УДК 524.354.6-423: 141.2

И.В. Владленова

ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ В КОНТЕКСТЕ ТЕОРИИ СУПЕРСТРУН: ОБЪЕДИНЕНИЕ МИКРО- И МАКРОМИРА

У статті розглядається проблема уніфікуючої теорії у фізиці, що описує як мікро, так і макросвіт. Ця проблема особливо гостро стоїть перед дослідниками, що вивчають природу чорних дір. Розуміння того, що таке ці об'єкти, дозволяє глибше розібратися у фундаментальних категоріях буття, зрозуміти, як пов'язані простір, час, матерія. У атомній області, яка вивчається квантовою фізикою, ігнорується гравітація. Інша область є сферою гравітації і космології, тут не враховуються квантові явища. Цю проблему, що затрудняє вивчення чорних дір, намагаються вирішити дослідники, що працюють в області теорії суперструн. За допомогою бран існує можливість опису деяких спеціальних чорних дір в рамках теорії суперструн. Вивчаючи термодинаміку екстремальних бран, накручених на додаткові виміри, можна відтворити термодинамічні властивості екстремальних чорних дір.

Ключові слова: чорні діри, теорія суперструн, матерія, простір, гравітація.

В статье рассматривается проблема унифицирующей теории в физике, описывающей как микро-, так и макромир. Эта проблема особо остро стоит перед исследователями, изучающими природу черных дыр. Понимание того, что представляют собой эти объекты, позволяет глубже разобраться в фундаментальных категориях бытия, понять, как связаны пространство, время, материя. В современной физике складывается следующая ситуация: в атомной области, которая изучается квантовой физикой, игнорируется гравитация. Другая область является сферой гравитации и космологии, здесь не учитываются квантовые явления. Эту проблему, затрудняющую изучение черных дыр, пытаются решить исследователи, работающие в области теории суперструн. С помощью бран существует возможность описания некоторых специальных черных дыр в рамках теории суперструн. Изучая термодинамику экстремальных бран, накрученных на дополнительные измерения, можно воспроизвести термодинамические свойства экстремальных черных дыр.

Ключевые слова: черные дыры, теория суперструн, материя, пространство, гравитация.

In the article the problem of unifying theory is examined in physics. This theory describes mikrocosm and macrocosm. The problem of this description especially sharply stands before researchers, studying nature of black holes. When we will understand what black holes, we will understand life, space, time, matter deeper. In atomic area which is studied quantum physics, researchers ignore a gravitation. Other area is the sphere of gravitation and cosmology, the here scientific do not take into account the quantum phenomena. This problem, hampering the study of black holes, researchers, workings in area of theory of superstrings, try to decide. Bran allow to describe some special black holes within the framework of theory of strings. Studying thermodynamics of extreme bran, winded on the additional measurings, it is possible to reproduce thermodynamics properties of extreme black holes.

Keywords: black holes, theory of superstrings, matter, space, gravitation.

Черные дыры считаются самыми загадочными объектами во Вселенной, так как они представляют собой физические тела с особенными свойствами. «Черная дыра, возможно, наиболее фантастическая из всех концепций, созданных человеческим разумом» [4, c. 307]. Процессы, протекающие в черной дыре и ее окрестностях, мало изучены. Понимание того, что представляют собой эти объекты, позволяет глубже разобраться в фундаментальных категориях бытия, понять, как связаны пространство, время, материя. А.В. Рыков и другие исследователи черных дыр полагают, что изучение этих объектов в контексте понимания таких вопросов, как связь между пространством и временем, материей и информацией, лежит в области философии [6]. Фундаментальными основами физических процессов, протекающих в черных дырах, занимаются С. Хокинг, И.Д. Новиков, Д.А. Киржниц, В.П. Фролов, Н.И. Шакура, Я.Б. Зельдович, Б.В. Вайнер, П.Д. Насельский, М.А. Марков и др.

