Главная Астрономия Астрофизик: вокруг космических струн образовались первые галактики

Космические струны против суперструн: как возникли галактики

Помните, как во времена "Властелина колец" гномы Мории слишком жадно и глубоко копали землю, и в результате нашли огненных демонов, которым не суждено бродить на свободе?

Космические струны - это такой же древний ужас, только для физики. По сути, они представляют собой гипотетические остатки судьбоносных преобразований в эпоху первой секунды жизни нашей вселенной.

Это дефекты, изъяны самого пространства. Они не шире протона, но потенциально могут простираться на весь наблюдаемый объем космоса.

Они обладают невыразимой силой - способностью искривлять пространство настолько, что круги вокруг них никогда не завершаются; и они несут достаточно энергии, чтобы высвободить разрушающие планеты гравитационные волны.

Также они - путь к некоторым экзотическим явлениям, известных (и неизвестных) науке.

Но, возможно, самая большая сила космических струн заключается в их способности сбивать физиков с толку.

Согласно нашим лучшим представлениям о ранней Вселенной, окружающий мир должен изобиловать космическими струнами. И все же ни один поиск не обнаружил никаких доказательств их существования. Выяснение того, где они прячутся или почему их вообще не должно быть, поможет поможет современной космологии и фундаментальной физике.

И нам не понадобится волшебник.

Что такое симметрия?

Давайте вернемся к самым ранним моментам в истории. Когда возраст космоса составлял менее доли секунды, весь его современный объем, около 90 миллиардов световых лет, был сжат в пространство размером не больше атома.

Новый анализ показывает, что что-то искажает мерцание пульсаров. Некоторые физики считают, что это космические струны

Сразу скажу, что у нас нет твердого понимания природы Вселенной. Именно потому, что материя, заполнявшая тогда пространство, находилась в таком чрезвычайно экзотическом состоянии, с такими дурацкими температурами и давлениями, что даже не стоит придумывать для них цифры.

При таких энергиях наши знания просто разрушаются. У нас нет ни понятного уравнения, ни руководящих принципов, ни экспериментальных данных, которые могли бы рассказать, чем именно занималась Вселенная, когда была столь юной.

Но у нас есть несколько закрадывающихся подозрений. С помощью математических моделей и некоторых экспериментов мы определили, что силы природы не всегда являются тем, чем кажутся.

При обычных, типичных для повседневной жизни энергиях мы наблюдаем четыре фундаментальные силы: гравитацию, электромагнетизм, сильную ядерную и слабую ядерную. Но при высоких энергиях все меняется.

 

При энергии около 246 ГэВ электромагнитные и слабые ядерные силы объединяются. Они сливаются в единую электрослабую силу. И вот что удивительно: при таких энергиях существует только три силы природы, а не четыре.

Как только вы опускаетесь ниже этой энергии, электрослабая сила распадается на более привычные для нас электромагнитные и слабые ядерные силы.

В физике такое расщепление называется "спонтанным нарушением симметрии". Единая электрослабая сила обладает глубокой математической симметрией, но она может сохраняться только при высоких энергиях.

В нашем повседневном опыте такая симметрия скрыта (или нарушена), а две составляющие электрослабой силы кажутся совершенно разными, хотя они являются проявлениями более глубокой, единой силы.

Почему стоит остановиться на этом?

Физики подозревают, что при еще более высоких энергиях к ним присоединяются сильные ядерные силы, создавая Большую единую теорию. Это не просто досужие домыслы. Константы, определяющие силу сил, меняются с энергией, и при достаточно высоких показателях все они имеют примерно одинаковую силу.

 

Кроме того, считается, что при почти непостижимых энергиях гравитация объединяется с другими силами и создает нечто, попадающее под исследование фундаментальной физики - Теорию всего.

Основная проблема заключается в том, что у нас нет Большой единой теории, не говоря уже о Теории Всего. У нас есть кандидаты, такие, как теория суперсимметрии, которые могли бы гарантировать единую теорию, но они оказались экспериментально несостоятельными.

Теория струн идет на шаг дальше, но мы даже не уверены, как ее проверить. Это означает, что нам не хватает острой математической проницательности, необходимой для того, чтобы пробиться сквозь туман чрезвычайно ранней Вселенной, ко времени, когда симметрии, управляющие фундаментальными силами, оставались незыблимыми.

Пока не нарушились.

По мере расширения и охлаждения нашей Вселенной она проходила через радикальные фазовые переходы, и в результате четыре силы природы - одна за другой - откололись от объединенной протосилы. И мы подозреваем, что во время одного из таких фазовых переходов родились космические струны.

