Хокинг был прав, но куда девается информация?
Метод «двойной копии» показал, что следы испарения черной дыры могут скрываться в обычных уравнениях Стандартной модели.
Черные дыры снова поставили физиков перед старым вопросом, который десятилетиями не дает покоя теоретикам: если черная дыра испаряется, куда пропадает информация обо всем, что когда-то упало внутрь? Международная группа исследователей предложила новый способ подступиться к парадоксу. Ученые перевели излучение Хокинга на язык физики частиц с помощью математического подхода, известного как «двойная копия».
Стивен Хокинг еще в 1970-х показал, что черные дыры не должны оставаться абсолютно черными. Квантовые эффекты у горизонта событий должны рождать крайне слабый поток частиц. Со временем такое излучение заставляет черную дыру терять массу, сжиматься и в пределе исчезать. Проблема возникает в момент исчезновения. Квантовая механика запрещает уничтожать информацию, а испарившаяся черная дыра будто бы стирает следы всего, что поглотила.
Проверить предсказание напрямую почти невозможно. Излучение Хокинга настолько слабое, что современные инструменты не могут выделить сигнал от настоящей астрофизической черной дыры. Математика тоже не помогает простыми путями, потому что задача лежит на стыке общей теории относительности и квантовой физики, двух крайне успешных, но плохо совместимых описаний природы.
Новый подход не пытается наблюдать черную дыру напрямую. Исследователи использовали «двойную копию», которая позволяет переписывать некоторые гравитационные расчеты через уравнения физики частиц. В грубом приближении сложную задачу о гравитации можно заменить более удобной задачей о взаимодействии частиц, а затем перенести результат обратно.
Физик Крис Уайт из Лондонского университета королевы Марии объяснил идею так: метод позволяет считать вещи, которые раньше не удавалось посчитать, за счет умного повторного использования уже известных результатов. За последние годы «двойная копия» стала важным инструментом в теоретической физике, но для излучения Хокинга подходящего аналога в Стандартной модели раньше не находили.
В новой работе ученые описали математическую замену излучения Хокинга через рассеяние безмассовой скалярной частицы на коллапсирующем электромагнитном фоне. Иначе говоря, вместо частиц, которые как будто вылетают из черной дыры, физики рассматривают частицу, проходящую через сжимающуюся сферическую оболочку заряженной материи. Уравнения для такой системы неожиданно совпали с уравнениями, описывающими излучение Хокинга.
Похожие выводы независимо получили еще две исследовательские группы. Совпадение результатов усиливает аргумент, что речь идет не о математической случайности, а о реальной связи между гравитацией и физикой частиц. Для черных дыр такой мост особенно важен: сами черные дыры принадлежат миру огромных космических объектов, а излучение Хокинга рождается из квантовых эффектов на микроскопическом уровне.
Авторы не утверждают, что решили информационный парадокс черных дыр. Работа дает другой результат: у физиков появился новый полигон для расчетов. Если излучение Хокинга можно изучать через аналог в физике частиц, теоретики смогут проверять идеи, которые раньше упирались в невозможность наблюдений и слишком сложные уравнения.
Следующий шаг — поиск таких же аналогов для других свойств черных дыр, включая горизонт событий, границу, из-за которой ничто не может выбраться наружу. Если «двойная копия» сработает и там, часть задач квантовой гравитации можно будет изучать методами, которые создавались для столкновений частиц.
Пока выводы остаются строго теоретическими. Математические соответствия работают в упрощенных, аккуратно заданных условиях, а не для реальных черных дыр со всей астрофизической сложностью. Препринт работы опубликован на arXiv.