Теория струн, сингулярности и чёрные дыры

В большинстве ситуаций квантовая механика и гравитация успешно игнорируют друг друга, при этом первая применяется к малым объектам, таким как молекулы и атомы, а вторая к большим объектам, соразмерным звёздам и галактикам. Однако обе теории вынуждены встречаться в мирах, известных как сингулярности. Сингулярность — это любая физическая ситуация, реальная или гипотетическая, которая настолько экстремальна (огромные массы, малый размер, гигантская кривизна пространства, проколы или разрывы в самой пространственно-временной структуре), что квантовая механика и общая теория относительности ведут себя неадекватно, выдавая результаты, сродни сообщению об ошибке на экране калькулятора при попытке разделить на ноль.

Цель любой квантовой теории гравитации состоит в том, чтобы свести воедино квантовую механику и гравитацию таким образом, чтобы сингулярности исчезли. Разработанный математический аппарат должен быть непротиворечив даже в момент Большого взрыва или в центре чёрной дыры47 и давать разумное описание ситуаций, которые в течение длительного времени ставили исследователей в тупик. Именно в этом направлении теория струн достигла своих самых впечатляющих успехов, уменьшив список сингулярностей.

В середине 1980-х годов группа исследователей, состоящая из Ланса Диксона, Джеффа Харви, Кумруна Вафы и Эдварда Виттена, пришла к выводу, что некоторые проколы в ткани пространства (называемые сингулярностями орбифолда), которые доставляли много хлопот уравнениям Эйнштейна, прекрасно ведут себя в теории струн. Ключ к успеху состоял в том, что струна в отличие от точечной частицы не может свалиться в такой прокол. Поскольку струна — это протяжённый объект, она может удариться о прокол, может обмотаться вокруг него либо воткнуться в него, но подобного рода умеренные взаимодействия совершенно не портят уравнения теории струн. Это важно не потому, что такие изъяны в пространстве действительно имеют место — может, да, а может, и нет, — а потому, что именно таких свойств мы хотим от квантовой теории гравитации: способности работать осмысленно в ситуации, когда по отдельности отказывают как общая теория относительности, так и квантовая механика.

В 1990-х годах в нашей работе с Полом Аспинволлом и Дэвидом Моррисоном, а также независимо Эдвардом Виттеном было установлено, что более сильные сингулярности (известные как флоп-сингулярности), возникающие при сжатии сферической области пространства до бесконечно малого размера, тоже описываются теорией струн. Интуиция подсказывает, что струна при движении может накрутиться на такую сжатую область пространства, подобно обручу на мыльный пузырь, создавая нечто вроде кругового ограждения. Вычисления показывают, что такой «струнный щит» сводит на нет любые потенциально разрушительные последствия и гарантирует, что уравнения теории струн остаются непротиворечивыми — никаких ошибок типа «1 разделить на 0», — даже когда отказывают уравнения общей теории относительности.

За прошедшие годы исследователи показали, что множество других, более сложных сингулярностей (с названиями конифолд, ориентифолд, энханкон и так далее) также полностью контролируются теорией струн. Таким образом, имеется растущий список ситуаций, в которых Эйнштейн, Бор, Гейзенберг, Уилер и Фейнман воскликнули бы: «Мы просто не понимаем, что происходит!», но теория струн даёт полный и непротиворечивый ответ.

Достигнут значительный прогресс. Но остаётся проблема устранения с помощью теории струн сингулярностей чёрных дыр и Большого взрыва, более суровых, чем рассмотренные ранее. Идя к этой цели, теоретики приложили немало усилий, и они добились значительных успехов. Но если подытожить, то впереди ещё долгий путь, прежде чем наиболее трудные и важные сингулярности будут полностью осознаны.

Тем не менее одно важное открытие пролило свет на теорию чёрных дыр. В 1970-х годах в работах Якоба Бекенштейна и Стивена Хокинга было установлено, что чёрные дыры обладают определённой степенью беспорядка, известной как энтропия (см. главу 9). Подобно тому как беспорядок, царящий в ящике для носков, отражает множество способов их случайного расположения, так и беспорядок внутри чёрной дыры, согласно фундаментальным физическим законам, свидетельствует о множестве вариантов случайного размещения её внутренностей. Однако даже после долгих усилий физикам не удалось достаточно хорошо разобраться в том, как устроены внутренности чёрных дыр, не говоря уж о том, чтобы проанализировать возможные способы их размещения. Струнные теоретики Эндрю Строминджер и Кумрун Вафа вырвались из этого тупика. Смешав фундаментальные ингредиенты теории струн (с некоторыми из них мы встретимся в главе 5), они построили математическую модель беспорядка чёрной дыры, достаточно простую и понятную, чтобы извлечь из неё численное значение энтропии. Полученный результат в точности совпал с ответом Бекенштейна и Хокинга. Хотя осталось много открытых вопросов (например, точная идентификация составляющих чёрной дыры), эта работа стала первым надёжным квантово-механическим анализом беспорядка чёрной дыры.48

Замечательный прогресс в изучении сингулярности чёрной дыры и её энтропии привёл физическую общественность к обоснованной убеждённости, что со временем оставшиеся трудности, связанные с чёрными дырами и Большим взрывом, будут преодолены.