Теория струн рассматривает фундаментальные частицы не как точечные объекты, а как одномерные «струны», колебания которых определяют массу, заряд и спин частицы. В рамках этой концепции пространство-время приобретает дополнительные измерения, обычно свёрнутые на масштабы порядка Планковской длины. Эти дополнительные измерения играют ключевую роль в описании микроcтруктуры чёрных дыр и их квантовых свойств.
Струны бывают открытые и закрытые. Замкнутые струны ответственны за появление гравитона — квантового носителя гравитации. Именно взаимодействие замкнутых струн формирует основу для построения квантовой теории гравитации, необходимой для описания чёрных дыр на фундаментальном уровне. В этом контексте чёрная дыра рассматривается не как классическая сингулярность, а как комплексное многомерное образование, где проявляются как классические, так и квантовые эффекты.
Одним из ключевых достижений теории струн стало объяснение энтропии чёрных дыр через микроcостояния струн и бра́н. Согласно работе Стромингера и Вафа (1996), энтропия экстремальных заряженных чёрных дыр может быть точно выведена как логарифм числа микроcостояний струнной конфигурации, которые соответствуют одной и той же макроскопической чёрной дыре.
Ключевой момент: количество микроcостояний Ω для экстремальной чёрной дыры связано с её энтропией S через формулу Бекенштейна–Хокинга:
S = kBln Ω
где kB — постоянная Больцмана. Теория струн позволяет вычислить Ω точно, что даёт количественное согласие с классической формулой для энтропии, пропорциональной площади горизонта событий:
$$ S_{BH} = \frac{k_B c^3}{4 \hbar G} A $$
Эта согласованность указывает на то, что фундаментальные объекты теории струн (струны и браны) могут быть носителями информации, которая кодирует микросостояния чёрной дыры.
Важную роль в изучении чёрных дыр в теории струн играют D-браны — динамические гиперповерхности, на которых могут закрепляться концы открытых струн. D-браны позволяют строить стабильные, заряженные решения, соответствующие классическим чёрным дырам с определёнными зарядовыми и гравитационными характеристиками.
Основные свойства D-бран в контексте чёрных дыр:
Эти свойства позволяют моделировать не только экстремальные чёрные дыры, но и неэкстремальные, описывая их термодинамику, испарение и взаимодействие с квантовыми полями.
Голографический принцип утверждает, что вся информация, заключённая в объёме пространства, может быть закодирована на его границе. Теория струн предоставляет естественную реализацию этого принципа через соответствие AdS/CFT:
Следствия для чёрных дыр:
Традиционный эффект Хокинга описывает излучение чёрной дыры как квантовое явление на фоне классического горизонта событий. Теория струн расширяет этот подход, учитывая микроструктуру горизонта и возможные коррекции на масштабе Планка.
Основные аспекты струнной квантовой коррекции:
Эти эффекты особенно важны для малых чёрных дыр, где квантовые струнные коррекции могут полностью менять классическую картину.
Теория струн требует существования дополнительных пространственных измерений (обычно 6–7 свёрнутых в компактные многообразия). Эти измерения напрямую влияют на свойства чёрных дыр:
Эти концепции объединяют квантовую и классическую физику чёрных дыр, создавая целостную картину их структуры, термодинамики и квантового поведения.