Действительно ли Вселенная бесконечна?

В то время как крупнейший в мире космический телескоп Джеймса Уэбба начинает свою работу в 1,5 миллионах километров от Земли, продолжают возникать вопросы о бесконечно большом. Как образовались галактики? Если с 1920-х годов мы знаем, что Вселенная расширяется, как мы можем измерить этот процесс и что это говорит о конечности космоса? Действительно ли Вселенная бесконечна, или она конечна, но не ограничена? Одно можно сказать точно, этот вопрос до сих пор обсуждается в научном мире.

Вселенная появилась около 3,8 миллиарда лет назад в результате Большого взрыва, и в теории она относится ко всему существующему: пространству, времени, энергии и материи. Поэтому трудно представить себе Вселенную как физический объект с краями, поскольку существование края означало бы наличие внешней стороны Вселенной... что невозможно. Однако она вполне может быть конечной, но без краев, с пространством, замыкающимся на самом себе.

Видимая и невидимая Вселенная

Независимо от того, конечна или бесконечна Вселенная, мы не можем наблюдать все, что в ней происходит. Поскольку ее возраст "конечен", мы можем наблюдать только конечный объем: это и есть наблюдаемая (или видимая) Вселенная. Возможно, это всего лишь 2% от всей Вселенной, в которой свет имеет конечную и постоянную скорость во всех направлениях. Таким образом, событие достигает своего наблюдателя с задержкой во времени, которое потребовалось свету, чтобы достичь его.

Даже для наблюдаемой Вселенной понятие предела остается важным, и мы не можем наблюдать никаких явлений, предшествовавших Большому взрыву. Действительно, границы наблюдаемой Вселенной совпадают с самым дальним местом во Вселенной, где свету понадобилось менее 13,8 миллиарда лет, чтобы достичь наблюдателя. «Космологический горизонт» обозначает этот предел, за которым ничего нельзя увидеть.

Диаметр наблюдаемой Вселенной оценивается астрофизиками в 100 миллиардов световых лет. В нем содержатся звезды, распределенные примерно по 100 миллиардам галактик, которые сами организованы в кластеры и суперкластеры галактик. Означает ли это, что видимая Вселенная конечна по своей природе? Не совсем верно, поскольку она расширяется со временем, и количество галактик может быть еще больше.

Теория бесконечности

На повестке дня остаются две теории: конечное пространство, но без границ, или бесконечное пространство. Последняя основана на идее, что Вселенная постоянно расширяется с момента своего рождения. "Судьба Вселенной определяется борьбой между импульсом расширения и силой гравитации", — говорится в документе НАСА. "Скорость расширения выражается постоянной Хаббла, а сила гравитации зависит от плотности и давления материи во Вселенной. Если давление материи невелико, как это имеет место для большинства известных нам форм материи, то судьба Вселенной определяется плотностью. Если плотность Вселенной ниже "критической плотности", которая пропорциональна квадрату постоянной Хаббла, то Вселенная будет расширяться вечно. В противном случае гравитация возобладает, и Вселенная разрушится сама по себе".

Последние измерения даже позволили предположить, что расширение Вселенной ускоряется и что скорость ее расширения не обязательно постоянна.

Еще одна важная информация, которую следует учитывать, — это форма Вселенной, определяемая, в частности, ее плотностью. Если последняя превышает критическую плотность, то Вселенная сферическая из-за своей кривизны и конечного объема. Если плотность Вселенной меньше критической плотности, то ее геометрия открыта (бесконечна) и имеет отрицательную кривизну. Наконец, если плотность Вселенной точно равна критической плотности, то геометрия Вселенной плоская и бесконечная.

Согласно НАСА, «самая простая версия инфляционной теории (расширение теории Большого взрыва) предсказывает, что плотность Вселенной очень близка к критической плотности, и что ее геометрия плоская, как лист бумаги». Кроме того, космический аппарат WMAP может измерять основные параметры теории, включая геометрию Вселенной. До результатов работы корабля ученые выделили плоскую вселенную с точностью около 15%. До получения результатов космического аппарата ученые показывали плоскую Вселенную с точностью около 15%. В 2013 году она бесконечно велика, так как является плоской с погрешностью всего 0,4%.

В ноябре 2019 года исследование, опубликованное в журнале Nature и основанное на новой интерпретации данных Planck, показывает, что кривизна Вселенной будет положительной с вероятностью 99%, хотя она, вероятно, очень мала. "Таким образом, гипотеза плоской Вселенной может скрывать космологический кризис, когда разрозненные наблюдаемые свойства Вселенной оказываются взаимно противоречивыми", — пишут ученые. "Необходимы будущие измерения, чтобы выяснить, вызваны ли наблюдаемые расхождения необнаруженной систематикой, новой физикой или просто статистическими флуктуациями".

Стивен Хокинг и Джеймс Хартл в своей модели без краев утверждают, что более естественно рассматривать замкнутые вселенные, чем бесконечные, даже если ничего не доказано. Факт остается фактом: по этому вопросу нет единого мнения, и гипотеза о бесконечности Вселенной никогда не может быть наблюдаема или продемонстрирована, каким бы мощным ни был используемый телескоп.