Космические струны: от «семян» галактик до загадок сверхструктуры Вселенной

Чрезвычайно тяжелые и тонкие, как волос, жгуты удивительного по своим свойствам вещества — космические струны. Ученые считают, что в истории Вселенной они играли роль «семян», из которых развились галактики и их гигантские нитеобразные скопления. Кто разбросал эти «семена»? Сохранились ли они до наших дней, и стоит ли искать их в космосе? И вообще, насколько можно верить космологическим моделям, не ошибаются ли ученые, предсказывая такие «диковины» в космосе?

Два катаклизма

Чтобы увязать между собой экспериментальные данные по крупномасштабной структуре. Вселенной, приходится предполагать существование «космических струн» с удивительными, можно сказать, даже противоречивыми свойствами — они должны быть тонкими и в то же время необычайно тяжелыми и чрезвычайно устойчивыми образованиями. Могут ли существовать в природе такие объекты, и как они образовались в бурном океане раскаленной первобытной плазмы?

Ответ на эти вопросы, как это часто бывает сегодня, пришел с противоположного края науки — из физики микромира. Впрочем, это неудивительно, поскольку в недрах материи ученые встречаются с такими же колоссальными плотностями и энергиями, как и в горне «первичного взрыва». Космос и микромир — самое большое и самое малое — здесь сливаются воедино. Недаром говорят, что противоположности сходятся!

Пару десятков лет назад, исследуя взаимодействия элементарных частиц на ускорителях, физики пришли к выводу о том, что при очень высоких энергиях, как раз таких, какие были в первые мгновения «первичного взрыва», в веществе действует единая универсальная сила, а гравитация, электромагнетизм и другие известные нам типы взаимодействий — ее различные проявления, подобно тому, как, например, электричество и магнетизм представляют собой два специфических проявления единого электромагнитного силового поля. Образно говоря, гравитация и другие типы сил — это низкоэнергетические «хвосты» универсальной силы, на которые она расщепляется в процессе остывания Вселенной.

Расчеты говорят, что первым отщепилось гравитационное поле. Этот катаклизм, изменивший вид Вселенной, произошел еще в первые мгновения ее жизни. Следы тех давних событий в значительной степени стерлись, и сегодня их обнаружить очень трудно — большая их часть пока за пределами экспериментальных возможностей.

Следующий катаклизм разразился, когда отщепилась компонента универсальной силы, ответственная за взаимодействия, разыгрывающиеся внутри атомных ядер. Это случилось, когда Вселенная раздулась уже до весьма больших размеров (В «раннем детстве» она, как и мы, росла несравненно быстрее, чем сегодня!) Ее удаленные области уже не успевали обмениваться взаимодействиями, и процесс отщепления в каждой из них происходил по-своему — независимо друг от друга.

Это похоже на то, как лет двести назад развивались события в удаленных районах когда не было ни телефона, ни интернета, на обмен информацией уходили недели, и поэтому то, что происходило в течение недели в одном районе, совершенно не сказывалось на событиях, которые протекали в это время в других. Говоря научным языком, эти события оставались причинно не связанными. Зато на стыках удаленных районов, в пограничных областях, жителям приходилось решать, какой ход событий, если они были различными, следует предпочесть для себя.

Подобным образом возникала неопределенность в причинно не связанных областях в остывающей Вселенной. На их стыках природа тоже «не знала», какой способ расщепления следует ей выбрать, и, так сказать, застывала в растерянности — как тот легендарный буриданов осел, который умер от голода, так и не решив, какую из двух одинаковых охапок сена, левую или правую, следует ему есть первой.

Чтобы читатель мог все это нагляднее себе представить, приведем еще пару простых примеров. Первый — когда изменяется температура в горах и с их вершин сходят снежные лавины. С разных сторон они сходят независимо, и, если это происходит одновременно, на вершине остается шапочка снега, которая «не успела подумать», куда ей скатиться. Второй пример — затвердевание расплавленного вещества. Если при большом увеличении посмотреть на поверхность затвердевшего бруска, то там тоже можно различить области, где кристаллизация происходила по-разному, а в промежутках остался тонкий слой вещества с разрушенной кристаллической решеткой.

