Близько століття тому вчені намагалися узгодити те, що здавалося суперечністю в теорії загальної відносності Альберта Ейнштейна. Опублікована в 1915 році та вже широко визнана фізиками та математиками в усьому світі, теорія припускала, що Всесвіт є статичним – незмінним, нерухомим та незмінним. Коротше кажучи, Ейнштейн вважав, що розмір і форма Всесвіту сьогодні більш-менш такі ж, як і завжди. Але коли астрономи подивилися в нічне небо на далекі галактики за допомогою потужних телескопів, вони побачили натяки на те, що Всесвіт був чимось іншим, але не таким. Ці нові спостереження свідчили про протилежне – він натомість розширювався.
Вчені невдовзі зрозуміли, що теорія Ейнштейна насправді не стверджувала, що Всесвіт має бути статичним; теорія також могла б підтримувати розширення Всесвіту. Дійсно, використовуючи ті ж математичні інструменти, що й теорія Ейнштейна, вчені створили нові моделі, які показали, що Всесвіт насправді є динамічним та розвивається.
Я витратив десятиліття, намагаючись зрозуміти загальну теорію відносності, зокрема й на своїй нинішній роботі професора фізики, де викладаю курси з цього предмета. Я знаю, що усвідомлення ідеї постійно розширюваного Всесвіту може бути лякаючим, і частково це завдання полягає в тому, щоб ігнорувати свою природну інтуїцію щодо того, як все працює. Наприклад, важко уявити щось таке велике, як Всесвіт, взагалі без центру, але фізика каже, що це реальність.
Простір між галактиками
Спочатку давайте визначимо, що мається на увазі під «розширенням». На Землі «розширення» означає, що щось стає більшим. І стосовно Всесвіту це певною мірою правда. Розширення також може означати «все віддаляється від нас», що також вірно стосовно Всесвіту. Спрямуйте телескоп на далекі галактики, і всі вони справді здаватимуться віддаленими від нас.
Щобільше, чим далі вони знаходяться, тим швидше, здається, рухаються. Ці галактики також, здається, віддаляються одна від одної. Тому точніше буде сказати, що все у Всесвіті одночасно віддаляється від усього іншого. Ця ідея тонка, але критично важлива. Легко уявити створення Всесвіту як вибух феєрверку: почнеться з великого вибуху, а потім усі галактики у Всесвіті розлетяться в усіх напрямках з якоїсь центральної точки.
Але ця аналогія неправильна. Вона не лише хибно натякає на те, що розширення Всесвіту почалося з однієї точки, хоча це не так, але й натякає, що галактики – це об’єкти, які рухаються, що не зовсім точно. Не стільки галактики віддаляються одна від одної – це простір між галактиками, сама тканина Всесвіту, яка постійно розширюється з плином часу. Іншими словами, насправді не самі галактики рухаються Всесвітом; це радше те, що сам Всесвіт відносить їх далі, розширюючись.
Поширеною аналогією є уявлення про те, як ви приклеюєте кілька точок до поверхні повітряної кульки. Коли ви вдуваєте повітря в кульку, вона розширюється. Оскільки точки приклеєні до поверхні кульки, вони віддаляються одна від одної. Хоча може здаватися, що вони рухаються, насправді точки залишаються саме там, де ви їх розмістили, а відстань між ними збільшується просто завдяки розширенню кульки. Тепер уявіть собі крапки як галактики, а повітряну кульку як тканину Всесвіту, і ви почнете розуміти суть. На жаль, хоча ця аналогія є гарним початком, вона також не зовсім точно передає деталі.
4-й вимір
Важливим для будь-якої аналогії є розуміння її обмежень. Деякі недоліки очевидні: повітряна кулька достатньо мала, щоб поміститися в руці – але не Всесвіт. Інший недолік, більш тонкий. Кулька складається з двох частин: латексної поверхні та заповненої повітрям внутрішньої частини. Ці дві частини повітряної кульки описуються по-різному мовою математики. Поверхня повітряної кульки двовимірна. Якби ви ходили по ній, ви могли б рухатися вперед, назад, вліво або вправо, але ви не могли б рухатися вгору або вниз, не відриваючись від поверхні.
Зараз може здатися, що ми називаємо чотири напрямки – вперед, назад, ліворуч і праворуч – але це лише рухи вздовж двох основних траєкторій: з боку в бік і спереду назад. Саме це робить поверхню двовимірною – довжина і ширина. З іншого боку, внутрішня частина повітряної кульки тривимірна, тому ви зможете вільно рухатися в будь-якому напрямку, включаючи вгору чи вниз – довжину, ширину та висоту.
Ось у чому полягає плутанина. Те, що ми вважаємо «центром» повітряної кульки, — це точка десь у її середині, у заповненому повітрям просторі під поверхнею. Але в цій аналогії Всесвіт більше схожий на латексну поверхню повітряної кульки. Заповнена повітрям внутрішня частина кульки не має аналога в нашому Всесвіті, тому ми не можемо використовувати цю частину аналогії – значення має лише поверхня.
Тож питання: «Де центр Всесвіту?» чимось схоже на питання: «Де центр поверхні повітряної кульки?». Його просто немає. Ви могли б подорожувати вздовж поверхні повітряної кульки в будь-якому напрямку скільки завгодно довго, і ви б ніколи не досягли місця, яке можна було б назвати її центром, бо насправді б ніколи не покинули поверхню. Так само ви могли б подорожувати в будь-якому напрямку у Всесвіті і ніколи не знайти його центру, тому що, як і поверхня повітряної кульки, у неї його просто немає.
Частково це може бути так складно зрозуміти через те, як Всесвіт описується мовою математики. Поверхня повітряної кульки має два виміри, а внутрішня частина — три, але Всесвіт існує в чотирьох вимірах. Тому що справа не лише в тому, як речі рухаються в просторі, а й у тому, як вони рухаються в часі. Наш мозок запрограмований думати про простір і час окремо. Але у Всесвіті вони переплетені в єдину тканину, яка називається «простір-час». Це об’єднання змінює те, як Всесвіт працює відносно того, чого очікує наша інтуїція.
І це пояснення навіть не починає відповідати на питання, як щось може розширюватися нескінченно – вчені досі намагаються з’ясувати, що ж зумовлює це розширення. Отже, запитуючи про центр Всесвіту, ми стикаємося з межами нашої інтуїції. Відповідь, яку ми знаходимо – все, що розширюється всюди, одночасно – це проблиск того, наскільки дивним і прекрасним є наш Всесвіт. Роб Койн, професор фізики, Університет Род-Айленда