«Мягкие волосы» черных дыр

В последние годы известный астрофизик и космолог Стивен Хокинг, один из создателей современной теории черных дыр, пытается загнать в бутылку джинна, которого сам и выпустил. Речь идет об информационном парадоксе, связанном с черными дырами, а именно о том, что  происходит с информацией, которую несут о себе частицы, поглощаемые черной дырой.

Первоначально считалось, что в черных дырах информация пропадает для окружающего мира. Ведь после того, как частицы сгинули в этих «бездонных ямах» о них ничего нельзя узнать. Сами же черные дыры кроме массы, заряда и углового момента других характеристик не имеют. Это астрофизик Джон Уилер образно назвал теоремой о том, что «черные дыры не имеют волос», подразумевая под волосами прочие характеристики.

Однако, в 1975 году Стивен Хокинг пришел к выводу, что черные дыры могут «испаряться», порождая так называемое излучение Хокинга. Это означает, что они в результате могут полностью испариться и прекратить свое существование. Но что тогда происходит с накопленной внутри них информацией? В соответствии с законами квантовой механики она не может полностью исчезнуть. Разумеется, часть информации выходит вместе с излучением Хокинга, но его случайная природа приводит к тому, что эта информация не совпадает с поглощенной. Возникла проблема, которую физики пытаются решить уже 40 лет.

С 2015 года Стивен Хокинг озвучивает новую идею, что информация не попадает вовнутрь черной дыры, а хранится на горизонте событий в виде огромного количества фотонов или гравитонов с почти нулевой энергией. Такие частицы называют мягкими (напомним, что высокоэнергичное излучение называют жестким). Соответственно, следуя традиции, сохраненную таким образом информацию физики назвали «мягкими волосами». Таким образом, у черных дыр будет не четкая граница горизонта событий, а целая «прическа» из мягких фотонов. Ее можно сравнить с размещенной на границе горизонта голограммой, на которой записана информация. Эта голограмма изменяется каждый раз, когда частица пересекает горизонт событий или излучается черной дырой. Количество «мягких волос» пропорционально площади горизонта в единицах планковской длины (1,6×10^-35 м).

В январе 2016 года Стивен Хокинг, Малькольм Перри и Эндрю Стромингер разместили на сайте arxiv.org препринт, в котором показали, что если учесть эти фотоны в уравнениях, описывающих черные дыры, то они станут переносчиками информации о тех частицах, которые когда-то были поглощены черной дырой. Правда извлечь ее будет крайне сложно. Эндрю Стромингер однажды образно описал это, как попытку узнать, какой конкретно объект был сожжен, глядя на пламя и дым. Кроме того, современная аппаратура не способна зафиксировать фотоны столь малой энергии. Статья вызвала бурное обсуждение и раскол в рядах физиков. Многие из них заняли скептическую позицию и высказали критические замечания.

В опубликованной 6 июня 2016 года в журнале Physical Review Letters статье исследователи представили доработанный вариант теории. Они пока не решили проблему полностью, но переработали математический аппарат теории и нашли дополнительные убедительные аргументы в пользу гипотезы «мягких волос». Из оставшихся проблем стоит отметить, что авторам еще предстоит объяснить, как информация восстанавливается излучением Хокинга, когда черная дыра полностью испарится, а так же повторить анализ для случая гравитации. Кроме того, возможно, «мягких волос» будет недостаточно для хранения всей информации. Однако имеется надежда, что на этом пути в один прекрасный день парадокс будет разрешен.

По материалам Американского физического общества