Браны и чёрные дыры
Я представил D-браны в качестве места в пространстве-времени, где закреплены концы струны, но, оказывается, есть ещё один способ представления D-бран: в качестве чёрных дыр с нулевой температурой. Лучше всего это представление работает для случая большого количества бран, расположенных одна над другой. Начнём с D0-бран. Как я только что объяснил, в теории суперструн две D0-браны не оказывают силового воздействия друг на друга. Их гравитационное притяжение компенсируется электростатическим отталкиванием, и они не аннигилируют друг с другом подобно D0-бранам и анти-D0-бранам. Так что мы можем рассматривать две D0-браны рядом друг с другом или вообще любое количество D0-бран, не беспокоясь о таких неприятностях, как аннигиляция. Но чем больше D0-бран мы собираем в наш клубок, тем сильнее искривляется пространство вокруг них, принимая в пределе форму горизонта чёрной дыры. Для пущего правдоподобия возьмём миллион D0-бран, помещённых рядом друг с другом, и одну D0-брану, движущуюся рядом. Одинокая D0-брана не испытывает на себе ни притяжения, ни отталкивания. Впрочем, это не совсем так. На самом деле одинокая D0-брана не испытывает никакой силы, если она не движется. Если же она движется, то она испытывает небольшую силу, тянущую её, как буксир, к другим бранам. Подобная сила удерживает наш клубок из миллиона бран от рассыпания. Для анти-D0-браны всё обстоит совершенно по-другому. Она испытывает как гравитационное, так и электростатическое притяжение, и, оказавшись достаточно близко от нашего миллионнобранного клубка, уподобляется одной из тех рыб, что подплыли слишком близко к стоку из озера, — её засасывает в него, и никакой физический процесс не может остановить её после того, как она подошла ближе определённой дистанции. Это, так сказать, «на пальцах», и есть понятие горизонта чёрной дыры.
А почему горизонт имеет нулевую температуру? Это объяснить труднее. Всё дело в поведении одинокой D0-браны, которая не испытывает на себе результирующей силы со стороны нашего клубка. Оказывается, что факт отсутствия такой силы глубоко связан с нулевой температурой. Оба этих свойства вытекают из требований суперсимметрии. Я отложу подробное обсуждение суперсимметрии до главы 7, а сейчас добавлю к тому, что мы постепенно узнаем о суперсимметрии, два утверждения. Первое: суперсимметрия относится к гравитонам и фотонам. Гравитоны ответственны за гравитационное притяжение. Фотоны ответственны за электростатическое притяжение или отталкивание. Частное соотношение, предполагаемое суперсимметрией между гравитонами и фотонами, утверждает, что гравитационные и электростатические силы одинаковы. Второе: суперсимметрия гарантирует стабильность D0-бран. Это означает, что в теории струн не существует объекта легче D0-браны и, соответственно, D0-брана не может ни во что превратиться, если только не встретится с анти-D0-браной. И хотя D0-брана и кажется достаточно тяжёлой, она в корне отличается от тяжёлого ядра урана-235, которое может распадаться на более лёгкие ядра криптона и бария, в то время как бране распадаться не на что.
Клубки из D0-бран также стабильны. Они не могут распадаться на что-нибудь ещё. Единственное, что они могут, — это слегка вибрировать. Это точно такие же колебания, как и тепловые колебания атомов в куске угля. Как вы помните, энергия тепловых колебаний описывается формулой E = kBT. Здесь E представляет собой дополнительную энергию тепловых колебаний. Например, когда вы применяете эту формулу к атому углерода в куске антрацита, то E является дополнительной энергией тепловых колебаний атома, но не его энергией покоя. Общая же энергия куска угля должна включать в себя энергию покоя всех атомов плюс энергию их тепловых колебаний. Атомы также испытывают квантовые флуктуации относительно своих средних положений, и, в принципе, энергия нулевых колебаний тоже входит в общую энергию. Это всё очень напоминает наши предыдущие обсуждения о трёх вкладах в массу струны. Полная масса куска угля может быть получена из его полной энергии при помощи формулы E = mc2.
А теперь перенесём всё сказанное о куске угля на наш клубок из D0-бран. У них есть масса покоя и масса, соответствующая энергии нулевых колебаний. В случае D0-бран вклад энергии нулевых колебаний в полную массу в точности равен нулю. Отслеживание вклада этих квантовых флуктуаций доставляет постоянную головную боль теоретикам. Но D0-браны обязаны обладать хоть какой-то энергией тепловых колебаний. Если так, то клубок из D0-бран должен иметь некоторую температуру и соответствующую ей дополнительную массу. Но дополнительный заряд клубку эта добавка не приносит. Следовательно, если одинокая D0-брана оказывается поблизости от клубка с ненулевой температурой, она будет испытывать дополнительное гравитационное притяжение, но не будет испытывать дополнительного электростатического отталкивания и суммарная сила, действующая на неё, не будет равна нулю. Если же мы охладим клубок до абсолютного нуля, то термальная добавка к его массе исчезнет и вместе с ней исчезнет и дополнительная гравитационная сила притяжения. Таким образом, отсутствие дополнительной силы притяжения, действующей на D0-брану, приводит нас к требованию нулевой температуры клубка.
