Що, якщо у Всесвіті немає кінця?

13,8 мільярда років тому в гарячому Великому Вибуху народилася наша Всесвіт. З тих пір вона розширювалася і остигала, аж до сьогоднішнього дня. З нашої точки зору ми можемо кинути погляд на 46 мільярдів світлових років у всіх напрямках, завдяки швидкості світла і розширення простору. І хоча це величезна відстань, воно не нескінченне. Тому що ми не бачимо далі. Що лежить за горизонтом цих 46 мільярдів світлових років і може Всесвіт бути нескінченною?

Насамперед варто зазначити, що ми не знаємо точно, скінченна або нескінченна Всесвіт. Але ми точно знаємо, що за межами того, що ми можемо спостерігати, є багато всякого, зазначає фізик Ітан Зігель у своїй статті на Medium.com.

Чим далі об’єкти, які ми спостерігаємо у Всесвіті, тим далі назад в часі ми йдемо, аж до тих часів, коли атомів ще не існувало, до самого Великого Вибуху

Заглядаючи як можна далі, ми також рухаємося назад у часі. Найближча галактика, що знаходиться в 2,5 мільйони світлових років від нас, постає перед нами, якою вона була 2,5 мільйона років тому, тому що світу потрібно саме стільки часу, щоб добратися до наших очей звідти, звідки він був іспущен. Багато галактики здаються нам такими, якими вони були десятки мільйонів, сотні мільйонів або навіть мільярди років тому. Заглядаючи як можна далі в космос, ми бачимо світ таким, яким він був в юні дні Всесвіту. Чому б тоді нам не заглянути в самий початок, побачити, яким все було 13,8 мільярда років тому? Ми не тільки заглянули, але і знайшли дещо: космічний мікрохвильовий фон, післясвічення Великого Вибуху.

Виявилося, що в той час Всесвіт була майже ідеально однорідною, але деякі області були більш або менш щільним, ніж в середньому, на 1 частину з 30 000. Цього достатньо, щоб сформувалися зірки, галактики, галактичні скупчення і космічні порожнечі, які ми спостерігаємо сьогодні. Але в тих ранніх недосконалості, які ми бачимо з цього космічного знімка, міститься неймовірно багато інформації про Всесвіт. Приміром, вражаючий факт: кривизна простору, наскільки нам відомо, абсолютно плоска. Якби простір було вигнуте, як якщо б ми жили на поверхні чотиривимірний сфери, далекі промені світла зливалися б. Якби простір було вогнуто, як поверхня чотиривимірного сідла, далекі промені розходилися б. Але ні, далекі промені світла рухаються в заданому спочатку напрямку, а флуктуації відображають практично ідеальну площину.

Величини гарячих і холодних плям, а також їх масштаби вказують на кривизну Всесвіту. Ми прийшли до висновку, що вона ідеально плоска

З обмежень, пов’язаних як з космічним мікрохвильовим фоном, так і великомасштабної структури Всесвіту в сукупності, можна зробити висновок, що якщо Всесвіт скінченна і замикається на собі, вона повинна бути як мінімум в 250 разів більше тієї частини, яку ми спостерігаємо. Оскільки ми живемо в трьох вимірах, 250 помножити на радіус означають (250)3 об’єму, а це у 15 мільйонів разів більше простору. І все ж, яким би більшим це число не здавалося, воно не нескінченно. Нижня межа Всесвіту буде мінімум 11 трильйонів світлових років у всіх напрямках, і це багато, але як і раніше звичайно.

І звичайно, у нас є причини вважати, що Всесвіт набагато більше цього. Великий Вибух міг позначити початок спостерігається Всесвіту, до якої ми звикли, але він необов’язково буде позначати народження самого простору-часу. До Великого Вибуху Всесвіт переживала період космічної інфляції. Замість того, щоб бути заповненою матерією і випромінюванням в гарячому стані, Всесвіт була іншою:

  • заповненої енергією, властивою самому простору;
  • розширювалася з постійною експоненціальною швидкістю;
  • створювала новий простір так швидко, що найменшу фізичну довжину, довжину Планка, можна було розтягнути до розмірів, що спостерігається в даний час Всесвіту всього за 10-32 секунди.

Інфляція призводить до того, що простір розширюється експоненціально, що може дуже швидко призвести до того, що будь-раніше викривлене простір виявиться плоским.

В нашому регіоні Всесвіту інфляція завершилася, це правда. Але є три питання, на які ми не знаємо відповіді. Вони вкрай важливі для визначення того, наскільки велика Всесвіт насправді і нескінченна вона чи ні.

Наскільки великою була область Всесвіту після інфляції, в якій народився Великий Вибух?

Дивлячись на нашу Всесвіт сьогодні, на рівномірний післясвічення Великого Вибуху, на площину Всесвіту і на флуктуації, які розтягнулися по Всесвіту на всіх масштабах, ми можемо отримати деяку інформацію. Ми можемо визначити верхню межу енергетичних масштабів, в яких протікала інфляція; ми можемо дізнатися, скільки Всесвіту повинно було пройти через інфляцію; ми можемо дізнатися нижня межа того, як довго повинна була тривати інфляція.

Але кишеня з інфляційного Всесвіту, яка породила нас, може бути набагато більше цього нижньої межі! Він може бути в сотні, мільйони чи гугол разів більше, ніж ми спостерігаємо, або воістину нескінченним. І все ж, не маючи можливості спостерігати більшу частину Всесвіту, ми не маємо достатньо інформації для прийняття рішення.

Слушна ідея «вічної інфляції»?

Якщо припустити, що інфляція повинна бути квантовим полем, то в будь-якій заданій точці на цьому етапі експоненціального розширення існує ймовірність того, що інфляція закінчиться, що призведе до Великого Вибуху, і ймовірність продовження інфляції з створенням більшого простору. Наші розрахунки приводять нас до неминучого висновку: для того щоб інфляція справила Всесвіт, яку ми спостерігаємо, вона завжди повинна створювати більше простору, в якому інфляція буде продовжуватися, порівняно з областями, в яких інфляція завершилася Великим Вибухом.

Хоча наша спостережуваний Всесвіт могла з’явитися в результаті кінця інфляції в нашій області простору 13,8 мільярда років тому, залишаються області, в яких інфляція триває, створюючи все більше і більше простору, навіть сьогодні. Ця ідея відома як вічна інфляція і загалом приймається співтовариством фізиків-теоретиків. Але наскільки великий тоді повинна бути вся ненаблюдаемая Всесвіт?

Як довго тривала інфляція, поки не закінчилася Великим Вибухом?

Ми можемо бачити лише спостережувану Всесвіт, породжену закінченням інфляції і Великим Вибухом. Ми знаємо, що інфляція повинна була протікати принаймні протягом 10-32 секунди або близько того, але напевно вона могла протікати і довше. Але наскільки довше? Секунди? Роки? Мільярди років? Вічність? Завжди Всесвіт була у стані інфляції? Чи було у інфляції початок? З’явилася вона з попереднього стану, яке було вічним? Або ж все простір і час виникли з нічого певний час назад? Все може бути, і на всі ці варіанти немає остаточного і перевіряється відповіді.

Наскільки нам відомо, Всесвіт набагато більше тієї частини, яку ми спостерігаємо. За межами спостережуваного нами слід очікувати багато більше Всесвіту, схожою на нашу, з тими самими законами фізики, тими ж константами, космічними структурами і шансами на появу складної життя. Повинні бути і інші «бульбашки», в яких інфляція завершилася, безліч бульбашок, укладених у ще більшому просторі-часу, подвергающемся нескінченної інфляції. І все ж, якою б великою ця Всесвіт — або мультивсесвіт — не була, вона може і не бути нескінченною. Найімовірніше, Всесвіт має свій край, свою протяжність, хоч і умоглядно велику.

Проблема лише в тому, що у нас недостатньо інформації, щоб остаточно відповісти на це питання. Ми знаємо тільки, як отримати доступ до інформації, доступної всередині нашої спостережуваного Всесвіту: в цих 46 мільярдів світлових років у всіх напрямках. Відповідь на хвилююче нас питання може бути закодований в самій Всесвіту, але ми просто не можемо до нього дотягнутися. Поки що.