Пам'ятаєте, як за часів "Володаря перснів" гноми Морії надто жадібно й глибоко копали землю, і в результаті знайшли вогняних демонів, яким не судилося блукати на волі?
Космічні струни - це такий самий давній жах, тільки для фізики. По суті, вони являють собою гіпотетичні залишки доленосних перетворень в епоху першої секунди життя нашого всесвіту.
Це дефекти, вади самого простору. Вони не ширші за протон, але потенційно можуть простягатися на весь спостережуваний обсяг космосу.
Вони мають невимовну силу - здатність викривляти простір настільки, що кола навколо них ніколи не завершуються; і вони несуть достатньо енергії, щоб вивільнити гравітаційні хвилі, які руйнують планети.
Також вони - шлях до деяких екзотичних явищ, відомих (і невідомих) науці.
Але, можливо, найбільша сила космічних струн полягає в їхній здатності збивати фізиків з пантелику.
Згідно з нашими найкращими уявленнями про ранній Всесвіт, навколишній світ повинен рясніти космічними струнами. І все ж жоден пошук не виявив жодних доказів їхнього існування. З'ясування того, де вони ховаються або чому їх взагалі не повинно бути, допоможе допоможе допоможе сучасній космології та фундаментальній фізиці.
І нам не знадобиться чарівник.
Що таке симетрія?
Давайте повернемося до найбільш ранніх моментів в історії. Коли вік космосу становив менш ніж частку секунди, весь його сучасний об'єм, близько 90 мільярдів світлових років, був стиснутий у простір розміром не більше за атом.
Одразу скажу, що в нас немає твердого розуміння природи Всесвіту. Саме тому, що матерія, яка заповнювала тоді простір, перебувала в такому надзвичайно екзотичному стані, з такими безглуздими температурами і тисками, що навіть не варто вигадувати для них цифри.
За таких енергій наші знання просто руйнуються. У нас немає ні зрозумілого рівняння, ні керівних принципів, ні експериментальних даних, які могли б розповісти, чим саме займався Всесвіт, коли був настільки юним.
Але у нас є кілька підозр, що закрадаються. За допомогою математичних моделей і деяких експериментів ми визначили, що сили природи не завжди є тим, чим здаються.
За звичайних, типових для повсякденного життя енергій ми спостерігаємо чотири фундаментальні сили: гравітацію, електромагнетизм, сильну ядерну і слабку ядерну. Але за високих енергій усе змінюється.
За енергії близько 246 Гев електромагнітні та слабкі ядерні сили об'єднуються. Вони зливаються в єдину електрослабку силу. І ось що дивно: за таких енергій існує тільки три сили природи, а не чотири.
Щойно ви опускаєтеся нижче за цю енергію, електрослабка сила розпадається на більш звичні для нас електромагнітні та слабкі ядерні сили.
У фізиці таке розщеплення називається "спонтанним порушенням симетрії". Єдина електрослабка сила має глибоку математичну симетрію, але вона може зберігатися тільки за високих енергій.
У нашому повсякденному досвіді така симетрія прихована (або порушена), а дві складові електрослабкої сили здаються абсолютно різними, хоча вони є проявами глибшої, єдиної сили.
Чому варто зупинитися на цьому?
Фізики підозрюють, що при ще більш високих енергіях до них приєднуються сильні ядерні сили, створюючи Велику єдину теорію. Це не просто дозвільні домисли. Константи, що визначають силу сил, змінюються з енергією, і за досить високих показників усі вони мають приблизно однакову силу.
Крім того, вважається, що при майже незбагненних енергіях гравітація об'єднується з іншими силами і створює щось, що потрапляє під дослідження фундаментальної фізики - Теорію всього.
Основна проблема полягає в тому, що у нас немає Великої єдиної теорії, не кажучи вже про Теорію Всього. У нас є кандидати, такі, як теорія суперсиметрії, які могли б гарантувати єдину теорію, але вони виявилися експериментально неспроможними.
Теорія струн йде на крок далі, але ми навіть не впевнені, як її перевірити. Це означає, що нам не вистачає гострої математичної проникливості, необхідної для того, щоб пробитися крізь туман надзвичайно раннього Всесвіту, до часу, коли симетрії, які керують фундаментальними силами, залишалися непорушними.
Поки не порушилися.
У міру розширення й охолодження нашого Всесвіту він проходив через радикальні фазові переходи, і в результаті чотири сили природи - одна за одною - відкололися від об'єднаної протосили. І ми підозрюємо, що під час одного з таких фазових переходів народилися космічні струни.