Если все эти разговоры о D0-бранах сбили вас с толку, давайте снова вернёмся к куску угля. Его тепловые колебания дают вклад в его полную энергию, так же как и у клубка D0-бран. Эта полная энергия по-прежнему является энергией покоя куска угля. «Покой» в данном случае означает, что кусок угля лежит неподвижно на столе, а не летит, со свистом рассекая воздух. Полная энергия покоя связана с полной массой формулой E = mc2. Значит, нагретый кусок угля в действительности тяжелее, чем холодный, и точно так же горячий клубок D0-бран тяжелее холодного. Мы можем подсчитать, какую добавку к массе получает кусок угля при нагревании. Очень горячий уголь имеет температуру около 2000 кельвинов. Солнечная фотосфера, как вы помните, в три раза горячее. Формула E = kBT даёт оценку энергии одного атома — но только оценку. Используя эту довольно грубую оценку, я получил, что нагревание угля до 2000 кельвинов увеличивает его массу покоя примерно на 10−11 от первоначальной величины. Это одна стомиллиардная. Тем не менее это существенно больше, чем относительное увеличение массы спринтера на стометровке за счёт его кинетической энергии. Но это во много-много раз меньше, чем доля массы покоя, высвобождающаяся при ядерных реакциях распада. Вот, кстати, почему атомные электростанции считаются перспективнее угольных. Одна тонна урана, загруженная в современный ядерный реактор, способна произвести столько же электроэнергии, сколько сто тысяч тонн угля.
Сомневаюсь, что вы обрадуетесь, узнав, что при описании D0-бран я использовал два упрощения. Во-первых, я утаил от вас, что D0-браны взаимодействуют друг с другом ещё одним способом и переносчиком этого взаимодействия являются безмассовые частицы, отличные от фотонов и гравитонов. Эти частицы называются дилатонами, и они обладают нулевым спином. Всё, что ранее было сказано о гравитационном взаимодействии, должно быть расширено с учётом дилатонов. Однако даже с учётом этой небольшой добавки к гравитации все основные выводы остаются прежними. Во-вторых, D0-браны обладают горизонтом, поэтому трудно сказать, вибрируют ли они, подобно атомам. Всё, что мы можем сказать, и всё, в чём мы можем быть уверены, — это в том, что клубок D0-бран имеет дополнительную энергию и, как следствие, дополнительную массу. Более точное описание чёрных дыр, образованных вибрирующими D0-бранами, представляет в теории струн большую проблему. Лучше всего исследованы случаи D1-бран и D5-бран. Важным случаем являются D3-браны, которые исследованы несколько хуже, а вот с количественным описанием D0-бран всё грустно, несмотря на то что в последнее время в этой области достигнут значительный прогресс.
Главное, что меняется при переходе от изучения чёрных дыр, образованных D0-бранами, к чёрным дырам, образованным D1-бранами или D3-бранами, — это форма горизонта. Горизонт D3-бран очень трудно представить наглядно, потому что D3-брана простирается за пределы привычных трёх пространственных измерений. Более или менее наглядно можно представить себе только одно дополнительное измерение, чтобы получить правильное представление о том, как может выглядеть горизонт в многомерном пространстве. Это чрезвычайно интересное занятие, и в последующих главах я постараюсь всё объяснить, а сейчас попытаемся рассмотреть D1-брану в привычном четырёхмерном пространстве-времени, предположив, как мы уже ранее это делали, что нам каким-то образом удалось избавиться от лишних шести измерений. D1-брана вытянута вдоль прямой, выглядит как флагшток, а её квантовые флуктуации напоминают рябь на этом флагштоке, но если мы расположим рядом друг с другом много D1-бран, то количество различных типов ряби, или мод колебаний, существенно возрастёт. Удобнее всего представить эти моды в виде струн. Я не оговорился, сейчас объясню. Струна может быть закреплена одним концом на одной D1-бране, а вторым — на другой, при этом концы струн могут скользить по D1-бранам. Струны, имеющие концы, называются открытыми струнами в противоположность закрытым струнам, замкнутым в кольцо. Наличие у D1-бран тепловых колебаний эквивалентно наличию прикреплённых к ним струн, и, как оказалось, открытые струны описывают все возможные типы малых колебаний D1-бран. Другими словами, струны и есть та самая рябь на D1-бранах.
Слева вверху: клубок из D0-бран обладает тепловой энергией. Справа вверху: форма горизонта вокруг D0-браны, описывающая её тепловые свойства. Слева внизу: три D3-браны одна над другой. Струны между бранами ведут себя подобно глюонам и обеспечивают тепловую энергию. Справа внизу: форма горизонта вокруг D3-бран, описывающая их тепловые свойства