Червоточини допомагають вирішити інформаційний парадокс чорних дір

Математичний аналіз допомагає прояснити загадку про те, як інформація втікає з чорної діри.

© MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRARY

Про це розповідають в японському Інституті фізико-хімічних досліджень (RIKEN).

Фізик з RIKEN та двоє його колег виявили: червоточина — міст, що з’єднує віддалені регіони Всесвіту — допомагає пролити світло на таємницю того, що відбувається з інформацією про матерію, проковтнутою чорною дірою.

Загальна теорія відносності Ейнштейна передбачає, що ніщо, що потрапляє в чорну діру, не може з неї вирватися. Але в 1970-х роках Стівен Хокінг підрахував, що чорні діри повинні випускати випромінювання, якщо враховувати квантову механіку, теорію, що керує мікроскопічною сферою.

«Це називається випаровуванням чорної діри, оскільки чорна діра стискається, як крапля води при випаровуванні», — пояснює Канато Гото з Міждисциплінарного центру теоретичних і математичних наук RIKEN.

Однак це призвело до парадокса. Врешті решт чорна діра повністю випарується, а разом з нею будь-яка інформація про її вміст. Але це суперечить фундаментальному вислову квантової фізики: інформація не може зникнути зі Всесвіту.

«Це говорить про те, що загальна теорія відносності та квантова механіка в їх нинішньому вигляді несумісні одна з одною», — каже Гото. «Ми повинні знайти єдину основу для квантової гравітації».

Багато фізиків підозрюють, що інформація вислизає, закодована якимось чином у випромінюванні. Для дослідження вони обчислюють ентропію випромінювання, яка вимірює, скільки інформації втрачено з точки зору людини за межами чорної діри. У 1993 році фізик Дон Пейдж підрахував, що якщо інформація не втрачається, ентропія спочатку буде зростати, але в міру зникнення чорної діри впаде до нуля.

Коли фізики просто поєднують квантову механіку зі стандартним описом чорної діри в загальній теорії відносності, Пейдж, видимо, помиляється — ентропія постійно зростає, коли чорна діра зменшується, що вказує на втрату інформації.

Але нещодавно фізики дослідили, як чорні діри імітують червоточини, забезпечуючи шлях до врятування інформації. Гото зазначає, що це не червоточина в реальному світі, а спосіб математичного обчислення ентропії випромінювання. «Червоточина з’єднує внутрішню частину чорної діри та випромінювання зовні, як міст».

Коли Гото та двоє його колег провели детальний аналіз, який поєднав стандартний опис та уявлення про червоточини, їхній результат відповідав прогнозу Пейджа, що припускає, що фізики мають рацію, підозрюючи, що інформація зберігається навіть після загибелі чорної діри.

«Ми виявили нову геометрію простору-часу зі структурою, схожою на червоточину, яку не помічали під час звичайних обчислень», — каже Гото. «Ентропія, обчислена за допомогою цієї нової геометрії, дає зовсім інший результат».

Але це підіймає нові питання. «Ми досі не знаємо основного механізму того, як випромінювання переносить інформацію», — каже Гото. «Нам потрібна теорія квантової гравітації».