Одна из величайших загадок современной физики, известная как «информационный парадокс чёрных дыр», возможно, наконец нашла элегантное решение, и этот ответ также может раскрыть происхождение массы фундаментальных частиц.
В 1970-х годах Стивен Хокинг с помощью расчётов, сочетающих классическую и квантовую физику, показал, что чёрные дыры на самом деле не являются абсолютно чёрными, а испускают слабое излучение, которое заставляет их постепенно сжиматься, пока они не исчезнут. Однако этот процесс вызывает огромную проблему: он, по-видимому, приводит к необратимой потере информации, нарушая принцип унитарности квантовой механики. Иными словами, законы квантовой физики утверждают, что информация не может быть уничтожена, но испарение чёрной дыры предполагает обратное.
Новое исследование, опубликованное в журнале General Relativity and Gravitation под руководством команды Ричарда Пинчака, предлагает инновационное решение, основанное на сложной геометрии пространства с дополнительными измерениями. В работе исследователи изучают феноменологические следствия теории гравитации, известной как теория Эйнштейна — Картана, сформулированной в семи измерениях на специфической математической структуре, называемой «G2-многообразием с кручением». В отличие от стандартной общей теории относительности, эта теория позволяет пространству-времени не только искривляться, но и «закручиваться» — это явление называется кручением пространства-времени.
Ключевой результат этой модели оказывается захватывающим: при экстремальных плотностях, характерных для планковского масштаба, это геометрическое кручение порождает силу отталкивания. Данная сила противодействует гравитационному коллапсу и динамически останавливает финальную стадию хокинговского испарения. В результате чёрная дыра не исчезает в ничто, а оставляет после себя стабильный «остаток», предсказанная масса которого составляет приблизительно 9×10⁻⁴¹ килограмма.
Если чёрная дыра не исчезает, что же происходит с информацией о всей материи, которая в неё упала? Исследователи предполагают, что этот стабильный остаток действует как самый настоящий архив памяти. Структура остатка обеспечивает конкретный механизм хранения информации через спектр его «квазинормальных мод». На практике квантовая информация кодируется и удерживается внутри долгоживущих «вибраций» поля кручения в геометрии остатка. Команда вычислила, что остаток, возникший из чёрной дыры с массой нашего Солнца, способен хранить невероятное количество информации — примерно 1,515×10⁷⁷ кубитов, чего ровно достаточно для разрешения парадокса. Что делает это исследование особенно интересным, так это его глубокая связь с физикой элементарных частиц. Исследователи демонстрируют, что редукция размерности (от семи до четырёх измерений нашего воспринимаемого пространства-времени) этой геометрии обеспечивает естественное происхождение электрослабого масштаба, составляющего около 246 гигаэлектронвольт. Этот масштаб знаменит своей ассоциацией с полем Хиггса, которое придаёт массу элементарным частицам. В этой теоретической рамке вакуумное ожидаемое значение, принимаемое полем кручения, динамически отождествляется с электрослабым масштабом. По сути, то самое геометрическое свойство, которое спасает чёрные дыры от исчезновения и сохраняет квантовую информацию, также предлагает чисто геометрическое объяснение проблемы иерархии масс в физике частиц.
Почему же у нас до сих пор нет доказательств существования этих дополнительных измерений? Ответ кроется в ошеломляющих энергетических масштабах. Исследователи вычислили, что частицы, связанные с этими измерениями (возбуждения Калуцы — Клейна), имеют массы около 8,6×10¹⁵ гигаэлектронвольт. Это на семь порядков превышает возможности Большого адронного коллайдера, однако «невидимость» для коллайдеров не означает «непроверяемость». Теория далека от простых спекуляций, поскольку построена на жёстких геометрических соотношениях. Теория далека от простых спекуляций, поскольку построена на жёстких геометрических соотношениях. Если модель верна, она делает конкретные, проверяемые на практике предсказания, которые можно искать в глубинах Вселенной, а не в лаборатории.
Во-первых, предсказанные исследованием стабильные остатки чёрных дыр могут быть компонентом таинственной тёмной материи. Обнаружение гравитационной сигнатуры этих «планковских реликтов» дало бы прямое доказательство теории. Кроме того, информация, закодированная в их «вибрациях», предлагает конкретную математическую основу, которая отличает эту модель от любой другой. Наконец, задействованные энергетические масштабы характерны для ранней Вселенной, а это означает, что отпечатки этой семимерной геометрии могут быть скрыты в космическом микроволновом фоне или в первичных гравитационных волнах. Устраняя разрыв между мельчайшими масштабами чёрных дыр и обширностью поля Хиггса, это исследование предполагает, что информационный парадокс может не требовать переписывания квантовой механики. Вместо этого он приглашает нас принять более глубокое, семимерное понимание самой ткани нашей реальности.