Черные дыры получили свое название потому, что их гравитация настолько сильна, что удерживает даже свет. А раз свет не может покинуть черную дыру, то и информация, выходит, тоже — познакомьтесь с информационным парадоксом черной дыры. Как ни странно, физики проявили теоретическую ловкость рук и придумали способ извлечь соринку информации, упавшей в черную дыру. Их расчет затрагивает одну из крупнейших загадок в физике: каким образом вся информация, попавшая в черную дыру, утекает по мере «испарения» черной дыры. Считают, что это должно происходить, но как — никто не знает.

Впрочем, новая схема должна скорее подчеркнуть сложность информационной проблемы черной дыры, нежели решить ее. «Может быть, другим удастся зайти дальше в этом, но мне кажется, это не поможет», — говорит Дон Пейдж, теоретик из Университета Альберты в Эдмонтоне, Канаде, не принимавший участия в работе.

Можно разрезать квитанцию за электричество, но невозможно уничтожить информацию, бросив ее в черную дыру. Отчасти это потому, что хотя квантовая механика имеет дело с вероятностями — вроде вероятности нахождения электрона в одном или другом месте — квантовые волны, которые дают эти вероятности, должны развиваться предсказуемо, так что если вы знаете форму волны в один момент, вы можете предсказать ее точно в любое время в будущем. Без такой «унитарности», квантовая теория производила бы бессмысленные результаты вроде вероятностей, которые в сумме составляют не 100%.

Предположим, вы бросаете несколько квантовых частиц в черную дыру. На первый взгляд, частицы и информация, которую они содержат, теряются. И это проблема, поскольку часть квантового состояния, описывающая комбинированную систему частиц и черной дыры, была уничтожена, что делает невозможным предсказание точной эволюции и нарушает унитарность.

Физики думают, что нашли выход. В 1974 году британский теоретик Стивен Хокинг утверждал, что черные дыры могут излучать частицы и энергию. Благодаря квантовой неопределенности, пустое пространство на самом деле не пустое — оно полно парных частиц, периодически приходящих к существованию и исчезающих. Хокинг понял, что если пара частиц, появившихся из вакуума, попадут на границу черной дыры, одна улетит в космос, а другая упадет в черную дыру. Унося энергию черной дыры, утекающее излучение Хокинга приводит к тому, что черная дыра медленно испаряется. Некоторые теоретики думают, что информация появляется снова, будучи закодированной в излучении черной дыры — впрочем, это совершенно непонятный момент, поскольку излучение кажется совершенно случайным.

И вот Айдан Чатвин-Дэвис, Адам Джермин и Шон Кэрролл из Калифорнийского технологического института в Пасадене нашли хороший способ получить информацию от одной квантовой частицы, потерянной в черной дыре, используя излучение Хокинга и странную концепцию квантовой телепортации.

Квантовая телепортация позволяет двум партнерам, Алисе и Бобу, передать деликатное квантовое состояние одной частицы вроде электрона другой. В квантовой теории, спин электрона может быть направленным вверх, вниз или вверх и вниз одновременно. Это состояние можно описать точкой на глобусе, где северный полюс означает верх, а южный полюс означает низ. Линии широты означают разные смеси верха и низа, а линии долготы означают «фазу», или как скрещиваются верхние и нижние части. Но если Алиса попытается измерить это состояние, оно «коллапсирует» по одному или другому сценарию, вверх или вниз, уничтожив информацию о фазе. Поэтому она не может измерить состояние и отправить информацию Бобу, а должна отправлять его нетронутым.

Для этого Алиса и Боб могут обменяться дополнительной парой электронов, соединенных особой квантовой связью — запутанностью. Состояние каждой частицы в запутанной паре не определено — оно одновременно указывает в любую точку глобуса — но их состояния коррелируют, поэтому если Алиса измерит свою частицу из пары и обнаружит, что та вертится, скажем, по направлению вверх, она мгновенно узнает, что электрон Боба вертится сверху вниз. Итак, у Алисы два электрона — один тот, состояние которого она хочет телепортировать, и ее половина запутанной пары. У Боба есть только один из запутанной пары.

Чтобы выполнить телепортацию, Алиса использует еще одно странное свойство квантовой механики: что измерение не только показывает что-то о системе, но и меняет ее состояние. Поэтому Алиса берет два своих незапутанных электрона и производит измерение, которое «проецирует» на них запутанное состояние. Это измерение разрушает запутанность между парой электронов, имеющихся у нее и у Боба. Но в то же время оно приводит к тому, что электрон Боба оказывается в состоянии, в котором был электрон Алисы, который она должна была телепортировать. Посредством правильного измерения Алиса как бы переносит квантовую информацию с одной стороны системы на другую.

Чатвин-Дэвис и его коллеги поняли, что могут телепортировать информацию о состоянии электрона также и из черной дыры. Предположим, Алиса плавает рядом с черной дырой со своим электроном. Она захватывает один фотон из пары, рожденной в процессе излучения Хокинга. Подобно электрону, фотон может вращаться в обоих направлениях и будет запутан с партнером-фотоном, который упал в черную дыру. Затем Алиса измеряет полный момент, или спин, черной дыры — ее размер и, грубо говоря, насколько она ровно расположена по отношению к определенной оси. Имея два этих бита информации в руках, она бросает свой электрон, теряя его навсегда.

Но Алиса может восстановить информацию о состоянии этого электрона, сообщают ученые в работе на Physical Review Letters. Все, что ей нужно сделать, это еще раз измерить спин и ориентацию черной дыры. Эти измерения затем запутывают черную дыру и падающий фотон. Они также телепортируют состояние электрона на фотон, захваченный Алисой. Таким образом, информация потерянного электрона будет извлечена в наблюдаемую Вселенную.

Чатвин-Дэвис подчеркивает, что эта схема не является планом практического эксперимента. В конце концов, от Алисы потребуется мгновенное измерение спина черной дыры, масса которой равна массе солнца. «Мы шутим, что Алиса, наверное, самый продвинутый ученый во Вселенной», говорит он.

У этой схемы есть также масса ограничений. В частности, как отмечают авторы, она работает с одной квантовой частицей, но не с двумя или больше. Это потому что в рецепте используется тот факт, что черная дыра сохраняет угловой момент, поэтому ее конечный спин равен ее начальному спину плюс спину электрона. Это позволяет Алисе извлечь ровно два бита информации — общий спин и его проекция по одной оси — и этого достаточно, чтобы определить широту и долготу квантового состояния одной частицы. Но этого недостаточно, чтобы восстановить всю информацию, захваченную черной дырой.

Чтобы действительно решить информационную проблему черной дыры, теоретикам нужно учесть сложные состояния интерьера черной дыры, говорит Стефан Лейхенхауэр, теоретик Калифорнийского университета в Беркли. «К сожалению, крупнейшие вопросы на тему черных дыр касаются именно внутренней работы, — говорит он. — Таким образом, этот протокол, безусловно интересный сам по себе, вероятно, мало что расскажет нам об информационной проблеме черной дыры».

Кроме того, проникновение вглубь черных дыр потребует квантово-механической теории гравитации. Разработка такой теории является, пожалуй, самой великой целью всей теоретической физики — десятилетиями она ускользает от физиков.