Предложенный Ливитт метод использования цефеид для исследования космического пространства настолько радикально преобразовал нашу картину Вселенной, что шведский математик Гёста Миттаг-Леффлер хотел номинировать ее на Нобелевскую премию 1924 г. К своему огромному огорчению, он выяснил, что в декабре 1921 г. Ливитт умерла от рака и премия не могла быть ей присуждена.
Такое новое понимание масштаба удаленных галактик дало нам представление об истинной природе космоса. Но насколько простирается Вселенная за пределами таких удаленных галактик? Первым земным исследователям, покидавшим свои деревни, наверное, казалось, что Земля огромна – возможно, бесконечна. Но по мере развития путешествий стало понятно, что поверхность Земли конечна и доступна для исследования. Так как же обстоит дело с космосом? Сможем ли мы, покинув свою Галактику, понять, какое место наша космическая деревня занимает в более масштабной картине космоса?
Гигантская игра в «астероиды»
Легко себе представить Землю конечную, но не имеющую края. Решение этой загадки – поверхность сферы. Но как может быть конечным космос? Эту головоломку исследует один из моих любимых фильмов – «Шоу Трумана». Джим Керри играет в нем Трумана Бербанка, который не подозревает о том, что весь его мир – сценарное телевизионное реалити-шоу, поставленное внутри гигантского купола. Когда у него в конце концов возникают сомнения относительно окружающего его мира, Труман садится в лодку и отправляется в море, окружающее его родной город Сихэвен, – и обнаруживает, что небо, которое казалось ему бесконечным, на самом деле нарисовано на студийном заднике. А за краем своей вселенной он находит телекамеры, снимающие каждое его движение.
Я не думаю, что мы живем в таком вот «Шоу Трумана». Я не думаю, что, отправившись в космос, можно неожиданно натолкнуться на стенку студии или на окружающий мир небесный свод, подобный моей модели. И мне кажется, что большинство людей со мной согласятся. В конце концов, такая модель только поднимает вопрос о том, что находится за этим пределом. Встретим ли мы там небесную съемочную группу, наблюдающую за нами? А что случится с этой съемочной группой, если она отправится в такое же путешествие в своем мире? Там что, съемочные группы до самого конца? Поэтому большинство из нас, будучи поставлено перед этим вопросом, заключает, что единственное возможное решение этой головоломки – бесконечная Вселенная.
Но у математиков есть еще и третий вариант, согласно которому Вселенная может не иметь границы, но тем не менее быть конечной. В такой Вселенной космическое путешествие не продолжается бесконечно далеко, но в конце концов возвращается в свою начальную точку подобно кругосветному путешествию на Земле.
Чтобы понять, как такая Вселенная может быть устроена, полезно рассмотреть маленькую игрушечную вселенную. Игра «Астероиды», созданная в 1979 г. компанией Atari, дает превосходный пример конечной, но неограниченной двумерной вселенной. Эта вселенная состоит всего из одного компьютерного экрана, но, когда космический корабль доходит до верхнего края экрана, он не отражается от границы на манер двумерного «Шоу Трумана», а тут же появляется в самом низу. С точки зрения астронавтов, летящих в этом корабле, они совершают бесконечное космическое путешествие. То же происходит и при приближении корабля к левому краю экрана: он не врезается в стенку, а просто появляется на правом краю. Астронавты могут начать замечать повторяющиеся ориентиры, хотя, конечно, в условиях динамической вселенной узнавать одни и те же объекты, мимо которых они пролетают во второй или третий раз, может быть непросто.
На самом деле вселенная «Астероидов» имеет вполне определенную форму. Если допустить существование третьего измерения, в котором эту вселенную можно сложить, то, соединив верхний и нижний края экрана, мы получим цилиндр. Поскольку левый и правый края экрана также смыкаются, можно соединить два конца такого цилиндра и получить объект в форме бублика, который математики называют тором. Поверхность этого трехмерного тела и есть конечная вселенная игры «Астероиды».
Если взять любое конечное трехмерное тело, его двумерная поверхность образует альтернативную вселенную, конечную и не имеющую границ. Еще один пример такой двумерной вселенной дает поверхность сферы. Такие двумерные вселенные – не просто математические игрушки: они дают ключ к путешествиям по поверхности Земли. Многие культуры по всему миру задавались одним и тем же вопросом: бесконечна ли Земля, или же она имеет край, с которого можно упасть? Многие цивилизации представляли Землю в виде диска, окруженного водой, – наподобие мира Трумана.
