Черные дыры и элементарные частицы
С первого взгляда трудно себе представить два более
разобщенных понятия, чем черные дыры и элементарные частицы. Обычно мы
представляем себе черные дыры самыми ненасытными из небесных тел, а
элементарные частицы — самыми незаметными частицами материи. Однако
исследования конца 1960‑х и начала 1970‑х гг., включая работы Деметриоса
Христодулу, Вернера Израэля, Ричарда Прайса, Брендона Картера, Роя Керра,
Дэвида Робинсона, Хокинга и Пенроуза, показали, что, возможно, черные дыры и
элементарные частицы не так уж и различны, как это может показаться. Эти физики
обнаружили весьма веские свидетельства в пользу того, что Джон Уилер суммировал
фразой: «У черных дыр нет волос». Уилер имел в виду, что за вычетом небольшого
числа отличительных особенностей все черные дыры выглядят одинаково. Какие же
это отличительные особенности? Первая, конечно, это масса черной дыры. А
остальные? Исследования показали, что ими являются электрический заряд и
некоторые другие возможные заряды, а также ее скорость вращения. И это все. Любые
две черные дыры с одинаковыми массами, зарядами и спинами совершенно идентичны.
У черных дыр нет модных «причесок», т. е. других присущих им свойств, по
которым одну из них можно было бы отличить от другой. Для физика этот факт —
удары в набат. Вспомним, что именно этими свойствами — массой, зарядом и спином
— отличаются друг от друга элементарные частицы. Схожесть определяющих
характеристик неоднократно приводила некоторых физиков к мысли о том, что
черные дыры, в действительности, могут быть гигантскими элементарными
частицами.
Действительно, в теории Эйнштейна не существует ограничений
на минимальную массу черной дыры. Согласно теории относительности, если сжать
кусок вещества любой массы до достаточно малых размеров, то он превратится в
черную дыру (чем меньше масса, тем сильнее его нужно сдавливать). Можно
придумать мысленный эксперимент, в котором берутся сгустки материи все меньшей
массы, эти сгустки сжимаются до черных дыр все меньших размеров и свойства
таких черных дыр сравниваются со свойствами элементарных частиц. Из утверждения
Уилера об отсутствии волос можно еделать вывод о том, что образованные таким
способом черные дыры будут очень похожи на элементарные частицы. И те и другие
выглядят как мельчайшие сгустки материи, полностью характеризующиеся массами,
зарядами и спинами.
Однако есть небольшая загвоздка. Черные дыры во Вселенной,
массы которых во много раз больше массы Солнца, так велики и тяжелы, что для
описания их свойств не нужна квантовая механика, и вполне достаточно уравнений
общей теории относительности. (Здесь обсуждается общая структура черной дыры, а
не область сингулярности внутри нее. Ввиду крошечных размеров этой области,
здесь, несомненно, потребуется квантово‑механическое описание.) Но размеры
черных дыр уменьшаются по мере уменьшения их масс в нашем мысленном
эксперименте, и в какой‑то момент квантовая механика начинает играть роль. Это
происходит, когда масса черной дыры становится порядка планковской. (С точки
зрения физики элементарных частиц планковская масса велика и равна примерно
1019 массы протона, но с точки зрения физики черных дыр эта масса крайне мала.)
Поэтому физики, рассуждавшие о возможном близком родстве между элементарными
частицами и черными дырами, сразу же натыкались на несовместимость квантовой
теории с теорией относительности, лежащей в основе описания черных дыр. В
прошлом эта несовместимость парализовала продвижение теоретиков в таком
захватывающе интересном направлении.
|
