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

Если крайне малые, планковского размера, частицы теории струн «живут» вблизи УФ-браны, а их раздутые версии — адроны — вблизи ИК-браны, насколько же они отстоят друг от друга? В определенном смысле не так уж далеко; достаточно спуститься примерно на 66 рядов квадратных демонов, чтобы из области объектов планковского размера добраться до адронов. Но учтите, что каждый это то же самое, что расширение в 1020 раз.

Есть два взгляда на сходство между теорией фундаментальных струн и ядерной физикой. Согласно более консервативному взгляду, это случайное совпадение, примерно как сходство между атомами и Солнечной системой. Это подобие было полезно на заре атомной физики. Нильс Бор в своей теории использовал для атомов туже математику, которую Ньютон применял к Солнечной системе. Но ни Бор, ни кто-либо другой не считал, что Солнечная система действительно является раздутой версией атома. С этой консервативной точки зрения связь между квантовой гравитацией и ядерной физикой — тоже лишь математическая аналогия, полезная, однако, тем, что дает нам возможность использовать математику теории гравитации для объяснения некоторых явлений в ядерной физике.

Более воодушевляющая точка зрения состоит в том, что ядерные струны — это в действительности те же самые объекты, что и фундаментальные струны, но только наблюдаемые через искажающую линзу, которая растягивает их изображения и замедляет движения. Согласно этому взгляду, когда частица (или струна) находится вблизи УФ-браны, она кажется маленькой, энергичной и быстро колеблющейся. То есть она выглядит как фундаментальная струна, ведет себя как фундаментальная струна, а значит, это и есть фундаментальная струна. Например, замкнутая струна, расположенная на УФ-бране, — это гравитон. Но та же струна, переместившись на ИК-брану, смотрится и ведет себя как глюбол. С этой точки зрения, гравитоны и глюболы — это в точности одни и те же объекты, за исключением их положения на сэндвиче бран.

Представьте себе пару гравитонов (струн, находящихся вблизи УФ-браны), которые вот-вот столкнутся друг с другом.

Две частицы вблизи УФ-браны перед столкновением

Если к моменту встречи возле УФ-браны у них будет достаточно энергии, возникнет обычная черная дыра: комок энергии, прилепленный к УФ-бране. Воспринимайте его как каплю жидкости, висящую на потолке. Биты информации, составляющие ее горизонт, имеют планковский размер.

Вот это уж точно эксперимент, который мы вряд ли когда-нибудь сможем осуществить.

Но теперь заменим гравитоны двумя ядрами (вблизи ИК-браны) и столкнем их.

Два ядра вблизи ИК-браны перед столкновением

Вот тут-то и проявляется вся мощь дуальности. Можно рассматривать это явление в четырехмерной версии, в которой два объекта сталкиваются и образуют черную дыру. На этот раз черная дыра будет находиться вблизи ИК-браны, словно большая лужа на полу. Сколько энергии на это потребуется? Гораздо меньше, чем для формирования черной дыры вблизи УФ-браны. На самом деле эта энергия легко достижима на RHIC.

Но можно также рассматривать процесс с трехмерной точки зрения. В этом случае адроны или ядра сталкиваются и порождают брызги из кварков и глюонов.

Поначалу, пока никто не понимал потенциальной связи КХД с физикой черных дыр, эксперты по КХД ожидали, что энергия столкновения породит газ из частиц, которые быстро разлетятся без всякого сопротивления. Но увидели они нечто совершенно иное: энергия удерживалась в форме, напоминавшей каплю жидкости, — так называемый горячий кварковый суп. Этот суп не похож на другие жидкости; у его потоков есть совершенно удивительные свойства, очень напоминающие не что иное, как горизонт черной дыры.

Все жидкости обладают вязкостью. Это разновидность трения, действующего между слоями жидкости, когда они скользят друг по другу. Именно по вязкости различаются очень густые жидкости вроде меда и гораздо более текучие, такие как вода. Вязкость — это не просто качественное понятие. Для любой жидкости можно определить точное числовое значение так называемой сдвиговой вязкости[158].

Теоретики первоначально обратились к стандартному методу приближений и заключили, что горячий кварковый суп должен иметь очень высокую вязкость. Когда оказалось, что его вязкость поразительно мала[159], все были крайне удивлены — все, за исключением нескольких струнных теоретиков.

