У вересні 2015 року Стівен Гокінг повідомив про нову ідею, яка, на думку фізика, допоможе дозволити 40-річний парадокс втрати інформації в чорних дірках. Цей парадокс формулюється на стику між квантовою теорією поля і загальної теорії відносності, тому його дозвіл може допомогти у формулюванні теорії квантової гравітації. Вчений послався у своєму повідомленні на деякі спеціальні властивості простору, правильно скориставшись якими можна вказати, як і в якому вигляді інформація залишає чорну діру. «По гарячих слідах» після анонсу, ми вже намагалися розібратися в пропозиції Гокінга, але всі деталі гіпотези ще тільки очікували публікації.
Через три місяці, майже відразу після Нового року, на сервісі електронних препринтів arXiv.org з'явилася стаття, в якій фізик разом з колегами - Ендрю Стромінджером і Малькомом Перрі - розкрив більш докладно суть своєї пропозиції. Одночасно з публікацією препринту, Гокінг направив статтю до публікації в один з найавторитетніших фізичних журналів -. Через п'ять місяців робота пройшла рецензування і 6 червня з'явилася на сайті журналу.
Це спричинило несподіваний сплеск публікацій про портали в інші всесвіти, розташовані в чорних дірках та інших дивних явищах. Їхнє джерело - науково-популярна лекція, яку Хокінг прочитав ще в серпні 2015 року. В опублікованій же роботі немає ні слова про альтернативні всесвіти, зате є ті самі деталі, що пояснюють, як впоратися з інформаційним парадоксом.
Сьогодні ми повертаємося до обговорення інформаційного парадоксу і знову звернулися за коментарем до Еміля Ахмедова, доктора фізико-математичних наук і провідного наукового співробітника Інституту теоретичної та експериментальної фізики.
Перед початком
Для того, щоб сформулювати інформаційний парадокс, необхідно згадати про декілька важливих властивостей чорних дір. Найвідоміше з них - у чорної діри існує певна поверхня, звана горизонтом подій, опинившись за якою навіть світло не може покинути околиці об'єкта. Друга важлива властивість - так звана «теорема про відсутність волосся у чорної діри». Згідно з нею, будь-які поля, які створює чорна діра, є стаціонарними, тобто такими, що не змінюються в часі. Ця властивість чорної діри випливає з властивостей горизонту подій.
Важливим кроком у виникненні інформаційного парадоксу стало передбачення випромінювання Гокінга, завдяки якому чорна діра повільно випаровується. Це квантовий ефект, пов'язаний з ампліфікацією (посиленням) нульових коливань в результаті колапсу - процесу утворення чорної діри.
Chris Friel
Енергетичний спектр цього випромінювання - тепловий, причому, чим менше чорна діра, тим більше температура, яка відповідає цьому випромінюванню. Це пов'язано з тим, що чорна діра не зможе утримувати квантові збудження з довжиною хвилі більше, ніж її розмір. Тому із загальних міркувань вона буде випромінювати з характерною довжиною хвилі порядку розміру її горизонту. А радіус горизонту чорної діри пропорційний її масі. Відповідно характерна енергія випромінювання, будучи пропорційною частоті, повинна бути назад пропорційна масі чорної діри. Але характерна енергія квантів випромінювання і є його температура. Ці евристичні міркування, що належать Володимиру Наумовичу Грибову, підтверджуються детальним розрахунком.
Температура Гокінга дуже мала - для чорної діри з масою Сонця вона складе десятимільйонні частки кельвіна. А чорна діра ще більшої маси буде, відповідно, мати ще меншу температуру. Тому побачити на практиці випромінювання Гокінга в осяжному майбутньому, швидше за все, неможливо. Хіба що вдасться виявити розпад так званих первинних чорних дір, які утворювалися на ранніх стадіях розвитку всесвіту. Дійсно, тоді щільність речовини повинна була бути дуже високою і, тому, могли утворюватися чорні діри дуже маленької маси. Такі діри мали б дуже високі температури. Можна сподіватися побачити результати їх розпаду з випромінювання Гокінга, якщо дивитися на найбільш віддалені, тобто найбільш ранні, ділянки видимої частини всесвіту. Але поки такі явища не виявлені.
Випромінювання Гокінга не залежить від того, з якого матеріалу утворилася чорна діра в результаті колапсу. У ньому, для даної енергії, рівномовірно можуть з'являтися різні частинки - скажімо фотони і нейтральні пі-мезони. В результаті виходить неприпустима для фізики ситуація - втрачається принципова можливість відновити «долю» окремо взятого атома, який потрапив у чорну діру. Мовою математики це означає, що матриця перетворення, що перекладає систему зі стану до формування чорної діри в стан після її випаровування, виявляється неунітарною (йдеться про S-матрицю, один із центральних об'єктів у квантовій теорії поля). Це, наприклад, означає, що ймовірності деяких процесів можуть виявитися більше одиниці.
У цьому і полягає парадокс втрати інформації - ґрунтуючись на загальній теорії відносності і квантової теорії поля, Гокінгу вдалося отримати ситуацію, якої у фізиці просто не повинно бути. Можна по-різному ставитися до формулювання цього парадоксу, але його ясна і чітка роздільність є однією з властивостей «справжньої» теорії квантової гравітації.
Chris Friel