Когда Стивен Хокинг впервые показал, что чёрные дыры должны излучать с тепловым спектром, он фактически пожертвовал фундаментальным принципом унитарности квантовой механики. Сегодня подобная позиция воспринимается как крайняя, но в 1970-е годы она ещё не выходила за рамки научного мейнстрима.

По этой причине так называемый «информационный парадокс» для Хокинга парадоксом не являлся. Утрата информации рассматривалась им как реальный физический эффект, указывающий на необходимость модификации квантовой теории, а не как внутренняя логическая проблема.

Ситуация радикально изменилась в последующие десятилетия. По мере развития квантовой теории информации и квантовой гравитации унитарность стала рассматриваться не как удобное допущение, а как фундаментальное требование. В этом контексте потеря информации перестала быть допустимым физическим эффектом и превратилась в логическую проблему: как совместить унитарную эволюцию с тепловым характером излучения Хокинга и наличием горизонта событий. Именно на этом этапе и возникает информационный парадокс в его современной формулировке — не как открытие Хокинга, а как следствие смены методологической рамки.

В упрощённой формулировке суть парадокса выглядит следующим образом. В ходе унитарной эволюции Вселенной формируются и существуют различные физические объекты, которые неизбежно взаимодействуют с окружающей средой, обмениваясь частицами, полями и импульсом. Однако при коллапсе такого объекта в чёрную дыру он перестаёт быть доступной внешнему миру локальной системой: никакая структурная информация о нём не может быть извлечена после пересечения горизонта событий.

При этом процесс испарения чёрных дыр, согласно полуклассическому описанию, носит строго тепловой характер. Две чёрные дыры с одинаковой массой, зарядом и угловым моментом будут неразличимы для внешнего наблюдателя, независимо от того, какие именно объекты сформировали их в прошлом. В результате информация о падающем объекте оказывается недоступной во внешнем мире, что в рамках унитарной квантовой механики выглядит как её фундаментальная утрата.

Фундаментальность парадокса заставила поколения учёных искать пути его разрешения. Наиболее известное и влиятельное направление связано с AdS/CFT-соответствием и голографическим принципом. В рамках этого подхода постулируется, что информация о падающем объекте не теряется, а кодируется в микросостояниях горизонта событий — своего рода «отпечатках», оставленных материей при пересечении горизонта. Последующее излучение Хокинга, таким образом, теоретически может нести коррелированную с этими состояниями информацию, что в принципе позволяет восстановить историю упавшего объекта.

Однако давайте вернемся к самому началу.

Семейный фотоальбом

Объекты во Вселенной не существуют сами по себе; их локальное бытие неразрывно встроено в унитарную эволюцию глобальной волновой функции. Любой материальный объект от одиночного фотона до красного гиганта — является прямым порождением Вселенной и связан с ней непрерывным диалогом: мириадами корреляций обмена квантами взаимодействия, где каждый акт такого взаимодействия становится частью «эффекта бабочки» для состояния всей Вселенной. Даже если это всего лишь один фотон.

Таким образом, для Вселенной ни один фотон, ни одна пылинка, ни тем более что-то более крупное не остаётся незамеченным.

Мы открыли целую планету — Нептун — исключительно по гравитационным возмущениям, которые она создавала в движении соседних тел. При этом измеренные нами возмущения — лишь ничтожная часть от истинного, невообразимо колоссального масштаба влияния, которое планета оказывает на Вселенную. Более того, само влияние начинается задолго до рождения Солнечной системы. Что есть прямое следствие унитарности. Или, точнее, унитарность является фундаментальной причиной тех самых гравитационных возмущений.

Следовательно, любой, даже минимальный акт взаимодействия оставляет неизгладимый отпечаток на эволюцию всей Вселенной, изменяя структуру квантовых корреляций между объектом и его окружением. Если вновь рассмотреть простейший случай одного фотона, то и здесь каждую единицу планковского времени происходит обновление, или «запись» в корреляционную структуру текущего состояния. Этот процесс непрерывен и универсален: он происходит буквально с каждым объектом во Вселенной.

