У наблюдаемой Вселенной есть предел видимости, но это не означает, что у пространства существует физический край. Мы видим лишь ту область космоса, свет из которой успел добраться до нас за конечный возраст Вселенной. Что происходит гораздо дальше и конечен ли полный объём пространства, современная космология пока не знает. Важно не смешивать три разных понятия: наблюдаемый горизонт, геометрическую кривизну и глобальную топологию Вселенной.
Почему наблюдаемая Вселенная имеет границу
Возраст Вселенной около 13,8 миллиарда лет, а свет распространяется с конечной скоростью. Поэтому мы не можем получать информацию из сколь угодно далёких областей. Самый древний электромагнитный сигнал, который наблюдается непосредственно, — космическое микроволновое фоновое излучение, испущенное примерно через 380 тысяч лет после Большого взрыва, когда вещество стало прозрачным для фотонов.
При этом радиус наблюдаемой Вселенной сегодня намного больше 13,8 миллиарда световых лет. Причина — расширение самого пространства: пока свет шёл к нам, области, из которых он был испущен, удалялись. Поэтому простое «возраст умножить на скорость света» не даёт современного расстояния до горизонта.
За горизонтом не обязана находиться стена или пустота
Космологический горизонт похож не на край карты, а на предел доступной информации. Наблюдатель в далёкой галактике имел бы собственную наблюдаемую сферу, частично перекрывающуюся с нашей. Нет особого основания считать Землю центром физической Вселенной: мы просто находимся в центре своей области наблюдения по определению.
Если крупномасштабная однородность пространства продолжается дальше, за нашим горизонтом могут существовать обычные области с веществом и галактиками. Но это уже экстраполяция модели, а не прямое наблюдение. Более того, из-за ускоренного расширения часть очень далёких областей никогда не сможет прислать нам сигналы, испущенные сейчас.
Конечная Вселенная может не иметь края
В повседневной геометрии конечный объём ассоциируется с коробкой и стенками. В общей теории относительности это необязательно. Двумерная поверхность сферы конечна по площади, но не имеет края: можно двигаться по ней сколько угодно, не встречая границы. Трёхмерное пространство тоже может иметь замкнутую или более сложную топологию.
Поэтому вопросы «бесконечна ли Вселенная?» и «есть ли у неё край?» логически различаются. Пространство может быть конечным и безграничным. Оно может быть бесконечным. Наконец, оно может иметь почти нулевую локальную кривизну и при этом глобально быть конечным из-за топологии — аналогично тому, как плоский экран в компьютерной игре может быть математически «сшит» по краям.
Что измерения говорят о кривизне
Наблюдения космического микроволнового фона, крупномасштабной структуры и других космологических данных показывают, что пространственная геометрия на доступных масштабах очень близка к плоской. Миссия Planck особенно сильно ограничила возможное отклонение от нулевой кривизны в стандартной космологической модели.
Но «очень плоская» не значит автоматически «доказанно бесконечная». Если радиус кривизны намного больше наблюдаемой области, мы увидим лишь почти плоский участок. А топологию нельзя полностью вывести из локальной кривизны. Поиски повторяющихся структур в микроволновом фоне ограничивают некоторые компактные модели, но не дают окончательного ответа о полном размере.
Почему вопрос может оставаться принципиально трудным
Космология имеет дело с единственной наблюдаемой Вселенной и ограничена причинным горизонтом. Мы можем проверять модели по тому, что происходит внутри доступной области, но не можем отправить прибор «за край наблюдаемого», получить данные и вернуть его обратно. Поэтому некоторые глобальные свойства могут навсегда оставаться недоопределёнными наблюдениями.
Самый точный сегодняшний ответ звучит не так эффектно, как «Вселенная бесконечна»: физического края у наблюдаемого космоса мы не видим, сама граница наблюдения не является стеной, геометрия на больших масштабах близка к плоской, а конечность или бесконечность всего пространства пока не установлена. Это как раз тот случай, где честное «не знаем» является результатом хорошо проверенной науки, а не пробелом в ней.
Есть и ещё одна причина осторожно обращаться со словом «центр». Большой взрыв в стандартной космологии не был взрывом вещества из одной точки в заранее существовавшее пустое пространство. Расширяется масштаб расстояний между удалёнными областями, и любой достаточно удалённый наблюдатель увидит, что далёкие галактики в среднем удаляются от него.
Поэтому вопрос «а что находится снаружи Вселенной?» может быть сформулирован некорректно. Если пространство — всё физическое пространство модели, у него не обязано существовать внешнее геометрическое место, куда можно было бы выйти. Понятие «снаружи» привычно для предмета внутри комнаты, но не обязательно применимо к самой пространственной геометрии.
