительности сама Вселенная — это и есть «комната».
Она не расширяется в уже существующую пустоту. Сама ткань пространства-времени постоянно генерируется в процессе расширения. За границами мира нет ни вакуума, ни черноты, ни времени.
Сверхновая типа Ia (слева внизу) рядом с галактикой NGC 4526.
Понятие «где» работает только внутри Вселенной. Физик Стивен Хокинг приводил отличный пример: спрашивать, что находится за краем Вселенной, — это всё равно что спрашивать, что находится севернее Северного полюса. На полюсе само понятие «север» исчезает, так как любое направление оттуда ведёт на юг. Так же и привычные координаты полностью теряют физический смысл на границах Вселенной.
Космические горизонты и полная изоляция
Из-за ускоренного расширения возникают жёсткие лимиты на то, какую часть мира вообще можно увидеть.
Сейчас граница видимого космоса (горизонт частиц) отдалена от Земли примерно на 46 миллиардов световых лет. Но из-за тёмной энергии существует ещё и горизонт событий — рубеж на расстоянии около 16 миллиардов световых лет. Объекты за ним удаляются от наблюдателей быстрее скорости света.
Это не нарушает законы физики: ограничение скорости по закону Эйнштейна касается только движения сквозь пространство, а не расширения самого пространства. Проблема в другом: свет от событий, которые там происходят, никогда не достигнет Земли.
Если ускорение продолжится, в далёком будущем Вселенную ждёт полная изоляция. Через миллиарды лет пространство растянется настолько, что чужие галактики навсегда исчезнут за горизонтом событий. Рядом останутся только соседи, связанные гравитацией, а Млечный Путь окончательно сольётся с Андромедой.
Для будущих астрономов в этой объединённой системе космос будет казаться статичным. Реликтовое излучение от Большого взрыва растянется и станет незаметным. Все свидетельства расширения исчезнут, и потомки людей решат, что их одинокая галактика — это и есть весь мир.
В итоге
Ответ на вопрос, куда расширяется Вселенная, сводится к тому, что внешних границ не существует. Вселенная не летит сквозь пустоту. Ускоренное расширение — это внутренний процесс создания новых участков пространства, которым управляет тёмная энергия. Людям невероятно повезло жить в эпоху, когда в ночном небе ещё можно увидеть другие галактики, а свет Большого взрыва можно уловить телескопами. Через миллиарды лет это окошко навсегда захлопнется, превратив Млечный Путь в изолированный остров.