Космологи часто ходят в науке нехоженными тропами. И проблемы, которые стоят перед ними, простыми не назовешь. Действительно ли Вселенная расширяется или процесс расширения свойствен только наблюдаемой нами области Вселенной? Будет ли расширение продолжаться неопределенно долго или Вселенной свойственна пульсация: сейчас она расширяется, а впоследствии – через многие миллиарды лет – расширение сменится сжатием?
Ответ на последний вопрос, например, как утверждают теоретики, зависит от средней плотности Вселенной, т. е. той плотности вещества, которая получилась бы во Вселенной, если все звезды, межзвездное вещество, планеты и остальную входящую в ее состав материю равномерно «размазать» по всему пространству. При незначительной средней плотности Вселенной ее расширение сможет продолжаться неограниченно долго. Но если средняя плотность Вселенной превосходит некоторый критический рубеж, то с течением времени ее расширение затормозится и сменится сжатием.
Вычисления показывают, что критическое значение средней плотности составляет, грубо говоря, 10 атомов водорода на 1 кубический метр пространства. А какова же она на самом деле? Ответить на этот вопрос пока нельзя и вот почему. Несложно оценить среднюю плотность видимой Вселенной. Но кроме материи в форме известных нам тел, во Вселенной присутствует еще и, так называемая, «скрытая масса» – например, «черные дыры» и рассеянные в пространстве частицы, оценить общую массу которых не удается. В этой связи не удается сделать и теоретического предсказания будущего наблюдаемой нами Вселенной.
Вселенная не имеет никаких границ. Она безгранична. Но бесконечна ли она?
Вернемся еще раз к примеру из предыдущего раздела с пространством двух измерений. Вообразим фантастических двумерных существ, которые не воспринимают третьего измерения пространства. Для таких плоских существ, обитающих только в двух измерениях, поверхность любого шара, например Земли, не имела бы никаких границ – она представлялась бы им безграничной. Однако на деле, в трех пространственных измерениях, Земля вовсе не бесконечна, хотя, двигаясь только по ее поверхности, можно бесчисленное количество раз проходить одну и ту же точку, но никогда нельзя достигнуть «границ» Земли. Следовательно, наши двумерные существа в итоге изучения своего мира могли бы с удивлением обнаружить, что хотя он и безграничен, но вовсе не бесконечен.
Не может ли Вселенная в четырех измерениях – в трехмерном пространстве плюс время – также быть безграничной, но не бесконечной? Быть может, сам по себе вопрос о бесконечности Вселенной является, как выражаются математики, некорректным и вообще не имеет ответа?
История мировой науки хранит поучительный опыт того, как на протяжении тысячелетий математики тщетно искали доказательств истинности пятого постулата Евклида. Однако доказательств того, что через одну точку можно провести только одну прямую, параллельную данной, так и не нашлось. Больше того, великий русский математик Н. И. Лобачевский доказал непротиворечивость геометрии, в которой через одну точку можно провести сколько угодно прямых, параллельных данной.
Дальше – больше. Немецкий математик Б. Риман разработал геометрию, в которой через заданную точку нельзя провести ни одной прямой, параллельной данной. И оказалось, что все три геометрии имеют право на существование, они внутренне непротиворечивы.
Не обстоит ли подобным же образом дело и с понятием о бесконечности Вселенной? Не зависит ли ответ на этот вопрос от субъективно сформулированных нами условий решения задачи, а вовсе не от объективных свойств Вселенной?
Как видим, космология занимается очень важными проблемами, находящимися на стыке астрономии, физики, биологии, философии.
Фундаментом космологических исследований является совокупность основных физических теорий, таких как квантовая механика, специальная теория относительности и общая теория относительности. Направляющую роль при выполнении космологических исследований играют взятые за исходные методические философские принципы. Наконец, наблюдательная астрономия и биология являются источниками тех фактических данных о Вселенной, которые нуждаются в космологическом истолковании и служат для проверки правильности любой космологической теории. К сожалению, решение космологических проблем осложнено недостаточным количеством исходного наблюдательного материала. Недаром существует образное выражение, что космология «рисует самые грандиозные картины самыми разбавленными красками». Однако каждое новое открытие астрономов-наблюдателей может внести исключительно важный вклад в развитие космологических представлений о происхождении и эволюции Вселенной.