Приходила ли вам в голову мысль, что Вселенная похожа на виолончель? Правильно – не приходила. Потому что Вселенная не похожа на виолончель. Но это не означает, что у нее нет струн.

Конечно, струны мироздания едва ли похожи на те, которые мы себе представляем. В теории струн ими называются невероятно малые вибрирующие нити энергии. Эти нити похожи, скорее, на крошечные «резинки», способные извиваться, растягиваться и сжиматься на все лады. Все это, однако, не означает, что на них нельзя «сыграть» симфонию Вселенной, ведь из этих «нитей», по мнению струнных теоретиков, состоит все сущее.

Пока единственная научно доказанная возможность межзвездных путешествий – это разгон космического аппарата до околосветовой скорости (проколы и свертки пространства все еще остаются чисто умозрительными проектами). Корабль вполне может забросить астронавтов в анабиозе на десяток, а то и на сотню световых лет и возвратить их на Землю. Но из-за релятивистского замедления бортового времени на родной планете пройдут даже не века, а тысячелетия – и это как-то не радует. К тому же до иных галактик так не добраться, тут уж никакой анабиоз не поможет. Но не исключено, что выход все-таки есть.

Некоторые версии VSL-теорий утверждают, что скорость света очень сильно возрастает в окрестностях космических струн. Так называют тоже гипотетические, но в теоретическом плане куда более достоверные объекты, о которых в 1970-х годах впервые заговорил английский физик Томас Киббл. Позже эти идеи развивали и другие ученые, в том числе директор Института космологии при университета Тафтса Александр Виленкин.

Космические струны – это одномерные топологические дефекты пространства, оставшиеся после отпочкования сильного (кварк-глюонного) взаимодействия от электрослабого, которое, согласно стандартной оценке, имело место спустя 10^−36 с после Большого взрыва (эта же эпоха породила и одномерные дефекты в лице магнитных монополей).

Космические струны могут простираться на межгалактические расстояния – вплоть до границ наблюдаемого космоса. Это сверхтонкие (поперечником куда меньше радиуса протона) трубки, заполненные энергией фантастической концентрации. Погонный метр такой струны должен тянуть на 10^20 кг, и это еще консервативная оценка. Однако тяготение такой исполинской массы полностью компенсируется столь же непомерным натяжением струны, создающим эффект антигравитации. Поэтому на струну не упадет даже пылинка, оказавшаяся в ее окрестности. В то же время струна значительно деформирует окружающее пространство и придает ему коническую топологию. Подобно поверхности конуса, пространство вблизи струны является локально плоским (его кривизна равна нулю), но глобально искривленным.

Но вернемся к космонавтике. Что произойдет с космическим кораблем, попавшим в окрестность такой струны? Допустим, неподалеку от Солнца нашлась струна, идущая по направлению к Альтаиру. И пусть свет вдоль этой струны мчится в сто раз быстрее, чем в обычном пространстве. При скорости всего в одну пятую этой величины корабль вернется из полета к Альтаиру (34 световых года в два конца) через какую-то пару лет – ну, пусть даже через два десятка, если предоставить ему разумное время на разгон и торможение.

Поскольку скорость звездолета сильно не дотягивает до локальной световой, эффект замедления времени будет почти нулевым. Отважные космонавты не только не слишком постареют, но даже смогут встретить родных и друзей. А если предположить, что околострунная световая скорость еще на несколько порядков больше и что наши потомки сумеют разогнать звездолет почти мгновенно, можно задуматься и о межгалактическом путешествии. Выглядит заманчиво, не правда ли?

Теоретическая физика предлагает нам в очередной раз круто изменить представления о мире. Элементарные частицы оказались колебаниями неких микроскопических суперструн, вибрирующих в шестимерном пространстве. А в нашей Вселенной, кроме звезд, планет, пылевых и газовых туманностей, обнаружились другие, тоже совершенно невероятные объекты – космические струны. Они тянутся через всю Вселенную от одного ее горизонта до другого, скручиваются, рвутся и сворачиваются в кольца, выделяя громадное количество энергии.

