Ученые сделали прорыв в теории струн: черные дыры и расширение Вселенной связаны с квантовыми состояниями

Физики продемонстрировали, что состояния на горизонтах событий могут быть охарактеризованы в теории струн таким образом, что исчезают привычные квантовые бесконечности, а сами состояния становятся строго конечными и симметричными

Горизонты в современной физике представляют собой границы, за которыми наблюдатель не в состоянии получить информацию. Наиболее известный пример — горизонт событий черной дыры, за которым свет и любые сигналы уже не могут «возвратиться». Второй важный пример — космологический горизонт расширяющейся Вселенной де Ситтера, где ускоренное расширение пространства также «скрывает» отдаленные области.

Вблизи таких границ, как предсказывают квантовые теории поля, возникают особые состояния — «граничные моды» (edge modes). Это дополнительные степени свободы, которые не распределены по всему пространству, а локализуются непосредственно на границе раздела областей. В более привычной формулировке это подразумевает, что сам «край» пространства начинает функционировать как самостоятельный носитель квантовой информации.

Проблема заключается в том, что в стандартной квантовой теории поля вклад этих мод связан с энтропией запутанности — мерой того, насколько квантовые состояния различных областей пространства взаимосвязаны. При вычислениях она обычно стремится к бесконечности из-за бесконечного количества коротковолновых квантовых флуктуаций на границе.

Именно здесь вступает теория струн — модель, в которой элементарные частицы рассматриваются не как точки, а как одномерные «струны». В отличие от точечных теорий, она часто устраняет ультрафиолетовые бесконечности благодаря более «размазанной» структуре взаимодействий и строгим симметриям, включая модульную симметрию, связывающую различные квантовые конфигурации между собой.

Исследователи из Международного центра теоретической физики имени Абдуса Салама (Италия) и Амстердамского университета вычислили вклад граничных мод в евклидову статистическую сумму — математический объект, который описывает все возможные квантовые состояния системы и их вероятности. Работа, опубликованная в Physical Review Letters, расширяет этот подход на теорию струн, где частицы с различными спинами и массами суммируются в одно общее описание.

Авторы продемонстрировали, что при таком суммировании вклад граничных мод не только сохраняет модульную симметрию, но и становится конечным — то есть не требует искусственных «обрезаний» бесконечностей, характерных для многих квантовых теорий поля. Это означает, что локализованные у горизонта состояния могут быть математически согласованы с фундаментальной структурой теории струн.

С физической точки зрения это имеет значение по двум причинам. Во-первых, граничные моды связаны с энтропией горизонтов — величиной, которая в случае черных дыр прямо связана с числом микроскопических квантовых состояний, формирующих их термодинамические свойства. Во-вторых, это предоставляет потенциальный инструмент для более строгого учета информации о горизонтах в квантовой гравитации.

Авторы подчеркивают, что результат оказался неочевидным: требование симметрии могло разрушить конечность выражения. Однако расчеты показали совместимость всех условий, что делает конструкцию устойчивой. В дальнейшем планируется перейти к более сложным версиям теории струн и рассмотреть граничные моды уже в присутствии черных дыр.

Если этот подход удастся развить дальше, то он может стать одним из элементов в попытках согласовать квантовую механику и гравитацию — то есть приблизиться к описанию микроструктуры пространства-времени, где сами горизонты оказываются не просто геометрическими границами, а носителями квантовой информации.