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

Но математические правила теории струн позволяют им проходить друг сквозь друга, и в итоге получится такая картинка.

Чтобы проделать такое с настоящими жгутами от эспандера, пришлось бы разрезать один из них, а затем снова соединить после встречи.

Но когда соприкасаются струны, может произойти нечто иное. Вместо того чтобы пройти друг сквозь друга, они могут перестроиться, и тогда получится что-нибудь вроде этого.

Чтобы сделать это со жгутами эспандера, надо их оба разрезать, а потом соединить новым способом.

Какой из двух результатов получится при пересечении струн? Иногда ответ будет один, иногда — другой. Фундаментальные струны — квантовые объекты, а в квантовой механике нет ничего определенного — все варианты возможны, но с определенными вероятностями. Например, струны могут проходить друг сквозь друга в 90 % случаев. А в остальных 10 % случаев они перестраиваются. Вероятность перестраивания называется константой взаимодействия струн.

Зная об этом, давайте присмотримся к короткому кусочку струны, приподнявшемуся над горизонтом черной дыры. Этот короткий сегмент перекручен, и вот-вот с ним случится самопересечение.

В 90 % случаев он проходит сам через себя, и ничего больше с ним не приключается.

Но в 10 % случаев он реорганизуется, и тогда возникает нечто новое: от струны отделяется маленькое кольцо.

Этот небольшой кусочек замкнутой струны является частицей. Он может быть фотоном, гравитоном или любой другой частицей. Поскольку он находится за пределами черной дыры, у него есть шанс ускользнуть, и, когда это происходит, черная дыра теряет немного энергии. Так теория струн объясняет хокинговское излучение.

Физики Нью-Джерси были очень практичной группой. Эдвард Виттен, интеллектуальный лидер Института перспективных исследований в Принстоне, не только великий физик, но также один из ведущих математиков мира. Кто-то, конечно, скажет, что короткие доклады и досужие вымыслы — не самая сильная его сторона (хотя я нахожу его сухую мудрость и широчайшую любознательность весьма приятными), но все согласятся, что его интеллектуальная строгость восхитительна. Я имею в виду не математическую строгость, а скорее ясность, внимательность и отличную продуманность аргументов. Разговаривать с Виттеном о физике порой бывает очень трудно, но это всегда вознаграждается.

В Ратджерсе интеллектуальный дискурс тоже был необычайно высокого качества. Там было шестеро очень успешных физиков-теоретиков, каждый из которых вызывал восхищение, особенно у струнных теоретиков, но также и в более широком кругу физиков. Все они были моими друзьями, но трое — особенно близкими. Я знал Тома Бэнкса, Стива Шенкера и Натана «Нати» Сейберга с тех времен, когда они были очень молодыми физиками, и я был очень рад их компании. Все шестеро рутгертовских физиков обладали грозным интеллектом. Оба университета имели репутацию мест, где вам не отделаться полуготовыми соображениями.

Теперь я знаю, что мои собственные аргументы были очень далеки от полной готовности. Дополнительность черных дыр, Алисин аэроплан, струны, трансформирующиеся в черные дыры и обратно, вместе с некоторыми грубыми оценками — моя картинка казалась более или менее целостной. Но для превращения этих идей в строгую математику в 1993 году не было инструментов. Тем не менее идеи, которые я защищал, нашли отклик у физиков Нью-Джерси. В частности, Виттен в своем отклике более или менее прямо признал предположение о том, что горизонт черной дыры состоит из кусочков струны. Он даже проработал вопрос об испарении струн по аналогии с испарением черных дыр. Шенкер, Сейберг, Бэнкс и их коллега Майкл Дуглас — все внесли очень полезные предложения, направленные на то, чтобы сделать эти идеи более точными.

Также в Нью-Джерси был струнный теоретик, которого я не очень хорошо знал. Кумрун Вафа, молодой профессор из Гарварда, приехал в Соединенные Штаты из Ирана, чтобы изучать физику в Принстоне. К 1993 году его считали одним из самых креативных и математически проницательных физиков в мире. Будучи в основном струнным теоретиком, он также много работал с черными дырами, и так сложилось, что он оказался в аудитории Ратджерса, когда я объяснял, как энтропия черной дыры может вытекать из струнной природы горизонта. Беседа, которая состоялась между нами после этого, имела решающее значение.

