Глава 13. Черные дыры с точки зрения теории струн и М-теории

Противоречия между общей теорией относительности и квантовой теорией, существовавшие до эры теории струн, были оскорблением наших врожденных 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 черных 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 черных дыр и проблемы происхождения Вселенной.

Черные дыры и элементарные частицы

РЎ первого взгляда трудно себе представить РґРІР° более разобщенных понятия, чем черные дыры Рё элементарные частицы. Обычно РјС‹ представляем себе черные дыры самыми ненасытными РёР· небесных тел, Р° элементарные частицы — самыми незаметными частицами материи. Однако исследования конца 1960-С… Рё начала 1970-С… РіРі., включая работы Деметриоса Христодулу, Вернера Израэля, Ричарда Прайса, Брендона Картера, РРѕСЏ Керра, Дэвида РРѕР±РёРЅСЃРѕРЅР°, РҐРѕРєРёРЅРіР° Рё Пенроуза, показали, что, возможно, черные дыры Рё элементарные частицы РЅРµ так СѓР¶ Рё различны, как это может показаться. Эти физики обнаружили весьма веские свидетельства РІ пользу того, что Джон Уилер суммировал фразой: «У черных дыр нет волос». Уилер имел РІ РІРёРґСѓ, что Р·Р° вычетом небольшого числа отличительных особенностей РІСЃРµ черные дыры выглядят одинаково. Какие же это отличительные особенности? Первая, конечно, это масса черной дыры. Рђ остальные? Исследования показали, что РёРјРё являются электрический заряд Рё некоторые РґСЂСѓРіРёРµ возможные заряды, Р° также ее скорость вращения. И это РІСЃРµ. Любые РґРІРµ черные дыры СЃ одинаковыми массами, зарядами Рё спинами совершенно идентичны. РЈ черных дыр нет модных «причесок», С‚. Рµ. РґСЂСѓРіРёС… присущих РёРј свойств, РїРѕ которым РѕРґРЅСѓ РёР· РЅРёС… можно было Р±С‹ отличить РѕС‚ РґСЂСѓРіРѕР№. Для физика этот факт — удары РІ набат. Р’СЃРїРѕРјРЅРёРј, что именно этими свойствами — массой, зарядом Рё СЃРїРёРЅРѕРј — отличаются РґСЂСѓРі РѕС‚ РґСЂСѓРіР° элементарные частицы. Схожесть определяющих характеристик неоднократно приводила некоторых физиков Рє мысли Рѕ том, что черные дыры, РІ действительности, РјРѕРіСѓС‚ быть гигантскими элементарными частицами.

Действительно, в теории Эйнштейна не существует ограничений на минимальную массу черной дыры. Согласно теории относительности, если сжать кусок вещества любой массы до достаточно малых размеров, то он превратится в черную дыру (чем меньше масса, тем сильнее его нужно сдавливать). Можно придумать мысленный эксперимент, в котором берутся сгустки материи все меньшей массы, эти сгустки сжимаются до черных дыр все меньших размеров и свойства таких черных дыр сравниваются со свойствами элементарных частиц. Из утверждения Уилера об отсутствии волос можно еде-


210ВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВ Часть IV. Теория струн Рё структура пространства-времени

лать вывод о том, что образованные таким способом черные 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. Черные 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 черной дыры, а не область сингулярности внутри нее. Ввиду крошечных размеров этой области, здесь, несомненно, потребуется квантово-механическое описание.) Но размеры черных 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 черной дыры становится порядка планковской. (С точки зрения физики элементарных частиц планковская масса велика и равна примерно 1019 массы протона, но с точки зрения физики черных дыр эта масса крайне мала.) Поэтому физики, рассуждавшие о возможном близком родстве между элементарными частицами и черными дырами, сразу же натыкались на несовместимость квантовой теории с теорией относительности, лежащей в основе описания черных дыр. В прошлом эта несовместимость парализовала продвижение теоретиков в таком захватывающе интересном направлении.