Вселе́нная – не имеющее строгого определения понятие в астрономии и философии. Оно делится на две принципиально отличающиеся сущности: умозрительную (философскую) и материальную, доступную наблюдениям в настоящее время или в обозримом будущем. Если автор различает эти сущности, то, следуя традиции, первую называют Вселенной, а вторую – астрономической Вселенной или Метагалактикой (в последнее время этот термин практически вышел из употребления).

В историческом плане для обозначения «всего пространства» использовались различные слова, включая эквиваленты и варианты из различных языков, такие как «космос», «мир», «небесная сфера». Использовался также термин «макрокосмос», хотя он предназначен для определения систем большого масштаба, включая их подсистемы и части. Аналогично, слово «микрокосмос» используется для обозначения систем малого масштаба.

Любое исследование, любое наблюдение, будь то наблюдение физика за тем, как раскалывается ядро атома, ребёнка за кошкой или астронома, ведущего наблюдения за отдалённой галактикой, – всё это наблюдение за Вселенной, вернее, за отдельными её частями. Эти части служат предметом изучения отдельных наук, а Вселенной в максимально больших масштабах, и даже Вселенной как единым целым занимаются астрономия и космология; при этом под Вселенной понимается или область мира, охваченная наблюдениями и космическими экспериментами, или объект космологических экстраполяций – физическая Вселенная как целое.

Предметом статьи являются знания о наблюдаемой Вселенной как о едином целом: наблюдения, их теоретическая интерпретация и история становления.

В основу теоретических объяснений и описаний этих явлений положен космологический принцип, суть которого в том, что наблюдатели, независимо от места и направления наблюдения, в среднем обнаруживают одну и ту же картину. Сами теории стремятся объяснить и описать происхождение химических элементов, ход развития и причину расширения, возникновение крупномасштабной структуры.

Первый значительный толчок в сторону современных представлений о Вселенной совершил Коперник. Второй по величине вклад внесли Кеплер и Ньютон. Но поистине революционные изменения в наших представлениях о Вселенной произошли лишь в XX веке.

Представляя Вселенную как весь окружающий мир, мы сразу делаем её уникальной и единственной. И вместе с этим лишаем себя возможности описать её в терминах классической механики: из-за своей уникальности Вселенная ни с чем не может взаимодействовать, она – система систем, и поэтому в её отношении теряют свой смысл такие понятия, как масса, форма, размер. Вместо этого приходится прибегать к языку термодинамики, употребляя такие понятия как плотность, давление, температура, химический состав.

Однако Вселенная мало похожа на обычный газ. Уже на самых крупных масштабах мы сталкиваемся с расширением Вселенной и реликтовым фоном. Природа первого явления – гравитационное взаимодействие всех существующих объектов. Именно его развитием определяется будущее Вселенной. Второе же явление – это наследство ранних эпох, когда свет горячего Большого взрыва практически перестал взаимодействовать с материей, отделился от неё. Сейчас, из-за расширения Вселенной, из видимого диапазона большинство излучённых тогда фотонов перешли в микроволновой радиодиапазон.

При переходе к масштабам меньше 100 Мпк обнаруживается чёткая ячеистая структура. Внутри ячеек пустота – войды. А стенки образованы из сверхскоплений галактик. Эти сверхскопления – верхний уровень целой иерархии, затем идут скопления галактик, потом локальные группы галактик, а самый нижний уровень (масштаб 5-200 кпк) – это огромное многообразие самых различных объектов. Конечно, все они – галактики, но все они различны: это и линзовидные, неправильные, эллиптические, спиральные, с полярным кольцами, с активными ядрами и т.д.

Из них отдельно стоит упомянуть квазары, отличающихся очень высокой светимостью и настолько малым угловым размером, что в течение нескольких лет после открытия их не удавалось отличить от «точечных источников» – звёзд. Болометрическая светимость квазаров может достигать 10⁴⁶–10⁴⁷ эрг/с.

Переходя к составу галактики мы обнаруживаем: тёмную материю, космические лучи, межзвёздный газ, шаровые скопления, рассеянные скопления, двойные звёзды, звёздные системы большей кратности, сверхмассивные чёрные дыры и чёрные дыры звёздной массы, и, наконец, одиночные звёзды разного населения.

