Складки на ткани пространства-времени. Эйнштейн, гравитационные волны и будущее астрономии

Попробую объяснить, как Вселенная в принципе может быть конечной, не имея краев. Если это кажется вам парадоксальным, представьте двумерную модель Вселенной, которой мы пользовались в главе 4, – лист миллиметровки. Будучи трехмерными существами, мы можем изогнуть бумагу в поверхность сферической формы. Двигаясь по этой искривленной поверхности, воображаемые плоскоземельники, обитающие в двумерной Вселенной, никогда не достигнут ее края. Тем не менее их мир имеет конечные размеры – если они решат выкрасить его весь в желтый цвет, им не потребуется бесконечное количество краски.

Аналогично наша трехмерная Вселенная теоретически может быть конечной и не иметь четко определенного края, если некто согнул ее в пространстве большей размерности. Если у вас от этого раскалывается голова, не тревожьтесь – все доступные свидетельства предполагают, что наша Вселенная не имеет крупномасштабной, глобальной кривизны. Следовательно, она по-настоящему бесконечна. (Что, вероятно, обеспечит вам новый приступ головной боли.)

Как бесконечная Вселенная могла вырасти из одной-единственной точки?

Никак.

Это еще одно огромное заблуждение – что на момент Большого взрыва все вещество Вселенной было сконцентрировано в единственной точке. Этого не было, во всяком случае при условии бесконечности размеров Вселенной[57]. Около 2 млрд лет назад расширение пространства еще не достигло сегодняшнего уровня. Все расстояния в космосе были в два раза меньше нынешних. Галактики находились ближе друг к другу. Средняя плотность материи во Вселенной была в 8 раз выше (в два раза меньшее расстояние означает в 8 раз меньший объем: ½ × ½ × ½). Но и тогда Вселенная имела бесконечные размеры. Как вы, возможно, помните из старших классов школы, бесконечность, деленная на два, остается бесконечностью.

В намного более давнем прошлом, примерно в то время, когда галактики только начали образовываться, все расстояния составляли 1/10 от нынешних, а плотность Вселенной была в тысячу раз выше (объем составлял 1/1000 сегодняшнего: 1/10 × 1/10 × 1/10). Но бесконечность, деленная на 10, – все равно бесконечность, то есть и тогда Вселенная была бесконечной.

Почти 13,8 млрд лет назад, всего через несколько сот тысяч лет после Большого взрыва, космические расстояния составляли около 1/1000 (десятую долю процента) своих текущих значений. Галактики и звезды еще не образовались. Вселенная была наполнена горячим нейтральным газом, главным образом водородом и гелием. Ее плотность была в миллиард раз выше, чем сейчас (поскольку объем равнялся одной миллиардной современного: 1/1000 × 1/1000 × 1/1000), температура достигала нескольких тысяч градусов Цельсия. Вся Вселенная светилась горячим ослепительным светом, как поверхность Солнца. Но и тогда она должна была иметь бесконечные размеры.

Забираемся в прошлое еще дальше, и как плотность, так и температура Вселенной увеличиваются до экстремальных. Они настолько высоки, что невозможно существование электрически нейтральных атомов и даже протонов или нейтронов (см. главу 5) – только кипящий бульон элементарных частиц и высокоэнергетических протонов.

Что же такое Большой взрыв?

В каком-то смысле это и был Большой взрыв. Говоря о Большом взрыве, космологи обычно имеют в виду это сверхплотное сверхгорячее первоначальное состояние Вселенной. Они могут рассчитать, как выглядела Вселенная в возрасте 10 лет или года, трех минут или доли секунды. Прекрасно! Но у нулевого момента времени их теории рассыпаются. Подлинный источник Вселенной – тайна. Пока тайна.

Можно представить себе эту картину иначе. Давным-давно плотности и температуры были экстремально высоки везде во Вселенной. Абсолютно каждая точка пространства когда-то находилась в сверхплотном и сверхгорячем первоначальном состоянии Вселенной. Если бы мы перенеслись на машине времени на 13,8 млрд лет назад в ту же самую точку пространства, в которой находимся сейчас, то были бы сожжены первичной плазмой – как и в любой другой точке Вселенной. Вы, наверное, уже догадались, к чему я веду: Большой взрыв произошел везде.

_________

Итак, мы имеем галактики, разнесенные на большие дистанции, как изюминки в тесте, световые волны, растянувшиеся за миллиард лет пути через расширяющееся пространство, Вселенную, возможно всегда имеющую бесконечные размеры, и Большой взрыв, произошедший везде. Мне остается рассказать о послесвечении творения, важном для нашего знакомства с волнами Эйнштейна.

Прежде, однако, я должен объяснить, что такое космический горизонт. Космический горизонт определяет, насколько глубоко во Вселенную мы можем заглянуть.

Было бы наивностью считать, что астрономы могут смотреть на любое желаемое расстояние – дайте им телескоп побольше, и они смогут наблюдать более далекие галактики. Это рассуждение не учитывает ограниченности скорости света – и ограниченного возраста Вселенной.