Короткий ответ на эти вопросы: мы не знаем. Всю Вселенную мы не видим. Нам под силу разглядеть только те части, которые находятся достаточно близко, чтобы свету оттуда удалось достичь нас за время эволюции Вселенной. Когда мы смотрим на электромагнитное излучение, то границы наблюдаемого определяются реликтовым излучением. Высказываясь о том, как Вселенная выглядит за пределами космического горизонта, мы полагаемся исключительно на теорию, а не наблюдения. Тем не менее наблюдения, как мы убедились, показывают, что Вселенная везде одинакова. Поэтому давайте возьмем это за отправную точку. Мы также не утверждаем, будто за пределами Вселенной ничего нет. Вселенная включает в себя все существующее пространство. Само это пространство было создано в результате Большого взрыва, и говорить о чем-либо вне всего существующего не имеет смысла.
Бесконечна ли большая Вселенная или нет, зависит от кривизны. Сначала можно взглянуть на ситуацию с замкнутой Вселенной: пространство изгибается внутрь, как поверхность земного шара, а сумма углов треугольника превышает 180°. В этом случае Вселенная необязательно должна быть бесконечно большой. Как и в случае с глобусом, можно подумать, что если начать двигаться наружу в одном направлении и продвинуться достаточно далеко, то все равно вернешься именно туда, откуда начинал. На практике же это невозможно, ведь Вселенная расширяется. Даже если мы будем двигаться со скоростью света, постоянное расширение пространства гарантирует, что размер Вселенной будет постоянно увеличиваться быстрее скорости нашего движения. Это как улитка, пытающаяся обползти воздушный шар, а тот постоянно надувается, причем с достаточно высокой скоростью. В итоге улитка никогда не завершит круг. Измерения реликтового излучения показали нам, что Вселенная практически полностью плоская. Так что если она обладает внутренней кривизной, то искривление должно быть весьма незначительным. Это означает, что путь вокруг Вселенной сегодня должен быть очень длинным — намного длиннее, чем наблюдаемая Вселенная. Если Вселенная плоская или открытая, то, вероятнее всего, она бесконечно велика. Во всех случаях «вне Вселенной» ничего не существует. Насколько нам известно, границ Вселенная не имеет.
3.6. Невидимая Вселенная
За время чтения этой книги мы познакомились с темной материей и энергией, а именно с 95 процентами содержимого нашей Вселенной, которых мы не видим. Мы рассмотрели доводы в пользу существования темной материи и энергии и то, чем в итоге они могут оказаться. Осталось еще много вопросов без ответов, однако и известно нам немало.
В книге речь шла не только об этих невидимых субстанциях. Мы также поговорили о нашей Вселенной, о том, как мы действительно можем узнать что-то об огромном космосе, о том. что мы уже знаем и что нам только предстоит узнать.
Но наука ли это?
Можно ли считать научным заявление о существовании невероятных количеств невидимого вещества, о котором мы ничего не знаем? Да. Исследования темной материи и темной энергии — это не просто наука, а чуть ли не идеальный пример того, какой должна быть наука.
Наши познания в физике и о Вселенной развиваются благодаря взаимодействию теории и наблюдений. Наблюдать, не связывая увиденное с теорией, — это все равно что марки коллекционировать. Никакого понимания из этого не последует. Наблюдения становятся интересными только тогда, когда они используются для подтверждения или опровержения имеющихся у нас теорий. В то же время физические теории бесполезны, если их нельзя проверить на основе наблюдений. И когда теория и наблюдения не совпадают, правда всегда будет на стороне наблюдений. Хорошего исследователя отличает готовность опровергнуть даже дело всей жизни лучшего друга, если оно противоречит действительности.