Если использовать количественные оценки, то вязкость горячего кваркового супа оказывается самой низкой среди всех известных жидкостей и гораздо ниже, чем у воды. Даже сверхтекучий жидкий гелий (прежний чемпион по этому параметру) является значительно более вязким.

Встречается ли хоть где-то в природе столь низкая вязкость, как у горячего кваркового супа? Да, но не у обычных жидкостей. Горизонт черной дыры, если его возмутить, ведет себя подобно жидкости. Например, если маленькая черная дыра падает в черную дыру большего размера, она на время создает выступ на горизонте, подобно капле меда, упавшей на ровную поверхность наполненной медом тарелки. Выступ, возникший на горизонте, растекается как раз так, как это происходило бы с жидкостью, имеющей вязкость. Физики уже давно подсчитали вязкость горизонта, и если сопоставить ее с обычными жидкостями, то она оказывается значительно ниже, чем у сверхтекучего гелия. Когда струнные теоретики начали догадываться о связи между черными дырами и столкновениями ядер[160], они поняли, что среди всего прочего горячий кварковый суп больше всего похож на горизонт черной дыры.

Что в итоге происходит с каплей жидкости? Как и черная дыра, она испаряется — превращается в разнообразные частицы, включая нуклоны, мезоны, фотоны, электроны и нейтрино. Вязкость и испарение — всего лишь два из ряда свойств, которые объединяют горизонты и горячий кварковый суп.

Ядерная жидкость сейчас активно исследуется, чтобы понять, связаны ли аналогичным образом другие ее свойства с физикой черных дыр. Вели данная тенденция сохранится, то перед нами откроется удивительное окно в мир квантовой гравитации, раздутый в размерах и замедленный по частоте так, что планковская длина становится ненамного меньше протона, благодаря чему появится замечательная возможность подтвердить теории Хокинга и Бекенштейна, а также дополнительность черных дыр и голографический принцип.

Говорят, что мир — это лишь краткая интерлюдия между войнами. Но в науке, как справедливо отметил Томас Кун, верно обратное: большая часть «нормальной науки» делается в долгие мирные однообразные периоды между переворотами. Битва при черной дыре грозила полной реструктуризацией физических законов, но теперь мы видим, что она прокладывает свой путь для нормальной каждодневной исследовательской работы в области физики. Как и многие прежние революционные идеи, голографический принцип эволюционировал от радикального сдвига парадигмы до повседневного рабочего инструмента, причем, что удивительно, физиков-ядерщиков.

Перепрошить свой мозг релятивистскими идеями весьма непросто, а квантово-механическими представлениями — еще труднее. Предсказуемость и детерминизм ушли, а не оправдавшие ожиданий классические законы логики были заменены квантовой логикой. Неопределенность и дополнительность были выражены на языке бесконечномерных гильбертовых пространств, математических отношений коммутативности и других странных порождений разума.

Но, несмотря на все перепрошивки XX века, по крайней мере до середины 1990-х годов реальность пространства-времени и объективность событий не подвергались сомнению. Всеми предполагалось, что квантовая гравитация не играет никакой роли, когда речь идет о крупномасштабных свойствах пространства-времени. Стивен Хокинг со своим информационным парадоксом непреднамеренно и даже против своей воли вынудил нас отбросить это предубеждение.

Новые представления о физическом мире, сформировавшиеся чуть более чем за десятилетие, включали новый тип релятивизма и новый тип квантовой дополнительности. Объективный смысл понятия одновременности (двух событий) был утрачен в 1905 году, но сама концепция события оставалась твердой как скала. Если внутри Солнца идет ядерная реакция, все наблюдатели согласятся, что это происходит именно внутри Солнца. Никто не зарегистрирует, что она протекает на Земле. Но в мощном гравитационном поле черной дыры происходит нечто новое, подрывающее саму объективность событий. События, которые падающий наблюдатель сочтет произошедшими глубоко внутри огромной черной дыры, другой наблюдатель зарегистрирует вне горизонта растворенными в шуме фотонов хокинговского излучения. Событие не может быть сразу и за горизонтом, и перед ним. Одно и то же событие располагается или за горизонтом, или перед ним в зависимости от того, какой эксперимент ставит наблюдатель. Но даже крайняя странность дополнительности теряется рядом с удивительным голографическим принципом. Похоже, что крепкий трехмерный мир — это своего рода иллюзия, а реальные события происходят на границах пространства.