Вот так было и при охлаждении Вселенной. В ней тоже остались пограничные стенки и жгуты-струны, состоящие из «первобытного вещества с нерасщепившимся взаимодействием. Впрочем, правильнее было бы сказать — из «высоконапряженного однородного вакуумного поля», каким было тогда пространство.

По сравнению с современным, оно выглядело бы как чрезвычайно плотная, очень тяжелая среда, и несмотря на то, что стенки и струны с запаянным в них «первобытным вакуумом» были невероятно тонкими — что то около 10^-28 сантиметра (это во столько же раз меньше сантиметра, во сколько он сам меньше радиуса видимой нами части Вселен ной), их масса была колоссальной. Крошечный кусочек пленки «консервированного вакуума» весил больше, чем целая галактика.

Катастрофы бывают разного масштаба — извержения вулканов, цунами, землетрясения. Но представьте себе «кристаллизацию» сразу всего пространства. Вселенский катаклизм, в результате которого мир становится совсем иным, а останки старого мира плавают в виде тяжелых и очень тонких пленок и нитей.

Что было дальше?

А дальше произошло вот что. Под действием гравитационного притяжения в пограничных стенках сразу же возникли огромные силы поверхностного натяжения, которые в считанные мгновения разорвали их на части, те же в свою очередь тоже почти мгновенно стянулись, образовав «черные дыры».

Писатели фантасты, сочиняющие космические одиссеи, могут быть спокойны — их сказочным звездолетам не грозит врезаться в реликтовую стенку консервированного правещества. Все такие стенки давным-давно распались!

Иная судьба выпала на долю космических струн. Вес запаянною в них правещества тоже огромен. Десять погонных метров такой тонюсенькой струнки с диаметром 10^-28 сантиметра потянули бы на наших весах столько же, сколько и наша соседка Луна. Очень много, но все же почти на тридцать порядков меньше, чем кусочек стенки. И струны выжили — устояли. Гравитация не смогла разорвать их на куски и превратить в «черные дыры».

Волокна законсервированного в струнах сверхтяжелого правещества, как паутинные нити, пронизывали горячее вещество юной Вселенной своим сильным гравитационным полем. Одни их части притягивали и разгоняли другие. Струны извивались и двигались. Если последовательно, как в кино, рассматривать рисуемые компьютером картины движения такой струны, то оно очень напоминает поведение свивающейся в кольца рассерженной змеи в цистерне с водой.

В результате взаимодействий своих пересекающихся частей и столкновений со встречными струнами происходили многочисленные разрывы. Дочерние струны в свою очередь разрывались сами и дробили встречные. Кроме того, разгоняясь и сталкиваясь, струны испускали мощные гравитационные волны. Последнее похоже на то, как разгоняемые в рентгеновской трубке электроны, сталкиваясь с веществом экрана, рождают пучок жестких электромагнитных лучей. Испуская гравитационные волны, струны «худели» и постепенно таяли.

Вообще говоря, гравитационные волны, как говорит теория Эйнштейна, испускают все окружающие нас тела, только их интенсивность крайне мала, их не удается заметить даже с помощью самых чувствительных приборов. Другое дело — очень тяжелые тела с огромными ускорениями. Тогда излучение становится очень сильным и уносит значительную часть их массы.

Вследствие этих процессов исчезли все очень длинные струны, а многие короткие «растаяли». Их остатки разбросаны по космосу. Зато оставшиеся оказали решающее влияние на судьбы нашего мира. В конечном счете, именно им обязаны своим появлением и жизнь и разум.

