Элегантная Вселенная. Суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории - Брайан Грин

Глава 13. Чёрные дыры с точки зрения теории струн и M-теории

Чёрные дыры и элементарные частицы

Противоречия между общей теорией относительности и квантовой теорией, существовавшие до эры теории струн, были оскорблением наших врождённых эстетических представлений о том, что законы природы должны складываться в безупречно стройную и целостную систему. Но суть этих противоречий не сводилась к вопиющему несоответствию абстрактных принципов. Существовавшие в момент Большого взрыва и существующие сейчас внутри чёрных дыр экстремальные физические условия нельзя объяснить без помощи квантовой формулировки гравитационного взаимодействия. С появлением теории струн появилась и надежда устранить глубокий антагонизм между квантовой теорией и гравитацией. В этой и следующей главах мы опишем, насколько далеко удалось продвинуться физикам в понимании чёрных дыр и проблемы происхождения Вселенной.

С первого взгляда трудно себе представить два более разобщённых понятия, чем чёрные дыры и элементарные частицы. Обычно мы представляем себе чёрные дыры самыми ненасытными из небесных тел, а элементарные частицы — самыми незаметными частицами материи. Однако исследования конца 1960-х и начала 1970-х гг., включая работы Деметриоса Христодулу, Вернера Израэля, Ричарда Прайса, Брендона Картера, Роя Керра, Дэвида Робинсона, Хокинга и Пенроуза, показали, что, возможно, чёрные дыры и элементарные частицы не так уж и различны, как это может показаться. Эти физики обнаружили весьма веские свидетельства в пользу того, что Джон Уилер суммировал фразой: «У чёрных дыр нет волос». Уилер имел в виду, что за вычетом небольшого числа отличительных особенностей все чёрные дыры выглядят одинаково. Какие же это отличительные особенности? Первая, конечно, это масса чёрной дыры. А остальные? Исследования показали, что ими являются электрический заряд и некоторые другие возможные заряды, а также её скорость вращения. И это всё. Любые две чёрные дыры с одинаковыми массами, зарядами и спинами совершенно идентичны. У чёрных дыр нет модных «причёсок», т. е. других присущих им свойств, по которым одну из них можно было бы отличить от другой. Для физика этот факт — удары в набат. Вспомним, что именно этими свойствами — массой, зарядом и спином — отличаются друг от друга элементарные частицы. Схожесть определяющих характеристик неоднократно приводила некоторых физиков к мысли о том, что чёрные дыры, в действительности, могут быть гигантскими элементарными частицами.

Действительно, в теории Эйнштейна не существует ограничений на минимальную массу чёрной дыры. Согласно теории относительности, если сжать кусок вещества любой массы до достаточно малых размеров, то он превратится в чёрную дыру (чем меньше масса, тем сильнее его нужно сдавливать). Можно придумать мысленный эксперимент, в котором берутся сгустки материи всё меньшей массы, эти сгустки сжимаются до чёрных дыр всё меньших размеров и свойства таких чёрных дыр сравниваются со свойствами элементарных частиц. Из утверждения Уилера об отсутствии волос можно сделать вывод о том, что образованные таким способом чёрные дыры будут очень похожи на элементарные частицы. И те и другие выглядят как мельчайшие сгустки материи, полностью характеризующиеся массами, зарядами и спинами.

Однако есть небольшая загвоздка. Чёрные дыры во Вселенной, массы которых во много раз больше массы Солнца, так велики и тяжелы, что для описания их свойств не нужна квантовая механика, и вполне достаточно уравнений общей теории относительности. (Здесь обсуждается общая структура чёрной дыры, а не область сингулярности внутри неё. Ввиду крошечных размеров этой области, здесь, несомненно, потребуется квантово-механическое описание.) Но размеры чёрных дыр уменьшаются по мере уменьшения их масс в нашем мысленном эксперименте, и в какой-то момент квантовая механика начинает играть роль. Это происходит, когда масса чёрной дыры становится порядка планковской. (С точки зрения физики элементарных частиц планковская масса велика и равна примерно 1019 массы протона, но с точки зрения физики чёрных дыр эта масса крайне мала.) Поэтому физики, рассуждавшие о возможном близком родстве между элементарными частицами и чёрными дырами, сразу же натыкались на несовместимость квантовой теории с теорией относительности, лежащей в основе описания чёрных дыр. В прошлом эта несовместимость парализовала продвижение теоретиков в таком захватывающе интересном направлении.