Их индивидуальная эволюция и взаимодействие друг с другом порождает множество явлений. Так предполагается, что источником энергии у упомянутых уже квазаров служит аккреция межзвёздного газа на сверхмассивную центральную чёрную дыру.

Отдельно стоит упомянуть и о гамма-всплесках – это внезапные кратковременные локализуемые повышения интенсивности космического гамма-излучения с энергией в десятки и сотни кэВ. Из оценок расстояний до гамма-всплесков можно сделать вывод, что излучаемая ими энергия в гамма-диапазоне достигает 10⁵⁰ эрг. Для сравнения, светимость всей галактики в этом же диапазоне составляет «всего» 10³⁸ эрг/c. Такие яркие вспышки видны из самых далёких уголков Вселенной, так у GRB 090423 красное смещение z = 8,2.

Когда астрономы и физики говорят, что Вселенная плоская, они не имеют в виду, что Вселенная плоская, как лист. Речь идет о свойстве трехмерной плоскостности – евклидовой (неискривленной) геометрии в трех измерениях. В астрономии евклидов мир является удобной сравнительной моделью окружающего пространства. Вещество в таком мире распределено однородно, то есть в единице объема содержится одинаковое количество материи, и изотропно, то есть распределение вещества одинаково по всем направлениям.

Кроме того, материя там не эволюционирует (например, не загораются радиоисточники и не вспыхивают сверхновые), а пространство описывается простейшей геометрией. Это очень удобный мир для описания, но не для проживания, так как там нет эволюции.

Понятно, что такая модель не соответствует наблюдательным фактам. Вещество вокруг нас распределено неоднородно и анизотропно (где-то есть звезды и галактики, а где-то их нет), скопления материи эволюционируют (меняются со временем), а пространство, как мы знаем из экспериментально подтвержденной теории относительности, искривлено.

Почему это важно? Плоскостность Вселенной – это один из основных указателей на эпоху очень быстрого расширения Вселенной, описываемого инфляционной моделью. Например, в момент рождения Вселенная могла иметь очень большую кривизну, в то время как сейчас по данным реликтового излучения известно, что она плоская.

Инфляционное расширение делает ее плоской во всем наблюдаемом пространстве (имеются в виду, конечно, большие масштабы, на которых искривление пространства звездами и галактиками не является существенным) так же, как увеличение радиуса окружности выпрямляет последнюю, и с бесконечным радиусом окружность выглядит как прямая.

К концу ХХ века выяснилось, что картина мироздания неизмеримо сложнее той, которая представлялась совершенно очевидной сто лет назад. Ни Земля, ни Солнце, ни наша Галактика не оказались центром Вселенной. На смену геоцентрической, гелиоцентрической и галактоцентрической системам мира пришло представление о том, что мы живем в расширяющейся Метагалактике (наша Вселенная). В ней бесчисленное множество галактик. Каждая, как и наша, состоит из десятков или даже сотен миллиардов звезд-солнц. И нет никакого центра. Обитателям каждой из галактик лишь кажется, что именно от них во все стороны разбегаются другие звездные острова.

Несколько десятилетий назад астрономы могли лишь предполагать, что где-то существуют планетные системы, подобные нашей Солнечной. Сейчас – с высокой степенью достоверности называют ряд звезд, у которых обнаружены «протопланетные диски» (из них когда-нибудь сформируются планеты), и уверенно говорят об открытии нескольких планетных систем.

Едва ли современные астрономы и даже астрономы очень далекого будущего смогут когда-нибудь увидеть собственными глазами другие вселенные. И все же наука уже сейчас располагает некоторыми данными о том, что наша Метагалактика может оказаться одной из множества мини-вселенных.

