Геометрия Вселенной

Свойства пространства и времени не абсолютны, не заданы раз навсегда, а зависят от распределения и движения тяготеющих масс. Это — центральная идея релятивистской физики, общей теории относительности Эйнштейна. Поэтому пространство, однородно заполненное материей, и само должно быть однородным, всюду одинаковым по своим геометрическим свойствам. Распространяя свойство однородности, установленное наблюдениями близкого к нам объема Вселенной, на всю Вселенную, мы делаем, конечно, предположение (по-видимому, разумное), что наблюдаемый участок ничем специально не выделен во Вселенной и вся она всюду одинакова.

    Физическое пространство однородно, но оно может быть искривлено тяготением материи, гравитацией. Трехмерное пространство способно быть кривым, неевклидовым, подобно тому, как искривлены двумерные поверхности, скажем, поверхность сферы или псевдосферы. Хотя наглядное представление искривленных трехмерных пространств затруднительно, переход к ним от двумерных кривых поверхностей можно вообразить по примеру перехода от плоскости (евклидовой двумерной поверхности) к привычному трехмерному евклидову пространству, перенося на трехмерные образы геометрические свойства двумерных прототипов. Так, можно ожидать, что трехмерный аналог сферы должен иметь конечный объем, подобно тому, как сфера имеет конечную площадь. Это пример конечного трехмерного пространства. Напротив, трехмерный аналог псевдосферы должен иметь бесконечный объем, как бесконечна полная площадь псевдосферы. Это — пример бесконечного пространства. Промежуточная возможность — неискривленное, евклидово трехмерное пространство; у него тоже бесконечный объем (как бесконечна площадь неограниченной плоскости). Каково же реальное пространство однородной Вселенной? Ответ могли бы дать непосредственные геометрические измерения с помощью лучей света, посылаемых галактиками. Но на тех расстояниях, на которых они видны, отклонения от свойств привычного евклидова пространства еще неуловимы.
    Пространство могло бы проявить свою кривизну только на гораздо больших расстояниях. Но там реальные измерения невозможны: мало ярких источников света. Возможно, однако, иное решение вопроса, исходящее из общих представлений релятивистской физики о связи между геометрией пространства и тяготеющими массами. Если взаимное разбегание космических тел — скоплений, сверхскоплений — будет продолжаться неограниченно и расстояния между телами будут возрастать, стремясь с течением времени к бесконечности, то, по теории Фридмана, неограниченным, бесконечным должен быть и объем пространства, в котором они движутся. По геометрическим свойствам такое пространство должно быть подобно псевдосфере. Напротив, ограниченность расширения во времени и возможность перехода в будущем к сжатию означает и пространственную ограниченность, конечность объема Вселенной, которая в этом случае подобна сфере по своей геометрии. Когда говорят об однородности распределения вещества, подразумевают, что видят сразу всю картину разбегающихся космических систем как бы одновременно. В самом деле, так как плотность вещества во Вселенной убывает в ходе космологического расширения, то считать среднюю плотность мира всюду одинаковой можно только при том условии, что каждый участок Вселенной рассматривается на одном и том же этапе расширения — в этом и состоит в данном случае смысл одновременности. Иначе один участок выглядел бы более плотным (т. е. «молодым»), а другой — менее плотным («старым»), если бы мы видели первый на более раннем, а второй на более позднем этапе расширения. Можно сказать, что однородность плотности существует лишь на «мгновенной» фотографии Вселенной, снятой в таких воображаемых «лучах», которые распространяются мгновенно, с бесконечной скоростью, и именно на таком снимке мир в целом и предстает перед нами однородным. Конечно, мгновенно распространяющихся волн или лучей в природе нет; любые сигналы распространяются с конечными скоростями и самая большая из них — скорость света. Как выглядел бы мир, «снятый» в реальных световых лучах? Астрономические наблюдения — оптические и радио, в инфракрасных, ультрафиолетовых, рентгеновских и гамма-лучах — производятся с помощью электромагнитных волн различной частоты и длины волны. Они показывают картину неба с запаздыванием, так как волнам требуется определенное время, чтобы пройти разделяющее нас и наблюдаемый объект расстояние. Солнце мы видим с задержкой на 8 минут. Свет от звезд Галактики идет десятки и сотни лет, а от далеких галактик и скоплений,— миллионы и сотни миллионов лет.

