Американские физики из Калифорнийского технологического института нашли теоретический способ извлечь информацию о частице, попавшей в чёрную дыру. Эта теория в перспективе может помочь решить проблему исчезновения информации в чёрной дыре, которую часто называют «теорема об отсутствии волос».

Теорема говорит о том, что все невращающиеся и незаряженные чёрные дыры одинаковой массы неотличимы друг от друга. Например, чёрная дыра, получившаяся из гравитационного коллапса вещества, и чёрная дыра той же массы, получившаяся из гравитационного коллапса антивещества, с точки зрения внешнего наблюдателя ничем не различаются. Таким образом, в процессе гравитационного коллапса для внешнего наблюдателя нарушаются законы сохранения квантовых чисел.

Стивен Хокинг в 1974 году предсказал существования излучения чёрной дыры, названного впоследствии его именем. Если пара частица-античастица рождается вблизи горизонта чёрной дыры, одна из них может избежать падения в дыру и устремиться в окружающее пространство. С точки зрения внешнего наблюдателя этот процесс будет выглядеть, как излучение чёрной дыры.

Раз чёрной дыре позволено постепенно «испаряться», это значит, что дыра может вначале разрастись до некоей массы, а затем испустить нужное количество излучения и вернуться к первоначальной массе. При этом испущенное излучение никак не будет связано с ранее попавшими в дыру материей и энергией, а уменьшившаяся чёрная дыра ничем не будет отличаться от своего прошлого состояния с той же массой. То есть, чёрная дыра полностью уничтожает информацию, попавшую в неё.

С точки зрения квантовой механики — это проблема. Несмотря на то, что она работает с вероятностями (например, вероятностью нахождения электрона в какой-либо точке), волновые функции в любом случае должны вести себя предсказуемым образом. Если мы знаем форму волны в конкретный момент времени, у нас должна быть возможность предсказать её форму в любой другой момент. Без этой унитарности квантовая теория выдавала бы бессмысленные результаты – например, сумма всех вероятностей не была бы равна 100%.

Американские физики утверждают, что извлечь информацию о попавших в чёрную дыру частицах возможно, если использовать как описанное излучение Хокинга, так и квантовую телепортацию. Последнее означает передачу квантового состояния на расстояние при помощи запутанной пары частиц и классического канала связи, при которой состояние частицы разрушается в точке отправления при проведении измерения, после чего воссоздаётся в точке приёма.

К примеру, паре исследователей, Асе и Васе, требуется передать информацию о спине электрона от одного электрона другому. Пространство спиновых состояний электрона – описывается сферой Блоха, и спин электрона можно обозначить точкой на этой сфере. Но если Ася непосредственно измерит спин, он сколлапсирует в одно из двух состояний. Поэтому спин необходимо передать без измерения.

Для этого исследователям потребуется дополнительная пара частиц, запутанных между собой. Измеряя состояние одной частицы, можно со 100% вероятностью узнать состояние другой. Значит, у Аси будут два электрона – один, состояние которого нужно передать, а другой – из запутанной пары; у Васи же будет только один электрон из запутанной пары.

В квантовом мире измерение меняет состояние системы. Алиса может взять два своих электрона и провести измерение, приводящее их в запутанное состояние. Эта процедура разорвёт запутанность, существовавшую между одним из её электронов и электроном у Васи. Но одновременно с этим Васин электрон переходит в то состояние, в котором находился электрон Аси – тот самый, чьё состояние нужно было телепортировать.

Теперь можно вернуться к чёрной дыре и представить, что Ася парит снаружи горизонта событий со своим электроном. Ася ловит один из фотонов, рождённых излучением Хокинга, в то время как второй фотон, находящийся в запутанном с первым состоянии, падает в дыру. Затем Ася измеряет полный момент импульса чёрной дыры, и швыряет в неё свой электрон.

Если теперь Ася вновь сделает измерения чёрной дыры, эти измерения запутают чёрную дыру с упавшим в неё фотоном, и телепортируют состояние электрона в фотон, находящийся в распоряжении Аси. Таким образом, информация о пропавшем электроне снова очутится в наблюдаемой части Вселенной.

Правда, такая «технология» позволяет вернуть информацию только об одной исчезнувшей в чёрной дыре частице. Чтобы подойти к решению теоремы «об отсутствии волос», необходимо знать внутренние механизмы, протекающие в чёрных дырах. А это как раз и есть самый большой и основополагающий вопрос при изучении этих объектов. Для этого необходимо разработать квантовое описание гравитационного взаимодействия, которое пока ускользает от физиков-теоретиков всего мира.