Плоская Вселенная не означает бесконечную: что показывают измерения реликтового излучения

Вопрос о размере и форме Вселенной волнует учёных десятилетиями. Простейшее предположение — что за пределами видимого горизонта космоса просто продолжается ещё больше Вселенной: звёзды, галактики и всё остальное. Но насколько велика Вселенная в целом, включая всё, что находится за пределами наблюдаемой области?

Граница наблюдаемой Вселенной — это не просто предел телескопов

Граница наблюдаемой Вселенной — это не просто самое дальнее расстояние, которое могут достичь современные телескопы. Это фундаментальное ограничение на информацию, которая когда-либо сможет до нас дойти. Вселенная содержит конечное количество информации, доступной нам, даже если мы ждали бы произвольно долгое время.

Как измерить кривизну пространства, не покидая его

На плоской плоскости сумма углов треугольника равна 180 градусам. Но если нарисовать огромный треугольник между тремя удалёнными точками на поверхности Земли, сумма его углов будет больше 180 градусов — потому что поверхность искривлена. Параллельные линии на плоской плоскости никогда не встречаются, но на искривлённой поверхности они могут сходиться. Если вы и я начнём с разных точек на экваторе и будем идти прямо на север, наши пути встретятся на Северном полюсе — не потому что мы поворачивали, а потому что поверхность под нами искривлена.

Астрономы могут проводить аналогичные геометрические тесты на самой Вселенной.

Космический микроволновый фон раскрывает геометрию космоса

Один из самых мощных инструментов — это космический микроволновый фон (КМВ), древнее излучение, выпущенное, когда ранняя Вселенная остыла настолько, что свет смог свободно распространяться через горячую плотную плазму. Учёные могут предсказать, какие закономерности должны появиться в этом древнем свечении, и рассчитать, какой размер должны иметь температурные вариации. Если бы пространство было сильно искривлено, свет, путешествующий к нам через миллиарды световых лет, следовал бы изменённым путям, что исказило бы видимый размер этих закономерностей. Астрономы сравнивают наблюдаемый размер особенностей КМВ с размерами, предсказанными для разных космических геометрий. Особенности появляются примерно в ожидаемом масштабе для плоского пространства. Именно поэтому учёные говорят, что Вселенная геометрически плоская.

Плоскость не означает бесконечность

Но означает ли плоская геометрия автоматически бесконечность Вселенной? Нет. Если бы вы пытались измерить кривизну Земли, оставаясь в своём районе, площадь выглядела бы почти плоской. Маленькие треугольники вели бы себя почти точно так, как предсказывал Евклид. Проблема была бы не в том, что Земля плоская, а в том, что ваша область измерения слишком мала по сравнению с размером планеты.

Наши измерения ограничены наблюдаемым космосом. В этом огромном регионе пространство выглядит чрезвычайно плоским. Но Вселенная за пределами наблюдаемой части может быть несоизмеримо больше. Возможно, что Вселенная имеет кривизну, которая становится заметной только на масштабах, намного превышающих то, что мы можем наблюдать.

Другие возможные геометрии

Кроме того, пространство может быть плоским и одновременно замыкаться само на себя необычными способами — подобно тому, как поверхность тора (пончика) может быть локально плоской, но глобально иметь нетривиальную топологию. Это означает, что Вселенная могла бы быть конечной, но без видимых границ.

Это данные исследования, а не окончательный ответ на вопрос о бесконечности Вселенной.