Хокинг ошибался? Чёрные дыры не стирают информацию, а консервируют её в остатке массой 10⁻⁴¹ кг
Один из самых неприятных парадоксов современной физики десятилетиями не даёт покоя теоретикам: чёрные дыры, согласно расчётам, должны стирать информацию о поглощённой материи, хотя квантовая механика прямо запрещает её уничтожение. Теперь появилась модель, которая не только предлагает аккуратное решение проблемы, но и неожиданно связывает её с происхождением массы элементарных частиц.
История начинается с работ Стивена Хокинга 1970-х годов. Он показал, что чёрные дыры вовсе не полностью чёрные: они испускают слабое излучение и постепенно теряют массу. Со временем объект должен испариться полностью. На этом месте теория начинает конфликтовать сама с собой. Если чёрная дыра исчезает без остатка, вся информация о том, что в неё упало, пропадает. Квантовая теория требует обратного: информация не может исчезнуть даже в принципе.
Новая работа группы Рихарда Пинчака предлагает выйти из тупика через геометрию пространства-времени. Исследователи рассматривают расширенную версию гравитации - теорию Эйнштейна-Картана - в 7-мерном пространстве. В отличие от привычной общей теории относительности, здесь пространство может не только искривляться, но и «закручиваться». Этот дополнительный параметр называют кручением.
Модель строится на специфической математической структуре - так называемом многообразии G2 с кручением. В такой геометрии поведение гравитации меняется на экстремальных плотностях, характерных для планковского масштаба. Там возникает дополнительный эффект: кручение начинает действовать как сила, направленная против сжатия.
Именно этот механизм ломает привычный сценарий испарения. По мере того как чёрная дыра теряет массу, процесс не доходит до полного исчезновения. На финальной стадии возникает баланс между гравитацией и «отталкивающим» вкладом кручения. В результате остаётся стабильный остаток - крошечный объект с массой порядка 9 × 10⁻⁴¹ килограмма.
Но если чёрная дыра не исчезает, где же тогда оказывается информация? Авторы предлагают рассматривать остаток как физическое хранилище. Его структура позволяет удерживать данные в спектре так называемых квазинормальных мод - устойчивых колебаний, которые возникают внутри геометрии.
Фактически речь идёт о том, что квантовая информация как бы записывается в долгоживущие вибрации поля кручения. Эти состояния не разрушаются и сохраняются в остатке после испарения. Для чёрной дыры с массой Солнца расчёты дают ёмкость около 1,515 × 10⁷⁷ кубитов - величину, достаточную, чтобы вместить всю исходную информацию без потерь.
Самое неожиданное в работе появляется дальше. Та же самая геометрия, которая стабилизирует остатки чёрных дыр, даёт объяснение другой фундаментальной величины - электрослабого масштаба. При переходе от 7 измерений к привычным 4 значение вакуумного ожидания поля кручения естественным образом совпадает с числом около 246 ГэВ. Именно эта величина связана с полем Хиггса, которое отвечает за массу элементарных частиц.
Получается необычная связка: один и тот же геометрический механизм одновременно предотвращает исчезновение информации в чёрных дырах и задаёт параметры, определяющие массы частиц. Проблема иерархии масс, которая долго считалась отдельной задачей физики частиц, в такой схеме приобретает чисто геометрическое происхождение.
Прямых экспериментальных подтверждений пока нет, и причина вполне прозаична. Энергии, связанные с дополнительными измерениями, оказываются запредельно высокими - порядка 8,6 × 10¹⁵ ГэВ. Это на 11 порядков выше возможностей Большого адронного коллайдера.
Тем не менее теория не остаётся чисто умозрительной. Она даёт несколько проверяемых следствий. Во-первых, стабильные остатки чёрных дыр могут входить в состав тёмной материи. Их гравитационные эффекты теоретически можно обнаружить. Во-вторых, характер колебаний этих объектов задаёт строгие математические признаки, отличающие модель от альтернатив.
Наконец, нужные масштабы энергии относятся к ранней Вселенной. Это значит, что следы 7-мерной геометрии могут быть зашиты в реликтовом излучении или в первичных гравитационных волнах. Поиск таких сигналов уже ведётся другими методами наблюдательной космологии.