Кто играет на космических струнах?

Академик Валерий Рубаков: 'За время около 10 потом уже потихоньку стала расширяться в соответствии со стандартной моделью'.
Фото Артема Житенева (НГ-фото)

-Валерий Анатольевич, думаю, будет разумным привести отрывок из нашей с вами беседы, которая состоялась пять лет назад. Тогда в разговоре мы тоже касались с вами этих удивительных объектов Вселенной - космических струн (см. "НГ-наука", 3 июня 1998 г.).
"- С десяток лет назад очень модной и широко обсуждаемой была теория так называемых космических струн. Что нового здесь?

- Замечательным прогрессом с тех пор стало экспериментальное наблюдение анизотропии реликтового излучения. И данный факт не согласуется с теорией космических струн. Ее суть состояла в следующем.

Некоторый класс теорий элементарных частиц предсказывает существование протяженных объектов - струн. Буквально: тонкие, весомые, тяжелые, длинные объекты...

- На одном из семинаров у академика Виталия Лазаревича Гинзбурга приводились такие оценки: толщина струны 10-29 сантиметров и погонная масса 1022 грамма на сантиметр.

- Оценки могут несколько "гулять". Как бы там ни было - это очень тяжелый, очень тоненький и очень протяженный объект.

- Это и представить-то себе страшно. Объекты, протянувшиеся, скажем, через всю галактику!

- Они исполинские в одном измерении и в то же время микроскопические в другом. Мы уже свыклись с этим.

Эти струны могли образовываться в ранней Вселенной, и описан механизм, как они образуются. Такие объекты ученые рассматривали как некие зародыши: тяжелые, массивные. На них потом "сваливается" вещество, и в результате этого образуются тела из обычного вещества - галактики, например. И это есть некий возможный механизм образования структуры Вселенной. В этой теории вы довольно определенно можете говорить о спектре анизотропии реликтового излучения.

Так вот, эксперименты по измерению анизотропии реликтового излучения, которые сегодня проведены, указывают однозначно, на мой взгляд, на то, что предсказываемый моделями струн спектр не согласуется с наблюдением. Похоже, что они расходятся серьезно. Это означает, что модель струн находится сегодня в шаткой ситуации. Эксперименты по измерению анизотропии реликтового излучения выходят на новый этап. Сейчас очень интересный момент, буквально через несколько лет появятся новые данные об анизотропии реликтового излучения. И тогда мы уже будем знать более или менее надежно: работает или не работает модель струн. По крайней мере сейчас она популярностью не пользуется".

Что же теперь, после наблюдений российско-итальянской группы, придется ученым опять изменить свое скептическое отношение к возможности существования космических струн?

- За эти годы, как я говорил, с изумительной точностью была измерена анизотропия реликтового излучения. Пришли такие данные - пальчики оближешь!

Пять лет назад, когда мы с вами разговаривали, все-таки была некоторая неопределенность: как именно устроена эта анизотропия реликтового излучения. После этого произошло капитальное продвижение. Было поставлено несколько международных экспериментов с использованием высотных аэростатов. Один из них, кстати, летал вокруг Антарктиды. Оказывается, над Антарктидой есть круговые воздушные течения. Именно в этом течении и летал аэростат со сверхчувствительным автоматическим телескопом Boomerang на борту. (Объем аэростата составлял 1 млн. литров. - Прим. ред.) Удалось набрать прекрасные данные по анизотропии реликтового излучения. Эти измерения покрывают практически все небо.

И это дало возможность более или менее точно прорисовать картину реликтового излучения: как на разных масштабах, при рассмотрении под разными углами выглядит анизотропия реликтового излучения, то есть каковы вариации температуры этого излучения в разных направлениях. Это очень тонкий эксперимент. Речь идет о десятках микрокельвинов, даже об единицах микрокельвинов, точности измерения температуры реликтового излучения. Сама температура реликтового излучения -2,7 градуса Кельвина. То есть точность измерения на уровне тысячных долей процента.

Буквально недавно пришли совсем уже свежие данные - со спутника WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe). Уилкинсон - это ученый, идеолог этого эксперимента. Этот спутник набрал прекрасную статистику, прекрасные данные! Сейчас мы знаем про реликтовое излучение гораздо больше, чем пять лет назад.

- А как тогда согласуется то, что вы сейчас сказали, с сообщением об обнаружении космических струн? Ведь, судя по вашим словам, экспериментально наблюдаемые спектры реликтового излучения и спектры, предсказываемые теорией космических струн, сильно расходятся.

- Это означает, что этих струн, если они и существуют (а это еще надо подтверждать), во Вселенной немного, и не они определяют, из чего произошли структуры Вселенной: галактики, скопления галактик - из каких возмущений плотности┘ Все известные нам космические структуры произошли просто в результате нарастания акустических волн, которые ходили в плазме ранней Вселенной. Потом за счет гравитационного притяжения, неустойчивости образовывались галактики и их скопления - в этом мы сегодня твердо уверены.