Коли фізична система зазнає фазового переходу, відбувається втрата симетрії. Наприклад, олівець, збалансований на кінчику, перебуває у високоенергетичному стані, але також чудово симетричний - він має однаковий вигляд під будь-яким кутом спостереження.
Однак ідеально збалансований олівець нестійкий; коли він падає, симетрія порушується, і він "вибирає" місце для падіння на стіл.
Для фізики цієї системи не має значення, куди впаде олівець - ліворуч чи праворуч. Точне місце падіння довільне і не впливає на загальну картину, яка полягає в тому, що олівець перебуває в більш стабільному, низькоенергетичному, менш симетричному стані.
Коли наш Всесвіт зазнав фазових переходів у більш низькоенергетичні стани, коли сили природи відокремилися одна від одної, існувала аналогічна свобода вибору того, як саме порушити ці симетрії. Напрямок "порушення симетрії" абсолютно довільний і обирається випадковим чином. І здебільшого це не має значення.
Але давайте розглянемо іншу аналогію, щоб зрозуміти, чому іноді це може мати значення.
Рідка вода має більше ступенів свободи - більше симетрії - ніж жорстка брила льоду.
Коли вода починає свій фазовий перехід і замерзає, молекули мусять вирішити, в якому напрямку будувати кристалічну решітку. Інакше кажучи, вода має порушити свою фундаментальну симетрію і досягти стану з нижчою енергією, хоча спосіб порушення симетрії апріорі не обирається.
Кристали льоду можуть утворюватися, наприклад, у напрямі зліва направо або, однаковою мірою, у напрямі вгору-вниз (я, звісно, спрощую, щоб якомога швидше відійти від цієї аналогії). Неважливо, який напрямок виберуть молекули води; у будь-якому разі ви отримаєте лід.
Але що якщо одна частина води почне замерзати в напрямку вгору-вниз, а інша - зліва-направо? Зрештою, у вас з'являться два набори молекул води, розташованих у різних орієнтаціях. Там, де ці набори зустрінуться, виникне доменна стінка, межа між двома режимами, видима нам як тріщина або злам у кубику льоду.
Давайте відкриємо морозильник і подивимося: порушена симетрія проявилася.
Аналогічним чином відбувається фазовий перехід у дитячому Всесвіті; саме він спричинив розщеплення сил.
У різних регіонах Всесвіту симетрія порушена по-своєму. Незважаючи ні на що, одні й ті самі фундаментальні сили діють однаково, але ті маленькі математичні терміни, які не впливають на фізику, можуть набувати різних значень у різних куточках космосу. Таким чином з'являються тріщини. Дефекти. У самому просторі-часі.
Космічні струни.
Космічні струни
Космічні струни набувають різних гіпотетичних властивостей залежно від того, який саме фазовий перехід їх породив і як цей конкретний фазовий перехід відбувався. Але у всіх космічних струн є одна спільна риса: напруга. І дуже велика.
Космічна струна - це вада в просторі-часі, дефект у тканині Всесвіту. Вони натягують і стискають простір-час по всій своїй довжині, як складки на аркуші паперу.
Подібні складки виявляють дефіцит звичайного обсягу простору-часу. Якщо ви обійдете навколо олівця, то намальоване вами коло складе 360 градусів. Це свого роду визначення кола. Але якщо ви обігнете космічну струну, простір навколо неї настільки викривиться, що коли ви завершите свою подорож і повернетеся у вихідну точку, то виявите, що проїхали менше звичайних 360 градусів.
Відповідно до загальної теорії відносності, не можна викривити простір-час без джерела маси або енергії. У разі космічних струн ця енергія надходить від величезної напруги, закладеної в самій струні. Зрештою, вона стискає воєдино дві області простору-часу.
Напруга - це форма енергії, а якщо зібрати багато енергії докупи, то вийде маса, тож, незважаючи на те, що струни складаються лише з простору, вони мають масу. Типова маса космічної струни залежить від багатьох теоретичних факторів, але хорошим емпіричним правилом є те, що кілометр космічної струни може перевищувати масу всієї планети Земля.
Що стосується розмірів, то вони, найімовірніше, не ширші за протон, хоча точний розмір залежить від того, який фазовий перехід спричинив їхнє утворення.
Що стосується довжини, то тут усе дещо складніше, оскільки вони ведуть дуже цікаве життя.
Оскільки космічні струни знаходяться там, де зустрічаються дві області розірваного Всесвіту, і цей же Всесвіт постійно розширюється, вони охоплюють весь спостережуваний Всесвіт.
Але струни також динамічні, і якщо світ створює одну струну, немає причин, через які він не може створити цілу мережу таких струн.
