Битва при черной дыре. Мое сражение со Стивеном Хокингом за мир, безопасный для квантовой механики - Леонард Сасскинд

Прежде чем перейти к более подробному рассказу о теории струн, позвольте мне обрисовать общую картину. Никто не знает наверняка, правильно ли теория струн описывает наш мир, и, возможно, мы еще много лет этого не узнаем. Но для наших целей это не самый важный вопрос. У нас есть впечатляющие подтверждения того, что теория струн является математически непротиворечивой теорией некоего мира. Она основывается на принципах квантовой механики; она описывает систему элементарных частиц, подобных тем, что имеются в нашем мире; и в ней в отличие от других теорий (в первую очередь имеется в виду квантовая теория поля) все материальные объекты взаимодействуют посредством гравитационных сил. А самое главное, в теории струн есть черные дыры.

Но как с помощью теории струн доказывать какие-либо свойства нашего мира, если мы не уверены, что она верна? Для некоторых задач это не имеет значения. Мы используем теорию струн в качестве модели некоторого мира, а затем вычисляем или математически доказываем, теряется ли информация в черных дырах этого мира.

Допустим, мы обнаружили, что информация в нашей модели не теряется. Убедившись в этом, можно внимательнее присмотреться и понять, в чем же был неправ Хокинг. Можно попытаться понять, имеют ли место дополнительность черных дыр и голографический принцип в теории струн. Если да, то это не доказывает, что теория струн верна, но доказывает, что Хокинг ошибался, поскольку он объявил доказанным, что черные дыры должны уничтожать информацию в любом непротиворечивом мире.

Свое объяснение теории струн я намерен ограничить минимально необходимыми основами. Подробнее о ней можно узнать в целом ряде изданий, включая мою книгу «Космический ландшафт», а также книги Брайана Грина «Элегантная Вселенная» и Айзы Рэнделл «Закрученные пассажи»[119]. Теория струн была почти случайным открытием. Первоначально она не имела никакого отношения к черным дырам и далекому планковскому миру квантовой гравитации. Она касалась куда более обыденных вопросов, связанных с адронами. Хотя слово «адрон» не используется в повседневном обиходе, сами адроны входят в число самых распространенных и хорошо изученных элементарных частиц. К ним относятся протоны и нейтроны — частицы, из которых состоят атомные ядра, — а также их близкие родственники, называемые мезонами, и так называемые глюболы. В свое время адроны были передним краем физики элементарных частиц, но сегодня они часто воспринимаются как старомодная тема в ядерной физике. Тем не менее в главе 23 мы познакомимся с рядом идей, которые возвращают адронам их былую славу в физике.

Есть старый анекдот о двух еврейских дамах, которые встретились на углу в Бруклине. Одна говорит другой: «Tы должна уже знать, что мой сын стал доктором. А между прочим, кем стал твой сын, у которого вечно были трудности с математикой?» Другая ей отвечает: «О, мой мальчик стал гарвардским профессором по физике элементарных частиц». Первая с сочувствием отвечает: «Да, дорогая, ужасно жаль, что он так и не дослужился до физики высших частиц».

Что в точности имеется в виду под элементарными частицами и какими они еще могут быть? Простейший ответ: частица элементарна, если она столь мала и проста, что ее нельзя разделить на меньшие части. Их противоположность — не высшие, а составные частицы — те, что состоят из более простых частей меньшего размера.

Редукционизм — это научная философия, которая приравнивает понимание к разбиранию вещей на части. До сих пор это очень хорошо работало. Молекулы объясняются как состоящие из атомов; в свою очередь атомы — это совокупности отрицательно зараженных электронов, обращающихся вокруг центрального положительно заряженного ядра; ядра оказались сгустками нуклонов; наконец, каждый нуклон состоит из трех кварков. Сегодня все физики согласны, что молекулы, атомы, ядра и нуклоны — составные объекты.

Однако некоторое время назад каждый из них считался элементарным. В действительности термин «атом» происходит от греческого слова, означающего «неделимый», которое было в ходу около 2500 лет. Лишь недавно Эрнест Резерфорд открыл атомное ядро. Оно казалось настолько маленьким, что могло считаться просто точкой. Как видите, то, что одно поколение называет элементарным, потомки могут счесть составным.