Cо времен Альберта Эйнштейна одной из основных задач физики стало объединение всех физических взаимодействий, поиск единой теории поля. Существуют четыре основных взаимодействия: электромагнитное, слабое, сильное, или ядерное, и самое универсальное – гравитационное. У каждого взаимодействия есть свои переносчики – заряды и частицы.

У электромагнитных сил – это положительные и отрицательные электрические заряды (протон и электрон) и частицы, переносящие электромагнитные взаимодействия, – фотоны. Слабое взаимодействие переносят так называемые бозоны, открытые примерно десять лет назад. Переносчики сильного взаимодействия – кварки и глюоны. Гравитационное взаимодействие стоит особняком – это проявление кривизны пространства-времени.

Эйнштейн работал над объединением всех физических взаимодействий более тридцати лет, но положительного результата так и не достиг. Только в 70-е годы нашего столетия после накопления большого количества экспериментальных данных, после осознания роли идей симметрии в современной физике С. Вайнберг и А. Салам сумели объединить электромагнитные и слабые взаимодействия, создав теорию электрослабых взаимодействий. За эту работу исследователи совместно с Ш. Глэшоу (который теорию расширил) были удостоены Нобелевской премии по физике 1979 года.

Многое в теории электрослабых взаимодействий было странным. Уравнения поля имели непривычный вид, а массы некоторых элементарных частиц оказались непостоянными величинами. Они появлялись в результате действия так называемого динамического механизма возникновения масс при фазовом переходе между различными состояниями физического вакуума.

Физический вакуум – не просто "пустое место", где отсутствуют частицы, атомы или молекулы. Структура вакуума пока неизвестна, ясно только, что он представляет собой наинизшее энергетическое состояние материальных полей с чрезвычайно важными свойствами, которые проявляются в реальных физических процессах. Если, например, этим полям сообщить очень большую энергию, произойдет фазовый переход материи из ненаблюдаемого, "вакуумного", состояния в реальное. Как бы "из ничего" появятся частицы, имеющие массу. На гипотезах о возможных переходах между различными состояниями вакуума и понятиях симметрии основана идея единой теории поля.

Проверить эту теорию в лаборатории удастся, когда энергия ускорителей достигнет 10^16 ГэВ на одну частицу. Произойдет это не скоро: сегодня она пока не превышает 10^4 ГэВ, и строительство даже таких "маломощных" ускорителей – мероприятие чрезвычайно дорогостоящее даже для всего мирового научного сообщества. Однако энергии порядка 10^16 ГэВ и даже гораздо выше были в ранней Вселенной, которую физики часто называют "ускорителем бедного человека": изучение физических взаимодействий в ней позволяет проникнуть в недоступные нам области энергий.

Утверждение может показаться странным: как можно исследовать то, что происходило десятки миллиардов лет назад? И тем не менее такие "машины времени" существуют – это современные мощные телескопы, позволяющие изучать объекты на самой границе видимой части Вселенной. Свет от них идет к нам 15-20 миллиардов лет, мы сегодня видим их такими, какими они были именно в ранней Вселенной.

Теория объединения электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий предсказала, что в природе есть большое количество частиц, никогда не наблюдавшихся экспериментально. Это не удивительно, если учесть, какие невообразимые энергии нужны для их рождения во взаимодействиях привычных нам частиц. Другими словами, для наблюдений за их проявлениями опять необходимо обращать свой взор на раннюю Вселенную.

Некоторые такие частицы нельзя даже назвать частицами в привычном нам смысле слова. Это одномерные объекты с поперечным размером около 10^-37 см (значительно меньше атомного ядра – 10^-13 см) и длиной порядка диаметра нашей Вселенной – 40 миллиардов световых лет (10^28 см). Академик Я. Б. Зельдович, предсказавший существование таких объектов, дал им красивое название – космические струны, поскольку они действительно должны напоминать струны гитары.

Создать их в лаборатории невозможно: у всего человечества не хватит энергии. Другое дело – ранняя Вселенная, где условия для рождения космических струн возникли естественным путем.

Итак, струны во Вселенной могут быть. И отыскать их придется астрономам.