Ко времени моей лекции было уже известно, что если сбросить электрон в черную дыру, то она станет электрически заряженной. Заряд быстро распределяется по горизонту и вызывает отталкивание, которое немного сжимает горизонт.

Однако нет причины останавливаться на одном электроне. Горизонт можно зарядить сколь угодно сильна И чем сильнее он заряжен, тем ближе становится к сингулярности.

Кумрун Вафа указал, что есть особенный тип заряженных черных дыр, в которых соблюдается строгий баланс между гравитационным притяжением и электрическим отталкиванием. Такие черные дыры называются экстремальными. Согласно Вафе, экстремальные черные дыры должны быть идеальными лабораториями для проверки моих идей. Он утверждал, что они могут стать ключом к более точным вычислениям, которые позволят заменить расплывчатый знак пропорциональности (~) твердым знаком равенства (=).

Давайте чуть подробнее остановимся на заряженных черных дырах. Сгустки электрического заряда обычно нестабильны, поскольку электроны отталкиваются друг от друга (вспомните закон: одинаковые заряды отталкиваются; противоположные заряды притягиваются). Даже если образуется облако электрического заряда, его обычно немедленно разрывают на части силы электрического отталкивания. Но гравитация может компенсировать электрическое отталкивание, если сгусток заряда достаточно массивен. Поскольку все объекты во Вселенной гравитационно притягиваются друг к другу, то между тяготением и электрическим отталкиванием возникнет конкуренция — гравитация притягивает заряды, а электрическое взаимодействие расталкивает. Заряженная черная дыра — это что-то вроде перетягивания каната.

Если сгусток заряда очень массивен, но имеет лишь небольшой электрический заряд, гравитация выигрывает в этом соперничестве, и сгусток будет сжиматься. Если его масса мала, но он имеет огромный электрический заряд, тогда электрическое отталкивание возьмет верх, и сгусток станет расширяться. Существует точка равновесия, где заряд и масса имеют строго определенное соотношение. В этой точке электрическое отталкивание и гравитационное притяжение уравновешивают друг друга, и перетягивание каната заканчивается вничью. Именно это и есть экстремальная черная дыра.

Теперь представьте, что у вас есть две рукоятки, одна для гравитации, а другая для электрических сил. Сначала обе они включены. Когда гравитация и электрические силы в точности уравновешены, у вас получается экстремальная черная дыра. Если ослабить гравитацию, не уменьшая электрических сил, последние начнут побеждать в перетягивании каната. Но если начать ослаблять обе силы в строго определенной пропорции, то баланс будет сохраняться. Каждая сторона будет слабеть, но ни одна не сможет добиться превосходства.

Наконец, если обе рукоятки прокрутить до нуля, гравитационные и электрические силы исчезнут. Что останется? Струна без всяких сил, действующих между ее частями. На протяжении всего этого процесса энтропия не меняется. Но ключевой момент состоит в том, что и масса тоже не меняется. Взаимно компенсирующие друг друга электрические и гравитационные силы «не совершают работы», что на языке физиков означает, что энергия остается в точности такой же, как вначале.

Вафа рассуждал, что если мы знаем, как создать такую черную дыру в теории струн, то можем с высокой точностью изучить, как рукоятки управления гравитационными и электрическими силами включаются и выключаются. Он сказал, что должна быть возможность с использованием теории вычислить точные значения коэффициентов, которые я тогда понятия не имел, как определять. Смешивая метафоры, можно сказать, что точное вычисление этих коэффициентов стало Священным Граалем для струнных теоретиков и способом закончить приготовление моей идеи. Но никто не знал, как собрать подходящего типа заряженную черную дыру из компонентов, которые предлагает теория струн.

Теория струн немного напоминает очень сложный набор «Тинкертой»[143], с большим количеством различных деталей, которые могут соединяться друг с другом в целостные конструкции. Я еще расскажу немного об этих математических «колесиках и шестеренках», но в 1993 году некоторые важные детали, необходимые для построения экстремальной черной дыры, еще не были открыты.