Парадокс очень большой черной дыры: лекция, прочитанная в Сан-Франциско

Я хотел бы привлечь ваше внимание к серьезному конфликту принципов, который впервые описан тринадцать лет назад Стивеном Хокингом. Причина, по которой я сейчас к этому конфликту возвращаюсь, состоит в том, что он указывает на очень серьезный кризис, который должен быть разрешен прежде, чем мы сможем понять самые глубокие вопросы физики и космологии. Эти вопросы включают, с одной стороны, гравитацию, а с другой — квантовую теорию.

Вы можете спросить: почему нам вообще надо смешивать эти две области? В конце концов, гравитация имеет дело с очень большим и очень тяжелым, тогда как квантовая механика управляет миром очень малого и легкого. Ничто не может быть тяжелым и легким в одно и то же время, так как же обе теории могут быть важны в одном и том же контексте?

Давайте начнем с элементарных частиц. Как вы все знаете, сила гравитации между электронами и атомным ядром невероятно мала по сравнению с электрическими силами, которые скрепляют атом. То же самое верно, но в еще большей степени, для ядерных сил, которые удерживают вместе кварки в протоне. Фактически сила гравитации примерно в миллион миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов (1040) раз слабее обычных сил. Поэтому ясно, что она не играет существенной роли в атомной и ядерной физике, что уж говорить об элементарных частицах.

Обычно мы думаем об элементарных частицах, таких как электрон, как о бесконечно малых точках в пространстве. Но это не вся правда. Дело в том, что у элементарных частиц достаточно много свойств, которыми они различаются между собой. Некоторые из них имеют электрический заряд, а другие — нет. Кварки обладают, например, барионным числом, изоспином и свойством, которое ошибочно названо цветом. Частицы, подобно волчкам, вращаются вокруг своей оси. Нет оснований считать, что одна точка может обладать такой структурой и разнообразием свойств. Большинство физиков, занимающихся элементарными частицами, уверены, что если мы сможем исследовать частицы в невероятно малых масштабах, то увидим, как устроен их внутренний механизм.

Если и в самом деле правда, что электроны и их многочисленные родственники не бесконечно малы, то у них должны быть определенные размеры. Но все, что мы знаем из прямых наблюдений (при столкновениях частиц), так это то, что они не больше примерно одной десятитысячной атомного ядра.

Происходят, однако, совершенно экстраординарные вещи. Последние несколько лет мы собрали косвенные свидетельства того, что механизм внутри элементарных частиц имеет ни больше ни меньше как планковские размеры. Теперь планковская длина приобрела невероятное значение для физиков-теоретиков. Мы привыкли думать, что гравитация гораздо слабее электрических и субъядерных сил, и поэтому она совершенно несущественна для описания поведения элементарных частиц. Однако это не так, когда частички материи сближаются друг с другом на планковскую длину. В этих условиях гравитация не только уравнивается с другими силами, но и превосходит их.

Все это означает, что в глубине нашего мира, на расстояниях столь малых, что на них даже электроны имеют сложную структуру, гравитация может быть самой важной силой, скрепляющей частицы. Как видите, в планковском масштабе гравитация и квантовая механика могут работать совместно и объяснять свойства электронов, кварков, фотонов и всей этой честной компании. Нам, физикам, изучающим элементарные частицы, очень нужно построить ясную теорию квантовой гравитации.

Космологи тоже могут избегать квантовой гравитации лишь до определенного момента. Отслеживая Вселенную назад во времени, мы узнаем, что она была гораздо плотнее напичкана частицами. Сегодня [1988] фотоны, образующие КМФ^[91], находятся почти на сантиметровом расстоянии друг от друга, но когда они только испускались, расстояние между ними было в тысячу раз меньше. Ещё дальше в прошлом частицы были стиснуты, как сардины в банке, причем в еще меньшем объеме. Похоже, что во время Большого взрыва они могли находиться на расстоянии не больше планковской длины. В таком случае частицы были столь близки, что самой важной силой, действующей между ними, была гравитация. Иными словами, та же сила квантовой гравитации, которая является ключом к пониманию элементарных частиц, может также быть главной силой, ответственной за Большой взрыв.

Итак, поняв важность квантовой гравитации для нашего будущего (и нашего прошлого), попробуем разобраться, что же мы о ней знаем? Не многим более того, что квантовая теория и гравитация очень серьезно столкнулись, особенно в вопросе о черных дырах. Это на самом деле хорошо, поскольку означает, что у нас есть шанс понять важные вещи, разрешив эту коллизию. Сегодня я собираюсь рассказать короткую историю, которая иллюстрирует данную проблему — не ее решение, а только саму задачу.