Около века назад учёные пытались примирить то, что казалось противоречием в теории общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Опубликованная в 1915 году, эта теория предполагала, что Вселенная статична — неизменна, неподвижна и неизменна. Однако, когда астрономы посмотрели в ночное небо на далёкие галактики с помощью мощных телескопов, они увидели намёки на то, что Вселенная вовсе не статична. Эти новые наблюдения показали, что Вселенная расширяется.
Учёные вскоре поняли, что теория Эйнштейна на самом деле не утверждает, что Вселенная должна быть статичной; она также может поддерживать расширяющуюся Вселенную. Действительно, используя те же математические инструменты, которые предоставила теория Эйнштейна, учёные создали новые модели, которые показали, что Вселенная на самом деле динамична и развивается.
Представьте себе, что вы пытаетесь понять общую теорию относительности. Я потратил десятилетия, пытаясь разобраться в общей теории относительности, в том числе на своей нынешней работе в качестве профессора физики, преподающего курсы по этому предмету.
Понимание идеи постоянно расширяющейся Вселенной может показаться сложным — отчасти из-за того, что нужно преодолеть свою интуицию о том, как всё работает. Например, трудно представить себе что-то настолько большое, как Вселенная, без центра. Но физика говорит, что это реальность.
Давайте сначала определим, что подразумевается под «расширением». На Земле «расширение» означает, что что-то становится больше. И в отношении Вселенной это отчасти так. Расширение также может означать «всё удаляется от нас», что также верно в отношении Вселенной. Направьте телескоп на далёкие галактики, и они все кажутся движущимися от нас.
Чем дальше они находятся, тем быстрее они кажутся движущимися. Эти галактики также кажутся движущимися друг от друга. Так что более точно сказать, что всё во Вселенной удаляется от всего остального одновременно.
Идея тонкая, но важная. Легко представить себе создание Вселенной как взрыва фейерверков: начните с большого взрыва, и затем все галактики во Вселенной разлетаются во все стороны из какой-то центральной точки. Но эта аналогия неверна. Она не только ложно подразумевает, что расширение Вселенной началось из одной точки, чего не было, но и предполагает, что галактики движутся, что не совсем точно.
На самом деле не столько галактики удаляются друг от друга, сколько пространство между галактиками, ткань самой Вселенной, постоянно расширяется. Другими словами, на самом деле не галактики движутся по Вселенной, а сама Вселенная уносит их всё дальше по мере своего расширения.
Распространённая аналогия — представить себе, что вы наклеиваете несколько точек на поверхность воздушного шара. Когда вы надуваете воздушный шар, он расширяется. Поскольку точки приклеены к поверхности шара, они удаляются друг от друга. Хотя может показаться, что они движутся, на самом деле они остаются именно там, где вы их разместили, и расстояние между ними увеличивается просто из-за расширения шара.
Теперь представьте себе точки в виде галактик, а воздушный шар — в виде ткани Вселенной, и вы начнёте понимать картину. К сожалению, хотя эта аналогия — хорошее начало, она не совсем точна.
Важно понимать ограничения любой аналогии. Некоторые недостатки очевидны: воздушный шар достаточно мал, чтобы поместиться в руке — не то что Вселенная. Другой недостаток более тонкий. У воздушного шара есть две части: его латексная поверхность и заполненная воздухом внутренняя часть. Эти две части шара описываются по-разному на языке математики. Поверхность шара двумерна. Если бы вы шли по ней, вы могли бы двигаться вперёд, назад, влево или вправо, но вы не могли бы двигаться вверх или вниз, не покидая поверхности.
Теперь может показаться, что мы называем четыре направления — вперёд, назад, влево и вправо, — но это просто движения по двум основным путям: из стороны в сторону и спереди назад. Это то, что делает поверхность двумерной — длиной и шириной. Внутренняя часть воздушного шара, напротив, трёхмерна, так что вы могли бы свободно перемещаться в любом направлении, включая вверх или вниз — длина, ширина и высота.
В этом и заключается путаница. То, что мы считаем «центром» воздушного шара, — это точка где-то в его внутренней части, в воздушном пространстве под поверхностью. Но в этой аналогии Вселенная больше похожа на латексную поверхность воздушного шара. У воздушного шара нет аналога в нашей Вселенной, поэтому мы не можем использовать эту часть аналогии — имеет значение только поверхность.
Итак, спрашивая «Где центр Вселенной?», мы в некотором роде спрашиваем: «Где центр поверхности воздушного шара?» Его просто нет. Вы можете путешествовать по поверхности воздушного шара в любом направлении сколько угодно, и вы никогда не достигнете места, которое можно было бы назвать его центром, потому что вы никогда не покинете поверхность.
Точно так же вы можете путешествовать в любом направлении во Вселенной и никогда не найдёте её центра, потому что, как и поверхность воздушного шара, у неё его просто нет.
Частично причина, по которой это может быть так сложно для понимания, заключается в том, как Вселенная описывается на языке математики. Поверхность шара имеет два измерения, а внутренняя часть шара — три, но Вселенная существует в четырёх измерениях. Потому что дело не только в том, как вещи движутся в пространстве, но и в том, как они движутся во времени.
Наш мозг устроен так, чтобы думать о пространстве и времени отдельно. Но во Вселенной они переплетены в единую ткань, называемую «пространство-время». Это объединение меняет то, как работает Вселенная, по сравнению с тем, чего ожидает наша интуиция.
И это объяснение даже не начинает отвечать на вопрос о том, как что-то может расширяться бесконечно — учёные всё ещё пытаются понять, что питает это расширение.
Итак, задавая вопрос о центре Вселенной, мы сталкиваемся с ограничениями нашей интуиции. Ответ, который мы находим — всё расширяется везде одновременно, — это проблеск того, насколько странной и прекрасной является наша Вселенная.