Все это поднимает вопрос о том, как мы решаем — по крайней мере в данный момент, — является некая частица элементарной или составной? Вот один из возможных ответов: столкните два таких объекта с достаточной силой и посмотрите, что разлетится. Если что-то вылетит, оно должно было находиться внутри одной из первоначальных частиц. В действительности, когда сталкиваются два очень быстрых электрона, во все стороны разлетается куча всевозможного мусора. Особенно много будет фотонов, электронов и позитронов[120]. Если столкновение очень сильное; то появятся также протоны, нейтроны и их античастицы[121]. И для полноты картины иногда может появиться целый атом. Означает ли это, что электроны состоят из атомов? Очевидно, нет. Столкновения с огромными энергиями помогают разобраться в свойствах частиц, но, оказывается, то, что при этом вылетает, не всегда позволяет судить, из чего эти частицы состоят.

Вот более удачный метод выяснения, состоит ли нечто из частей. Начнем с очевидно составного объекта — камня, баскетбольного мяча или куска теста для пиццы. С таким предметом можно много чего сделать — сжать его до меньшего объема, деформировать, придав ему новую форму, или закрутить его вокруг собственной оси. На сжатие, изгиб или закручивание требуется энергия. Например, вращающийся мяч обладает кинетической энергией; чем быстрее ои крутится — тем больше энергия. А поскольку энергия — это масса, быстро вращающийся мяч становится массивнее. Мерой вращения служит угловой момент, который учитывает скорость вращения мяча, его размер и массу. Приобретая все больший и больший угловой момент, мяч накапливает энергию. На следующем графике показано, как нарастает энергия вращающегося баскетбольного мяча.

Вращающийся баскетбольный мяч

Но почему эта кривая неожиданно обрывается? Догадаться нетрудно. Материал, из которого сделан мяч (кожа или резина), не может выдержать слишком большого натяжения. В какой-то момент мяч будет разорван на части центробежными силами.

Теперь представьте себе частицу размером не больше точки в пространстве. Как заставить математическую точку вращаться вокруг своей оси? Или что бы могло означать изменение ее формы? Возможность придать объекту вращение или заставить его пульсировать — это признак того, что он состоит из меньших частей, частей, которые движутся друг относительно друга.

Молекулы, атомы и ядра тоже можно раскрутить, но в случае этих микроскопических шариков материи центральную роль играет квантовая механика. Как и во всех колебательных системах, энергия и угловой момент могут увеличиваться только дискретными шагами. Раскручивание ядра — это не процесс постепенного накачивания его энергией. Это больше похоже на подталкивание вверх по лестнице. Так что график энергии и углового момента представляет собой последовательность отдельных точек[122].

Вращающееся ядро

Если не считать дискретности шагов, график выглядит в основном так же, как и для баскетбольного мяча, включая и внезапный обрыв. Как и мяч, ядро выдерживает лишь определенную центробежную силу, а потом разлетается на части.

А что можно сказать об электронах? Можно ли их раскрутить? Несмотря на все усилия, а они на протяжении многих лет были довольно значительными, никому не удалось увеличить угловой момент электрона. Мы еще вернемся к электронам, но сначала давайте займемся адронами — протонами, нейтронами, мезонами и глюболами.

Протоны и нейтроны очень похожи. У них почти одинаковая масса, а силы, которые связывают их в ядра, практически идентичны. Единственное существенное различие состоит в том, что протон имеет небольшой электрический заряд, а нейтрон, как и указывает его название, электрически нейтрален. Как будто нейтрон — это протон, которому каким-то образом удалось скрыть свой заряд. Именно это сходство привело физиков к тому, чтобы терминологически объединить эти частицы в один объект — нуклон. Протон — это положительный нуклон, а нейтрон — нейтральный нуклон.

В эпоху зарождения ядерной физики нуклон, хотя он почти в 2000 раз тяжелее электрона, также считался элементарной частицей. Но по части простоты нуклон не имеет ничего общего с электроном. По мере развития ядерной физики объекты размером в 100 000 раз меньше атомов стали считаться не такими уж маленькими. Тогда как электрон остается точкой в пространстве — по крайней мере, на современном уровне знаний, — нуклон демонстрирует богатую, сложную внутреннюю механику. Оказывается, у нуклонов гораздо меньше общего с электронами, чем с ядрами, атомами и молекулами. Протоны и нейтроны — это конгломераты из множества меньших объектов. Мы знаем об этом, поскольку они вращаются, вибрируют и могут менять свою форму.