Постичь это трудно, представить наглядно просто невозможно: струны можно только описать сложными математическими формулами. Эти загадочные одномерные образования не излучают света и обладают огромной плотностью – один метр такой "ниточки" весит больше Солнца. А если их масса так велика, то и гравитационное поле, пусть даже растянутое в линию, должно значительно отклонять световые лучи. Однако линзы уже сфотографированы, а космические струны и "черные дыры" пока существуют лишь в уравнениях математиков.

Из этих уравнений следует, что возникшая сразу после Большого взрыва космическая струна должна быть "замкнута" на границы Вселенной. Но границы эти так далеки, что середина струны их "не чувствует" и ведет себя, как кусок упругой проволоки в свободном полете или как леска в бурном потоке. Струны изгибаются, перехлестываются и рвутся. Оборванные концы струн тут же соединяются, образуя замкнутые куски. И сами струны, и отдельные их фрагменты летят сквозь Вселенную со скоростью, близкой к скорости света.

Согласно общей теории относительности масса вызывает искривление пространства-времени. Космическая струна тоже искривляет его, создавая вокруг себя так называемое конусовидное пространство. Представить себе трехмерное пространство, свернутое в конус, вряд ли удастся. Обратимся поэтому к простой аналогии.

Возьмем плоский лист бумаги – двумерное евклидово пространство. Вырежем из него сектор, скажем, в 10 градусов. Свернем лист в конус так, чтобы концы сектора прилегали один к другому. Мы вновь получим двумерное, но уже неевклидово, пространство. Точнее, оно будет евклидовым везде, за исключением одной точки – вершины конуса. Обход по любому замкнутому контуру, не охватывающему вершину, приводит к повороту на 360 градусов, а если обойти конус вокруг его вершины, оборот будет на 350 градусов. Это и есть одна из характеристик неевклидовости пространства.

Нечто подобное возникает и в нашем трехмерном пространстве в непосредственной близости от струны. Вершина каждого конуса лежит на струне, только "вырезанный" ею сектор мал – несколько угловых минут. Именно на такой угол струна своей чудовищной массой искривляет пространство.

Из чего же состоит космическая струна? Это не материя, не цепочка каких-то частиц, а особый вид вещества, чистая энергия некоторых полей – тех самых полей, которые объединяют электромагнитные, слабые и ядерные взаимодействия. Плотность их энергии колоссальна (10^16 ГэВ)2, а поскольку масса и энергия связаны знаменитой формулой E = mc2, струна оказывается такой тяжелой: ее кусочек, по длине равный размеру элементарной частицы массой около 10^-24 г, весит 10^-10 г. Силы натяжения в ней тоже очень велики: по порядку величины они составляют 10^38 кгс. Масса нашего Солнца – около 2•10^30 кг, значит, каждый метр космической струны растягивают силы, равные весу ста миллионов Солнц. Такие большие натяжения приводят к интересным физическим явлениям.

Будет ли струна взаимодействовать с веществом? Вообще говоря, будет, но довольно странным образом. Диаметр струны – 10^-37 см, а, скажем, электрона – несравненно больше: 10^-13 см. Любая элементарная частица одновременно и волна, которая по порядку величины равна ее размерам. Волна не замечает препятствия, если длина волны значительно больше его размеров: длинные радиоволны огибают дома, а световые лучи дают тень даже от очень маленьких предметов.

Сравнивать струну с электроном – все равно, что исследовать взаимодействие веревки диаметром 1 сантиметр с галактикой размером 100 килопарсек. Исходя из здравого смысла, галактика вроде бы просто не должна веревку заметить. Но веревка-то эта весит больше всей галактики. Поэтому взаимодействие все-таки произойдет, но оно будет похоже на взаимодействие электрона с магнитным полем. Поле закручивает траекторию электрона, у него появляется ускорение, и электрон начинает излучать фотоны. При взаимодействии элементарных частиц со струной тоже возникнет электромагнитное излучение, но его интенсивность будет настолько мала, что струну по нему обнаружить не удастся.

Зато струна может взаимодействовать сама с собой и с другими струнами. Пересечение или самопересечение струн приводит к значительному выделению энергии в виде стабильных элементарных частиц – нейтрино, фотонов, гравитонов. Источником этой энергии служат замкнутые кольца, которые возникают при самопересечениях струн.