Процессы, протекающие в черных дырах невозможно понять без унифицирующей теории физики, так как в черных дырах с одной стороны, проявляются квантовые процессы, протекающие в окрестности сингулярности, с другой – черные дыры представляют собой сгусток гравитации, изменяющий пространственно-временное множество. Якоб Бекенштейн впервые обратил внимание на квантовую природу черных дыр, обосновав, что черные дыры обладают энтропией [7]. Стивен Хокинг смог показать, что черная дыра должна иметь температуру и установил точный коэффициент пропорциональности между площадью горизонта черной дыры и ее энтропией [8]. Если черная дыра имеет температуру, она будет излучать как горячее тело, однако излучение уносит энергию от черной дыры. Следовательно, с течением времени вся масса черной дыры перейдет в радиацию, она потеряет энергию, массу, нагреется. В конце этого процесса черная дыра уменьшится до планковской массы, и требуется квантовая теория гравитации, чтобы смоделировать окончательный этап эволюции черной дыры. Однако и Стивен Хокинг и Якоб Бекенштейн представляли черную дыру не как квантовомеханическую систему, поскольку это может быть сделано только в квантовой теории пространства-времени. Существует настоятельная потребность объяснить энтропию и температуру черных дыр в рамках унифицирующей теории.

Многие физики работают над объединяющей теорией в области теоретической физики. К примеру, Ли Смолин отмечает необходимость создания конечной теории природы, которая должна включать в себя все, что мы знаем об окружающем мире. Становление квантовой физики повлекло разделение мира на две области. В атомной области, которая изучается квантовой физикой, игнорируется гравитация. Другая область является сферой гравитации и космологии, здесь не учитываются квантовые явления. Ли Смолин назвал данную научную проблему проблемой квантовой гравитации, суть которой: необходимость объединения ОТО и квантовой физики в одну теорию, которая может претендовать на роль полной теории природы [7].

Теория суперструн является претендентом на «единую теорию всего». Б. Грин считает, что теория суперструн объединяет все частицы и все силы в природе. Она предполагает нахождение связи между квантовой механикой и пространством – временем. Б. Грин отмечает, что простая замена точечных частиц струнами в качестве фундаментальных компонентов мироздания ведет к далеко идущим последствиям: теория струн, по‑видимому, разрешает противоречие между общей теорией относительности и квантовой механикой. «Пространственная протяженность струн является новым ключевым звеном, позволяющим создать единую гармоничную систему, объединяющую обе теории. А также теория струн действительно представляет объединенную теорию, поскольку в ней все вещество и все взаимодействия обязаны своим происхождением одной фундаментальной величине – колеблющейся струне» [1, с.80].

Проблема объединения макро- и микромира интересует не только современных исследователей, она не раз становилась объектом рассуждения мыслителей древности. В древности человек представлял себя частью целого и ощущал неразрывную связь всего, что происходит в окружающем мире. В натурфилософских концепциях древних греков человек является частью космоса. Н. Кузанский, Дж. Бруно, Т. Кампанелла, Парацельс и другие мыслители видели в человеке микрокосм – часть макрокосма. Такое представление свойственно пантеистическим учениям Б. Спинозы и Г.В. Лейбница, И.-В. Гете, русским космистам и др.

Однако современный человек, вооруженный научными знаниями, ощущает пропасть, разделяющую два мира, то есть макромир и микромир предстают как две специфические области объективной реальности, различающиеся уровнем структурной организации материи: область макропроцессов (мир, человек), а также область микромира, которая непосредственно недоступна наблюдению. Каждый из этих миров характеризуется своеобразием строения материи, пространственно-временных и причинных отношений, закономерностей движения. В макромире материальные объекты подчиняются законам классической механики. Для микромира характерна тесная связь корпускулярных и волновых свойств, выражающаяся в статистических законах квантовой механики.