Когда физическая система претерпевает фазовый переход, происходит потеря симметрии. Например, карандаш, сбалансированный на кончике, находится в высокоэнергетическом состоянии, но также прекрасно симметричен - он выглядит одинаково под любым углом наблюдения.

 

Однако идеально сбалансированный карандаш неустойчив; когда он падает, симметрия нарушается, и он "выбирает" место для падения на стол.

Для физики этого системы не имеет значения, куда упадет карандаш - слева или справа. Точное место падения произвольно и не влияет на общую картину, которая заключается в том, что карандаш находится в более стабильном, низкоэнергетическом, менее симметричном состоянии.

Когда наша Вселенная претерпела фазовые переходы в более низкоэнергетические состояния, когда силы природы отделились друг от друга, существовала аналогичная свобода выбора того, как именно нарушить эти симметрии. Направление" нарушения симметрии абсолютно произвольно и выбирается случайным образом. И по большей части это не имеет значения.

Но давайте рассмотрим другую аналогию, чтобы понять, почему иногда это может иметь значение.

Жидкая вода имеет больше степеней свободы - больше симметрии - чем жесткая глыба льда.

Когда вода начинает свой фазовый переход и замерзает, молекулы должны решить, в каком направлении строить кристаллическую решетку. Другими словами, вода должна нарушить свою фундаментальную симметрию и достигнуть состояния с более низкой энергией, хотя способ нарушения симметрии априори не избирается.

Кристаллы льда могут образовываться, например, в направлении слева направо или, в равной степени, в направлении вверх-вниз (я, конечно, упрощаю, чтобы как можно быстрее уйти от этой аналогии). Неважно, какое направление выберут молекулы воды; в любом случае вы получите лед.

Но что если одна часть воды начнет замерзать в направлении вверх-вниз, а другая - слева-направо? В конце концов, у вас появятся два набора молекул воды, расположенных в разных ориентациях. Там, где эти наборы встретятся, возникнет доменная стенка, граница между двумя режимами, видимая нам как трещина или излом в кубике льда.

Давайте откроем морозильник и посмотрим: нарушенная симметрия проявилась.

Аналогичным образом происходит фазовый переход в младенческой Вселенной; именно он вызвал расщепление сил.

В разных регионах Вселенной симметрия нарушена по-своему. Несмотря ни на что, одни и те же фундаментальные силы действуют одинаково, но те маленькие математические термины, которые не влияют на физику, могут принимать разные значения в разных уголках космоса. Таким образом появляются трещины. Дефекты. В самом пространстве-времени.

Космические струны.

Космические струны

Космические струны принимают различные гипотетические свойства в зависимости от того, какой именно фазовый переход их породил и как этот конкретный фазовый переход происходил. Но у всех космических струн есть одна общая черта: напряжение. И очень большое.

Возможно, космические струны породили гравитацию

Космическая струна - это изъян в пространстве-времени, дефект в ткани Вселенной. Они натягивают и сжимают пространство-время по всей своей длине, как складки на листе бумаги.

Подобные складки проявляют дефицит обычного объема пространства-времени. Если вы обойдете вокруг карандаша, то нарисованная вами окружность составит 360 градусов. Это своего рода определение круга. Но если вы обогнете космическую струну, пространство вокруг нее настолько исказится, что когда вы завершите свое путешествие и вернетесь в исходную точку, то обнаружите, что проехали меньше обычных 360 градусов.

Согласно общей теории относительности, нельзя искривить пространство-время без источника массы или энергии. В случае космических струн эта энергия поступает от огромного напряжения, заложенного в самой струне. В конце концов, она сжимает воедино две области пространства-времени.

Напряжение - это форма энергии, а если собрать много энергии вместе, то получится масса, поэтому, несмотря на то, что струны состоят только из пространства, они обладают массой. Типичная масса космической струны зависит от многих теоретических факторов, но хорошим эмпирическим правилом является то, что километр космической струны может превышать массу всей планеты Земля.

Что касается размеров, то они, скорее всего, не шире протона, хотя точный размер зависит от того, какой фазовый переход вызвал их образование.

 

Что касается длины, то здесь все несколько сложнее, поскольку они ведут очень интересную жизнь.

Поскольку космические струны находятся там, где встречаются две области разорванной Вселенной, и эта же Вселенная постоянно расширяется, они охватывают всю наблюдаемую Вселенную.

Но струны также динамичны, и если мир создает одну струну, нет причин, по которым она не может создать целую сеть таких струн.

