Вместо того чтобы простираться до бесконечности и дальше, топология Вселенной может оказаться такой, что её в конечном итоге можно будет нанести на карту
Возможно, мы живём в пончике. Звучит как больной сон Гомера Симпсона, но именно такой может быть форма всей Вселенной — точнее, гипермерного пончика, который математики называют 3-тором.
Это лишь одна из многих возможных топологии космоса. «Мы пытаемся понять форму космоса», — говорит Яшар Акрами из Института теоретической физики в Мадриде, член международного партнёрства под названием Compact (Collaboration for Observations, Models and Predictions of Anomalies and Cosmic Topology). В мае команда Compact объяснила, что вопрос о форме Вселенной остаётся широко открытым, и рассмотрела будущие перспективы его решения.
«В такой космологии высокие риски, но зато и высокие «вознаграждения»», — говорит член команды Эндрю Джаффе, космолог из Имперского колледжа Лондона. «Я буду очень удивлён, если мы что-нибудь найдём, но я буду очень рад, если мы это сделаем».
Топология объекта определяет, как связаны его части. Пончик имеет ту же топологию, что и чайная чашка: отверстие эквивалентно ручке: вы можете переделать пластилиновый пончик в форму чашки, не разрывая его. Аналогично, сфера, куб и банан имеют одинаковую топологию, без отверстий.
Идею о том, что вся Вселенная может иметь форму, трудно представить. В дополнение к топологии есть ещё один аспект: кривизна. В своей теории общей относительности в 1916 году Альберт Эйнштейн показал, что пространство может искривляться под действием массивных объектов, порождая гравитацию.
Представьте, что пространство двухмерно, как лист, и у него нет всех трёх пространственных измерений. Плоское пространство похоже на плоский лист бумаги, а искривлённое пространство может быть похоже на поверхность сферы (положительная кривизна) или седла (отрицательная кривизна).
Эти возможности можно различить с помощью простой геометрии. На плоском листе углы треугольника должны равняться 180 градусам. Но на изогнутой поверхности это уже не так. Сравнивая реальные и видимые размеры удалённых объектов, таких как галактики, астрономы видят, что наша Вселенная в целом кажется настолько близкой к плоской, насколько мы можем измерить: она похожа на плоский лист, испещрённый маленькими ямочками, где каждая звезда деформирует пространство вокруг себя.
«Зная, какова кривизна, вы знаете, какие виды топологий возможны», — говорит Акрами. Плоское пространство может просто продолжаться бесконечно, как бесконечный лист бумаги. Это самая скучная и тривиальная возможность. Но плоская геометрия также соответствует некоторым топологиям, которые космологи эвфемистически называют «нетривиальными», что означает, что они гораздо интереснее и могут быть довольно умопомрачительными.
По математическим причинам существует ровно 18 возможностей. В целом они соответствуют тому, что Вселенная имеет конечный объём, но не имеет краёв: если вы пролетите расстояние большее масштаба Вселенной, вы окажетесь там, откуда начали. Это похоже на экран видеоигры, в которой персонаж, выходящий в крайнем правом углу, снова появляется в крайнем левом — как будто экран закручен в петлю. В трёх измерениях простейшая из этих топологий — 3-тор: как коробка, из которой, выходя через любую грань, вы снова входите через противоположную грань.
Такая топология имеет причудливое следствие. Если бы вы могли окинуть взглядом всю Вселенную — для этого скорость света должна была быть бесконечной, — вы бы увидели бесконечные копии себя во всех направлениях, как в трёхмерном зеркальном зале. Другие, более сложные топологии представляют собой вариации на ту же тему, где, например, изображения выглядят слегка сдвинутыми — вы входите в коробку в другом месте, или, возможно, повёрнутыми так, что правое становится левым.
Если объём Вселенной не слишком велик, то мы сможем увидеть такие дубликаты — точную копию, скажем, нашей собственной галактики. «Люди начали искать топологию на очень малых масштабах, изучая изображения Млечного Пути, — говорит Джаффе. Но это не совсем просто из-за конечной скорости света — «вы должны искать их такими, какими они были давным-давно», — и поэтому вы можете не узнать дубликат. Кроме того, наша галактика движется, так что копия не будет находиться в том же месте, что и мы сейчас. А некоторые более экзотические топологии сместят её ещё сильнее. В любом случае, астрономы пока не видели такого космического дублирования.
С другой стороны, если Вселенная действительно огромна, но не бесконечна, мы, возможно, никогда не сможем отличить одно от другого, говорит Акрами. Но если Вселенная конечна, по крайней мере, в некоторых направлениях, и не намного больше, чем самое далёкое, что мы можем увидеть, то мы должны быть в состоянии определить её форму».
Один из лучших способов сделать это — посмотреть на реликтовое излучение (РИ): очень слабое свечение тепла, оставшееся после Большого взрыва, которое заполняет космос микроволновым излучением. Впервые обнаруженный в 1965 году, РИ является одним из ключевых доказательств того, что Большой взрыв вообще произошёл. Оно почти равномерно по всему космосу. Но по мере того как астрономы создавали все более точные телескопы для его обнаружения и картирования по всему небу, они обнаружили крошечные вариации в «температуре» этого микроволнового моря от места к месту. Эти вариации являются остатками случайных температурных различий в зарождающейся Вселенной — различий, которые способствовали возникновению структуры, так что материя во Вселенной не распределена равномерно по всему космосу, как масло по хлебу.
