Если Вселенная расширяется, то во что именно?

На протяжении почти 60 лет Большой взрыв остаётся самой успешной теорией, объясняющей происхождение всего на свете. Начавшись с горячего, плотного, богатого материей и излучением состояния, Вселенная с тех пор расширялась и охлаждалась. В процессе эволюции в ней сначала образовались протоны и нейтроны, первые лёгкие элементы, стабильные атомы и, в конце концов, звезды, галактики, планеты и сложная химия, способная породить жизнь. Спустя 13,8 миллиарда лет после того, как всё началось, мы наблюдаем за всё ещё расширяющейся Вселенной и пытаемся понять, откуда всё это взялось и как стало таким, каким мы его видим сегодня.

Но если Вселенная расширяется всё это время, то во что? Или куда?

Простой ответ на этот вопрос столь же краток, сколь и неудовлетворителен: Вселенная расширяется сама в себя, а не в какую-либо «внешнюю» среду. Это ещё один пример того, как общая теория относительности противоречит нашему повседневному опыту и интуиции.

Как впервые заметил Весто Мелвин Слайфер в 1910-х годах, у некоторых наблюдаемых нами объектов имеются спектральные признаки поглощения или излучения определённых атомов, ионов или молекул, но с систематическим смещением в красную или синюю часть светового спектра. В сочетании с измерениями расстояния до этих объектов эти данные привели к первоначальной идее расширяющейся Вселенной: чем дальше галактика, тем краснее её свет будет казаться нашим глазам и приборам.

Когда мы разбиваем свет Солнца на различные длины волн, из которых он состоит, мы занимаемся спектроскопией. Мы можем легко увидеть сигнатуры многих различных элементов и идентифицировать линии, которые связаны с определёнными переходами в атомах с различным количеством протонов в ядре.

И вот что важно: судя по особенностям поглощения и/или излучения далёких объектов во Вселенной, они состоят из тех же элементов, из которых состоят наше Солнце и Земля. Атомы, из которых они состоят, поглощают и излучают свет согласно той же физике, что и известные нам атомы, и, следовательно, они излучают и поглощают свет тех же длин волн и частот, что и атомы, с которыми мы взаимодействуем.

Спектр солнечного света

Но когда мы наблюдаем свет от других объектов во Вселенной, мы практически никогда не видим тех же длин волн и частот, которые мы видим в свете, который мы создаём в лаборатории или который излучает наше Солнце. Вместо этого все спектральные линии, которые мы видим, систематически смещены относительно друг друга в зависимости от того, на какой объект мы смотрим. Более того, каждая линия, принадлежащая определённому объекту, будет смещена на один и тот же коэффициент.

Существует три основных фактора, которые могут вызвать такое смещение, и в принципе каждый из них может влиять на каждый объект:

1. Разница в гравитационном потенциале между тем местом, где свет был испущен, и тем, где он поглощается. Падая в гравитационную «дыру», свет получает энергию и смещается в сторону более коротких длин волн, испытывая голубое смещение. Когда свет забирается на гравитационный «холм», он теряет энергию и смещается в сторону более длинных волн, испытывая красное смещение. Это предсказано в рамках общей теории относительности, поскольку кривизна пространства не только указывает материи, как двигаться, но и сообщает свету и всем формам излучения, как изменяться.
2. Движение источника относительно наблюдателя: то, что мы условно называем доплеровским смещением. Чаще всего мы сталкиваемся с ним на примере звуков. Когда издающее звук транспортное средство — например, полицейская машина, грузовик с мороженым или любитель басов — движется к вам, звук, который вы слышите, будет казаться выше. Когда оно удаляется от вас, звук становится ниже. То же самое происходит со светом и со всеми волнами: если источник и наблюдатель движутся навстречу друг другу, свет, который видит наблюдатель, будет синее, а если они движутся относительно друг друга, свет, который видит наблюдатель, будет краснее.
3. И, наконец, эффект расширения Вселенной. Когда свет проходит через Вселенную, каждый его отдельный фотон обладает определённой длиной волны, определяющей его энергию. Если Вселенная расширяется, длины волн света также растягиваются, вызывая красное смещение; аналогично, если бы Вселенная сжималась (что также могло бы происходить, но не наблюдается), длина волны бы тоже сжималась, вызывая голубое смещение.

Если вы хотите понять, как расширяется Вселенная, то программа действий довольно проста. Нужно изучить большой набор объектов, смотря в разных направлениях и на разные расстояния, и измерять суммарное красное (или голубое) смещение каждого из них. Затем нужно составить карту Вселенной, насколько это возможно, и использовать эту информацию, чтобы сделать вывод о влиянии гравитационного красного/голубого смещения, а также о влиянии движения отдельных объектов относительно вас. Всё, что останется, когда вы учтёте всё остальное, можно будет отнести на счёт расширения Вселенной.

