Земята има ограничена повърхност. Можем да я измерим и ако самата планета се разширяваше, тази повърхност би се увеличавала с течение на времето. Изненадващо, нашата позната планета ни предлага и полезен начин да разсъждаваме върху нещо, което е много по-трудно за разбиране: как би изглеждала Вселената отвъд областта, която можем да наблюдаваме.

Най-простото предположение е, че отвъд нашия космически хоризонт просто има още Вселена. Още звезди. Още галактики. Още клипчета с котки, генерирани от изкуствен интелект. Това е подобно на това да стоите някъде на Земята и да предполагате, че отвъд видимия ви хоризонт все още има още повърхност. Но колко голяма е цялата Вселена, включително всичко отвъд това, което можем да видим?

Разочароващият отговор е, че може би никога няма да разберем.

Границите на наблюдаемата вселена

Границата на наблюдаемата Вселена не е просто най-далечното разстояние, до което телескопите ни могат да достигнат в момента. Тя представлява по-дълбока граница на информацията, която някога може да достигне до нас. Вселената съдържа крайно количество информация, до която можем да получим достъп, дори и да чакаме произволно дълго време. Отвъд тази граница ни остава само да правим изводи и да спекулираме. Едната възможност е ясна: Вселената е безкрайна. Пространството просто продължава вечно, без крайна точка. Другата възможност е, че Вселената има край. Това веднага повдига един очевиден въпрос. Как може нещо да е крайно, без да има край?

Земята дава отговора.

Повърхността на нашата планета има крайна площ, но човек, който пътува по нея никога не се натъква на граница, където тя внезапно да свършва. Да, Земята има край, ако напуснете повърхността ѝ в третото измерение и се отправите към космическото пространство, но това не е същината на въпроса. Самата двуизмерна повърхност е крайна и няма граница, защото се извива обратно.

Как геометрията разкрива кривината

Не е нужно да напускаме Земята, за да докажем, че повърхността ѝ е извита. Математиката ни предоставя няколко начина да открием кривината, докато оставаме изцяло върху повърхността. Триъгълниците са един от тези примери. На напълно равна равнина сумата от трите вътрешни ъгъла на триъгълника е 180 градуса. Но представете си, че чертаете огромни линии между три широко раздалечени града на Земята. Полученият триъгълник няма да се държи като такъв, начертан върху лист хартия. Вътрешните му ъгли ще дадат сума, по-голяма от 180 градуса, защото повърхността под него е извита.

Паралелните линии предлагат още една възможност. При равна повърхност паралелните линии никога не се пресичат. При извита повърхност обаче линии, които започват успоредно, в крайна сметка могат да се съберат. Представете си, че вие и аз тръгваме от различни точки по екватора и пътуваме направо на север. В крайна сметка пътищата ни се срещат на Северния полюс. Нито един от нас не е завивал към другия. Повърхността на Земята под нас е извита. Астрономите могат да провеждат подобни геометрични тестове върху самата Вселена.

Древна светлина проверява формата на пространството

Един от най-мощните инструменти е космическият микровълнов фон, или CMB. Това древно излъчване е било освободено, когато ранната Вселена се е охладила достатъчно, за да може светлината да се движи свободно през това, което преди това е било гореща, плътна плазма. Учените разбират голяма част от съответната физика на плазмата, което им позволява да предскажат какви модели би трябвало да се появят в това древно сияние. Тези предсказания включват миниатюрни температурни вариации, разпръснати из CMB. Именно тези вариации наблюдават астрономите.

По-важното е, че учените могат да изчислят колко големи би трябвало да изглеждат тези температурни зони. Ако пространството беше силно изкривено, светлината, пътуваща към нас през милиарди светлинни години, би следвала променени траектории. Това изкривяване би променило видимия размер на моделите. По този начин астрономите могат да сравнят наблюдавания размер на характеристиките на CMB с размера, предсказан за различни космически геометрии. Характеристиките се появяват по същество в очаквания мащаб за плоско пространство.

Ето защо учените казват, че Вселената изглежда геометрично плоска. Значи загадката е решена? Плоската Вселена автоматично ли означава безкрайна Вселена? Не съвсем.

Плоска не означава непременно безкрайна

Представете си, че се опитвате да измерите кривината на Земята, докато сте ограничени в рамките на собствения си квартал. Районът би изглеждал почти равен. Малките триъгълници биха се държали почти точно както е предсказал Евклид, а късите успоредни траектории не биха се сближавали забележимо. Проблемът не би бил в това, че Земята всъщност е плоска. Просто измерваният от вас район би бил твърде малък в сравнение с размерите на планетата.

Нещо подобно би могло да важи и за Вселената. Нашите измервания са ограничени до наблюдаемия космос. В рамките на тази огромна област пространството изглежда изключително плоско, но Вселената извън нашата наблюдаема област може да е значително по-голяма.

Следователно е възможно Вселената да има кривина, която става очевидна едва в мащаби, много по-големи от тези, до които имаме достъп. Ако е така, пространството в крайна сметка може да се извие обратно около себе си, а това би могло да означава, че ако пътувате непрекъснато в една посока, в крайна сметка ще се върнете там, откъдето сте тръгнали – подобно на това как пътуването около Земята може да ви върне в първоначалната точка. На практика разширяването на Вселената поставя областите отвъд нашия космически хоризонт трайно извън обсега ни, така че такова пътуване остава теоретичен мисловен експеримент.

Но нещата могат да станат още по-странни. Една вселена може да е геометрично плоска, без да е безкрайна във всички посоки.

За да разберете как става това, представете си плосък лист хартия с нарисувани върху него триъгълници и успоредни линии. Сега огънете мисловно хартията на цилиндър, без да я разтягате или разкъсвате. Локално геометрията остава плоска. Триъгълниците все още се държат като обикновени триъгълници, а успоредните линии – като успоредни линии. И все пак в една посока сега се образува затворена верига.

Това подчертава разликата между геометрията и топологията. Геометрията описва свойства като кривина. Топологията описва по-широкия начин, по който едно пространство е свързано. Наблюдаемата вселена изглежда геометрично плоска, но това не ни казва автоматично дали едно или повече измерения биха могли да се затворят в кръг и да се свържат обратно със себе си, като останат локално плоски.

В крайна сметка, въз основа на всичко, което можем да наблюдаваме в момента, Вселената изглежда както геометрично плоска, така и топологично проста. С други думи, няма открити признаци, че нейните измерения се затварят в кръг.

Но отново нашият космически хоризонт създава фундаментално ограничение. Ако мащабът на такава затворена структура е по-голям от наблюдаемата Вселена, може би никога няма да успеем да я открием. Това означава, че може би никога няма да разберем със сигурност дали цялата вселена е безкрайна, крайна, изкривена или свързана по някакъв по-голям и по-странен начин.

И тогава идва въпросът за мултивселената. Според някои космологични идеи всичко, което наричаме Вселена, включително областите далеч отвъд нашия наблюдаем хоризонт може да е само един мехур сред потенциално безброй други. Тези мехури биха могли да се разширяват един от друг, докато нови области преживяват свои собствени начала, подобни на Големия взрив.