Битва при черной дыре. Мое сражение со Стивеном Хокингом за мир, безопасный для квантовой механики
Шрифт:
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 определённом 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
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, ведёт 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 ведёт 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 чёрная дыра: комок энергии, прилепленный к УФ-бране. Воспринимайте его как каплю жидкости, висящую на потолке. Биты информации, составляющие её 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 столкнём их.
Два ядра вблизи ИК-браны перед столкновением
Вот тут-то и проявляется вся мощь дуальности. Можно рассматривать это явление в четырёхмерной версии, в которой два объекта сталкиваются и образуют чёрную дыру. На этот раз чёрная дыра будет находиться вблизи ИК-браны, словно большая лужа на полу. Сколько энергии на это потребуется? Гораздо меньше, чем для формирования чёрной дыры вблизи УФ-браны. На самом деле эта энергия легко достижима на RHIC.
Но можно также рассматривать процесс с трёхмерной 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 чёрных 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 чёрной 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 мёда 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
158
Слово «сдвиговая» относится к проскальзыванию одного слоя по другому.
159
Строго говоря, так мала была его вязкость, делённая на энтропию жидкости.
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 чёрной дыры, если его возмутить, ведёт себя подобно жидкости. Например, если маленькая чёрная дыра падает в чёрную дыру большего размера, она на время создаёт выступ на горизонте, подобно капле мёда, упавшей на ровную поверхность наполненной мёдом 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 её с обычными жидкостями, то она оказывается значительно ниже, чем у сверхтекучего гелия. Когда струнные теоретики начали догадываться о связи между чёрными дырами и столкновениями ядер [160] , они поняли, что среди всего прочего горячий кварковый суп больше всего похож на горизонт чёрной дыры.
160
Павел Ковтун, Дэм Т. Сан и Андрей О. Старинец — трое теорфизиков из Вашингтонского университета в Сиэтле, которые первыми обнаружили, какие свойства горячего квантового супа вытекают из голографического принципа.
Что в итоге происходит с каплей жидкости? Как и чёрная 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 её свойства с физикой чёрных 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 чёрных 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 чёрной 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, причём, что удивительно, физиков-ядерщиков.
24
Смирение
Мы всего лишь усовершенствованная порода обезьян на малозначительной планете возле самой заурядной звезды. Но мы понимаем Вселенную. И это делает нас чем-то особенным.
Перепрошить свой мозг релятивистскими идеями весьма непросто, а квантово-механическими представлениями — ещё труднее. Предсказуемость и детерминизм ушли, а не оправдавшие ожиданий классические законы логики были заменены квантовой логикой. Неопределённость и дополнительность были выражены на языке бесконечномерных гильбертовых пространств, математических отношений коммутативности и других странных порождений разума.