Загадка космических струн

Как только появилась теория относительности Альберта Эйнштейна, физики стали пытаться объединить все физические взаимодействий в единую теорию поля. Эту же проблему в течение тридцати лет разрабатывал и сам великий физик, но разрешить ее так и не сумел.

И только в 70-е годы прошлого века американский физик C. Вайнберг и пакистанский физик-теоретик А. Салам сумели объединить электромагнитные и слабые взаимодействия, предложив теорию слабых электрических взаимодействий. За эту работу в 1979 году ученым была присуждена Нобелевская премия по физике...

Эта теория преподнесла физикам много сюрпризов. Например, согласно этой теории в природе должны существовать частицы, получить которые в эксперименте практически невозможно.

Причем среди этих «экзотических» частиц есть такие, которых и частицами трудно назвать. Действительно, разве подходит под привычное определение «частица» объект, поперечный размер которого около 10-37 сантиметров: а ведь диаметр атомного ядра равняется 10-13 сантиметрам. Но при этом длина такой удивительной «частицы» не меньше диаметра нашей Вселенной: 40 миллиардов световых лет, или 10 в 28 степени (10 квадриллиард) сантиметров.

Возможность существования таких частиц предсказал советский ученый академик Я.Б. Зельдович. Он же назвал их космическими струнами, так как они и впрямь должны быть похожими на гитарные струны огромной протяженности.

Больше 30 лет назад, точнее в 1979 году, астрофизики, анализируя радиоисточник в созвездии Большой Медведицы, посчитали, что эти «сигналы» исходят из двух небольших звездочек. Когда были расшифрованы их оптические спектры, астрономы пришли к выводу, что в каталог можно заносить еще парочку новых квазаров (о квазарах смотрите в конце статьи). Казалось бы, ничего особенного в этом нет: вместо одного квазара нашли два. И тем не менее эти «двойняшки» ученых заинтересовали больше обычного.

Во-первых, тем, что угловое расстояние между звездами было сравнительно очень малым: всего шесть угловых секунд. И хотя к тому времени в каталоге было зафиксировано больше тысячи квазаров, но пар, находившихся на столь близком друг от друга расстоянии, астрономы до этого не встречали.

Во-вторых, и это самое главное, спектры у обоих источников были практически идентичными. Почему же ученые удивились этому совпадению? А все дело в том, что спектр каждого квазара так же уникален, как и отпечатки пальцев у человека. Причем спектры совпадали до малейших деталей, словно являлись зеркальными отражениями друг друга.

Пытаясь разобраться в этом непонятном явлении, астрофизики выдвинули несколько гипотез для объяснения странного феномена. Одни из них посчитали, что это - пара разных, не связанных между собой квазаров. другие предположили, что на самом деле квазар один, а его «двойник» - просто-напросто «космический мираж».

По мнению ученых, это явление во вселенских масштабах возникает в силу следующих обстоятельств. Вокруг массивных космических объектов существует сильное гравитационное поле, способное изгибать лучи света, которые идут от звезд. И если поле разнородно, то и лучи будут изгибаться под разными углами. И тогда земной наблюдатель вместо одного изображения увидит несколько. При этом чем искривление луча большее, тем мощнее космическое тело.

Объяснение было простым и вроде бы убедительным, но тем не менее оно нуждалось в обосновании. И вскоре гипотеза нашла практическое подтверждение. В том же году была обнаружена эллиптическая галактика, которая и вызывала двойное изображение квазара. Астрономы такие объекты называют гравитационными линзами. Однако сейчас отметим, что вскоре было обнаружено еще четыре подобных объекта.

Прошло еще несколько лет, и астроном из Принстона Э. Тернер тоже обнаружил два космических объекта, спектры которых были так же похожи друг на друга, как и в открытых до этого двойных системах. Таким образом, Тернер открыл шестую по счету линзу. Ничего особенного в этом вроде бы не было.

И все же это была если и не сенсация, то по крайней мере первый к ней шаг. Ведь у этих «близнецов» угол между двойными лучами составлял 157 секунд, то есть в несколько десятков раз больший, чем у других «двойников». Но столь гигантское отклонение могла создать лишь гравитационная линза с колоссальной массой: в тысячу раз большей, чем у тех, которые были известны астрономам. А это уже была сенсация!

«Линза» Тернера, безусловно, одно из выдающихся открытий второй половины нашего века. По важности для астрономической науки его можно без натяжек сравнить с обнаружением пульсаров, квазаров, установлением сетчатой структуры Вселенной.