Но если струны все-таки будут обнаружены - то это замечательная вещь! Независимо от того, что эти струны не играли роли в формировании структур Вселенной, само по себе обнаружение их - это гигантское дело. Ведь речь идет о масштабах энергии 1015-1016 ГэВ (гигаэлектронвольт).

- Что это значит?

- Если это струна, то у нее погонная плотность энергии соответствует энергетическим масштабам 1015-1016 ГэВ.

- Это далеко за пределами энергий, достигаемых, например, на земных ускорителях элементарных частиц?

- Какое там! Ускорители - это тысячи ГэВ. Сейчас строится в ЦЕРНе ускоритель примерно на 14 тысяч ГэВ. А космические струны - это в сотни миллиардов раз большие энергии. Если такое подтвердится, то это - фундаментальнейшее открытие.

Но его надо проверять. Дело в том, что разрешение телескопа, который использовал Михаил Васильевич Сажин с коллегами, слабовато. Угловое расстояние между этими образами примерно 2-3 секунды, сам образ - секунда. И разрешение телескопа - секунда. А для того чтобы проверить, что это действительно линза, а тем более струна, надо провести очень точные измерения. Существуют, как говорят физики, сигнатуры - характерные особенности изображения, которые однозначно должны свидетельствовать, что это струна, а не что-нибудь другое. Указания на это есть. Но все эти указания надо проверить с хорошим разрешением. В земных условиях это невозможно, поэтому речь идет о том, чтобы на космическом телескопе Хаббл понаблюдать эту область неба.

- Но, допустим, что сообщение подтвердится: струна - это реальный физический объект┘ Как этот объект может себе представить не физик, а, скажем, мирный обыватель?

- Это - "веревка" диаметром 10-28 сантиметров. Это, например, заметно меньше размера элементарных частиц. Очень большой длины (никто не знает какой именно, но заведомо ее длина десятки и сотни килопарсек - не меньше, а наверняка больше). И она очень массивная! Погонный вес этой "веревки" - 1019-1020 граммов на сантиметр длины. Другими словами, тысяча километров такой нити весит столько же, сколько наша Земля! Невероятно тяжелая штука! Благодаря этому ее и можно обнаружить только гравитационным образом - только потому, что она такая массивная.

- Грубо говоря, будешь в упор на нее смотреть и не заметишь┘

- Конечно. Только гравитационное взаимодействие ее и выявит.

- А почему вы считаете, что обнаружение космических струн будет иметь колоссальное значение для физики? В чем оно, это значение?

- Это будет означать, что на таких масштабах энергий - 1015-1016 ГэВ - имеется нетривиальное и не обнаруженное до сих пор свойство частиц, полей, которое и формирует эту струну. В известных сегодня теориях, например в стандартной модели физики частиц, таких объектов нет. Значит, это явно должна быть теория, которая имеет дело совсем с другими энергетическим масштабами. То есть здесь мы имеем дело с другой теорией по сравнению с наивными расширениями стандартной модели.

Это отмело бы много альтернативных представлений, некоторые из которых утверждают, что таких энергетических масштабов вообще не существует в природе. То есть обнаружение космических струн подтвердило бы, что физика даже на таких масштабах более или менее похожа на известную нам физику. Другими словами, это значит, что область применимости современных методов и представлений о теории поля простирается до таких энергетических масштабов.

- Понятно, что для современной космологии один из наиболее ценных источников экспериментальной информации - изучение реликтового излучения Вселенной. Тогда как вы могли бы прокомментировать статью, опубликованную в октябре нынешнего года в журнале Nature. Цитирую по сообщению агентства MIGnews.com. "Вселенная - компактна, а по форме напоминает футбольный мяч, то есть сферу, состоящую из пятиугольников. Научное название такой формы - додекаэдр Пуанкаре. К такому выводу пришли ученые, изучив астрономические данные, полученные в Парижской обсерватории┘ Ученые проанализировали предоставленные NASA данные Зонда микроволновой анизотропии Уилкинсона (Wilkinson Microwave Anisotrophy Probe), который отслеживает остаточный фон излучения во Вселенной, ставший следствием Большого Взрыва┘ Если бы Вселенная была бесконечной, "волны" радиации были бы всевозможной "амплитуды и размеров". Однако на деле есть довольно строгий и ограниченный набор. Математик Джеффри Уикс проанализировал модель Вселенной, составленной из пятиугольников, и обнаружил, что вариации излучения в модели вполне соответствуют реальным, причем без всякой специальной подгонки. По мнению исследователей, это излучение противоречит представлению о бесконечной Вселенной".

- Это очень спекулятивно.

- А ведь выглядит все это потрясающе: решен наконец-то спор о том, есть ли граница у Вселенной или она бесконечна┘

- Я скажу вам так. То, что мне известно, и то, что мне говорили сами авторы, обрабатывающие информацию по реликтовому излучению от WMAP, подтверждает: все данные согласуются с тем, что наша Вселенная с высокой степенью точности плоская, то есть бесконечная. Может быть, конечно, что она замкнутая, но этот размер заметно больше видимой части Вселенной. То есть мы точно можем сказать сегодня, что та часть Вселенной, которую мы в принципе можем увидеть, существенно меньше, чем ее полный объем. Никаких указаний на подобного рода экзотику: мол, Вселенная - додекаэдр, - нет.