В действительности же такое разделение на два мира ведет к недоразумениям и парадоксам. Ли Смолин полагает, что идея унификации физики достаточно разумна по той простой причине, что природа «в очевидном смысле «едина». Вселенная, в которой мы сами существуем, взаимосвязана, что означает, то, что все взаимодействует со всем прочим. Нет оснований, по которым мы могли бы иметь две теории природы, покрывающие различные явления, как если бы одна никогда не действовала вместе с другой. «Все требует, чтобы конечная теория была полной теорией природы. Она должна включать в себя все, что мы знаем» [7, с. 5]. Ученый отмечает, что физика долгое время существовала без такой единой теории по той причине, что это было удобно: в атомной области, где правит квантовая физика, можно игнорировать гравитацию. При этом пространство и время трактуется как неизменный фон. Другая область является областью гравитации и космологии. В этом мире игнорируются квантовые явления. Однако, с точки зрения большинства физиков, такое решение – временное.

Особо наглядно видна необходимость унифицирующей теории при изучении черных дыр. Под черной дырой понимают область в пространстве – времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света. Граница этой области называется горизонтом событий, а её радиус (если она сферически симметрична) – гравитационным радиусом. В простейшем случае сферически симметричной чёрной дыры он равен радиусу Шваршильда [4]. Две важнейшие черты, присущие чёрным дырам в модели Шварцшильда – это наличие горизонта событий и сингулярности, которая отделена этим горизонтом от остальной вселенной. Решением Шварцшильда описывается изолированная невращающаяся, незаряженная и неиспаряющаяся чёрная дыра.

В рамках теории суперструн существует возможность изучения черных дыр благодаря бранам. Под браной понимают фундаментальный физический объект (протяжённая p-мерная мембрана, где p – количество пространственных измерений). Виттен, Таунсенд и др. физики добавили к одномерным струнам пространственные многообразия с большим числом измерений [1]. Двумерные объекты называются мембранами, или 2-бранами, трехмерные – 3-бранами, структуры с размерностью p – p-бранами. Именно браны сделали возможным описание некоторых специальных черных дыр в рамках теории суперструн. Если установить струнную константу связи на нуле, то можно теоретически «выключить» гравитационную силу [7]. Это позволяет рассмотреть геометрии, в которых многие браны накручены вокруг дополнительных измерений. Браны переносят электрические и магнитные заряды (имеется предел того, как много заряда может иметь брана, этот предел связан с массой браны). Конфигурации с максимально возможным зарядом очень специфичны и называются экстремальными (они включают в себя одну из ситуаций, когда имеются дополнительные симметрии, которые позволяют проводить более точные вычисления). Экстремальными черными дырами называются такие дыры, в которых имеется максимальное количество электрического или магнитного заряда, которое может иметь черная дыра, и все еще быть стабильной [7]. Изучая термодинамику экстремальных бран, накрученных на дополнительные измерения, можно воспроизвести термодинамические свойства экстремальных черных дыр.

В рамках теории суперструн проводится аналогия между системой экстремальных бран, свернутых вокруг дополнительных измерений и экстремальными черными дырами и показывается, что фактически, многие свойства двух систем в точности одинаковы. Это совпадение возникает потому, что в обоих случаях имеется несколько различных суперсимметричных преобразований, связывающих фермионы и бозоны. Оказывается, они позволяют сконструировать убедительную математическую аналогию, которая заставляет термодинамики двух систем быть идентичными [7].

