Представьте себе самое начало всего. Первые мгновения после Большого взрыва. Молодой, раскаленный огненный шар Вселенной. Не прошло и доли секунды с момента её рождения. Она стремительно расширяется и уже остывает, её вакуум — то самое фундаментальное состояние полей — проходит через фазовые переходы. Вспомните, как замерзает озеро с резким приходом сильных морозов. На его поверхности при быстром охлаждении появляются трещины, разломы, сколы, пузырьки воздуха не успевают подняться на поверхность и застывают в толще льда. Лед остается льдом, но его структура теперь содержит дефекты.
Примерно то же самое, если можно так грубо выразиться, произошло с самой тканью пространства-времени в первые мгновения после Большого взрыва. При охлаждении и «кристаллизации» вакуума в нём могли — чисто теоретически — остаться складки, дефекты. Не точки, не плоскости, а именно одномерные нити невероятной плотности. Их и окрестили космическими струнами.
Что это такое, если говорить без формул?
Вообразите объект, чья толщина не просто меньше атома. Она чудовищно меньше протона, уходя в масштабы, где царят законы квантовой гравитации (порядка 10^-29 см!). При этом длина такой струны может простираться через всю видимую Вселенную. Это странность номер один.
Странность номер два — её плотность. Тут цифры сбивают с толку. Плотность настолько чудовищна, что километр такой невесомой, казалось бы, «ниточки» будет иметь массу... как целый земной континент. Вдумайтесь: нить тоньше атомного ядра, но если положить её кусок длиной в километр на чашу весов, противоположную чашу придётся грузить Евразией. Эта экстремальная масса, а значит и гравитация, — наш единственный шанс их обнаружить.
Почему они так интересны для науки?
Они — живая реликвия первых мгновений Вселенной. Считается, в те времена законы физики были иными. Существуют гипотезы, что даже скорость света могла быть выше. Некоторые модели предполагают, что внутри космической струны как бы «заморожено» то первичное состояние вакуума. Это породило фантастическую идею: если мы полетим на космическом корабле вдоль такой струны, пространство-время вокруг нашего корабля может иметь иные свойства, позволяя нам достичь сверхсветовой скорости! Без прямого нарушения общепринятой теории относительности.
Космические струны не статичны. Теория, которую в 1970-80-х годах развивали такие умы, как британец Томас Киббл и, что важно отметить, наш советский физик Яков Зельдович, описывает их динамичную жизнь. Они извиваются, скручиваются, пересекаются. При пересечении они могут «разрываться», но их концы немедленно сшиваются, образуя замкнутые петли. Эти петли, колеблясь, должны испускать гравитационные волны — рябь пространства-времени, которую мы только научились ловить детекторами LIGO и Virgo. Это одна из зацепок для поиска.
LIGO — лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория. Состоит из двух идентичных детекторов, расположенных на расстоянии более 3000 километров друг от друга — в штатах Вашингтон и Луизиана (США).
Virgo — франко-итальянский детектор гравитационных волн, расположенный в Европейской гравитационной обсерватории EGO (коммуна Кашина, вблизи итальянского города Пиза).
Как мы можем их найти, если они невидимы?
Здесь мы переходим к самой интересной части — охоте. Струна не светится. Но её чудовищная масса искажает пространство вокруг себя. Как искажается свет за пределами горизонта событий чёрной дыры. Она работает как гравитационная линза чудовищной, почти идеальной формы.
Ученые сканируют небо в поисках парных, почти идентичных галактик или квазаров. Не просто похожих, а зеркально похожих. Если между нами и далекой галактикой натянута тончайшая космическая струна, её гравитация разделит свет от источника, создав два изображения-близнеца. Более того, из-за специфики искажения пространства-времени струной, в этих «двойниках» не должно быть искажений, характерных для линзирования массивными галактиками. Это был бы чистый, красивый сигнал.
Пока такой пары мы не нашли. Но охота продолжается. Исследователи также вслушиваемся в фоновый гул гравитационных волн, надеясь уловить характерный хор от колебаний бесчисленных струнных петель, оставшихся с юности Вселенной.
Существуют ли они на самом деле?
Честный ответ: мы не знаем. Их предсказание вытекает из элегантных теорий великого объединения фундаментальных взаимодействий, но природа не обязана быть элегантной. Пока это гипотеза. Но в этом и есть суть науки: мы ищем следы, предсказанные мыслью. Открытие космических струн стало бы не просто находкой нового объекта. Это стало бы прямым подтверждением того, что мы правильно понимаем, что творилось в первую секунду жизни всего сущего. Это открыло бы окно в эпоху, когда сама реальность была иной, а её следы, возможно, всё ещё натянуты, как струны космической скрипки, через всю бездну пространства.
Остается только вооружиться терпением, телескопами и детекторами, и всматриваться в глубины. Вдруг одна из этих трещин в мироздании пролегает где-то совсем рядом?