Правда, следует заметить, что «линза» лишь вычислена, но не обнаружена. То есть она существует тоже лишь на кончике пера. И пока не появятся достоверные факты, подтверждающие ее существование, можно выдвигать самые разные гипотезы, объясняющие ее структуру, происхождение и т.д.

Так, вначале астрофизики выдвинули версию, что необычный объект представляет собой скопление галактик. А Тернер, например, предположил, что линзой может оказаться гигантская «черная дыра», которая в тысячу раз крупнее Млечного Пути. Но, с другой стороны, коль такая дыра имеет место быть, то двойное изображение должно возникать и у других квазаров. Однако ничего подобного астрофизики пока не обнаружили.

И тут-то астрономы вспомнили о давней гипотезе космических струн, даже постичь их суть довольно сложно, а представить наглядно вообще невозможно: струны можно только описать, причем с помощью очень сложного математического аппарата.

O них можно сказать только следующее: эти «экзотические» одномерные структуры не излучают света; они обладают невероятной плотностью - один метр такой «нити» весит больше, чем Солнце. Но если они обладают столь непостижимой массой, то и создаваемое ими гравитационное поле, пусть даже и вытянутое в тонкую нить, должно значительно отклонять световые лучи. Но, как известно, линзы уже сфотографированы, а космические струны пока существуют только в уравнениях математиков.

Согласно расчетам, возникшая сразу после Большого взрыва космическая струна должна быть «замкнута» на границе Вселенной. Но граница эта так далека, что середина струны ее «не чувствует» и ведет себя, как кусок упругой проволоки в свободном полете или как песка 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.

Струны и параллельные миры

Среди космических струн особо интересны кольцевые струны. Они нестабильны и в определенное время, которое зависит от их размера и формы, распадаются. После разрушения кольца часть его энергии теряется и уносится вместе с потоком частиц. После этого кольцо уменьшается в размерах, сжимается, и, когда его диаметр сокращается до размера элементарной частицы, струна внезапно, за невероятно короткое время, равное 10°23 секундам, взрывается, выделяя такое количество энергии, которое эквивалентно 10 миллионам тонн тротила.

Эффекты, связанные с кольцевыми струнами, создали теоретическую базу для гипотезы о параллельных мирах, или зеркальных мирах. В соответствии с этой гипотезой каждый вид элементарных частиц имеет зеркального партнера: обычный электрон - зеркального, причем тоже отрицательно заряженного электрона; протон - своего зеркального партнера со знаком «плюс», фотон - зеркального фотона и так далее.

Эти два сорта вещества никак не связаны: например, в нашем мире зеркальные фотоны не видны. Однако гравитация в обоих мирах одна и та же, иначе говоря, масса в «зазеркалье» искривляет пространство так же, как и масса в нашем мире.

Эти выводы можно экстраполировать и на космические тела. То есть во Вселенной могут находиться структуры типа двойных звезд, в которых одна звезда принадлежит нашему миру, а другая - миру зазеркалья, и поэтому она для нас невидима.

А ведь такие пары звезд и впрямь наблюдаются, и невидимый компонент этого «диполя», который не излучает свет, обычно называют «черной дырой» или нейтронной звездой. Но ведь этот невидимый объект вполне может быть звездой из зеркального вещества.

И вот тут мы подходим к самому интересному: если эта теория в какой-то степени верна, то кольцевые струны являются коридором, который связывает один мир с другим. Иначе говоря, перемещение сквозь кольцо равносильно повороту частиц на 180 градусов, то есть их зеркальному отражению.

Условно говоря, если наблюдатель пройдет через кольцо, то он поменяет свою зеркальность и попадет в другой мир, исчезнув одновременно из нашего. Но тот, иной, мир вовсе не будет обычным зеркальным отражением нашей Вселенной. Это будет совсем иной мир, со своими звездами и галактиками и скорее всего с другими формами жизни.

Если же путешественник пожелает вернуться в наш мир, ему достаточно будет пролететь сквозь это же (или любое другое) кольцо обратно.

Что такое квазар?

Как только у ученых в 1950-х годах появились мощные радиотелескопы, астрономы сразу же засекли крайне странные объекты, похожие на звезды, но гораздо меньше и с огромным радиоизлучением, которые назвали квазизвездами, или квазарами. Так что за это таинственные объекты и какое отношение они имеют почти к каждой галактике во Вселенной?

К 2005 году астрономы насчитали уже 195 000 квазаров. Сейчас базовые представления о них значительно изменились, и наблюдения показали, что большинство из них находится вблизи от центров гигантских эллиптических галактик. О том, что такое квазары расскажет Фрэйзер Кейн, создатель проекта Universe Today. Ролик озвучен и переведен студией Vert Dider.