Когда они пересекаются, то расщепляют друг друга в точке пересечения, разбивая большие струны на мелкие. Иногда струна может зациклиться: когда это происходит, петля разрывается, блуждая и оставляя после себя более короткую родительскую струну.

Таким образом, набор струн, родившихся в ранней Вселенной, быстро превращается в сеть отрезков, более коротких сегментов и свободно плавающих петель.

Поиск изъянов космических струн

Еще несколько десятилетий назад космологи считали, что подобная сеть космических струн является основой крупномасштабной структуры Вселенной. И действительно, галактики образуют скопления и суперскопления, известные как... космическая паутина.

Последняя смутно напоминает сеть струн, поэтому теоретики открыто задались вопросом, не связаны ли они между собой.

Предполагается, в начале мировой истории струны создавали небольшое гравитационное притяжение, которое позволяло материи скапливаться рядом с ними. Таким образом появился некий скелетон, вокруг которого образовался ряд суперкластеров.

Увы, дальнейший анализ космической паутины и детальные изображения послесвечения, возникшего при переходе нашей Вселенной из плазмы в нейтральное состояние, когда ей было 380 000 лет, демонстрирует, что на этом созидательная роль космических струн исчерпывается.

Такие сети просто не обладают нужными статистическими свойствами для объяснения распределения материи в больших масштабах.

Но могут быть и другие способы обнаружить космические струны. Один из них - прямое, простое наблюдение. Массивные объекты искривляют путь света. Как в зеркале фанхауса или через искаженное стекло, мы видим несколько снимков одного и того же фонового объекта.

Возьмем, к примеру, скопления галактик. Мы регулярно фиксируем, как они появляются в нескольких местах, а затем свет от одного источника искривляется, изменяется и повторяется причудливым образом.

Если между нами и далекой галактикой находится космическая струна, мы увидим две копии одного и того же изображения, разделенные гравитацией струны. К сожалению, все попытки найти такие двойные изображения не увенчались успехом.

Вероятно, вы не захотите лично столкнуться с космической струной; с таким количеством напряжения, плотности и энергии она может просто разрезать вас, как нож масло.

Поскольку поиски разрушенных звезд и планет, скорее всего, не принесут результатов (потому что мы не знаем, что произойдет, а значит, и что искать), нам придется находить иные способы взаимодействия струн с окружающей их Вселенной.

Существует множество способов соотнести комические струны и Стандартной модель физики частиц: электромагнитное излучение или короткоживущие массивные частицы, которые распадаются на фотоны, нейтрино, античастицы и многое другое.

В зависимости от теории, на которую они опираются, струны могут светиться по-разному. Однако поиски гигантских космических световых мечей, проносящихся по Вселенной, ничего не дали.

Последняя попытка найти доказательства струн - гравитационные волны. Одиночная прямая струна не излучает гравитацию, но когда две струны встречаются (или когда струна пересекает саму себя), в этой точке образуется «перемычка». Она перемещается вниз почти со скоростью света, испуская гравитационные волны (и, в некоторых моделях, еще джеты или высокоэнергетические частицы).

В то время как непрерывные отрезки струн могут существовать практически вечно, петли бешено извиваются, излучая огромное количество гравитационных волн, сжимаясь и в конце концов исчезая.

Что же происходит?

Космические струны, похоже, являются общим предсказанием нашего (по общему признанию, нечеткого) понимания ранней Вселенной. Мы не знаем точно, что происходило миллиарды лет назад, но мы вполне уверены, что это связано с фазовыми переходами, и что эти фазовые переходы должны поддерживать топологические дефекты, такие, как космические струны.

И хотя изначально они не имели ничего общего с теорией струн (которые намеренно названы суперструнами, чтобы отделить их от космических струн), в некоторых случаях суперструны могут вырасти с субпланковской длины до гигантских размеров, превратившись в космические струны.

Мы сильно подозреваем, что последние должны быть разбросаны по всей Вселенной. И все же десятилетия прямых и косвенных поисков не привели к их обнаружению. Вообще.

У нас остается два вывода.

Либо наши представления о физике ранней Вселенной ошибочны, и космические струны не так уж типичны, как нам кажется, либо мы не понимаем, как они проявляются в современном космосе, и в наших наблюдениях чего-то не хватает.

Или и то, и другое. Не стесняйтесь оставить свой каламбур о закрученных в узлы струнах.

Дата: 22 сентября 2022

Автор: Пол Саттер

Поделиться с друзьями: