Где находится центр Вселенной?

Вселенная расширяется.

Это утверждение словно само напрашивается на очевидный следующий вопрос: откуда она расширяется?

Когда взрывается фейерверк, его частицы разлетаются от места взрыва. Если пятно растекается по листу бумаги, можно проследить его назад до точки, куда упала первая капля. Если когда-то Вселенная была гораздо меньше, горячее и плотнее, чем сегодня, естественно представить, что где-то в пространстве должно существовать центральное место, откуда всё началось.

Возможно, существует некая середина космоса — одна особая координата в самом сердце творения.

Возможно, находиться там было бы всё равно что стоять на Северном полюсе, где привычные направления начинают вести себя странно. Быть может, галактики удалялись бы оттуда с идеальной симметрией. Быть может, расширение выглядело бы иначе. Быть может, Вселенная наконец открыла бы, где находится её нулевая точка.

Но согласно стандартной космологии такого географического центра не существует.

Вселенная может расширяться, не расширяясь наружу из какого-либо места. У неё может быть возраст, но не быть места рождения. И хотя каждый наблюдатель вправе считать себя находящимся в центре наблюдаемой Вселенной, никто не занимает центр Вселенной в целом.

Чтобы понять, как все эти утверждения могут одновременно быть верными, сначала нужно разделить несколько идей, которые звучат почти одинаково.

Центр наблюдаемой Вселенной

В одном смысле вы действительно находитесь в центре Вселенной.

Точнее, вы находитесь в центре своей наблюдаемой Вселенной.

Наблюдаемая Вселенная — это область, из которой свет или другие сигналы успели достичь нас с тех пор, как ранняя Вселенная стала прозрачной. Поскольку эти сигналы приходят со всех направлений, наблюдаемая Вселенная образует вокруг наблюдателя приблизительно сферическую область.

При наблюдении с Земли эта сфера имеет центр на Земле.

Но это не возвращает человечество на древний престол посреди творения. Наблюдатель в другой галактике тоже увидел бы наблюдаемую Вселенную с центром в собственном местоположении. Его наблюдаемая сфера пересекалась бы с нашей, но не совпадала бы с ней полностью.

Центр принадлежит наблюдению, а не космосу.

Человек, стоящий в поле, видит окружающий его со всех сторон горизонт. Другой человек, находящийся за много километров, тоже видит горизонт с центром в собственном местоположении. Ни один из них не обнаружил центр ландшафта. Каждый лишь оказался в центре области, видимой из занимаемой им точки.

Космический горизонт устроен похожим образом, хотя его определяют конечный возраст и история расширения Вселенной, а не кривизна Земли.

Поэтому это удивительно странное утверждение верно:

Вы находитесь в центре наблюдаемой Вселенной. Как и все остальные.

Центр самой Вселенной

Вселенная в целом — это уже другой вопрос.

В крупнейших масштабах стандартная космология описывает Вселенную как приблизительно однородную и изотропную.

Однородность означает, что при усреднении на достаточно огромных расстояниях Вселенная в общих чертах одинакова в разных местах.

Изотропность означает, что — опять же, в достаточно крупных масштабах — она выглядит в целом одинаково во всех направлениях.

Здесь находятся галактики, там — пустоты, где-то ещё — скопления, и локальных неоднородностей, конечно, хватает. Но если расширить поле зрения достаточно сильно, ни одно известное место не окажется наделено уникальным центральным статусом.

Настоящий центр нарушал бы эту симметрию. Он разделял бы Вселенную на особую точку и всё остальное.

Независимо от того, бесконечна Вселенная или конечна, центр ей не обязателен.

Если пространство бесконечно

У бесконечного пространства нет единственной средней точки.

Представьте бесконечную числовую прямую. Одну точку можно обозначить нулём, но другой наблюдатель вправе выбрать в качестве нуля другую точку, не вступая с вами в противоречие. Начало координат является частью системы координат, а не самой прямой.

Космологические координаты устроены во многом так же. Мы можем поместить Землю в начало координат, поскольку это удобно для описания наблюдений с Земли. Другая цивилизация может поместить в начало координат собственную галактику.

Ни один из этих вариантов не обнаруживает скрытый физический центр.

Если пространство конечно

У конечных объектов часто бывают центры, но это справедливо не всегда.

Поверхность сферы имеет конечную площадь, однако на самой поверхности нет центральной точки. С геометрической точки зрения все её точки равноправны. Путешественник, ограниченный этой поверхностью, мог бы продолжать движение, не встречая края, и ни одно место не объявило бы себя серединой.

