Книга Уродливая Вселенная - Сабина Хоссенфельдер

Готовясь к конференции в Мюнхене, Джо составил список математических указаний, говорящих в пользу теории струн. Его список, замечаю я, хорошо соответствует тем аспектам красоты, о которых я уже слышала.

Теория струн, говорит мне Джо, убеждает его прежде всего тем, что справляется с квантованием гравитации, проблемой, для которой известно не много решений. Более того, как только вы проникаетесь идеей струн, у вас остается не так уж много свободы в том, что касается построения теории. Эти две причины, мне кажется, и отражают привлекательность «жесткости», которую также упоминали Нима Аркани-Хамед и Стивен Вайнберг.

Затем Джо отмечает, что другим свойством в защиту теории струн служит ее геометричность (очень важный аспект для Гарретта Лиси), хотя и добавляет, что лично для него это «не играет большой роли».

Следующие два пункта из списка Джо – случаи «связей», как он их называет, или, как выразился философ Давид, «объяснительной развязки». Они придают теории привкус неожиданности, необходимый, чтобы прослыть элегантной. Связи, которые называет Джо, такие: (1) новые открытия, сделанные благодаря калибровочно-гравитационной дуальности («Мы живем в голограмме»), и (2) вклад теории струн в термодинамику черных дыр.

* * *

Черные дыры образуются, когда достаточно большое количество вещества коллапсирует под действием гравитационного притяжения своей собственной массы. Если вещество не в состоянии создать достаточное внутреннее давление – к примеру, потому что звезда истощила все свои запасы топлива, – то продолжает коллапсировать, пока не сконцентрируется в точку. Когда вещество достаточно сильно сжато, гравитационное притяжение на поверхности становится столь сильным, что даже свет не может ее покинуть: рождается черная дыра. Граница, за которую свет не в силах вырваться, называется «горизонтом событий». Свет, попавший ровнехонько на горизонт событий, уже не сумеет вырваться и будет описывать круги вокруг черной дыры вечно, а так как ничто не может двигаться быстрее света, ничто не в силах покинуть черную дыру.

Горизонт событий – граница не физическая. Она не состоит из какого-то вещества, ее наличие может быть замечено только с расстояния, а не по мере приближения к ней. Вы можете даже пересечь горизонт событий, совершенно того не заметив, при условии, что черная дыра достаточно большая. А все потому, что в свободном падении мы не испытываем на себе гравитационного притяжения, а только его изменение – приливную силу. А приливная сила связана обратной зависимостью с массой черной дыры: чем крупнее черная дыра, тем слабее приливная сила.

И действительно, если вы падаете в сверхмассивную черную дыру – вроде той, что сидит в центре Млечного Пути, – приливная сила так мала, что вы и не заметите, как пересекаете горизонт событий. Если вы занырнули в черную дыру головой вперед, приливная сила будет растягивать вашу голову чуть больше, чем ноги, так что вас подрастянет. У горизонта событий вытяжение ничтожное. По мере приближения к центру черной дыры растяжение начнет становиться некомфортным, но к тому времени уже поздно будет поворачивать назад. Технический термин для причины вашей смерти будет звучать как «спагеттификация».

Черные дыры были гипотетическими объектами, однако за последние двадцать лет астрономы накопили неопровержимые доказательства[88] их существования, как для черных дыр звездных масс (образующихся из выгоревших коллапсировавших звезд), так и для сверхмассивных черных дыр (от 1 миллиона до 100 миллиардов масс Солнца). Сверхмассивные черные дыры обнаружены в центре большинства галактик, хотя до сих пор точно не известно, как эти черные дыры вырастают до своих размеров. Сверхмассивная черная дыра в нашей родной Галактике называется Стрелец А* (произносится «А со звездочкой»).

Лучшие эмпирические данные, доказывающие существование черных дыр, из имеющихся у нас сегодня связаны с орбитами звезд и облаков газа в окрестностях черных дыр в сочетании с отсутствием излучения, которое должно появляться, когда вещество падает на некую поверхность. Орбиты сообщают нам, какая масса стиснута в наблюдаемой области пространства, а отсутствие излучения говорит о том, что изучаемый объект не может иметь твердой поверхности.

Однако черные дыры зачаровывают не только экспериментаторов, но и теоретиков. Последних больше всего интригуют выводы, следующие из вычислений Стивена Хокинга. В 1974 году Хокинг продемонстрировал: хотя ничто не способно вырваться за горизонт событий, черная дыра все-таки может терять массу, излучая наружу частицы. Частицы так называемого излучения Хокинга порождаются квантовыми флуктуациями материальных полей вблизи горизонта событий. Частицы рождаются парами из энергии гравитационного поля. Время от времени одна частица из пары улетает прочь, тогда как вторая поглощается черной дырой, что суммарно ведет к потере черной дырой ее массы. Это излучение состоит из самых разных частиц и характеризуется температурой, обратно пропорциональной массе черной дыры, то есть чем меньше черная дыра, тем она горячее, а при испарении черная дыра нагревается.

Подчеркну, что излучение Хокинга вызывается не квантовыми эффектами гравитации, это результат квантовых эффектов вещества в искривленном неквантовом пространстве-времени. Стало быть, при вычислениях использовались только уже хорошо подтвержденные теории.

Почему испарение черных дыр так интригует теоретиков? Да потому, что излучение Хокинга не несет никакой информации (кроме значения самой температуры), оно абсолютно случайно. Однако в квантовой теории информацию нельзя уничтожить. Она может стать настолько лихо перемешанной, что фактически ее невозможно будет восстановить, но принципиально в квантовой теории информация всегда сохраняется[89]. Если вы сожжете книгу, информация, содержавшаяся в ней, только кажется утерянной, а на самом деле просто трансформировалась в дым и пепел. Хотя сожженная книга пользы вам уже не принесет, противоречий с квантовой теорией не возникает. Единственный известный нам процесс, в котором информация действительно уничтожается, – это испарение черных дыр.

Вот и парадокс: мы попробовали объединить гравитацию с квантовой теорией вещества и обнаружили, что результат несовместим с квантовой теорией. Должно существовать разрешение этой проблемы, но какое? Большинство физиков-теоретиков – включая меня – считают, что нам нужна теория квантовой гравитации, чтобы ответить на этот вопрос.