Журнал Наука и Техника (НиТ) - «Наука и Техника» [журнал для перспективной молодежи], 2007 № 09 (16)

2.1. Энтропия черных дыр

В классической физике тепловые свойства вещества обусловлены движением составляющих его материальных частиц. Например, температура воздуха связана со среднеквадратичной скоростью теплового движения его молекул. Родственное температуре понятие называется энтропия. Энтропия дает количественное выражение степени хаотичности движения составляющих системы. Законы термодинамики позволяют связать энтропию с температурой, массой и объемом, благодаря чем) ее можно рассчитать, не зная микроскопических деталей строения системы. Хокинг и Бекенштейн (Bekenstein показали, что энтропия черной дыры пропорциональна площади ее горизонта, деленной на квадрат т. н. гравитационной длины Планка Planck = 10 -33см.

Для черной дыры макроскопических размеров значение энтропии получается просто чудовищным. Однако законов термодинамики в данном случае, похоже, ничто не отменяет и они продолжают действовать даже с учетом, по сути, бесконечного «вклада» невидимых недр черной дыры в ее энтропию. Результаты эти крайне озадачивают, прежде всего, потому, что совершенно не ясно, из чего «складывается» энтропия черной дыры, поскольку никаких явных компонентов, которые своим хаотичным движением могли бы способствовать беспредельному увеличению энтропии внутри черной дыры нет. По крайней мере, мы не можем усмотреть их «снаружи», поскольку нам видится только по-настоящему «черная» дыра — бездонный провал в ткани пространства-времени, и чтобы понять, из каких «компонентов» она реально состоит, необходимо найти какие-то самые фундаментальные составные элементы, на которые можно разложить саму геометрию пространства-времени.

Крайне интересно еще и то, что энтропия черной дыры пропорциональна ее площади (квадрату радиуса), а не объему (кубу радиуса). В начале 1990-х годов Хофт (Hooft) и Зюскинд (Susskind) предположили, что в теории, объединяющей квантовую механику и гравитацию, число элементарных компонентов, необходимых для исчерпывающего описания системы, пропорционально площади окружающей поверхности, в которую она заключена. А это означает, что структура пространства-времени в корне отличается от структуры твердого тела, в котором число таких элементарных компонентов (материальных точек или атомов) возрастает пропорционально ее объему, а отнюдь не площади. С практической точки зрения такое ограничение энтропии поверхностью сферы не кажется чересчур принципиальным, однако, с теоретической точки зрения, оно приводит к коренному изменению представлений о мире, поскольку оказывается возможным описать замкнутую пространственно-временную область исключительно по поведению компонентов, расположенных на ее внешней границе.

2.2. Информационный парадокс

Мы уже отмечали, что происхождение черной дыры может быть различным, однако свойства самой дыры от этого не меняются. Обычно в физике при фазовом переходе или ином преобразовании от исходного состояния вещества зависит и конечное состояние вещества. Иногда различия едва заметны, но они присутствуют. Позвольте привести пример. Возьмем две абсолютно одинаковые тарелки, напишем на одной из них букву А, а на другой — букву Б, после чего разобьем ту и другую на мелкие кусочки. На первый взгляд результат идентичен — две груды мелких осколков на полу. Однако, тщательно изучив обе кучи битого фарфора, мы рано или поздно сумеем разобраться, на какой из исходных тарелок какая буква значилась.

А теперь предположим, что одну из этих тарелок мы бросили в черную дыру Судя по всему, что мы знаем на сегодняшний день, рано или поздно все вещество этой черной дыры вместе с остатками тарелки испарится в виде излучения Хокинга. Согласно теории Хокинга это будет чисто тепловое излучение, не зависящее от исходного состояния ни самой черной дыры, ни, тем более, попавшей в нее тарелки. То есть, мы, судя по всему, никогда не восстановим информацию о том, какая буква была изначально написана на тарелке.

Черная дыра в галактике "Circinus Dwarf"

Центром этой активной галактики является кольцо ярких звезд, что называется “ядро Сейферта”. Это значит, что сверхмассивная черная дыра всасывает в себя все окружающие газы и пыль. Галактика расположена в 13 миллионах световых лет от Земли. Поскольку галактика частично скрыта пылью нашей собственной галактики Млечный путь, ее открыли только в 1977 году.