Вопрос о том, бесконечен ли космос, способен занять воображение надолго. Если пространство действительно не имеет конца, тогда где-то за пределами досягаемости могут существовать миры, почти неотличимые от нашего. Возможно, там тоже кто-то размышляет о границах реальности и пытается представить, каким образом безграничное пространство продолжает увеличиваться. Подобная мысль одновременно пугает и завораживает, ведь она превращает всю наблюдаемую историю в крошечный фрагмент чего-то неизмеримо большего.
Однако пока бесконечность остается гипотезой, а не установленным фактом. Наблюдения открывают нам колоссальную область космоса, но за ее пределами может простираться как продолжение пространства, так и нечто принципиально иное. При этом даже у конечной Вселенной вовсе не обязана существовать стена, о которую можно было бы опереться.
Горизонт, который невозможно пересечь
Оценки возраста Вселенной дают примерно четырнадцать миллиардов лет. Поскольку свет движется с конечной скоростью, до нас успели дойти сигналы лишь из ограниченной области. Эту область принято называть наблюдаемой Вселенной, и для земного наблюдателя она выглядит так, будто мы находимся в ее центре. Но никакого особого положения у Земли нет: житель далекой галактики точно так же увидит собственный космический горизонт с собой в центре, и часть его доступного мира будет скрыта от нас.
Радиус наблюдаемой области оценивается примерно в сорок пять миллиардов световых лет. На первый взгляд это противоречит возрасту Вселенной, но противоречие снимается, если учесть расширение самого пространства. Пока древний свет путешествовал к нам, области, из которых он стартовал, успели оказаться значительно дальше. Наблюдаемая граница — это не физическая поверхность, а предел доступной истории. Направив телескоп в глубины космоса, мы заглядываем во все более ранние эпохи, и в какой-то момент прошлое для нас просто заканчивается. У такого края нет стенки, рядом с которой можно остановиться и заглянуть наружу.
За пределами горизонта пространство вполне может продолжаться. Насколько далеко оно тянется, из существования наблюдаемой границы понять нельзя. Поэтому даже наличие горизонта не решает вопрос о полном размере Вселенной.
Конечное пространство без внешней стороны
С конечным пространством на первый взгляд проще: можно вообразить гигантский объем, который однажды заканчивается. Представим, что мы решили заполнить его мороженым. Понадобится невообразимое количество, но в какой-то момент свободное место закончится. С бесконечным пространством такая задача невыполнима в принципе. Однако у этой простой картины есть неприятное продолжение: если пространство обрывается, хочется представить последнюю стену, а за ней — еще какое-то место. Тогда неизбежен вопрос, почему это место не считается частью Вселенной, которую мы только что определили как все существующее пространство.
Помогает аналогия с апельсином. Крошечный муравей, ползущий по кожуре, может двигаться вперед очень долго и в итоге вернуться к началу пути. Площадь поверхности конечна, но края, с которого можно упасть, на ней нет. Похожим образом у Вселенной может быть замкнутая геометрия. Один из вариантов — трехмерная сфера, в которой пространство замыкается само на себя. Вообразить такое сложнее, чем апельсин, потому что мы привыкли смотреть на шар снаружи, используя дополнительное измерение. Для описания замкнутого пространства внешнее место не требуется. В идеализированной картине путешественник мог бы двигаться прямо и вернуться в исходную точку, хотя практическая осуществимость такого полета — отдельный вопрос.
Кривизна, обходные пути и повторяющиеся изображения
Общая теория относительности связывает материю и энергию с кривизной пространства-времени, поэтому вопрос о геометрии космоса имеет физический смысл. Ученые пытаются понять, заметна ли кривизна в доступной нам области и что она может рассказать о целом. Если замкнутая Вселенная достаточно велика, ее небольшой участок может казаться почти плоским. Муравью на огромном апельсине тоже было бы трудно заметить изгиб поверхности. Наши наблюдения, вероятно, охватывают слишком малую часть пространства, чтобы его общая форма стала очевидной.
Существует и другой вариант конечного пространства, который часто сравнивают с бубликом. Сравнение условное: трехмерный космос не обязан висеть где-то в виде выпечки. Речь идет о том, как соединяются направления и куда приводит движение вперед. В такой модели длина замкнутого маршрута может зависеть от выбранного направления. Два корабля отправятся из одной точки, но одному для возвращения потребуется пройти намного больше другого. Космическая прогулка получилась бы с неожиданной системой обходных путей.
Свет тоже мог бы приходить к нам разными маршрутами. Тогда одна галактика появлялась бы в нескольких участках неба, причем в разном возрасте: по длинному пути ее свет шел бы дольше. Наблюдатель получил бы несколько изображений одного объекта из разных эпох его жизни.
Расширение без внешней пустоты
Допустим теперь, что пространство действительно бесконечно. Как бы далеко ни улетел корабль, впереди останется продолжение пути. При этом бесконечная протяженность сама по себе ничего не говорит о возрасте: пространство может не иметь края и все же обладать конечной историей расширения. Мы привыкли представлять Большой взрыв как взрыв в пустоте, у которого есть центр и разлетающиеся обломки. Эта привычка мешает понять бесконечную модель. В ней раннее горячее и плотное состояние относится ко всему пространству, которое уже может быть бесконечным.
Тогда возникает парадокс: как расширить то, что и без того занимает бесконечное пространство? Мы невольно ищем свободное место снаружи, куда должна выдвинуться граница. Но расширение можно описать через увеличение расстояний между далекими галактиками, вообще не вводя внешнюю пустоту. Представьте бесконечный ряд отметок, между соседними из которых по метру. Теперь увеличьте каждый промежуток вдвое: ряд по-прежнему останется бесконечным, хотя расстояния вырастут. Для такого изменения ему не понадобится последняя отметка, которую придется куда-то передвигать. С космосом аналогия передает основную идею: меняется масштаб расстояний. Бесконечность при этом сохраняется, а галактики могут удаляться друг от друга. Наше бытовое понимание слова «больше» плохо подходит к пространству, у которого изначально нет конечного размера.
Двойники, повторения и пределы фантазии
У бесконечной Вселенной есть еще одно заманчивое следствие. Если возможных состояний участка пространства конечное число, а самих таких участков бесконечно много, некоторые состояния должны повторяться. Масштаб числа вариантов здесь мало помогает: любое конечное число все равно уступает бесконечности. Отсюда легко перейти к мысли о второй Земле и точной копии человека. При подходящих условиях где-то вновь соберутся знакомые звезды, планеты и живые существа. Для фантастики это почти готовая завязка: двойник может оказаться частью той же огромной Вселенной.
Однако наличие повторов еще не гарантирует повторения именно нашей планеты. Бесконечная последовательность вполне может снова и снова воспроизводить лишь часть возможных вариантов. Чтобы получить вывод о двойниках, нужны дополнительные предположения о допустимых состояниях и о том, как они распределены в пространстве. Сама история Земли показывает, что появление нашей жизни возможно. Но из этого нельзя сразу вычислить вероятность ее точного повторения в другом месте. Тем более нельзя обещать встречу: даже в модели с двойниками расстояние до них может превосходить любые доступные нам масштабы.
Мне кажется, именно здесь космология особенно близко подходит к фантастике. Из нескольких допущений рождается целый мир с повторяющимися судьбами, но наблюдения пока не позволяют проверить эту картину. Остается лишь удивляться тому, как легко воображение превращает абстрактные геометрические модели в истории о далеких копиях нас самих.