Вряд ли кто-нибудь сомневается в том, что жизнь и разум могут возникнуть, существовать и развиваться лишь на определенном этапе эволюции Вселенной. Трудно вообразить, что какие-то формы жизни появились раньше, чем звезды и движущиеся вокруг них планеты. Да и не всякая планета, как мы знаем, пригодна для жизни. Необходимы определенные условия: довольно узкий интервал температур, состав воздуха, пригодный для дыхания, вода... В Солнечной системе в таком «поясе жизни» оказалась Земля. А наше Солнце, вероятно, расположено в «поясе жизни» Галактики (на определенном расстоянии от ее центра).

Таким образом сфотографировано много чрезвычайно слабых (по блеску) и далеких галактик. У наиболее ярких из них удалось рассмотреть некоторые подробности: структуру, особенности строения. Блеск самых слабых из получившихся на снимке галактик – 27,5^m, а точечные объекты (звезды) еще слабее (до 28,1^m)! Напомним, что невооруженным глазом люди с хорошим зрением и при самых благоприятных условиях наблюдения видят звезды примерно 6^m (это в 250 миллионов раз более яркие объекты, чем те, у которых блеск 27^m).

Создаваемые ныне подобные наземные телескопы по своим возможностям уже сравнимы с возможностями космического телескопа Хаббла, а в чем-то даже превосходят их.

А какие условия нужны для того, чтобы возникли звезды и планеты? Прежде всего, это связано с такими фундаментальными физическими константами, как постоянная тяготения и константы других физических взаимодействий (слабого, электромагнитного и сильного). Численные значения этих констант физикам хорошо известны. Даже школьники, изучая закон всемирного тяготения, знакомятся с константой (постоянной) тяготения. Студенты из курса общей физики узнают и о константах трех других видов физического взаимодействия.

Сравнительно недавно астрофизики и специалисты в области космологии осознали, что именно существующие значения констант физических взаимодействий необходимы, чтобы Вселенная была такой, какая она есть. При других физических константах Вселенная была бы совершенно иной.

Например, время жизни Солнца могло быть всего 50 миллионов лет (этого слишком мало для возникновения и развития жизни на планетах). Или, скажем, если бы Вселенная состояла только из водорода или только из гелия – это тоже сделало бы ее совершенно безжизненной. Варианты Вселенной с иными массами протонов, нейтронов, электронов никак не подходят для жизни в том виде, в каком мы ее знаем. Расчеты убеждают: элементарные частицы нам нужны именно такие, какие они есть!

И размерность пространства имеет фундаментальное значение для существования как планетных систем, так и отдельных атомов (с движущимися вокруг ядер электронами). Мы живем в трехмерном мире и не могли бы жить в мире с большим или меньшим числом измерений.

Получается, что во Вселенной все будто «подогнано» так, чтобы жизнь в ней могла появиться и развиваться! Мы, конечно, нарисовали очень упрощенную картину, потому что в возникновении и развитии жизни огромную роль играют не только физика, но и химия, и биология. Впрочем, при иной физике иными могли бы стать и химия, и биология...

Все эти рассуждения приводят к тому, что в философии называют антропным принципом. Это попытка рассматривать Вселенную в «человекомерном» измерении, то есть с точки зрения его существования. Сам по себе антропный принцип не может объяснить, почему Вселенная такова, какой мы ее наблюдаем. Но он в какой-то степени помогает исследователям формулировать новые задачи.

Например, удивительную «подгонку» фундаментальных свойств нашей Вселенной можно рассматривать как обстоятельство, свидетельствующее об уникальности нашей Вселенной. А отсюда, похоже, один шаг до гипотезы о существовании совершенно других вселенных, миров, абсолютно не похожих на наш. И их число в принципе может быть неограниченно огромным.

Теперь попробуем приблизиться к проблеме существования других вселенных с позиций современной космологии, науки, изучающей Вселенную как целое (в отличие от космогонии, которая исследует происхождение планет, звезд, галактик).

Вспомните, открытие того, что Метагалактика расширяется, почти сразу же привело к гипотезе о Большом взрыве. Считается, что он произошел примерно 15 миллиардов лет назад. Очень плотное и горячее вещество проходило одну за другой стадии «горячей Вселенной». Так, через 1 миллиард лет после Большого взрыва из образовавшихся к тому времени облаков водорода и гелия стали возникать «протогалактики» и в них – первые звезды. Гипотеза «горячей Вселенной» основывается на расчетах, позволяющих проследить историю ранней Вселенной начиная буквально с первой секунды.

