Никто не может с уверенностью сказать, что струны есть, но если они существуют, то это, как полагают многие физики, могло бы объяснить клочковатость распределения вещества во Вселенной. Очень массивные петли могли бы создавать поменяем знак на противоположный, то есть, скажем, «+» на «-», галактики и скопления галактик. Однако такие петли долго не существуют, так что, если даже когда-то во Вселенной их было много, к настоящему времени большинство из них исчезло.
Менее массивные струны могли бы существовать и до сих пор, но пока они не обнаружены. И все же, приложив достаточно усилий и использовав самую чувствительную аппаратуру, астрономы могли бы опровергнуть или подтвердить гипотезу о существовании космических струн в течение нескольких лет. Поиск космических струн связан с большими ожиданиями, поскольку их обнаружение откроет путь к основам строения вещества и тайне рождения Вселенной. Чтобы разобраться в этом, необходимо рассмотреть само понятие струн как в физике элементарных частиц, так и в космологии.
Поскольку Вселенная, согласно релятивистской теории струн, родилась из нулевой точки не менее 15 миллиардов лет назад в результате Большого взрыва, постольку она продолжает расширяться и в настоящее время: далекие галактики движутся от Земли с очень большими скоростями. Привлекая данные астрономических наблюдений и законы физики элементарных частиц, ученые могут восстановить историю Вселенной в прошлом вплоть до момента, когда возраст Вселенной составлял долю секунды от начала Большого взрыва. Тогда не существовало галактик, звезд и даже атомов. Вселенная представляла собой просто гигантский плотный горячий шар из таких частиц, как электроны и фотоны.
Природа частиц и их взаимодействие определяются вакуумом. Для физиков вакуум — это состояние с минимальной энергией, достигаемое при отсутствии каких-либо частиц. Связь между элементарными частицами и вакуумом подобна связи между звуковыми волнами и веществом, в котором эти волны распространяются: типы волн и скорость их распространения различны в разных средах. Поскольку характеристики вакуума не всегда были неизменными, свойства и взаимодействия элементарных частиц также менялись.
Вначале вакуум обладал неимоверно большой энергией и характеризовался высокой степенью симметрии. Другими словами, не существовало различия между силами взаимодействия элементарных частиц. Электромагнитные, слабые и сильные ядерные силы проявлялись всего лишь как части единого взаимодействия. В настоящее время энергия вакуума равна нулю и фундаментальные силы различаются по величине и типу, так что очень мало осталось от их первоначального единства. Каким же образом была нарушена исходная симметрия?
По мере того как Вселенная расширялась и охлаждалась после Большого взрыва, вакуум проходил через быструю последовательность изменений, называемых фазовыми переходами. Наиболее известны фазовые переходы, которые происходят в воде при ее охлаждении, когда она переходит из пара в жидкость и, наконец, в лед. Фазовые переходы можно описывать также в терминах нарушения симметрии: они часто переводят симметричные состояния в несимметричные. Например, кристалл — менее симметричное состояние по сравнению с жидкостью, поскольку жидкость «выглядит одинаковой» во всех направлениях, тогда как в кристаллической решетке различные направления не эквивалентны.
Никто не знает точно, сколько фазовых переходов произошло в «молодом» вакууме. Однако все они должны были протекать в течение первой секунды от начала расширения Вселенной. Так же, как и фазовые переходы в обычных средах, космологические фазовые переходы приводят к образованию дефектов. Внутри дефектов симметрия не нарушена, и ранний, более молодой вакуум остался в них как в ловушках. Различные теории элементарных частиц предполагают разные виды дефектов. Согласно некоторым теориям, дефекты должны существовать в виде поверхностей, в других — предсказываются линии или точки. Эти типы дефектов называют соответственно стенками доменов, струнами и монополями.
Таким образом, космические струны являются всего лишь одним из трех возможных типов «разрывов» в свойствах вакуума. Почему же в теории образования галактик выделяются именно они? Как это ни странно, но одна из причин заключается в том, что струны не так ярко себя проявляют, как другие типы дефектов. В соответствии с эйнштейновским соотношением между массой и энергией высокоэнергетический вакуум должен обладать огромной массой. Поэтому дефекты могут оказывать чрезвычайно сильное влияние на эволюцию Вселенной. В настоящее время одна-единственная стенка домена, простирающаяся в современной Вселенной, может иметь гораздо большую массу, чем все вещество во Вселенной вместе взятое, и привести к большему окучиванию галактик, чем это есть на самом деле. Хотя одиночный монополь может «ускользнуть» от регистрации, теории предсказывают существование монополей в огромном количестве. Если бы они существовали, то Вселенная буквально «кишела» бы ими, и не заметить их было невозможно. Тем не менее ни стенки доменов, ни монополи не обнаружены.
Космические струны также никто не видел, но физики и не считают, что их можно непосредственно наблюдать. Первая работа, посвященная космическим струнам, была написана в середине 1970-х годов английским космологом Т. Кибблом. Он исследовал, как струны могли бы образоваться в ранней Вселенной, и в работе 1976 года обсуждал некоторые вопросы их эволюции. В России данную проблему активно разрабатывал Я. Б. Зельдович. Он считал, что с помощью струн можно было бы объяснить клочковатость распределения вещества во Вселенной. Физические свойства струн оказались очень привлекательными и уникальными. Теория космических струн быстро стала как бы центром притяжения для физиков, подобно тому как сами струны якобы являются центром притяжения для звезд и галактик. На читателей обрушилась целая лавина работ по космическим струнам, хотя до сих пор не найдено прямое эмпирическое доказательство их существования. Но даже при отсутствии эмпирических данных физики смогли воссоздать более чем странные контуры свойств космических струн. Некоторые их свойства зависят от конкретной теории элементарных частиц, предсказывающей эти свойства, тогда как другие особенности являются общими для всех теорий.
Космические струны представляют собой тонкие трубки из симметричного высокоэнергетического вакуума. У них нет концов, они либо образуют замкнутые кольца, либо простираются до бесконечности. С точки зрения физики сущность струн определяется энергией вакуума, который в них заключен. Струны с наиболее симметричным вакуумом, в котором все виды взаимодействий — сильное, слабое и электромагнитное — объединены в одно, наиболее тонкие и массивные. Это — самые интересные объекты для космологии, поскольку именно они могли бы приводить к образованию галактик. Толщина этих струн равна примерно 10–30 см. Они поразительно массивны: один сантиметр такой струны должен весить 10^16 тонн. Натяжение в струнах под стать их массе. Это натяжение заставляет замкнутые петли из струн энергично осциллировать со скоростью, близкой к скорости света. Например, кольцо длиной в световой год совершит одно колебание за время, чуть большее года. (Мера длины один световой год — это расстояние, которое проходит свет за один год).
Итак, еще одна экстравагантная гипотеза. Но сколь бы ни выглядела правдоподобной и привлекательной изложенная выше в общих чертах ультрасовременная концепция космических струн, следует относиться к ней трезво, отдавая полный отчет, что перед нами всего лишь очередное (старое, как мир!) овеществление математических отношений (то есть систематизированных в виде формул абстрактных понятий), наподобие уже рассмотренной выше субстанциализированной кривизны.