Галактические материки Вселенной

Когда юная Вселенная стала менее пылкой, а это произошло с ней в возрасте примерно десяти тысяч лет, и скорости частиц заполнявшей ее ядерной плазмы уже не могли противостоять неумолимому гравитационному притяжению еще не растаявших струн, началась конденсация вещества. Вокруг небольших струн образовывались группы из нескольких галактик, вокруг тех, что побольше,— их крупные скопления. И чем больше собиралось вещества, тем сильнее становились стягивающие его силы. Вселенная вступила в пору зрелости.

Первым такой сценарий эволюции Вселенной предложил Я. Б. Зельдович. Можно лишь поражаться, сколько физических идей принадлежит этому ученому! В теории взрыва, в области элементарных частиц, в астрофизике и космологии. Не все они подтвердились на опыте, но всегда были остроумными и вызывали споры и обсуждения.

Говорят, что ученые делятся на классиков и романтиков. Первые редко пишут статьи и книги, но все, написанное ими, входит в учебники. Романтики, наоборот, очень общительны, они обсуждают все новые факты и явления. Иногда их называют генераторами идей. Они буквально брызжут ими, и хотя не все их гипотезы оказываются верными на сто процентов, наука без таких людей была бы скучной и серой. Я. Б Зельдович принадлежит к их числу.

Его идея струн семян «космического огорода» (это тоже его термин!) была неожиданной и остроумной. Расчеты на компьютере (их выполнили, в основном, американские ученые) показали, что с ее помощью можно, действительно, увязать между собой все известные астрономические данные по крупномасштабной структуре Вселенной. В частности, используя всего лишь несколько «подгоночных параметров», относящихся к свойствам «первобытного вакуума», таким путем удается правильно объяснить как форму сверхскоплений, так и распределение их по числу содержащихся в них галактических островов-скоплений.

Интересно, что расстояния между скоплениями, их пространственная корреляция, как говорят астрономы, тоже несет на себе следы их «струнного происхождения». Если построить график, в котором по оси «иксов» откладывается величина расстояния между двумя скоплениями, а по оси «игреков» — число пар скоплений с такими расстояниями, то понятно, что при случайном, некоррелированном рождении галактик этот график будет совсем не таким, когда они рождаются вокруг космических струн. То, что наблюдают астрономы, отвечает второму случаю.

Правда, если рассматривать не сами скопления, а отдельные галактики в них, то есть спуститься на один этаж ниже, то следы их струнного происхождения менее заметны. По-видимому, это связано с тем, что — в отличие от очень далеко расположенных друг от друга и поэтому слабо связанных гравитационными полями скоплений — на галактики сильнее действует их взаимное притяжение, которое за многомиллиардную историю Вселенной успело заметно исказить картину первоначального расположения галактик в пространстве

Сверхпроводимость в космосе

Не зря говорят, что счастье никогда не бывает полным. Пока ученые с удовольствием потирали руки, считая, что, наконец то, удалось объяснить строение мира, природа преподнесла им новую загадку. Анализ скоплений галактик, выполненный астрофизиками Гарвардского университета, обнаружил многочисленные крупномасштабные нарушения нитеобразной структуры. В некоторых местах нити оказываются разорванными гигантскими, в сотни миллионов световых лет, свободными от вещества «пузырями». Скопления галактик наблюдаются лишь на их поверхностях, внутри же видимого, то есть испускающего свет вещества — в сотни раз меньше. И подобных случаев довольно много. Они как раз и создают ячеистую «сверхструктуру».

Теория струн говорит, что нитеобразные цепочки галактик должны располагаться друг от друга в среднем на расстояниях в несколько десятков миллионов световых лет, в то время как пузыри-ячейки, по крайней мере, раз в десять крупнее. А самое важное наблюдение — галактики на поверхностях «пузырей» разлетаются от их центров со скоростями, равными тысячам километров в секунду.

Наблюдаемая картина подсказывает мысль о том, что во многих местах Вселенной произошли какие-то таинственные, необычайно мощные взрывы, разметавшие галактики далеко в стороны и образовавшие гигантские темные «пузыри». Объяснить все это одними космическими струнами невозможно.