В этом отношении теориям темной материи и энергии нет равных, ведь эти концепции нравятся лишь немногим физикам. Они «уродливые» и усложняют картину Вселенной, а введение новых неизвестных переменных в красивую теорию или модель не может пройти безболезненно. Поэтому столько камней и летит в альтернативные интерпретации наших наблюдений. Возможна ли ошибка в наблюдениях? Или что-то не так с самими моделями? Может, законы гравитации недостаточно точны? Вселенная-пузырь и теория MOND Милгрома — это попытки найти альтернативы темной энергии и темной материи. Для проверки моделей темной материи и темной энергии проводятся новые эксперименты, в результате которых осуществляются новые наблюдения. Мы ищем частицы темной материи в глубоких шахтах и запускаем спутники, чтобы нанести на карту космоса стандартные линейки. И все это для проверки наших моделей.
Большинство из нас все-таки считает, что темная материя и энергия существуют. Не потому, что нам нравится эта мысль, а потому что все факты на нашей стороне. Это и есть наука во всей ее красе.
3.7. Встреча наибольшего с наименьшим
Эта книга — о Вселенной, а огромнее Вселенной объектов не существует. Тем не менее вам довелось прочитать немало об элементарных частицах, взаимодействующих исключительно на микроскопических расстояниях, об ускорителях частиц и квантовых флуктуациях. А объектов более маленьких в природе не существует. Тем не менее эти темы неотделимы от нашего понимания космоса. Распределенную по скоплениям галактик темную материю ищут, в том числе и в экспериментах с частицами. Ученые в ЦЕРНе пытаются воссоздать условия, соответствующие тем, что сложились сразу после Большого взрыва. Если им удастся обнаружить суперсимметрию, это значительно поможет в разгадке тайны темной материи. Или, может быть, это даст нам поле квинтэссенции, которое объяснит темную энергию? Возможно, найдется способ объяснить, почему космологическая постоянная настолько мала? Или почему ее вовсе не существует?
Но не только астрофизики заглядывают в труды физиков элементарных частиц. Это работает и в обратную сторону. Отличный пример — нейтрино, те самые частицы-призраки. Наблюдения за реликтовым излучением и скоплениями галактик дают нам гораздо более точные представления о количествах нейтрино, чем всевозможные эксперименты с частицами. Получается, с помощью космоса мы взвешиваем легчайшие частицы.
Наука о самом большом встречается с наукой о наименьшем. В грядущие годы новые наблюдения внесут свой вклад в оба конца физической шкалы масштабов. Просто ужасно интересно посмотреть на ожидаемые или неожиданные результаты. Будут ли физика элементарных частиц и астрофизика указывать в одну сторону? Но одно точно: взаимный интерес у представителей обеих научных сфер вряд ли ослабнет.
3.8. Антропный принцип — потому что мы здесь
Я только что хвастался, насколько прекрасны научные исследования темной материи и энергии. Теперь, ближе к концу книги, мы сделаем небольшой шаг за пределы жестких научных рамок. Мы познакомимся с антропным принципом.
Одна из сложностей, с которыми мы столкнулись на протяжении книги, — проблема космологической постоянной. Мы задавались вопросом, почему космологическая постоянная настолько мала, ведь предсказанное квантовой физикой «правильное» значение будет аж в 10 раз превышать наши измерения. Потом я еще упомянул, что мы должны быть благодарны такому маленькому значению. Будь оно намного больше, и галактики, звезды, планеты и цивилизации никогда бы не сформировались. Тут я уже практически намекнул на антропный принцип.
Грубо говоря, антропный принцип гласит, что Вселенная, которую мы наблюдаем, должна быть такой, какая она есть, ибо, если бы она была другой, никакие сознательные существа не появились бы, чтобы спросить, почему она именно такая.
(Антропный принцип встречается во многих различных формулировках у разных авторов. В частности, часто проводится различие между слабым и сильным антропным принципом. Моя не особо строгая формулировка ближе всего к слабому антропному принципу, сформулированному в книге известных космологов Джона Д. Барроу и Фрэнка Дж. Типлера «The Anthropic Cosmological Principle».)
