Физики Великобритании, Италии и США предложили новое объяснение информационному парадоксу Хокинга, согласно которому испарение черной дыры якобы приводит к полному уничтожению информации о поглощенной ею материи. Согласно выводам исследователей, опубликованных в журналах Physical Review Letters и Physics Letters B, информация закодирована в гравитационном поле черной дыры и влияет на квантовое состояние излучения Хокинга.
Как гласит классическая теорема об «отсутствии волос», любая черная дыра имеет лишь такие характеристики, как заряд, масса и угловой момент. Любая информация о квантовом состоянии попавшей внутрь черной дыры материи пропадает из наблюдаемой Вселенной. Это, в свою очередь, ведет к знаменитому информационному парадоксу Хокинга, согласно которому при полном испарении черной дыры эта информация навсегда уничтожается, что нарушает основные принципы квантовой физики. Эволюция состояния квантовой системы определяется так называемым унитарным оператором, который позволяет спрогнозировать квантовое состояние системы в будущем или определить его в прошлом, не прибегая к прямому воздействию на систему (например, измерению). Испарение черной дыры приводит к неунитарному преобразованию, которое в квантовой механике запрещено.
В настоящее время среди теоретических физиков существует консенсус, что информация при испарении черной дыры не уничтожается, однако пока точно не известно, каким образом это достигается. В новой работе ученые показали, что эта информация находится с внешней стороны горизонта событий и закодирована в гравитационном поле черной дыры. При этом не существует практического способа извлечь эту информацию из-за ее ничтожного влияния на характеристики поля.
Исследователи рассмотрели связь между внутренним квантовым состоянием черной дыры и ее внешним гравитационным полем, состоящим из квантов — гравитонов. Они обнаружили, что существует однозначное соответствие между поглощенной материей и состояниями гравитонов на границе черной дыры. Иными словами, при поглощении материи информация о ее состоянии оставляет «след» в гравитационном поле, что, в свою очередь, может влиять на состояние частиц излучения Хокинга, через которое происходит испарение черной дыры.
Несмотря на то, что два разных квантовых состояния черной дыры могут создавать одну и ту же внешнюю геометрию, состояния гравитонов различаются на квантовом уровне, то есть любая черная дыра все же обладает характерными только для нее «квантовыми волосами». Таким образом, испарение черной дыры приводит к унитарному преобразованию: конечное состояние излучения Хокинга представляет собой сложную суперпозицию, зависящую от начального состояния черной дыры. Такое разрешение парадокса не требует пересмотра существующей теории гравитации Эйнштейна или квантовой механики в отличие от некоторых других предложений, включая гипотезу о нечетких границах черной дыры или гипотезу файрвола.