Вот что об этом писал наш известный физик академик Я.Б. Зельдович: «Теория Большого взрыва в настоящий момент не имеет сколько-нибудь заметных недостатков. Я бы даже сказал, что она столь же надежно установлена и верна, сколь верно, что Земля вращается вокруг Солнца. Обе теории занимали центральное место в картине мироздания своего времени, и обе имели много противников, утверждавших, что новые идеи, заложенные в них, абсурдны и противоречат здравому смыслу. Но подобные выступления не в состоянии препятствовать успеху новых теорий».

Это было сказано в начале 80-х годов, когда уже делались первые попытки существенно дополнить гипотезу «горячей Вселенной» важной идеей о том, что происходило в первую секунду «творения», когда температура была выше 10²⁸ К. Сделать еще один шаг к «самому началу» удалось благодаря новейшим достижениям физики элементарных частиц. Именно на стыке физики и астрофизики стала развиваться гипотеза «раздувающейся Вселенной». По своей необычности гипотеза «раздувающейся Вселенной» может быть вполне отнесена к числу самых «сумасшедших». Однако из истории науки известно, что именно такие гипотезы и теории нередко становятся важными вехами на пути развития науки.

Суть гипотезы «раздувающейся Вселенной» в том, что в «самом начале» Вселенная чудовищно быстро расширялась. За какие-нибудь 10^-32 с размер рождающейся Вселенной вырос не в 10 раз, как это полагалось бы при «нормальном» расширении, а в 10⁵⁰ или даже в 10^1000000 раз. Расширение происходило ускоренно, а энергия в единице объема оставалась неизменной.

Ученые доказывают, что начальные моменты расширения происходили в «вакууме». Слово это здесь поставлено в кавычках, поскольку вакуум был не обычным, а ложным, ибо трудно назвать обычным «вакуум» плотностью 10⁷⁷ кг/м³! Из такого ложного (или физического) вакуума, обладавшего удивительными свойствами (например, отрицательным давлением), могла образоваться не одна, а множество метагалактик (в том числе, конечно, и наша). И каждая из них – это мини-вселенная со своим набором физических констант, своей структурой и другими присущими ей особенностями.

Но где же эти «родственники» нашей Метагалактики? По всей вероятности, они, как и наша Вселенная, образовались в результате «раздувания» домен, на которые немедленно разбилась очень ранняя Вселенная. Поскольку каждая такая область раздулась до размеров, превышающих нынешний размер Метагалактики, то их границы удалены одна от другой на огромные расстояния. Возможно, ближайшая из мини-вселенных находится от нас на расстоянии порядка 10³⁵ световых лет.

Напомним, что размер Метагалактики «всего» 10¹⁰ световых лет! Получается, что не рядом с нами, а где-то очень-очень далеко друг от друга существуют иные, вероятно, совершенно диковинные, по нашим понятиям, миры...

Итак, возможно, что мир, в котором мы живем, значительно сложнее, чем предполагалось до сих пор. Вполне вероятно, что он состоит из бесчисленного множества вселенных во Вселенной. Об этой Большой Вселенной, сложной, удивительно многообразной, мы пока практически ничего не знаем. Но одно все-таки, кажется, знаем. Какими бы ни были далекие от нас другие мини-миры, каждый из них реален. Они не вымышлены, подобно некоторым модным ныне «параллельным» мирам, о которых сейчас нередко толкуют люди, далекие от науки.

Ну, а что же все-таки, в конце концов, получается? Звезды, планеты, галактики, метагалактики все вместе занимают лишь самое крошечное место в безграничных просторах чрезвычайно разреженного вещества... И больше во Вселенной ничего нет? Уж слишком просто... В это как-то даже трудно поверить.