Принципиально важно, что каждый такой информационный след асимптотически уникален. Вследствие унитарности эволюции и непрерывности взаимодействий невозможно существование двух объектов, оказавших идентичное влияние на состояние Вселенной. Это следует из фундаментальных принципов — отсутствия квантового клонирования и уникальности траектории в фазовом пространстве взаимодействий. Иными словами, трассировка следа в гильбертовом пространстве Вселенной однозначно соответствует уникальному объекту с его уникальной предысторией.

А теперь давайте уроним в чёрную дыру наш фотон. Или красный гигант.

Наследство прабабушки

Что произойдёт с объектом? Для внешнего наблюдателя он застынет на горизонте событий, его собственное время остановится, и он будет медленно «испаряться» вместе с чёрной дырой в течение астрономически долгого времени. Его локальная эволюция прекратится, а вместе с ней прекратится и его активное влияние на Вселенную.

Останутся лишь его интегральные параметры: масса увеличит гравитационное поле чёрной дыры, импульс и заряд слегка сдвинут её угловой момент и… И всё.

А что с информацией об объекте? О его внутренней структуре, связях, динамике до момента падения?

И здесь мы подходим к самой сути парадокса: казалось бы, вся эта информация безвозвратно исчезает в чёрной дыре вместе с объектом. Если следовать этой логике, то все связи, все корреляции, вся траектория информационного следа должны бесследно стереться из Вселенной.

Но в том-то и дело, что этого не происходит.

Асимптотически уникальный трассер объекта динамически вплетён в саму структуру Вселенной вплоть до самого момента коллапса. В дыру уходит лишь строительный материал, энергия, масса необходимая для формирования «тела» объекта. Но чертеж остался в виде уникального паттерна корреляций, вшитых в ткань внешней среды.

Именно по этому трассеру — не операционально, но принципиально в рамках унитарной квантовой теории — возможно восстановить объект. Восстановить не как физическое тело за горизонтом, а как информационную структуру, чей отпечаток никогда не покидал унитарной эволюции Вселенной.

Именно здесь наше понимание должно совершить ключевой поворот: информация ≠ объект. Информация о структуре — это не сам атом или звезда; это паттерн корреляций, который они успели создать в окружающих полях за всё время своего существования.

Процесс трассировки непрерывен и идёт до последнего доступного момента. Пока объект падает, он продолжает взаимодействовать с внешней средой — гравитационно, через квантовые флуктуации, через излучение. Каждое такое взаимодействие — ещё одна строка в его описании.

С точки зрения внешнего наблюдателя, собственное время объекта останавливается у горизонта. Это значит, что для внешнего мира процесс падения и взаимодействия никогда не достигает момента «полного исчезновения». Он асимптотически замедляется, и все акты взаимодействия, все акты «записи информации в среду», растягиваются на всё будущее время вплоть до испарения дыры. Информационный след полностью формируется во внешней среде.

Таким образом, ключевая идея парадокса — «вся информация исчезает в чёрной дыре» — содержит скрытое допущение: что информация представляет собой локальный пакет, который можно целиком «уронить» за границу. Но в унитарной квантовой Вселенной информация по своей природе нелокальна. Она существует как структура связей. И эта структура успевает полностью проявиться и зафиксироваться во внешнем мире ещё до того, как её условный «носитель» станет недоступен.

Проще говоря: чтобы информация исчезла, она должна целиком уйти за горизонт. Но она никогда не бывает целиком в одном месте — она распределена. И та её часть, что остаётся снаружи, уже есть полный и уникальный слепок объекта.

Именно поэтому «наследство прабабушки» уже давно в наших руках, даже если сама прабабушка символически уезжает за горизонт. Испарение чёрной дыры возвращает лишь энергию, но не информацию — потому что последняя никуда и не уходила.

Формальная схема трассировочной модели

Образный язык удобен, когда речь идёт о сложных идеях, но он неизбежно скрывает структуру аргумента. Чтобы избежать двусмысленности, зафиксируем ту же самую мысль в более формальном виде, без апелляции к аналогиям.

