Млечный Путь, 21 век, номер 4 (49), 2024

Существует несколько замечательных и удивительных фактов о Вселенной, но три из них, взятые вместе, заставляют нас принять глубочайший набор ограничений на само существование. Вселенная в самых больших масштабах кажется изотропной или одинаковой во всех направлениях. Независимо от того, как далеко мы смотрим, ни одно направление не кажется "предпочтительным" или не демонстрирует иных свойств, чем любое другое. Кроме того, в самых больших космических масштабах Вселенная кажется однородной или одинаковой во всех местах. Смотрим ли мы "сюда", "туда" или "куда угодно", мы видим примерно те же температуры, плотности, количество галактик и т. д., пока мы выбираем достаточно большую область пространства. И, наконец, чем дальше мы смотрим с точки зрения расстояния - опять же, одинаково во всех направлениях - тем дальше назад во времени мы видим: видим Вселенную такой, какой она была во все более и более ранние моменты. Эти три факта - изотропия, однородность и эволюция во времени - являются некоторыми из отличительных черт современной космологии: как теоретически, так и наблюдательно. Но что это означает для Вселенной в целом и что это подразумевает для нашего места в ней? Вот что Боб Маккендрик хочет знать, когда он пишет, чтобы спросить: "Как мы можем оглянуться назад во времени и увидеть меньшую более примитивную Вселенную во всех направлениях, если Земля не является центром Вселенной?" С точки зрения наблюдений верно, что когда мы оглядываемся назад во времени, мы действительно видим меньшую и более примитивную Вселенную во всех направлениях. Но является ли Земля центром Вселенной? Это легкая ловушка, в которую можно попасть, но это не то, что может быть правдой в контексте нашей лучшей теории гравитации: Общей теории относительности Эйнштейна. Вот почему.

Если мы вернемся назад во времени в 1915 год - когда Эйнштейн впервые выдвинул свою общую теорию относительности - трудно представить, как мало мы знали о Вселенной в то время. Мы могли видеть звезды в пределах Млечного Пути, которые находились на расстоянии сотен или даже тысяч световых лет, но не знали способа измерить расстояния до звезд, которые находятся дальше этого. Мы видели туманности, включая спиральные и эллиптические туманности, но еще не было общепринятого мнения, что они являются галактиками или "островными вселенными", как их тогда называли, за пределами самого Млечного Пути. Мы не знали, что Вселенная расширяется, и Большой взрыв еще не был сформулирован. Но с новой теорией гравитации, общей теорией относительности, Эйнштейн обнаружил огромную теоретическую проблему, которая возникла при сравнении его понимания Вселенной с предсказаниями его теории. Если, как думал Эйнштейн, Вселенная была: однородной или одинаковой плотности во всех местах, статичной или не расширяющейся/не развивающейся со временем, и подчинялась законам общей теории относительности, что он сильно подозревал, возникала патологическая проблема: Вселенная должна быть нестабильной. Согласно закону гравитации Эйнштейна, наличие и распределение материи и энергии определяли кривизну пространства-времени, и если бы у вас было равномерное распределение материи в статической Вселенной, вы обнаружили бы, что Вселенная вообще не оставалась бы статичной. Вместо этого, из-за всей этой материи, Вселенная неизбежно бы коллапсировала, сжимаясь и в конечном итоге приводя к сингулярности: тому, что мы теперь знаем как черную дыру.

Во Вселенной, которая не расширяется, вы можете заполнить ее неподвижной материей в любой конфигурации, но она всегда коллапсирует в черную дыру. Такая Вселенная нестабильна в контексте гравитации Эйнштейна, и должна расширяться, чтобы быть стабильной, или мы должны принять ее неизбежную судьбу.