Как найти потерянное в черной дыре?

Может ли информация бесследно исчезать в черной дыре? На вопрос, заданный британским физиком Стивеном Хокингом, попытались ответить ученые Института ядерных исследований РАН Дмитрий Левков, Максим Фиткевич и Сергей Сибиряков. Они опубликовали свой взгляд на проблему в авторитетном журнале Journal of High Energy Physics.

Черные дыры известны как объекты, не выпускающие из себя ничего, даже свет. Однако еще в 1974 году выдающийся физик-теоретик Стивен Хокинг выдвинул предположение, что черные дыры, не только притягивают материю, но испускают разнообразные элементарные частицы, преимущественно, фотоны: так называемое «излучение Хокинга», имеющее тепловой спектр. Черная дыра изменяет вакуум вокруг себя, благодаря чему из него парами рождаются частицы. При этом одна из рожденных частиц падает внутрь черной дыры, а вторая улетает на бесконечность, унося часть массы черной дыры. Таким образом, черная дыра испаряется, пока не исчезнет совсем. Но здесь возникает парадокс: куда девается информация об объектах, упавших в черную дыру, после ее исчезновения? Этот так называемый «информационный парадокс» мучает физиков уже почти полвека. 

В чем же заключается эта проблема? Если бросить в черную дыру, скажем, томик произведений Шекспира, то он исчезнет в ее центральной сингулярности. Взамен черная дыра будет испускать поток теплового излучения, рожденного из вакуума вокруг нее. По конечному состоянию этого излучения невозможно понять, что «съела» черная дыра. Здесь и кроется парадокс. Известные нам микроскопические законы квантовой механики однозначно позволяют предсказать вероятности исходов тех или иных событий. Законы квантовой механики однозначно связывают начальные и конечные состояния. При этом, начальное состояние системы может быть однозначно восстановлено на основании конечного. Черная дыра не обладает таким свойством – значит, законы квантовой теории требуют коррекции? 

Возможное решение парадокса – несовершенство математического аппарата квантовой теории. Возможно, излучение черной дыры однозначно определяется тем, что в нее было брошено, просто вычисления этого не показывают. Ведь тот же томик Шекспира можно сжечь в костре, и он сгорит. Но в получившемся нагретом газе присутствуют микрочастицы того, что сгорело. Используя их, можно выяснить, что было брошено в костер (хоть это и очень сложно). Поэтому вот уже несколько десятков лет ученые пытаются придумать способ найти в Хокинговском излучении информацию о том, что было брошено в черную дыру. 

Уже было получено множество результатов в этом направлении, и статья российских физиков – еще один шаг вперед. Они изучали не обычную трехмерную гравитацию, но ее упрощенную версию – так называемую двумерную дилатонную гравитацию с границей. В такой модели возможен такой очень простой, но редкий процесс: черная дыра может образоваться при столкновении одной квантовой частицы с границей, а затем распасться, испустив ровно одну частицу. Хотя вероятность такого процесса крайне мала, он — очень простой. Поэтому российским физикам удалось построить полуклассическое описание этого процесса с помощью математических методов, которые обычно применяются для описания процессов туннелирования в квантовой механике. Общеизвестно, что обычная квантовая частица может «пройти сквозь стену» – протуннелировать. Оказывается, частица, оказавшаяся в сингулярности черной дыры, может так же протуннелировать наружу, образуя часть излучения Хокинга. Важно, что такое описание позволяет однозначно связать состояние «финальной» и «начальной» частиц. Таким образом, физики сделали еще один шаг к разрешению информационного парадокса. В будущем они надеются, что применение таких же методов для более сложных процессов – скажем, образования черной дыры из множества частиц и ее испарение в множество других частиц — приведет к полному разрешению парадокса.