У сферы действительно есть центр в трёхмерном пространстве, в которое мы мысленно её помещаем. Но эта центральная точка не является частью двумерной поверхности.

Именно поэтому аналогия с воздушным шаром одновременно полезна и опасна.

Когда космологи сравнивают расширяющуюся Вселенную с поверхностью надувающегося воздушного шара, поверхность изображает пространство. Внутренняя часть шара не должна изображать другую область обычного пространства. Центральная точка шара является особенностью аналогии, а не обязательно реальным местом во Вселенной.

Поэтому конечная Вселенная может быть неограниченной: иметь конечный общий объём, но не иметь ни края, ни внутреннего центра.

Ей не обязательно быть трёхмерной сферой, расположенной в какой-то более крупной четырёхмерной комнате. Картина с дополнительным измерением служит лишь средством визуализации. Геометрия не требует, чтобы Вселенная находилась внутри чего-либо ещё.

Большой взрыв не был взрывом в одной точке

Главным источником путаницы служит представление о Большом взрыве как об обычном взрыве.

Взрывы происходят в определённых местах. Они выбрасывают материю наружу через уже существующее пространство. После них остаётся центр, который хотя бы в принципе можно найти.

Большой взрыв не был взрывом материи в окружавшей её пустоте.

Это было раннее состояние Вселенной, в котором само пространство было гораздо горячее, плотнее и сильнее сжато, чем сейчас.

Историю каждой области современной Вселенной можно проследить назад до этого раннего состояния. Не существует сохранившейся координаты, в которой произошло это событие. Большой взрыв не случился где-то там, пока остальное пространство ожидало поблизости.

Он произошёл повсюду.

Или, если сформулировать точнее, каждая современная область когда-то была частью горячей и плотной ранней Вселенной.

Таким образом, Большой взрыв — это не место, скрывающееся за галактиками. Это время, скрывающееся за настоящим.

На него нельзя указать пальцем в пространстве. К нему можно указать лишь назад во времени — в космическую историю.

Расширение без центра расширения

Если Вселенная расширяется не из одной точки, то что именно расширяется?

В больших масштабах ответом служит расстояние между точками, которые движутся вместе с космическим расширением.

Космологи описывают это с помощью масштабного коэффициента, обычно обозначаемого как \(a(t)\). Если две точки сохраняют постоянное сопутствующее расстояние \(\chi\), их физическое разделение в космический момент времени \(t\) можно записать как

\[ D(t) = a(t)\chi. \]

По мере увеличения \(a(t)\) физическое расстояние \(D(t)\) также увеличивается.

Ничто в этом уравнении не требует существования центрального места. В идеальной однородной Вселенной один и тот же масштабный коэффициент действует повсюду.

Расширение — не сила, разбрасывающая галактики прочь от космической штаб-квартиры. Это изменение геометрии, определяющей расстояния между далёкими и гравитационно не связанными областями.

Простая одномерная модель помогает это увидеть.

Представим три галактики, расположенные в координатах

\[ A = 0,\qquad B = 1,\qquad C = 2. \]

Предположим, что космическое расширение удвоило все расстояния. Их координаты станут равны

\[ A = 0,\qquad B = 2,\qquad C = 4. \]

С точки зрения галактики \(A\), галактики \(B\) и \(C\) удалились.

Но теперь опишем ту же картину с точки зрения галактики \(B\). Вычтем положение \(B\) из каждой координаты:

\[ A = -2,\qquad B = 0,\qquad C = 2. \]

С точки зрения \(B\), галактики \(A\) и \(C\) удаляются в противоположных направлениях.

Галактика \(B\) с тем же основанием может считать себя центром картины разбегания, что и галактика \(A\). Видимый центр возникает из выбора наблюдателем системы координат, а не из устройства Вселенной.

Именно поэтому далёкие галактики могут казаться удаляющимися от нас во всех направлениях, хотя мы не находимся в привилегированном космическом центре.

Из другой галактики крупномасштабная картина выглядела бы примерно так же.

Почему изображение с резиновым полотном вводит в заблуждение

В популярных объяснениях пространство часто изображают в виде растягивающегося резинового полотна.

Такая картина помогает передать одну важную идею: расстояния между отмеченными точками могут увеличиваться, даже если ни одна из точек не перемещается по полотну самостоятельно.

Но это изображение незаметно вводит внешний мир.

