Докторфизико-математических наук М. Сажин
(Государственный астрономическийинститут имени П. К. Штернберга МГУ),
В. Шульга (Институт космическихисследований РАН).

Теоретическаяфизика предлагает нам в очереднойраз круто изменить представления омире. Элементарные частицыоказались колебаниями некихмикроскопических суперструн,вибрирующих в шестимерномпространстве (см. "Наука ижизнь" №№ 2, 3, 1997 г.). А в нашейВселенной, кроме звезд, планет,пылевых и газовых туманностей,обнаружились другие, тожесовершенно невероятные объекты -космические струны. Они тянутсячерез всю Вселенную от одного еегоризонта до другого, скручиваются,рвутся и сворачиваются в кольца,выделяя громадное количествоэнергии.

Эйнштейн работалнад объединением всех физическихвзаимодействий более тридцати лет,но положительного результата так ине достиг. Только в 70-е годы нашегостолетия после накопления большогоколичества экспериментальныхданных, после осознания роли идейсимметрии в современной физике С.Вайнберг и А. Салам сумелиобъединить электромагнитные ислабые взаимодействия, создавтеорию электрослабыхвзаимодействий. За эту работуисследователи совместно с Ш. Глэшоу(который теорию расширил) былиудостоены Нобелевской премии пофизике 1979 года.

Cо времен АльбертаЭйнштейна одной из основных задач физикистало объединение всех физическихвзаимодействий, поиск единойтеории поля. Существуют четыреосновных взаимодействия:электромагнитное, слабое, сильное,или ядерное, и самое универсальное -гравитационное. У каждоговзаимодействия есть своипереносчики - заряды и частицы. Уэлектромагнитных сил - этоположительные и отрицательныеэлектрические заряды (протон иэлектрон) и частицы, переносящиеэлектромагнитные взаимодействия, -фотоны. Слабое взаимодействиепереносят так называемые бозоны,открытые только десять лет назад.Переносчики сильноговзаимодействия - кварки и глюоны.Гравитационное взаимодействиестоит особняком - это проявлениекривизны пространства-времени.

Проверить этутеорию в лаборатории удастся, когдаэнергия ускорителей достигнет 1016 ГэВ на одну частицу.Произойдет это не скоро: сегодняона пока не превышает 104 ГэВ, и строительстводаже таких "маломощных"ускорителей - мероприятиечрезвычайно дорогостоящее даже длявсего мирового научногосообщества. Однако энергии порядка1016 ГэВ идаже гораздо выше были в раннейВселенной, которую физики частоназывают "ускорителем бедногочеловека": изучение физическихвзаимодействий в ней позволяетпроникнуть в недоступные намобласти энергий.

Многое в теорииэлектрослабых взаимодействий былостранным. Уравнения поля имелинепривычный вид, а массы некоторыхэлементарных частиц оказалисьнепостоянными величинами. Онипоявлялись в результате действиятак называемого динамическогомеханизма возникновения масс прифазовом переходе между различнымисостояниями физического вакуума.Физический вакуум - не просто"пустое место", гдеотсутствуют частицы, атомы илимолекулы. Структура вакуума поканеизвестна, ясно только, что онпредставляет собой наинизшееэнергетическое состояниематериальных полей с чрезвычайноважными свойствами, которыепроявляются в реальных физическихпроцессах. Если, например, этимполям сообщить очень большуюэнергию, произойдет фазовыйпереход материи из ненаблюдаемого,"вакуумного", состояния вреальное. Как бы "из ничего"появятся частицы, имеющие массу. Нагипотезах о возможных переходахмежду различными состояниямивакуума и понятиях симметрииоснована идея единой теории поля.

Теорияобъединения электромагнитных,слабых и сильных взаимодействийпредсказала, что в природе естьбольшое количество частиц, никогдане наблюдавшихся экспериментально.Это не удивительно, если учесть,какие невообразимые энергии нужныдля их рождения во взаимодействияхпривычных нам частиц. Другимисловами, для наблюдений за ихпроявлениями опять необходимообращать свой взор на раннююВселенную.

Утверждение можетпоказаться странным: как можноисследовать то, что происходилодесятки миллиардов лет назад? И темне менее такие "машинывремени" существуют - этосовременные мощные телескопы,позволяющие изучать объекты насамой границе видимой частиВселенной. Светот них идет к нам 15-20 миллиардов лет,мы сегодня видим их такими, какимиони были именно в ранней Вселенной.