Кольцевые струны – интереснейший объект. Они нестабильны и распадаются за некоторое характерное время, которое зависит от их размеров и конфигурации. При этом кольцо теряет энергию, которая берется из вещества струны и уносится потоком частиц. Кольцо уменьшается, стягивается, и, когда его диаметр доходит до размера элементарной частицы, струна распадается взрывным образом за 10^-23 секунды с выделением энергии, эквивалентной взрыву 10 Гигатонн (10^10 т) тротила.

Физика кольцевых струн очень хорошо вписалась в одну любопытную теорию – так называемую теорию зеркального мира. Эта теория утверждает, что у каждого сорта элементарных частиц существует партнер. Так, обычному электрону соответствует зеркальный электрон (не позитрон!), который тоже имеет отрицательный заряд, обычному протону соответствует положительный зеркальный протон, обычному фотону – зеркальный фотон и так далее. Эти два сорта вещества никак не связаны: в нашем мире не видны зеркальные фотоны, мы не можем регистрировать зеркальные глюоны, бозоны и прочие переносчики взаимодействий. Но гравитация остается единой для обоих миров: зеркальная масса искривляет пространство так же, как и масса обычная.

Другими словами, могут существовать структуры типа двойных звезд, в которых один компонент – обычная звезда нашего мира, а другой – звезда из мира зеркального, которая для нас невидима. Такие пары звезд действительно наблюдаются, и невидимый компонент обычно считают "черной дырой" или нейтронной звездой, которые не излучают света. Однако он может оказаться звездой из зеркального вещества. И если эта теория справедлива, то кольцевые струны служат проходом из одного мира в другой: пролет сквозь кольцо равноценен повороту частиц на 180 градусов их зеркальному отражению.

Наблюдатель, пройдя через кольцо, поменяет свою зеркальность, попадет в другой мир и исчезнет из нашего. Тот мир не будет простым отражением нашей Вселенной, в нем будут совсем другие звезды, галактики и, возможно, совсем другая жизнь. Вернуться путешественник сможет, пролетев сквозь это же (или любое другое) кольцо обратно.

Отзвуки этих идей мы, как это ни удивительно, находим в многочисленных сказках и легендах. Их герои попадают в другие миры, спускаясь в колодец, проходя через зеркало или через таинственную дверь. Кэрроловская Алиса, пройдя сквозь зеркало, попадает в мир, населенный шахматными и карточными фигурами, а упав в колодец, встречает разумных зверюшек (или тех, кого она приняла за них). Интересно, что математик Доджсон заведомо не мог знать о теории зеркального мира – она была создана в 80-х годах российскими физиками.

Искать струны можно разными методами. Во-первых, по эффекту гравитационного линзирования, как это сделал Э. Тернер. Во-вторых, можно измерять температуру реликтового излучения перед струной и за нею – она будет различной. Эта разница невелика, но вполне доступна современной аппаратуре: она сравнима с уже измеренной анизотропией реликтового излучения.

Есть и третий способ обнаруживать струны – по их гравитационному излучению. Силы натяжения в струнах очень велики, они значительно больше сил давления в недрах нейтронных звезд – источниках гравитационных волн. Наблюдатели собираются регистрировать гравитационные волны на приборах типа детекторов LIGO (США), VIRGO (Европейский детектор) и AIGO (Австралия). Одна из задач, поставленных перед этими приборами, – детектирование гравитационного излучения от космических струн.

И если все три метода одновременно покажут, что в некой точке Вселенной имеется что-то, укладывающееся в современную теорию, можно будет достаточно уверенно утверждать, что этот невероятный объект обнаружен. Пока же единственной реальной возможностью наблюдать проявления космических струн остается эффект гравитационного линзирования на них.

Сегодня многие обсерватории мира ведут поиски гравитационных линз: изучая их, можно приблизиться к разгадке главной тайны Вселенной – понять, как она устроена. Для астрономов линзы служат гигантскими измерительными линейками, с помощью которых предстоит определить геометрию космического пространства. Пока неизвестно, замкнут ли наш мир, как глобус или поверхность футбольного мяча, или открыт в бесконечность. Изучение линз, в том числе струнных, позволит достоверно узнать это.