Настоящее полотно растягивается в окружающей его комнате. Воздушный шар расширяется в окружающий воздух. При взгляде из пространства более высокой размерности, в которое они помещены, оба объекта имеют центры.

Но Вселенной в том виде, в каком её описывает общая теория относительности, такая внешняя комната не нужна.

Её геометрия может изменяться внутренним образом. Расстояния внутри пространства могут эволюционировать, хотя Вселенная и не расширяется в какой-либо более крупный контейнер.

Аналогия начинает вводить в заблуждение, когда мы спрашиваем, где находится центр воздушного шара или что лежит за пределами резинового полотна. Эти вопросы относятся к модели, лежащей на столе, а не обязательно к Вселенной, которую эта модель изображает.

У аналогии есть ещё одно важное ограничение: расширяется не всё.

Галактики, солнечные системы, планеты, люди и кофейные чашки удерживаются силами, достаточно мощными, чтобы противостоять космическому расширению. Вселенная не увеличивает каждый объект, словно тесто, поднимающееся в духовке.

Расширение господствует на огромных расстояниях между гравитационно не связанными структурами. В локальных масштабах побеждают другие силы.

Был бы центр похож на Северный полюс?

Предположим исключительно ради воображения, что центр всё-таки можно было бы определить. Был бы он похож на Северный полюс?

Северный полюс необычен с геометрической точки зрения, потому что у Земли существует дополнительная физическая структура.

Земля вращается. Её вращение определяет ось. Эта ось пересекает поверхность в точках Северного и Южного полюсов.

На Северном полюсе любое горизонтальное направление ведёт на юг. Линии долготы сходятся. Привычная система координат восток — запад вырождается.

Но сама поверхность там не повреждена. Трудность отчасти принадлежит системе координат.

На идеально однородной и невращающейся сфере геометрия сама по себе не выбрала бы ни одну точку поверхности в качестве севера. Мы могли бы назначить полюс для удобства, но природа не выбрала бы его за нас.

В стандартной космологии не известно аналога земной оси вращения, который выделял бы единственную центральную точку пространства.

Не существует места, где расширение меняет направление на противоположное, где обычные пространственные координаты перестают работать или откуда Вселенная начинает расходиться наружу.

Если кто-то назначит начало координат и назовёт его центром, нахождение в этой точке не вызовет никаких особых физических эффектов. Такое звание будет принадлежать карте, а не территории.

Есть ли у Вселенной край?

У наблюдаемой Вселенной есть граница, но она не обязательно является краем.

Эта граница представляет собой горизонт — предел области, из которой сигналы могли успеть достичь нас.

Наблюдатель вблизи границы нашей наблюдаемой Вселенной не увидел бы себя стоящим рядом с космической пустотой. Он увидел бы собственную наблюдаемую Вселенную, простирающуюся вокруг него и имеющую центр в его местоположении.

Поэтому граница нашей наблюдаемой Вселенной больше похожа на горизонт в море, чем на край столешницы.

Она обозначает предел того, что мы способны видеть сейчас, а не обязательно конец всего существующего.

Вселенная в целом может быть бесконечной. Но она также может быть конечной и неограниченной. Современные наблюдения пока не позволяют окончательно решить этот вопрос.

Ни один из этих вариантов не требует существования физической внешней стены.

Неверно поставленный вопрос

Самый глубокий урок состоит не просто в том, что учёным не удалось найти центр.

Он заключается в том, что центр может быть неподходящей категорией объекта.

Человеческая интуиция развивалась среди ограниченных вещей: тел, комнат, деревень, островов и полей. У таких вещей есть края, а благодаря краям мы можем определять середины.

Вселенная может не принадлежать к этому семейству форм.

Она может быть бесконечной, и тогда единственной середины не существует. Или она может быть конечной, но не иметь границы — и тогда нет края, от которого можно было бы измерять расстояние внутрь.

При этом космическое расширение не уносит галактики прочь от всеобщей стартовой точки. Оно повсюду увеличивает расстояния в больших масштабах.

В результате возникает космос, не подчиняющийся геометрической интуиции, выработанной на обычных предметах.

У него есть прошлое, но нет известного места рождения.

Он расширяется, но не наружу.

Он окружает каждого наблюдателя, но никого не выбирает своим центром.

Поэтому ответ на исходный вопрос оказывается страннее любой координаты:

Возможно, у Вселенной нет географического центра, потому что она не относится к числу вещей, которым он необходим.