Унитарность глобальной системы

Рассмотрим Вселенную как замкнутую квантовую систему с гильбертовым пространством

Эволюция глобального квантового состояния задаётся унитарным оператором:

Из унитарности следует невозможность фундаментального уничтожения информации. Допустимы лишь её перераспределение и изменение формы представления. Под информацией понимается глобальная структура квантовых корреляций, закодированная в состоянии |Ψ⟩. Именно это понимание информации является стандартным в квантовой теории и квантовой информации, однако его непоследовательное применение часто лежит в основе формулировки информационного парадокса.

Запутанность объекта и среды

Рассмотрим разложение полного гильбертова пространства:

Любой физический объект, существующий во времени, неизбежно взаимодействует с окружающей средой — вакуумными модами квантовых полей, гравитационными возмущениями, излучением. В результате этих взаимодействий формируется запутанное состояние общего вида

где состояния среды |E⟩_env несут информацию о внутренней структуре, динамике и истории объекта.

Этот процесс соответствует частичной декогеренции: информация не уничтожается и не копируется, а перераспределяется в виде корреляций между объектом и средой.

Информационный след

Информационный след объекта — это совокупность квантовых корреляций между объектом и окружающей средой, сформированных в процессе унитарной эволюции системы.

Информационный след является глобальной характеристикой состояния |Ψ⟩ и не обязан быть локализован в какой-либо отдельной подсистеме.

Коллапс и локальная недоступность

Образование горизонта событий означает, что падающий объект перестаёт быть локально наблюдаемой подсистемой внешней Вселенной. Для внешнего наблюдателя его динамика асимптотически замирает, а прямое причинное влияние на внешнюю среду прекращается.

Принципиально важно, что прекращение локальной эволюции не эквивалентно утрате информации об объекте. К моменту формирования горизонта вся структурная информация о нём уже зафиксирована во внешней среде в виде распределённого информационного следа. Следовательно, нет необходимости постулировать дополнительное «хранилище» информации за горизонтом событий.

Энергетический и информационный каналы

После коллапса во внешней динамике сохраняется лишь энергетический вклад объекта. Его энергия увеличивает массу чёрной дыры и впоследствии возвращается в виде излучения Хокинга.

При этом принципиально различаются энергетический и информационный каналы. Плотностная матрица хокинговского излучения имеет тепловой вид:

что является следствием частичной трассировки, а не фундаментального нарушения унитарности. Тепловой характер излучения не требует, чтобы структурная информация о падающем объекте была в нём закодирована.

Непроявленная квантовая информация

Если взаимодействие с окружением не приводит к полной декогеренции, часть информации сохраняется в форме когерентных возможностей, а не реализованных классических фактов. Такая информация существует как структура допустимых состояний глобальной волновой функции.

В принципиальном смысле эта информация сохраняется унитарно, однако не обязательно допускает операциональное восстановление конкретного классического состояния.

Горизонт событий и статус модели

В рамках унитарной трассировочной модели горизонт событий не является обязательным носителем информации о падающем объекте и не играет роль квантовой памяти. Он представляет собой геометрическую границу применимости локального описания.

Предложенная интерпретация не вводит нового гамильтониана, не предлагает алгоритма восстановления информации и не делает экспериментально проверяемых предсказаний. Идея носит скорее концептуальный характер и заключается в логически строгом переосмыслении информационного парадокса в рамках стандартной унитарной квантовой механики.

Заключение

Падение объекта в чёрную дыру не приводит к уничтожению информации. Исчезновение объекта как локальной системы означает лишь завершение его динамического влияния на внешнюю среду, но не утрату информации о его структуре.

Информация сохраняется в виде глобальных квантовых корреляций, тогда как испарение чёрной дыры возвращает лишь энергию. Таким образом, информационный парадокс может быть устранён без введения дополнительных механизмов хранения или возврата информации — за счёт более строгого применения унитарного квантово-информационного подхода.

P.S. Настоящая статья логически продолжает две ранее опубликованные работы на Habr, в которых рассматривались философские и онтологические импликации соответствующего подхода. Используемый здесь формализм «Категориальной Модели» не вводится заново и вынесен в отдельный технический документ; в данном тексте он используется лишь как концептуальная рамка для анализа информационного парадокса чёрных дыр.