Идея сферической Земли начала утверждаться лишь у пифагорейцев в V в. до н. э. Исчезновение кораблей за горизонтом, форма тени, отбрасываемой Землей на Луну во время затмений, изменение положения Солнца и звезд по мере продвижения на юг – все это способствовало такому сдвигу мировоззрения. Кругосветная экспедиция, организованная в 1519 г. Фернаном Магелланом (сам он погиб в этом путешествии), окончательно и несомненно доказала, что Земля имеет форму шара.
А как же Вселенная? Имеет ли она форму? Мы находимся примерно в том же положении, что и культуры древности, которые размышляли о форме Земли и хотели узнать, продолжается ли она бесконечно, или имеет край, или же может быть каким-то образом замкнута.
Но как можно сложить трехмерную вселенную, чтобы она имела конечный объем, но не имела краев? Тут может помочь математика, которая позволяет встроить нашу трехмерную Вселенную в пространство, имеющее большее число измерений, и сложить ее так же, как мы сложили мир игры «Астероиды». Хотя физически представить себе такое складывание невозможно, язык математики дает нам уравнения, позволяющие описать такие конечные трехмерные вселенные и, что еще более существенно, изучить их свойства.
Например, мы можем жить в трехмерной версии игры «Астероиды». Возможно, Вселенная, по существу, представляет собой гигантский куб с шестью гранями, подобный нашей игральной кости. Когда космический корабль достигает одной из этих граней, он плавно выходит из кубической вселенной через одну грань и вновь появляется на ее противоположной грани. В «Астероидах» было два замкнутых направления – влево-вправо и вверх-вниз. В трехмерной кубической вселенной должно быть замкнуто и третье направление. Если такой куб поместить в четырехмерную вселенную, его можно сложить, смыкая его грани, и получить четырехмерный бублик, он же тор, трехмерная поверхность которого и есть наша Вселенная.
Но наша Вселенная может иметь и другие формы. Окружность есть конечная двумерная фигура, поверхность которой – это конечная одномерная вселенная. Сфера есть конечная трехмерная фигура, поверхность которой – это конечная двумерная вселенная. При помощи математических уравнений можно построить четырехмерную сферу, поверхность которой будет конечной трехмерной вселенной, – и это будет еще одна возможная модель нашей Вселенной.
Даже если математика дает нам возможные варианты конечных вселенных, не имеющих границ, сможем ли мы когда-нибудь узнать, конечна ли наша Вселенная и какой может быть ее форма? Следует ли нам ожидать появления звездных Магелланов, которые смогут совершить кругосветное путешествие вокруг Вселенной? Учитывая масштабы известной Вселенной, путешествия с непосредственным участием человека кажутся довольно безнадежным способом проверки конечности Вселенной. Но в космосе есть другие путешественники, которые странствовали во Вселенной миллиарды лет и могут кое-что рассказать нам о том, конечна она или нет. Речь идет о фотонах.
Космические Магелланы
Свет – великий путешественник. На нас постоянно падает свет, странствовавший по Вселенной на протяжении многих миллиардов лет. Не может ли часть этого света рассказать нам что-нибудь, что позволит нам догадаться, конечна ли Вселенная? Мы уже поняли, что случится с космическим кораблем, отправившимся в глубины космоса: в такой конечной вселенной он должен в конце концов вернуться в начальную точку своего путешествия, как в 1522 г. вернулись в Севилью корабли Магеллана.
То же может случиться и со светом. Представим себе фотон, покидающий наше Солнце в начале его существования, около 4,5 миллиарда лет назад. Предположим, что мы живем на поверхности четырехмерного бублика, в котором противоположные грани нашей кубической вселенной соединены. Что происходит со светом при приближении к одной из таких граней? Он плавно проходит сквозь нее, возникает на противоположной грани и может продолжать свое путешествие к его исходной точке. Если по пути его ничто не остановит, он может вернуться и попасть в телескоп земного наблюдателя, который впервые обнаружит этот фотон после его долгого путешествия. Что же увидит такой астроном? Да ничего особенного. Свет будет выглядеть так, как будто он был испущен очень удаленной звездой в начале ее существования. Понять, что астроном видит, как выглядело наше Солнце 4,5 миллиарда лет назад, будет очень трудно.
