Наличие такого теплового излучения у черных дыр сразу создает две головоломки: 1) причины повышения энтропии черной дыры и 2) информационный парадокс. Попробую объяснить их смысл подробнее.
Художественное воспроизведение стадий поглощения звезды типа Солнце сверхмассивной черной дырой. Слева верху — звезда до распада, затем ее деформация, и наконец, поглощение черной дырой
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 = 10-33 см.
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.