Можно предположить, что между теорией гравитации внутри черной дыры и калибровочной теорией имеется только частичное соответствие. В этом случае черная дыра может захватывать информацию навсегда – или даже переправлять информацию в новую вселенную, рождающуюся из сингулярности в центре черной дыры (Джон Арчибальд Уилер и Брюс Де Витт) [4]. Так что информация, в конце концов, не теряется с точки зрения ее жизни в новой вселенной, но информация теряется навсегда для наблюдателя на границе черной дыры. Эта потеря возможна, если калибровочная теория на границе содержит только частичную информацию про внутренности дыры. Однако можно предположить, что соответствие между двумя теориями точное. Калибровочная теория не содержит ни горизонта, ни сингулярности, и нет места, в котором информация могла бы потеряться. Если это точно соответствует пространству-времени с черной дырой, информация не может потеряться и там тоже. В первом случае наблюдатель теряет информацию, во втором – он сохраняет ее. Эти научные предположения требуют дальнейшего исследования.

Существует обоснованная надежда о том, что такие представления претендуют на полное описание и объяснение явлений, протекающих в черных дырах, так как для их описания используется теория суперсимметрии, которая играет в теории струн фундаментальную роль. Струнные теории, построенные вне суперсимметрии, содержат нестабильности, которые будут неадекватны, эмитируя все больше и больше тахионов в процессе, который не имеет конца, пока теория не разрушится. Суперсимметрия ликвидирует такое поведение и стабилизирует теории [1]. Однако суперсимметрия подразумевает, что имеется симметрия во времени, значит, суперсимметричная теория не может быть построена на пространстве-времени, которое эволюционирует во времени [7]. Таким образом, аспект теории, требуемый для ее стабилизации, также делает ее трудной для изучения вопросов, связанных с проблемами квантовой теории гравитации (например, что происходило во вселенной сразу после Большого Взрыва или, что происходит глубоко внутри горизонта черной дыры). В том и другом случае «геометрия» быстро эволюционирует во времени. Эти научные проблемы требуют своего дальнейшего исследования и разрешения.

 

Перечень ссылок

1.                        Грин Б. Элегантная Вселенная. Суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории [текст] / Брайан Грин; [ перевод с англ.]; Общ. ред. и пер. В.О. Малышенко; Ред. А. Берков. – 3-е изд., испр. – М.: URSS; КомКнига, 2007. – 286 с.

2.                        Николсон И. Тяготение, черные дыры и Вселенная [текст] / И. Николсон. – М.: Мир, 1983. – 240 с.

3.                        Новиков И. Д. Черные дыры и Вселенная [текст] / Игорь Дмитриевич Новиков. – М.: Молодая гвардия, 1985. – 190 с.

4.                        Новиков И.Д., Фролов В.П. Черные дыры во Вселенной [текст] / И.Д. Новиков, В.П. Фролов // Успехи физических наук. – 2001. – т.171. – №3. – с.307-324.

5.                        Рис М. Черные дыры, гравитационные волны и космология. Введение в современные исследования [текст] / М. Рис. – М.: Мир, 1977. – 376 с.

6.                        Рыков А.В. Гипотеза о природе гравитации [текст] / А.В. Рыков // Физическая мысль России, письма. – 2001. – №1. – с. 59-63.

7.                        Смолин Ли. Неприятности с физикой: Взлет теории струн, упадок науки и что за этим следует [Електронный ресурс] / Ли Смолин // Журнал «Самиздат».- Режим доступа к журн.: http://zhurnal.lib.ru/a/artamonow_j_a/.

8.                        Хокинг Ст. Краткая история времен: От большого взрыва до черных дыр [текст] / Стивен Хокинг [пер. с англ.]; Послесл. Я.А. Смородинский; Предисл. Карл Саган; перевод Н.Я. Смородинская. – СПб.: Амфора, 2000. – 268 с.

9.                        Хокинг Ст. Крупномасштабная структура пространства-времени [текст] / Стивен Хокинг; [ пер. с англ.]. – М.: Мир, 1977. – 431 с.

10.                     Хокинг Ст. Черные дыры и молодые вселенные [текст] / Стивен Хокинг; [пер. с англ. М.В. Кононов]. – СПб.: Амфора, 2001. – 189 с. – (Эврика).

 

Рецензент: к. філос. н. Білецький І.П.