Что же мы узнаём, выполняя эту программу в реальности? Несколько вещей, которые могут вас заинтересовать, в том числе следующие:

• Для относительно близких к нам объектов — в пределах нескольких десятков миллионов световых лет — доминируют эффекты локальных движений. Нельзя надёжно измерить расширение Вселенной, глядя только на объекты, находящиеся в нашем собственном «районе».
• Объекты, гравитационно связанные друг с другом, включая звёзды, звёздные системы, звёздные скопления, шаровые скопления, отдельные галактики и даже связанные группы и скопления галактик, не испытывают влияния расширяющейся Вселенной.
• Гравитационное красное и голубое смещение, к счастью, является в основном пренебрежимо малым эффектом, составляющим в среднем гораздо меньше 1% от общего измеренного эффекта.
• Но на больших космических масштабах, то есть для объектов, находящихся на относительно больших расстояниях от нас (сотни миллионов, миллиарды и даже десятки миллиардов световых лет), расширение Вселенной — единственный эффект, который имеет значение.

Это лучший метод изучения того, как расширяется пространство по мере эволюции Вселенной: посмотреть на все эти объекты, разбросанные по Вселенной, игнорируя ближайшие, и в среднем сделать вывод о том, как расширяется Вселенная.

Есть две распространённые аналогии, которые мы используем, чтобы придать физический смысл расширяющейся Вселенной, хотя каждая из них имеет свои ограничения.

Одна из них заключается в том, чтобы рассматривать Вселенную как воздушный шар, а точнее, как шар с приклеенными (или иным образом прикреплёнными) к его поверхности монетами. Расширяющаяся Вселенная, таким образом, подобна надуванию (или сдуванию) этого шара, а монеты на поверхности шара — аналог галактик во всём космосе. Если вы сами живёте в галактике — внутри одной из этих монет, — то по мере расширения Вселенной вы увидите, как все монеты удаляются друг от друга, в том числе и от вас. Монеты, находящиеся рядом с вами, удаляются относительно медленно; монеты, находящиеся дальше, удаляются все быстрее и быстрее. Дело не в том, что монеты «движутся» относительно ткани пространства-времени, а в том, что расширение пространства со временем раздвигает их все дальше и дальше друг от друга.

Но у этой аналогии, безусловно, есть свои недостатки. Проблема в том, что поверхность воздушного шарика всего лишь двухмерна, а наша Вселенная — трехмерна. Воздушный шар надувается, потому что кто-то или что-то — обычно человек — вдувает в него воздух в дополнительном пространственном измерении, которое неизвестно обитателям поверхности воздушного шара. И воздушный шар, действительно, расширяется в это (дополнительное) третье измерение, тогда как в нашей Вселенной у нас нет никаких свидетельств, указывающих на наличие четвёртого (или более высокого) дополнительного пространственного измерения. Приходится ограничиваться лишь размышлениями о поверхности воздушного шара и игнорировать «внутренности» шара или силы, которые заставляют его надуваться.

Поэтому более удачной аналогией будет рассмотреть расширяющийся полностью трёхмерный объект, например, шар теста с изюмом, равномерно распределённым по всему его объёму. Когда тесто заквашивается, оно расширяется, но изюм внутри него не расширяется. Изюминки просто удаляется друг от друга во всех трёх измерениях. Если вы находитесь внутри одной из изюминок, вы видите, что близлежащие к вам изюминки медленно удаляются, изюминки на средних расстояниях удаляются быстрее, и самые удалённые изюминки удаляются от вас быстрее всего, хотя при этом изюм неподвижен по отношению к расширяющемуся тесту. Если бы тесто было прозрачным, оно вело бы себя как ткань пространства, а изюминки — как отдельные галактики в расширяющейся Вселенной.

У нас есть все основания полагать, что наша наблюдаемая Вселенная, космический горизонт которой определяется сочетанием скорости расширения, скорости света и количества времени, прошедшего с момента Большого взрыва, представляет собой лишь малую часть большей, ненаблюдаемой Вселенной. Та часть пространства, которую мы можем увидеть и к которой можем получить доступ, со временем увеличивалась и будет увеличиваться, поскольку свет, который был испущен давным-давно, и свет, который уже на пути к нам, в конце концов дойдёт до нас впервые, несмотря на продолжающееся расширение пространства. При достаточном количестве времени более чем вдвое больший, чем сейчас, объём «Вселенной» в конце концов станет видимым для нас.