Что явилось причиной возникновения этой нео-бычной структуры вблизи центра Галактики? Длинные параллельные лучи в верхней части этого радиоизображения, выступающие из плоскости, известны как радио-дуга в центре Галактики.	Задолго до того времени, когда алхимики мечтали о превращении неблагородных металлов в золото, звездные печи в этом массивном скоплении галактик, занесенном в каталог под номером RDCS 1252.9-2927, превращали легкие элементы в тяжелые.
Геометрия Вселенной, Большой взрыв и расширение Вселенной
Этот шарик показывает бесконечное расширение Вселенной во времени. Немногим более 1/10 мм в диаметре, он движется в сторону пластинки бла-годаря флуктуациям энергии вакуума. Притяжение между ними объясняется эффектом Казимира.	Этот снимок получен космическим телескопом им. Хаббла при проведении глубокого обзора в рамках программы изучения происхождения галактик. Целью проекта GOODS является исследование процессов формирования галактик и их эволюции.

    Чем дальше объект, тем в более раннюю эпоху мы его видим. Дальше всех находятся квазары, и мы видим их такими, какими они были миллиарды лет назад. Наблюдая распределение и движение галактик, скоплений, сверхскоплений, мы узнаем эти их свойства такими, какими они были в очень отдаленном, по нашим обычным понятиям, прошлом. Но по масштабам Вселенной разница в сотни миллионов лет не очень велика: ее расширение происходит в таком темпе, что плотность вещества Вселенной на современной стадии ее расширения заметно меняется лишь за миллиарды лет. Потому-то плотность в близкой к нам области Вселенной, где видны галактики, и представляется нам одинаковой, однородной. Если бы, однако, можно было заглянуть на более далекие расстояния, т. е. в более далекое прошлое, то мы, очевидно, обнаружили бы, что там (т. е. тогда) плотность больше, чем вблизи (т. е. сейчас). Снимок, сделанный в реальных лучах, показал бы, таким образом, Вселенную неоднородной по плотности: чем дальше от нас, тем плотнее. На таком снимке и само пространство, в соответствии с общими принципами эйнштейновской теории, должно быть неоднородным по своим геометрическим свойствам. Более того, на снимке в реальных лучах пространство всегда конечно по объему, независимо от того, какова судьба космологического расширения. Дело в том, что свет, приходящий к нам от далеких источников, испытывает за время своего распространения красное смещение: длины волн в электромагнитных колебаниях возрастают, а частоты убывают. Это, как мы говорили, следствие эффекта Доплера, обязанного космологическому расширению, относительному движению галактик. По закону Хаббла, чем дальше от нас источник, тем больше скорость его удаления от нас и, следовательно, больше красное смещение линий в его спектре. При этом существует такое большое, но вполне определенное, конечное расстояние, для которого длина волны приходящего света оказывается бесконечной, а частота принимаемого света обращается в нуль, и из-за этого источник становится для нас невидимым.
    Таким образом, можно говорить о существовании во Вселенной горизонта, в пределах которого только и возможны наблюдения. Объем пространства, доступный наблюдениям, оказывается по этой причине конечным: конечна и содержащаяся в нем масса вещества. Расстояние до горизонта, которое в современную эпоху равно примерно 15—18 миллиардам световых лет, есть путь, который свет успевает пройти за 15—18 миллиардов лет от начала космологического расширения до настоящего момента. Вывод о существовании горизонта никак не зависит от того, есть ли в действительности астрономические объекты, которые так ярки, что могут посылать нам свет со сколь угодно больших расстояний. Он имеет характер принципиального ограничения, вытекающего фактически из того обстоятельства, что все волны и лучи проходят за конечное время конечное расстояние. Горизонт как предел видимости — это, очевидно, и предел любого обмена сигналами, а значит, и предел причинной связи. Два события могут быть между собой причинно связаны,— так, например, чтобы одно было следствием другого,— только если оба они происходят в пределах горизонта. Горизонт расширяется вместе с расширением Вселенной; его радиус возрастает как путь, проходимый светом за время от начала расширения, и в каждую последующую эпоху в пределах горизонта оказывается больше вещества, чем в предыдущую. Те области Вселенной, которые сейчас находятся в пределах современного горизонта и заняты видимыми галактиками, были когда-то раньше разделены горизонтом. Горизонт, как непроницаемая стена, изолировал их.

Но, войдя сейчас в контакт, они «обнаруживают», что имеют одну и ту же плотность. Почему? Каким образом распределение и движение вещества оказались скоррелированными в этих различных и далеко отстоящих друг от друга участках мира? Ответ на этот вопрос пока не найден. Остается лишь полагать, что мир «с самого начала» был однородным, а космологическое расширение всегда происходило в одинаковом темпе во всех его областях. Но что значит «с самого начала», и что было «до этого» — вопросы, ответить на которые, может быть, еще труднее, чем на вопрос о причинной связности Вселенной.

---