- Как-то у вас вообще вся экзотика из Вселенной пропадает┘ Обидно.

- Единственная экзотика, которая есть, - это так называемая темная энергия. Это головная боль для теоретиков и экспериментаторов.

Во Вселенной существуют реликтовые нейтрино, причем суммарная плотность всех типов нейтрино - около 350 частиц в одном кубическом сантиметре┘ Плотность нейтрино заметно меньше, чем 10 процентов полной плотности вещества во Вселенной. Значит, оставшиеся 90 процентов вещества во Вселенной не нейтрино. Что же это такое? Плотность других известных частиц - протонов и нейтронов - во Вселенной тоже небольшая: меньше 5 процентов. Итак, более 85 процентов вещества во Вселенной составляют неизвестные нам сегодня частицы.

Похоже, что есть обычные частицы, известные и неизвестные еще нам, и есть заметная часть, примерно 70 процентов, энергии в совершенно другой форме.

- В какой?

- В форме, если можно так сказать, вакуумоподобной: однородная и разлитая по всей Вселенной энергия. Если бы вакуум имел небольшую, но конечную плотность энергии, то как раз она бы подходила для того, чтобы описать динамику Вселенной.

- А как вообще мыслится эксперимент по поиску этой темной энергии?

- Любая энергия, хоть и самая минимальная, что-то весит. И, как любая масса, она участвует в гравитационных взаимодействиях. Но взаимодействует она своеобразно. В зависимости от того, как связаны энергия и давление, определяется темп расширения Вселенной. Зная из независимых наблюдений этот темп расширения, вы можете сказать, какое именно вещество там внутри находится. Там в смысле здесь - во Вселенной.

Физика этого явления очень простая. Если вы возьмете обычное вещество, то гравитация им определяемая положительная, тела притягиваются. Поэтому темп расширения Вселенной после Большого Взрыва должен был бы замедляться за счет того, что вещество стремится собраться обратно гравитационным образом. Но физический вакуум обладает отрицательным давлением. Энергия вакуума из-за того, что у него отрицательное давление, наоборот, должна ускорять разлет Вселенной. И наблюдателю видно, что расширение Вселенной ускоряется. То есть во Вселенной преобладает темная энергия. Похоже, что в последние две трети жизни Вселенной в ней доминирует вот такая вакуумоподобная энергия.

- Где предел точности измерения анизотропии реликтового излучения?

- В ближайшее время - несколько лет - должен быть запущен европейский спутник PLANCK, который померит, если можно так сказать, "пятнистость" реликтового излучения - анизотропию по маленьким углам.

Дальше начинается самое интересное.

Если работает инфляционная модель Вселенной, то ее характерный признак - гравитационные волны, образовавшиеся во время раздувания (инфляции) Вселенной. Это гравитационные волны самых разных длин волн, в том числе и очень больших. Про гравитационные волны мы сегодня не знаем ничего. Но теория предсказывает, что они должны оставлять след в реликтовом излучении, в его анизотропии и в его поляризации. Таким образом, измеряя поляризацию реликтового излучения, можно получить сведения о том, были ли в ранней Вселенной гигантского размера гравитационные волны.

- Может быть, гравитационные волны имеют такой масштаб, что мы находимся как бы внутри их и не можем, естественно, ничего сказать об этом объекте?

- Мы, конечно, внутри волны. Но наиболее интересные размеры гравитационных волн - начиная от 300 мегапарсек. Большой, конечно, размер, но на космологических масштабах вполне измеримый.

Если нам удастся найти в реликтовом излучении следы гравитационных волн, то это будет означать, что подтверждается инфляционная модель Вселенной: экспоненциальное разбегание Вселенной. За время около 10-30 секунд Вселенная раздулась до наших сегодняшних размеров, а потом уже потихоньку стала расширяться в соответствии со стандартной горячей моделью.

Надо сказать, что образование гравитационных волн в инфляционной Вселенной первым просчитал Алексей Старобинский. Потом у меня как раз с Михаилом Сажиным и с Алексеем Веряскиным в 1982 году была сделана работа: как гравитационные волны будут проявляться в анизотропии реликтового излучения. Но мы тогда думали, что экспериментально это никогда не удастся обнаружить. А вот теперь исследователи говорят, что это вполне можно померить. Речь идет о невероятно малых величинах - тысячные доли процента. Если этот эффект удастся обнаружить, то это скажет о том, что, во-первых, инфляция была и, во-вторых, какой был темп расширения Вселенной во время этой инфляции. Амплитуда гравитационного излучения и темп расширения связаны непосредственно.

Это трудные эксперименты, но это все уже в обозримом будущем.