Создать их влаборатории невозможно: у всегочеловечества не хватит энергии.Другое дело - ранняя Вселенная, гдеусловия для рождения космическихструн возникли естественным путем.

Некоторые такиечастицы нельзя даже назватьчастицами в привычном нам смыслеслова. Это одномерные объекты споперечным размером около 10-37 см (значительно меньшеатомного ядра - 10-13 см) и длиной порядкадиаметра нашей Вселенной - 40миллиардов световых лет (1028 см). Академик Я. Б.Зельдович, предсказавшийсуществование таких объектов, далим красивое название - космическиеструны, поскольку онидействительно должны напоминатьструны гитары.

Башня аризонскойобсерватории Кит-Пик раствориласьв черноте мартовской ночи. Ееогромный купол медленноповорачивался - глаз телескопаискал две звездочки в созвездииЛьва. Астроном из Принстона Э.Тернер предполагал, что этоквазары, таинственные источники,излучающие в десятки раз большеэнергии, чем самые мощныегалактики. Они так бесконечнодалеки, что едва видны в телескоп.Наблюдения закончились. Тернерждал, когда ЭВМ расшифруетоптические спектры, даже непредполагая, что через несколькочасов, рассматривая с коллегамисвежие распечатки, сделаетсенсационное открытие. Телескопобнаружил космический объект, осуществовании которого ученые и недогадывались, хотя размеры егонастолько велики, что их трудносебе представить.

Итак, струны воВселенной могут быть. И отыскать ихпридется астрономам.

В 1979 годуастрофизики, изучая радиоисточникв созвездии Большой Медведицы,отождествили его с двумя слабымизвездочками. Расшифровав ихоптические спектры, ученые поняли,что открыли еще одну парунеизвестных квазаров.

Впрочем, рассказоб этой истории лучше начать сдругой мартовской ночи, вернувшисьна много лет назад.

Дело в том, чтоспектр каждого квазара уникален инеповторим. Порой их дажесравнивают с дактилоскопическимикартами - как нет одинаковыхотпечатков пальцев у разных людей,так не могут и совпадать спектрыдвух квазаров. И если уж продолжитьсравнение, то совпадениеоптических спектров у новой парызвезд было просто фантастическим -словно сошлись не только отпечаткипальцев, но даже и мельчайшиецарапинки на них.

Вроде бы ничегоособенного - искали один квазар, анашли сразу два. Но астрономовнасторожили два необъяснимыхфакта. Во-первых, угловоерасстояние между звездамисоставляло всего шесть угловыхсекунд. И хотя в каталоге уже былобольше тысячи квазаров, стольблизкие пары еще не встречались.Во-вторых, спектры у источниковполностью совпали. Вот это-то иоказалось главным сюрпризом.

Космическиеобъекты с большой массой создаютвокруг себя сильное гравитационноеполе, которое изгибает идущие отзвезды лучи света. Если поленеоднородно, лучи изогнутся подразными углами, и вместо одногоизображения наблюдатель увидитнесколько. Понятно, что чем сильнееискривлен луч, тем больше и массагравитационной линзы. Гипотезануждалась в проверке. Долго ждатьне пришлось, линзу нашли осеньютого же года. Эллиптическуюгалактику, вызывающую двойноеизображение квазара,сфотографировали почтиодновременно в двух обсерваториях.А вскоре астрофизики обнаружилиеще четыре гравитационные линзы.Позднее удалось обнаружить дажеэффект "микролинзирования" -отклонение световых лучей оченьмаленькими (по космическим меркам)темными объектами масштаба нашейЗемли или планеты Юпитер (см."самый интересный журнал Наука и жизнь " № 2, 1994 г.).

Одни астрофизикисочли "близнецов" паройразных, не связанных квазаров.Другие выдвинули смелоепредположение: квазар один, а егодвойное изображение - просто"космический мираж". О земныхмиражах, возникающих в пустынях ина морях, наслышан каждый, а вотнаблюдать подобное в космосе ещеникому не удавалось. Однако эторедкое явление должно возникать.

Эту работу поважности, пожалуй, можно сравнить стакими фундаментальнымирезультатами, как обнаружениепульсаров, квазаров, установлениесетчатой структуры Вселенной."Линза" Тернера, безусловно,одно из выдающихся открытий второйполовины нашего века.

И вот Э. Тернер,получив похожие друг на друга, какдве капли воды, спектры, открываетшестую линзу. Казалось бы, событиезаурядное, какая уж тут сенсация. Нона этот раз двойные лучи светаобразовали угол в 157 секунд дуги - вдесятки раз больший, чем раньше.Такое отклонение могла создатьлишь гравитационная линза с массойв тысячу раз большей, чем любаядоселе известная во Вселенной. Вотпочему астрофизики поначалу ипредположили, что обнаруженкосмический объект невиданныхразмеров - что-то вродесверхскопления галактик.

Работа Тернерапока чем-то напоминает открытиепланеты Нептун французскимастрономом Леверье: новая линзасуществует тоже лишь на кончикепера. Она вычислена, но необнаружена.

Разумеется,интересна не сама находка - еще в 40-хгодах А. Эйнштейн и советскийастроном Г. Тихов почтиодновременно предсказалисуществование гравитационнойфокусировки лучей. Непостижимодругое - размер линзы. Оказывается,в космосе бесследно скрываются огромные массы, втысячу раз превосходящие всеизвестные, и на их поиск ушло сороклет.

И тут вниманиеисследователей привлекла давняя иочень любопытная гипотезакосмических струн. Постичь еетрудно, представить нагляднопросто невозможно: струны можнотолько описать сложнымиматематическими формулами. Этизагадочные одномерные образованияне излучают света и обладаютогромной плотностью - один метртакой "ниточки" весит большеСолнца. А если их масса так велика, то игравитационное поле, пусть дажерастянутое в линию, должнозначительно отклонять световыелучи. Однако линзы ужесфотографированы, а космическиеструны и "черные дыры" покасуществуют лишь в уравненияхматематиков.

Конечно, пока непоявятся достоверные факты, скажем,фотоснимки, можно делать самыеразличные предположения идопущения. Сам Тернер, например,считает, что линзой может оказаться"черная дыра" размером втысячу раз больше нашей Галактики -Млечного Пути. Но если такая дырасуществует, она должна вызыватьдвойное изображение и у другихквазаров. Ничего подобногоастрофизики пока не увидели.

Согласно общейтеории относительности массавызывает искривлениепространства-времени. Космическаяструна тоже искривляет его,создавая вокруг себя такназываемое конусовидноепространство. Представить себетрехмерное пространство, свернутоев конус, вряд ли удастся. Обратимсяпоэтому к простой аналогии. Возьмемплоский лист бумаги - двумерноеевклидово пространство. Вырежем изнего сектор, скажем, в 10 градусов.Свернем лист в конус так, чтобыконцы сектора прилегали один кдругому. Мы вновь получимдвумерное, но уже неевклидово,пространство. Точнее, оно будетевклидовым везде, за исключениемодной точки - вершины конуса. Обходпо любому замкнутому контуру, неохватывающему вершину, приводит кповороту на 360 градусов, а еслиобойти конус вокруг его вершины,оборот будет на 350 градусов. Это и естьодна из характеристикнеевклидовости пространства.

Из этих уравненийследует, что возникшая сразу послеБольшого взрыва космическая струнадолжна быть "замкнута" награницы Вселенной. Но границы этитак далеки, что середина струны их"не чувствует" и ведет себя,как кусок упругой проволоки всвободном полете или как леска в бурном потоке. Струныизгибаются, перехлестываются ирвутся. Оборванные концы струн тутже соединяются, образуя замкнутыекуски. И сами струны, и отдельные ихфрагменты летят сквозь Вселеннуюсо скоростью, близкой к скоростисвета.

Из чего же состоиткосмическая струна? Это не материя,не цепочка каких-то частиц, а особыйвид вещества, чистая энергиянекоторых полей - тех самых полей,которые объединяютэлектромагнитные, слабые и ядерныевзаимодействия. Плотность ихэнергии колоссальна (1016 ГэВ)2, а поскольку масса иэнергия связаны знаменитойформулой E = mc2, струна оказываетсятакой тяжелой: ее кусочек, по длинеравный размеру элементарнойчастицы массой около 10-24 г, весит 10-10 г. Силы натяжения в нейтоже очень велики: по порядкувеличины они составляют 1038 кгс. Масса нашегоСолнца - около 2.1030 кг, значит, каждый метркосмической струны растягиваютсилы, равные весу ста миллионовСолнц. Такие большие натяженияприводят к интересным физическимявлениям.

Нечто подобноевозникает и в нашем трехмерномпространстве в непосредственнойблизости от струны. Вершина каждогоконуса лежит на струне, только"вырезанный" ею сектор мал -несколько угловых минут. Именно натакой угол струна своей чудовищноймассой искривляет пространство, ина этом угловом расстоянии виднапарная звезда - "космическиймираж". И отклонение, котороесоздает "линза" Тернера, -около 2,5 угловых минут - оченьхорошо соответствуеттеоретическим оценкам. На всехостальных известных нам линзахугловое расстояние междуизображениями не превышает угловыхсекунд или даже долей секунд. Самоеинтересное, что эффектгравитационной линзы на струнеможно увидеть и без телескопа: разрешающаяспособность человеческого глаза -примерно половина угловой минуты.Нужно только знать, где искать, иотличать "миражи" от реальныхобъектов.

Зато струна можетвзаимодействовать сама с собой и сдругими струнами. Пересечение илисамопересечение струн приводит кзначительному выделению энергии ввиде стабильных элементарныхчастиц - нейтрино, фотонов,гравитонов. Источником этойэнергии служат замкнутые кольца,которые возникают присамопересечениях струн.

Будет ли струнавзаимодействовать с веществом?Вообще говоря, будет, но довольностранным образом. Диаметр струны - 10-37 см, а, скажем,электрона - несравненно больше: 10-13 см. Любая элементарнаячастица одновременно и волна,которая по порядку величины равнаее размерам. Волна не замечаетпрепятствия, если длина волнызначительно больше его размеров:длинные радиоволны огибают дома, асветовые лучи дают тень даже оточень маленьких предметов.Сравнивать струну с электроном -все равно, что исследоватьвзаимодействие веревки диаметром 1сантиметр с галактикой размером 100килопарсек. Исходя из здравогосмысла, галактика вроде бы простоне должна веревку заметить. Новеревка-то эта весит больше всейгалактики. Поэтому взаимодействиевсе-таки произойдет, но оно будетпохоже на взаимодействие электронас магнитным полем. Поле закручиваеттраекторию электрона, у негопоявляется ускорение, и электронначинает излучать фотоны. Привзаимодействии элементарныхчастиц со струной тоже возникнетэлектромагнитное излучение, но егоинтенсивность будет настолькомала, что струну по нему обнаружитьне удастся.

Физика кольцевыхструн очень хорошо вписалась в однулюбопытную теорию - так называемуютеорию зеркального мира. Эта теорияутверждает, что у каждого сортаэлементарных частиц существуетпартнер. Так, обычному электронусоответствует зеркальный электрон(не позитрон!), который тоже имеетотрицательный заряд, обычномупротону соответствуетположительный зеркальный протон,обычному фотону - зеркальный фотони так далее. Эти два сорта веществаникак не связаны: в нашем мире невидны зеркальные фотоны, мы неможем регистрировать зеркальныеглюоны, бозоны и прочие переносчикивзаимодействий. Но гравитацияостается единой для обоих миров:зеркальная масса искривляетпространство так же, как и массаобычная. Другими словами, могут существоватьструктуры типа двойных звезд, вкоторых один компонент - обычнаязвезда нашего мира, а другой -звезда из мира зеркального, котораядля нас невидима. Такие пары звезддействительно наблюдаются, иневидимый компонент обычно считают"черной дырой" или нейтроннойзвездой, которые не излучают света.Однако он может оказаться звездойиз зеркального вещества. И если этатеория справедлива, то кольцевыеструны служат проходом из одногомира в другой: пролет сквозь кольцоравноценен повороту частиц на180о, ихзеркальному отражению.Наблюдатель, пройдя через кольцо,поменяет свою зеркальность,попадет в другой мир и исчезнет изнашего. Тот мир не будет простымотражением нашей Вселенной, в нембудут совсем другие звезды,галактики и, возможно, совсемдругая жизнь. Вернутьсяпутешественник сможет, пролетевсквозь это же (или любое другое)кольцо обратно.

Кольцевые струны -интереснейший объект. Онинестабильны и распадаются занекоторое характерное время,которое зависит от их размеров иконфигурации. При этом кольцотеряет энергию, которая берется извещества струны и уносится потокомчастиц. Кольцо уменьшается,стягивается, и, когда его диаметрдоходит до размера элементарнойчастицы, струна распадаетсявзрывным образом за 10-23 секунды с выделениемэнергии, эквивалентной взрыву 10Гигатонн (1010 т) тротила.

Искать струныможно разными методами. Во-первых,по эффекту гравитационноголинзирования, как это сделал Э.Тернер. Во-вторых, можно измерятьтемпературу реликтового излученияперед струной и за нею - она будетразличной. Эта разница невелика, новполне доступна современнойаппаратуре: она сравнима с ужеизмеренной анизотропиейреликтового излучения (см. "Наукаи жизнь" № 12, 1993 г.).

Отзвуки этих идеймы, как это ни удивительно, находимв многочисленных сказках илегендах. Их герои попадают вдругие миры, спускаясь в колодец,проходя через зеркало или черезтаинственную дверь. КэрроловскаяАлиса, пройдя сквозь зеркало,попадает в мир, населенныйшахматными и карточными фигурами, аупав в колодец, встречает разумныхзверюшек (или тех, кого она принялаза них). Интересно, что математикДоджсон заведомо немог знать о теории зеркального мира- она была создана в 80-х годахроссийскими физиками.

И если все триметода одновременно покажут, что внекой точке Вселенной имеетсячто-то, укладывающееся всовременную теорию, можно будетдостаточно уверенно утверждать,что этот невероятный объектобнаружен. Пока же единственнойреальной возможностью наблюдатьпроявления космических струностается эффект гравитационноголинзирования на них.

Есть и третийспособ обнаруживать струны - по ихгравитационному излучению. Силынатяжения в струнах очень велики,они значительно больше силдавления в недрах нейтронных звезд- источниках гравитационных волн.Наблюдатели собираютсярегистрировать гравитационныеволны на приборах типа детекторовLIGO (США), VIRGO (Европейский детектор) иAIGO (Австралия), которые начнутработать уже в начале следущеговека. Одна из задач, поставленныхперед этими приборами, -детектирование гравитационногоизлучения от космических струн.


Академик ЯковБорисович Зельдович работал вомногих областях теоретическойфизики. С 60-х годов он сталзаниматься проблемами астрофизикии космологии. Именно в этот периодЯ. Б. Зельдович создал теориюкосмических струн.

Сегодня многиеобсерватории мира ведут поискигравитационных линз: изучая их,можно приблизиться к разгадкеглавной тайны Вселенной - понять,как она устроена. Для астрономовлинзы служат гигантскимиизмерительными линейками, спомощью которых предстоитопределить геометрию космическогопространства. Пока неизвестно,замкнут ли наш мир, как глобус илиповерхность футбольного мяча, илиоткрыт в бесконечность. Изучениелинз, в том числе струнных, позволитдостоверно узнать это.


Плоский листбумаги представляет собойдвумерное евклидово пространство.Это, в частности, означает, что егоможно обойти по любой траектории ивернуться в точку выхода, совершивоборот на 360о. Листможно свернуть в цилиндр,обладающий теми же геометрическимисвойствами: его обход по любомузамкнутому контуру приводит кповороту на те же 360о.
Если из листавырезать какой-то сектор (скажем, суглом 10о), частьтраекторий станет замыкаться наего краях, не позволяя совершитьполный обход. Склеим края секторавстык - получится конус. Егоповерхность будет евклидовойвсюду, за исключением окрестностивершины: полный обход вокруг неедаст поворот на 350о.
Нечтоподобное возникает и в нашемтрехмерном пространстве вокрестностях космической струны.Своей гигантской массой онаискривляет пространство, превращаяего из евклидова в конусное.


Эволюциязамкнутой космической струны можетбыть очень сложной. Ее простоесамопересечение приводит кобразованию пары колец,а более сложные сцеплениясоздают весьма причудливыетопологические структуры.Поведение этого невообразимоогромного объекта описываетматематическая теория узлов,начало которой положилнемецкий математик Карл Гаусс.


Световыелучи, проходящие через слойнеравномерно нагретого воздуха,изгибаются. Так возникает мираж:человек принимает изображение небас облаками за водную гладь.


Волна (любая!) "незамечает" препятствия, размерыкоторого значительно меньше длиныволны. За толстой сваей на водеобразуется волновая "тень", аза тонкой тростинкой - нет; дляволны ее просто не существует.Точно так же струна диаметром 10-37сантиметра "не замечает"элементарную частицу, с которойсвязана длина волны порядка 10-13сантиметра.


"Миражи"возникают и в космосе. Там лучисвета от далекого объекта изгибаетполе тяготения массивной галактики- "гравитационная линза", инаблюдателю кажется, чтоизображение двоится.
 


 

7  
Так, попредставлению теоретиков,происходит эволюция космическихструн от момента зарожденияВселенной до наших дней.


Звездолетпроходит сквозь кольцевую струну.Со стороны кажется, что онпостепенно растворяется вабсолютно пустом пространстве. Насамом же деле звездолет уходит изнашего мира в "зазеркалье". Всечастицы, из которых он состоит,превращаются в своих зеркальныхпартнеров и перестают быть видны внашем мире.