Таким образом, РИ — это своего рода карта того, как выглядела Вселенная на самом раннем этапе, который мы можем наблюдать сегодня (около 10 млрд лет назад), отпечатавшаяся на небе вокруг нас. Если Вселенная имеет нетривиальную топологию, которая создаёт копии в некоторых или всех направлениях, и если её объём не намного больше сферы, на которой мы видим проекцию РИ, то эти копии должны оставлять следы в колебаниях температуры. Два или более пятен будут совпадать, как дубликаты отпечатков пальцев. Но это нелегко обнаружить, учитывая, что эти вариации случайны и слабы, а некоторые топологии будут смещать дубликаты. Тем не менее, мы можем найти статистику крошечных температурных колебаний и понять, случайны они или нет. Это поиск закономерностей, как трейдеры ищут неслучайность в колебаниях фондового рынка.
Команда Compact внимательно изучила шансы найти хоть что-то. Она показала, что, хотя на карте РИ пока не было обнаружено никаких неслучайных закономерностей, они всё же не исключены. Другими словами, многие странные космические топологии по-прежнему полностью соответствуют наблюдаемым данным. «Мы считаем, что исключать можно не такое большое количество нетривиальных топологий, какое другие учёные исключали ранее», — говорит Акрами.
С этим согласны и другие специалисты, не входящие в группу. «Предыдущие анализы не исключают возможности существования наблюдаемых эффектов, связанных с нетривиальной топологией Вселенной», — говорит астрофизик Нил Корниш из Университета штата Монтана в Бозмене, который разработал один из таких анализов 20 лет назад. Ральф Аурих, астроном из Ульмского университета в Баден-Вюртемберге, Германия, также говорит: «Я думаю, что нетривиальная топология всё ещё очень вероятна».
Не слишком ли извращённо представлять, что Вселенная может иметь форму скрученного пончика, а не простейшую топологию бесконечного размера? Не обязательно. Переход из ничего в бесконечность в результате большого взрыва — это довольно серьёзный шаг. «Легче создавать маленькие вещи, чем большие», — говорит Джаффе. «Поэтому проще создать вселенную, которая была бы компактной в каком-то смысле — а нетривиальная топология как раз и позволяет это сделать».
Кроме того, есть теоретические причины подозревать, что Вселенная конечна. Согласованной теории возникновения Вселенной не существует, но одной из самых популярных основ для размышлений об этом является теория струн. Но современные версии теории струн предсказывают, что у Вселенной должно быть не четыре измерения (три пространства плюс время), а как минимум десять.
Теоретики струн утверждают, что, возможно, все остальные измерения сильно «уплотнились»: они настолько малы, что мы их вообще не ощущаем. Но тогда почему только шесть или около того измерений стали конечными, а остальные остались бесконечными? «Я бы сказал, что более естественно иметь компактную Вселенную, а не четыре бесконечных измерения и остальные компактные», — говорит Акрами.
И если бы поиск космической топологии показал, что хотя бы три измерения действительно конечны, говорит Аурих, это исключило бы многие из возможных версий теории струн.
«Обнаружение компактной Вселенной стало бы одним из самых ошеломляющих открытий в истории человечества», — говорит космолог Джанна Левин из Барнард-колледжа в Нью-Йорке. Именно поэтому подобные поиски, «хотя они и грозят разочаровать, имеют смысл». Но если бы ей пришлось сделать ставку, добавляет она: «Я бы поставила против маленькой Вселенной».
Узнаем ли мы когда-нибудь ответ? «Вполне вероятно, что Вселенная конечна, но её топологический масштаб больше, чем мы можем прозондировать с помощью наблюдений», — говорит Корниш. Но он добавляет, что некоторые странные особенности в картине РИ «именно такие, которые можно было бы ожидать в конечной Вселенной, так что это стоит исследовать дальше».
Проблема поиска закономерностей в РИ, говорит Корниш, заключается в том, что, учитывая, как можно варьировать каждую из 18 плоских топологий, «существует бесконечное число возможностей для рассмотрения, каждая из которых имеет свои собственные уникальные предсказания, поэтому невозможно перебрать их все». Возможно, лучшее, что мы можем сделать, это решить, какие возможности кажутся наиболее вероятными, и посмотреть, соответствуют ли им данные.
Аурих говорит, что планируемое улучшение карты РИ в рамках международного проекта под названием «CMB stage 4» с использованием дюжины телескопов в Чили и Антарктиде должно помочь в поисках. Но исследователи Compact подозревают, что, если нам не повезёт, одно лишь РИ не позволит нам окончательно ответить на вопрос о топологии.
Однако, по их словам, существует множество других астрономических данных, которые мы можем использовать: не только то, что находится на «сфере» карты РИ, но и то, что находится внутри неё, в остальном пространстве. «На всё во Вселенной влияет топология», — говорит Акрами. «Идеальным вариантом будет объединение всего, что можно наблюдать, и, надеюсь, это даст нам большой сигнал о топологии». Команда хочет либо обнаружить этот сигнал, говорит он, либо показать, что это невозможно.
В настоящее время используется или строится несколько приборов, которые позволят получить более подробную информацию о том, что находится внутри наблюдаемого пространства, например космический телескоп Euclid Европейского космического агентства, запущенный в прошлом году, и обсерватория SKA (бывшая Square Kilometre Array), система радиотелескопов, строящихся в Австралии и Южной Африке. «Мы хотим провести перепись всей материи во Вселенной, — говорит Джаффе, — что позволит нам понять глобальную структуру пространства и времени».
Если нам это удастся — и если окажется, что из-за космической топологии наша Вселенная конечна, — то Акрами представляет себе день, когда у нас будет своего рода Google Earth для всего космоса: карта всего.