Если же нам захочется узнать, как быстро расширяется Вселенная, нам нужно будет учесть два фактора. Мы знаем, что расширение Вселенной вызывает красное смещение; мы знаем, что два объекта, удаляющиеся друг от друга, вызывают красное смещение. Чтобы перевести измеряемое красное смещение в скорость расширения Вселенной, нужно подсчитать, как быстро должны двигаться удаляющиеся от нас объекты, чтобы дать такое значение красного смещения.

Ответ, как ни странно, зависит от того, насколько далеко от нас находится объект. Вот несколько примеров:

• Для объекта, находящегося на расстоянии 100 миллионов световых лет, мы предполагаем скорость удаления равной 2150 км/с.
• Для объекта, находящегося на расстоянии 1 млрд световых лет, скорость удаления составляет 21 500 км/с.
• Для объекта, находящегося на расстоянии 5 миллиардов световых лет, скорость удаления составляет 107 000 км/с.
• Для объекта, находящегося на расстоянии 14 миллиардов световых лет, скорость удаления составляет 300 000 км/с: почти как скорость света.
• А для объекта, находящегося на расстоянии 33 миллиардов световых лет, что является текущим космическим рекордом для самой удалённой галактики, мы предполагаем скорость удаления равной 708 000 км/с: более чем вдвое больше скорости света.

Мы можем провести эти вычисления для любого объекта, находящегося на любом расстоянии, и для любого конкретного расстояния получить уникальную скорость удаления.

Именно поэтому обычно мы не говорим о расширении Вселенной как о скорости. Вместо этого мы говорим о нём как об отношении скорости к единице расстояния. На каждые 3,26 миллиона световых лет расстояния до него, его свет даёт дополнительное красное смещение ещё примерно на 70 км/с. По историческим причинам астрономы редко используют световые годы, а чаще оперируют парсеками: парсек равен примерно 3,26 светового года (мегапарсек, сокращённо Мпк — около трёх с четвертью миллионов световых лет). Чаще всего расширение Вселенной выражается в километрах в секунду на мегапарсек, или км/с/Мпк.

Сегодня у нас есть несколько различных способов измерения расширения Вселенной, и все они дают результаты, которые находятся в относительно узком диапазоне: между 67 и 74 км/с/Мпк.

Это означает, что, если сложить все имеющиеся у нас на сегодняшний день кусочки головоломки, существует определённое расстояние от нас, около 14 миллиардов световых лет, на котором расширение Вселенной удаляет от нас объекты со скоростью, эквивалентной скорости света. Ближе этого расстояния объекты удаляются от нас со скоростью, меньшей скорости света; дальше они удаляются быстрее света. На самом деле эти объекты вовсе не движутся в пространстве с такой скоростью, просто пространство между ними расширяется.

И вполне возможно, хотя никто этого не знает, что ненаблюдаемая Вселенная может быть поистине бесконечной по протяжённости. Если бы это было так, не имело бы смысла спрашивать: «Во что она расширяется?», потому что она и так бесконечна: охватывает все кубические дюймы «пространства», которые только можно себе представить.

Нет никакой гарантии, что Вселенная бесконечна или что «ненаблюдаемая Вселенная» представляет собой всю полноту того, что там есть. Вполне возможно, как утверждает теория космической инфляции, что наша Вселенная, какой бы большой она ни была, является лишь одной из областей, где произошёл Большой взрыв. За пределами этой области находится пространство, где инфляция не закончилась, а продолжается и продолжается (возможно, целую вечность), и изрезано другими областями, где инфляция закончилась и произошли другие «Большие взрывы». Это так называемая мультивселенная, в которой две «новорождённые Вселенные» никогда не встречаются, не сталкиваются и не пересекаются.

Значит ли это, что наша Вселенная в каком-то смысле расширяется в эту инфляционную мультивселенную?

Ответ, возможно, неожиданный — нет. Самая большая разница между воздушным шариком, шариком из теста и нашей реальной Вселенной заключается не в том, что находится внутри или снаружи, не в том, каковы её границы и есть ли они у неё. Когда мы говорим о пространстве, или пространственном времени, или ткани самой Вселенной, мы говорим обо всём, что есть: это сцена, на которой разворачивается игра Вселенной. Игроки — это частицы, античастицы и другие кванты энергии, правила — законы физики и значения фундаментальных констант, да и сама сцена не фиксирована, а эволюционирует.

Но для космоса нет «внешнего» пространства, у него не существует «пределов»; он просто есть всё, что есть, и когда-либо было, и когда-либо будет.