Что же там произошло? Что породило чудовищные взрывы’ Ответа на эти вопросы пока нет. Только гипотезы.

Одна из них предполагает, что взрывы вызывало скапливавшееся электромагнитное излучение — своеобразный газ волн фотонов. Дело в том, что космические струны, как мы уже знаем, состоят из однородного «правакуумного вещества». На всем протяжении их свойства совершенно одинаковы, поэтому случайно захваченные ими из окружающей плазмы заряженные частицы (а раскаленная юная Вселенная представляла собой именно такую плазму) будут двигаться по струне без всякого сопротивления — как в сверхпроводнике. Этим частицам там просто некуда деться.

Если в плазменной юной Вселенной плавали «облака» магнитного поля, то при пересечении их сверхпроводящими струнами в последних должны были возникать мощные электрические токи — в точности, как в известном опыте Фарадея при перемещении проводника между полюсами магнита. В дополнение к гравитационным такая струна будет испускать и электромагнитные волны. Если она к тому же имеет форму замкнутого контура и не слишком велика по своим размерам (а таких струн в результате столкновений и пересечений в юной Вселенной «гуляло» немало), то это будет чрезвычайно мощный и весьма компактный, с точки зрения космических масштабов, радиогенератор. Однако его излучение не будет рассеиваться, поскольку окружающая плазма, подобно металлическому экрану, отражает и задерживает электромагнитные волны в близлежащем пространстве.

Давление излучения станет резко нарастать и энергично расталкивать окружающее электрически заряженное вещество, образуя огромный темный пузырь. Испускающие свет галактики будут «вырастать» (конденсироваться) на его стенках, образуя ячеистую структуру, которую наблюдали американские астрономы.

Так выглядит качественная картина формирования ячеистых «сот» Вселенной. Ее можно обосновать и расчетом. Однако полной уверенности в том, что события развивались именно таким путем и что темные «пузыри» — всего только раковины электромагнитных всплесков, все же нет. Некоторые ученые, критикуя эту гипотезу, подчеркивают, что, например, совершенно неясно, откуда берутся во Вселенной облака магнитного поля. «Действительно, неясно,— отвечают им сторонники взрывной гипотезы,— Это дополнительное предположение. Но его все равно приходится вводить, чтобы объяснить механизм образования звезд». Так что уж, как говорится, семь бед — один ответ! Как видим, загадок тут еще достаточно.

У нас пока слишком мало надежных фактов, на которые можно было бы опереться при построении теории. Так, обладай мы, наряду с оптическими и радиотелескопами, еще и приемниками гравитационных волн, можно было бы заглянуть внутрь таких пузырей и проверить, сохранились ли там нити галактических скоплений, состоящих из темного, электрически нейтрального вещества. Это было бы убедительной экспериментальной проверкой гипотезы электромагнитных взрывов сверхпроводящих струн К сожалению, такие наблюдения дело далекого будущего, гравитационная астрономия еще только создается.

В космос за струнами

Как уже говорилось выше, космические струны — чрезвычайно тяжелые объекты. Хотя за миллиарды лет они заметно «похудели», уменьшившись по величине и по весу, тем не менее они и сегодня обладают еще огромным полем тяготения, и их присутствие в космосе не может оставаться незаметным.

Оценки показывают, что дожившие до наших дней струны имеют размеры порядка тысячи световых лет. В космических масштабах это немного — струна в сто раз меньше диаметра Галактики, но по нашим, земным меркам — это огромная величина, особенно, если вспомнить, что до ближайшей к нам звезды десять световых лет, то есть в сотню раз меньше космической струны.

Нужно сказать, что до наших дней сохранились лишь те из них, вокруг которых образовывались скопления галактик; те же «зародыши», вокруг которых происходила конденсация разрозненных галактик, вообще уже растаяли.