Искать струны ученым придется не с помощью традиционной астрономии, а по их гравитационно-волновой сигнатуре, которая может сохраняться в пространстве-времени после исчезновения струны еще очень долгое время Когда возраст Вселенной не составлял и одной секунды, она уже претерпела самые радикальные преобразующие фазовые переходы. Этот подвиг больше никогда не повторялся. Данные фазовые переходы полностью реорганизовали Вселенную, когда единая сила ((гипотетическая, конечно же) разделилась на отдельные фундаментальные силы: гравитацию, сильное ядерное взаимодействие, слабое ядерное взаимодействие и электромагнетизм.

Когда силы разделились, фундаментальная энергия квантового вакуума пространства-времени тоже изменилась, но не идеально. Представьте замерзающую в лотке для кубиков льда воду. Когда происходит фазовый переход, образуются кристаллы льда, ориентированные в различных направлениях. Где-то молекулы воды выстраиваются в одну линию, образуя кристалл, а где-то ориентация совершенно другая. Несмотря ни на что, вся вода превращается в лед, между доменами разного расположения кристаллов могут появляться дефекты.

Вы можете увидеть эти дефекты – трещины и разного рода изъяны внутри кубиков. Чтобы увидеть трещины и изъяны, возникшие в пространстве-времени, нам нужно посмотреть намного внимательнее. Дефекты, появившиеся во время ранних фазовых переходов Вселенной, могут иметь самые разные размеры, но наиболее распространенным, вероятно, является одномерная трещина, известная как космическая струна, которая, кстати, не связана с суперструнами теории струн.

Лучший способ найти космическую струну – не искать ее саму, а сосредоточиться на поиске мест, где они запутываются в самих себе или в других струнах. При этом могут образоваться петли из тягучей материи. И эти петли очень нестабильны: они вибрируют как сумасшедшие, пока не сбросят достаточно энергии, чтобы исчезнуть.

Многие теории ранней Вселенной предсказывают, что космические струны должны существовать повсеместно. Но наблюдения пока ничего не дали – ни двойных отображений далеких галактик, когда струны разделяют свет, словно ножом, ни вспышек излучения от вибрации струн.

Петли космических струн невероятно массивны и крайне нестабильны. Это мощная сила, способная создавать гравитационные волны, которые представляют собой рябь в ткани пространства-времени. Но современные приборы не обладают достаточной чувствительностью, чтобы обнаружить одиночную вибрирующую петлю.

При этом гравитационные волны не совсем похожи на волны на воде или на звуковые. Они не просто проходят сквозь пространство-время – они могут бесповоротно деформировать пространство-время, создав некое подобие фоновой «памяти».

В недавнем исследовании астрофизики изучили природу гравитационно-волновой памяти, оставленной вибрирующими петлями космической струны. Они обнаружили, что самые сильные волны появляются, когда в петлях образуются изгибы и перегибы. Следовательно, и память данного события будет сильнее.

Как мы уже говорили, астрономам еще не удалось найти доказательств существования космических струн, но теоретики уже давно задаются вопросом, «а не рассеялись ли космические струны давным-давно, не оставив никаких доказательств своего существования?». Но если мы будем искать их гравитационно-волновую память, то можем наткнуться на доказательства их существования, пусть и давнего.

Остается главный вопрос: могут ли ученые обнаружить эту память? К сожалению, говорить об этом пока рано, так как ученые не знают, какое влияние она может иметь на пространство-время.

Возможно, гравитационная энергия срун образует маленькие черные дыры. В этом случае памяти о гравитационных волнах может не оставаться, поскольку большая часть энергии будет направлена на образование черной дыры. Но если вся энергия пойдет на формирование гравитационных волн, их следы можно будет обнаружить с помощью приборов следующего поколения, таких как космическая антенна с лазерным интерферометром.

Гравитационная волновая память – ключевое предсказание общей теории относительности, и астрономы разрабатывают технологию, необходимую для ее обнаружения.