Коли вони перетинаються, то розщеплюють одна одну в точці перетину, розбиваючи великі струни на дрібні. Іноді струна може зациклитися: коли це відбувається, петля розривається, блукаючи і залишаючи після себе коротшу батьківську струну.
Таким чином, набір струн, що народилися в ранньому Всесвіті, швидко перетворюється на мережу відрізків, коротших сегментів і петель, що вільно плавають.
Пошук вад космічних струн
Ще кілька десятиліть тому космологи вважали, що подібна мережа космічних струн є основою великомасштабної структури Всесвіту. І справді, галактики утворюють скупчення і суперскупчення, відомі як... космічне павутиння.
Остання смутно нагадує мережу струн, тому теоретики відкрито задалися питанням, чи не пов'язані вони між собою.
Передбачається, що на початку світової історії струни створювали невелике гравітаційне тяжіння, яке давало змогу матерії скупчуватися поруч із ними. Таким чином з'явився такий собі скелетон, навколо якого утворилася низка суперкластерів.
На жаль, подальший аналіз космічного павутиння і детальні зображення післясвітіння, що виникло під час переходу нашого Всесвіту з плазми в нейтральний стан, коли йому було 380 000 років, демонструє, що на цьому творча роль космічних струн вичерпується.
Такі мережі просто не мають потрібних статистичних властивостей для пояснення розподілу матерії у великих масштабах.
Але можуть бути й інші способи виявити космічні струни. Один із них - пряме, просте спостереження. Масивні об'єкти викривляють шлях світла. Як у дзеркалі фанхауса або через викривлене скло, ми бачимо кілька знімків одного й того самого фонового об'єкта.
Візьмемо, наприклад, скупчення галактик. Ми регулярно фіксуємо, як вони з'являються в кількох місцях, а потім світло від одного джерела викривляється, змінюється і повторюється химерним чином.
Якщо між нами і далекою галактикою знаходиться космічна струна, ми побачимо дві копії одного і того ж зображення, розділені гравітацією струни. На жаль, усі спроби знайти такі подвійні зображення не увінчалися успіхом.
Ймовірно, ви не захочете особисто зіткнутися з космічною струною; з такою кількістю напруги, щільності та енергії вона може просто розрізати вас, як ніж масло.
Оскільки пошуки зруйнованих зірок і планет, найімовірніше, не принесуть результатів (тому що ми не знаємо, що станеться, а отже, і що шукати), нам доведеться шукати інші способи взаємодії струн з навколишнім Всесвітом.
Існує безліч способів співвіднести комічні струни і Стандартну модель фізики частинок: електромагнітне випромінювання або короткоживучі масивні частинки, які розпадаються на фотони, нейтрино, античастинки і багато іншого.
Залежно від теорії, на яку вони спираються, струни можуть світитися по-різному. Однак пошуки гігантських космічних світлових мечів, що проносяться Всесвітом, нічого не дали.
Остання спроба знайти докази струн - гравітаційні хвилі. Поодинока пряма струна не випромінює гравітацію, але коли дві струни зустрічаються (або коли струна перетинає саму себе), у цій точці утворюється "перемичка". Вона переміщається вниз майже зі швидкістю світла, випромінюючи гравітаційні хвилі (і, в деяких моделях, ще джети або високоенергетичні частинки).
У той час як безперервні відрізки струн можуть існувати практично вічно, петлі скажено звиваються, випромінюючи величезну кількість гравітаційних хвиль, стискаючись і врешті-решт зникаючи.
Що ж відбувається?
Космічні струни, схоже, є загальним передбаченням нашого (за загальним визнанням, нечіткого) розуміння раннього Всесвіту. Ми не знаємо точно, що відбувалося мільярди років тому, але ми цілком упевнені, що це пов'язано з фазовими переходами, і що ці фазові переходи повинні підтримувати топологічні дефекти, такі, як космічні струни.
І хоча спочатку вони не мали нічого спільного з теорією струн (які навмисно названі суперструнами, щоб відокремити їх від космічних струн), у деяких випадках суперструни можуть вирости з субпланківської довжини до гігантських розмірів, перетворившись на космічні струни.
Ми сильно підозрюємо, що останні мають бути розкидані по всьому Всесвіту. І все ж десятиліття прямих і непрямих пошуків не привели до їх виявлення. Взагалі.
У нас залишається два висновки.
Або наші уявлення про фізику раннього Всесвіту помилкові, і космічні струни не такі вже й типові, як нам здається, або ми не розуміємо, як вони проявляються в сучасному космосі, і в наших спостереженнях чогось не вистачає.
Або і те, і інше. Не соромтеся залишити свій каламбур про закручені у вузли струни.
Джерело: arstechnica.com