И астрофизики уже давно что-то ищут во Вселенной. Наблюдения свидетельствуют о существовании «скрытой массы», какой-то невидимой «темной» материи. Ее нельзя увидеть даже в самый мощный телескоп, но она проявляет себя своим гравитационным воздействием на обычное вещество. Еще совсем недавно астрофизики предполагали, что в галактиках и в пространстве между ними такой скрытой материи примерно столько же, сколько и наблюдаемого вещества. Однако в последнее время многие исследователи пришли к еще более сенсационному выводу: «нормального» вещества в нашей Вселенной – не более пяти процентов, остальное – «невидимки».

Предполагают, что из них 70 процентов – это равномерно распределенные в пространстве квантомеханические, вакуумные структуры (именно они обусловливают расширение Метагалактики), а 25 процентов – различные экзотические объекты. Например, черные дыры малой массы, почти точечные; очень протяженные объекты – «струны»; доменные стенки, о которых уже мы упоминали. Но кроме таких объектов «скрытую» массу могут составлять целые классы гипотетических элементарных частиц, например «зеркальных частиц».

Из «зеркальных частиц» может состоять невидимый нами «зеркальный мир» со своими планетами и звездами. А вещества в «зеркальном мире» примерно в пять раз больше, чем в нашем. Оказывается, у ученых есть некоторые основания предполагать, что «зеркальный мир» как бы пронизывает наш. Вот только найти его пока не удается.

Идея почти сказочная, фантастическая. Но как знать, может быть, кто-нибудь из вас – нынешних любителей астрономии – станет исследователем в грядущем веке и сумеет раскрыть тайну «зеркальной Вселенной».

Научные исследования последних лет дают соблазнительные намеки на то, что Вселенная действительно не безгранична, более того – она имеет форму.

Подобные высказывания сродни тем великим идеям, которые кардинально меняют взгляд на наше место в этом мире. Один из таких переворотов в сознании произошел в 1543-м году, когда Николай Коперник показал, что Земля – не центр Вселенной. В 20-е годы XX века Эдвин Хаббл, заметив, что галактики во Вселенной отдаляются друг от друга, дал жизнь идее о том, что наша Вселенная не существовала вечно, а образовалась в результате определенного события – Большого взрыва. Теперь мы на пороге нового открытия. Если пределы Вселенной найдутся, мы столкнемся с новым еще более трудным вопросом: а что там – по ту сторону границ?

Бесконечность Вселенной подразумевает, что она должна быть бесконечна не только в пространстве, но и во времени, а значит, иметь бесчисленное количество звезд. В этом случае наше небо было бы сплошь усеянным светилами и ослепительно ярким круглые сутки. Однако небесная тьма свидетельствует о том, что космос не существовал вечно. По распространенной теории, все началось с Большого взрыва, который дал возможность самому существованию и расширению материи. Уже сама эта концепция опровергает идею вечности Вселенной, а значит, подрывает и веру в ее беспредельность. В то же время теория Большого взрыва создает определенные трудности для астрономов, ищущих границы нашего космического пространства.

Дело в том, что путешествия на огромные расстояния занимают световые годы, а, стало быть, ученые всегда получают устаревшие данные. Пространство, проходимое светом в ранней Вселенной, выросло благодаря ее последующему расширению. Ближайшие к нам звезды относительно юны, с отдаленными объектами счет идет уже на тысячи лет, а если посмотреть на другие галактики, то на миллиарды. При этом мы видим далеко не все галактики. 13,7 миллиардов лет – вот доступный нам максимум».

Своеобразный барьер для нашего зрения представляет собой реликтовое излучение, образовавшееся примерно через 380 тысяч лет после Большого взрыва, когда Вселенная расширилась и остыла настолько, что появились атомы. Это излучение – что-то вроде детской фотографии космоса, на которой он запечатлен еще до того, как появились звезды. За ним могут существовать как границы, так и бесконечно продолжающаяся Вселенная. Но, невзирая на мощность телескопов, эта область остается невидимой.

Конечно, в научном сообществе реакция на выводы о множественных вселенных неоднозначна. Однако ученые, пытающиеся дать характеристику космическому пространству, готовы к свершению новых революций в науке. Наша Вселенная, ранее считавшаяся бесконечной, может перестать быть таковой и занять должное место в пространстве, среди такого количества вселенных, которое невозможно даже представить.