Средние расстояния между струнами тоже очень велики — десятки миллионов световых лет. Каждая из них — как крошечная миллиметровая ворсинка в десятиметровом шаре. И все же несмотря на все эти циклопические «больше» и «меньше», можно все-таки попытаться заметить их присутствие в космосе. Задача, конечно, чрезвычайно трудная. Прямые наблюдения невозможны, поскольку струны не испускают ни света, ни других электромагнитных лучей. Вся надежда на их мощное гравитационное поле.

Своим притяжением струны должны отклонять световые лучи, испускаемые находящимися позади них объектами. Свет, огибающий струну с двух сторон, будет отклоняться по-разному. Например, светящиеся точки,— какими мы наблюдаем в телескопы очень далекие, расположенные на краю видимой нами части Вселенной квазары,— расщепятся и превратятся в две бледные близко расположенные звездочки. Поэтому, если удастся обнаружить цепочку парных световых пятнышек, это будет свидетельствовать о том, что на пути световых лучей расположена космическая струна.

Недавно американские астрономы зафиксировали нечто подобное, но их наблюдения требуют еще проверки.

Если космическая струна расположена на пути лучей, испущенных галактикой, то крошечный видимый ее диск будет резко рассечен надвое. Пока таких объектов еще никто не наблюдал, хотя во многих обсерваториях уже несколько лет ведутся поиски.

Наконец, гравитационный фон Вселенной, созданный излучением «растаявших» и «худеющих» струн, вызывает слабые нарушения в очень точно повторяющемся периодическом радиоизлучении некоторых пульсаров. Если это излучение наблюдать примерно в течение десяти лет, то такие нарушения можно выделить.

Таким образом, «охота» на космические струны хотя и крайне трудное, но небезнадежное дело, тем более что эти объекты, особенно их сверх проводящая разновидность, настолько необычны по своим свойствам, что, несомненно, будут найдены и другие, более яркие их проявления. Тут есть над чем поломать голову!

Бесконечный и неисчерпаемый

Читатель, возможно, несколько обескуражен тем, как быстро ученые заменяют одну модель эволюции Вселенной следующей, и все они основаны на трудно-проверяемых фантастических гипотезах о свойствах и поведении Вселенной в первые мгновения ее жизни.

Наблюдая, как быстро сменяют друг друга гипотезы и теоретические схемы, далекий от науки человек испытывает некоторую неуверенность: как же можно верить предсказаниям ученых, если они сами так быстро от них отказываются? Адронная модель горячей Вселенной сменилась нейтринной, на смену ей пришли космические струны, а вскоре, наверное, появится еще что-нибудь. Как заметил один из юмористов, астрономы видят Вселенную, но не могут ее объяснить, а космологи ничего не видят, зато все объясняют. Можно ли верить их «фантастическим» картинам?

Прежде всего следует иметь в виду, что эпитет «фантастические», так часто эксплуатируемый популяризаторами науки, не совсем уместен, когда речь заходит о первых секундах жизни нашего мира. Удивительные, поразительные — это верно, но не фантастические, поскольку в отличие от писателей фантастов ученый космолог имеет дело не с произвольными предположениями, а с логическими следствиями наблюдений астрономов и опытными фактами из физики элементарных частиц.

Правда, эти следствия нельзя назвать «железными» — они неоднозначны, особенно в количественном отношении, из-за неточности и недостаточного числа экспериментальных данных. Однако выше мы видели, что новые наблюдения их жестко контролируют,— поэтому и происходит быстрая смена космологических моделей, а лучше сказать, совершенствование научной картины мира, поскольку каждая следующая модель ухватывает какой-то новый элемент истины.

В предшествующие века крупные астрономические открытия были крайне редки, сегодня же благодаря стремительному прогрессу техники их разделяют временные интервалы в пять-десять лет. В таком же темпе обновляется и космология. И этот процесс углубления нашего знания бесконечен. Создать окончательную, полностью законченную теорию невозможно — и микромир, и космос неисчерпаемы в своих свойствах.

Чтобы не быть голословными, заметим, что сегодня космология выходит на следующий уровень «сверхструктур», элементами которых являются уже целые вселенные. Но это — предмет отдельного разговора.