Позволяет ли теория струн продвигаться вперёд?

Да. Совершенно неожиданный и весьма утончённый подход к изучению чёрных дыр в рамках теории струн начинает давать первые теоретические обоснования взаимосвязи между чёрными дырами и элементарными частицами. Дорога к установлению этой взаимосвязи не всегда прямая, но она проходит по просторам ярких открытий в теории струн, и путешествие по ней не будет скучным.

В качестве отправной точки рассмотрим похоже совсем несвязанный вопрос, который теоретики долбили со всех сторон с конца 1980-х гг. Математикам и физикам было давно известно, что при свёртывании шести пространственных измерений в многообразие Калаби — Яу существует два типа сфер, вложенных в структуру пространства. Сферы первого типа двумерные и похожи на поверхность надувного мяча. Они играли большую роль в обсуждении флоп-перестроек с разрывом пространства в главе 11. Другие сферы представить сложнее, но они встречаются столь же часто. Это трёхмерные сферы, подобные поверхностям надувных мячей, в которые играют на песчаных океанских пляжах во вселенной с четырьмя протяжёнными пространственными измерениями. Обычный же надувной мяч, естественно, является трёхмерным, и только его поверхность, как и поверхность Садового шланга, имеет два измерения. Любую точку на этой поверхности можно задать с помощью двух координат, например широты и долготы. Но сейчас мы хотим представить себе ещё одно измерение, так что мяч окажется четырёхмерным, а его поверхность — трёхмерной. А так как представить это визуально почти невозможно, мы, как правило, будем прибегать к наглядной аналогии в случае меньшего числа измерений. Однако, как мы сейчас увидим, одна черта трёхмерной природы сферических поверхностей имеет важнейшее значение.

Изучая уравнения теории струн, физики осознали возможность и даже высокую вероятность того, что в процессе эволюции во времени эти трёхмерные сферы могут стягиваться, коллапсировать до исчезающе малых размеров. Но что произойдёт, задавались вопросом физики, если и структура пространства будет стягиваться аналогичным образом? Не приведёт ли такое сжатие пространства к каким-нибудь катастрофическим эффектам? Подобный вопрос уже ставился и был решён нами в главе 11, но там рассматривался только коллапс двумерных сфер, а сейчас наше внимание сосредоточено на изучении трёхмерных сфер. (Так же, как и в главе 11, поскольку стягивается лишь часть многообразия Калаби — Яу, а не всё пространство, то аргументы главы 10, позволяющие отождествить малые и большие радиусы, неприменимы.) И вот в чём состоит качественное отличие, связанное с изменением числа измерений.{87} Как описывалось в главе 11, важнейшим свойством движущихся струн является их способность экранировать двумерные сферы. Иными словами, двумерная мировая поверхность струны может целиком окружить двумерную сферу, как показано на рис. 11.6. Этого оказывается достаточно для защиты от катастрофических последствий, возможных при коллапсе двумерной сферы. Но сейчас мы рассматриваем другой тип сфер в пространстве Калаби — Яу, и у этих сфер слишком много измерений, чтобы движущаяся струна могла их окружить. Если понимание последнего утверждения вызывает у читателя сложности, можно без проблем рассмотреть аналогию с числом размерностей на единицу меньше. Трёхмерные сферы можно представлять себе в виде двумерных поверхностей надувного мяча, если при этом одномерные струны рассматривать в качестве нульмерных точечных частиц. Ясно, что нульмерная точечная частица не сможет окружить двумерную сферу, поэтому одномерная струна не сможет опоясать трёхмерную сферу.

Подобные рассуждения привели теоретиков к выводу, что при коллапсе трёхмерной сферы внутри пространства Калаби — Яу (который вполне допускается приближёнными уравнениями, если вообще не является рядовым явлением в теории струн) возможны катастрофические последствия. Действительно, из известных к середине 1990-х гг. приближённых уравнений теории струн, казалось бы, следовало, что если такой коллапс случится, Вселенной придёт конец: некоторые расходимости, которые сокращаются в теории струн, в случае подобного перетягивания структуры пространства перестанут сокращаться. Несколько лет физикам приходилось мириться с этим неприятным, хотя и не окончательно установленным фактом. Но в 1995 г. Эндрю Строминджер показал, что подобные предсказания неверны, и конец света ещё далёк.